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常州实测数据:供水管网余氯分布规律研究

  导读
  以常州市供水管网为例,通过人工取样检测水厂、补氯站、管网、二供采样点的余氯浓度,从时间和空间角度对常州市供水管网余氯分布均匀性进行了初步评估。结果表明,水厂-补氯站两级消毒方案改善了常州市政管网余氯浓度分布均匀性,应加强对冬夏两季水质敏感点的监控。同时,应综合考虑经济因素,采用增设补氯点、改造管网、改变消毒方案等方式提高供水管网余氯分布时空均匀性。
  00前言
  氯消毒是水处理工艺中最常见的消毒方式,世界卫生组织规定饮用水中余氯浓度不得超过5 mg/L。美国联邦标准没有明确规定管网中余氯浓度,但有23个州对管网中最低余氯浓度有明确规定,其中19个州要求0.20 mg/L或更高的最低游离氯浓度。例如,宾夕法尼亚州在2018年规定管网中0.20 mg/L最低游离氯或总氯浓度。欧盟标准没有明确规定管网中余氯浓度,但欧盟国家用户末梢余氯浓度一般维持在较高水平,相比之下,英格兰和威尔士地区水司一般将用户末梢余氯浓度控制在较低水平,用户末梢余氯值一般控制在1.00 mg/L以下。例如,泰晤士水司2018年出厂水余氯浓度1%百分位数(即1% ile)为0.29 mg/L,99% ile为0.94 mg/L;用户末梢余氯浓度1% ile为0.18 mg/L,99% ile为0.86 mg/L。《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)规定:出厂水中余氯限值4 mg/L,出厂水余氯含量应不低于0.30 mg/L,管网末梢水不低于0.05 mg/L。例如,上海市2018年出厂水余氯控制在0.8~1. 0 mg/L,管网平均余氯浓度0.85 mg/L。
  然而,是否应该采用氯消毒并在管网中保持剩余消毒剂一直是国际范围讨论的热点,主要针对的就是在输配过程产生消毒副产物以及余氯浓度过高影响口感这两方面问题。有研究指出,管网平均余氯浓度较出厂水下降较少,但管网末梢余氯浓度较出厂水下降较多。为了确保管网末梢余氯浓度不低于0.05 mg/L,水司一般通过增加出厂水投氯量来保证管网末梢的余氯,随着出厂水投氯量的增加,管网中消毒副产物的生成量也随之增加,管网前端过量余氯也会产生气味,增加用户投诉。增设二次加氯点是解决传统管网消毒控制难题的有效措施,目前加氯点的确定多基于经验。
  因此,合理选择消毒工艺,精准加氯,提高供水管网中余氯分布的均匀性,严格控制消毒副产物,改善余氯带来的口感问题,实现居民用水同网同质,这是供水管网管理需要解决的关键问题。本文通过人工取样分析手段,从时间和空间角度对常州市供水管网余氯分布进行了深度剖析,能够为精细消毒和精准加氯提供技术参考,从而实现管网余氯浓度平稳和管网末梢水质稳定达标。
  01研究区域概况和研究方法
  1.1 区域概况
  研究区域供水面积757 km²,供水人口200余万人,供水区域内有2座水厂,总供水能力110万m³/d,水厂消毒剂均为次氯酸钠。常州市供水管网总长度6 361.78 km,其中DN200(含)以上市政管道长度1 869.50 km,管道材质主要为铸铁管(球墨铸铁管、铸铁管)、塑料管(PVC、PE)、混凝土管(PCCP、混凝土)、钢管,其所占比例分别为69.99%、19.39%、3.37%、7.24%,管龄为1~50年。
  1.2 研究方法
  在研究区域内选取水质采样点211个,具体位置(采样点以黑点表示)如图1所示。其中,水厂取样点2个,中途补氯站取样点5个,管网取样点70个,二次供水取样点134个。
  图1 水质采样点分布
  水厂取样点位于水厂出水管上,中途补氯站取样点位于补氯站出水管上,管网取样点位于用户附近市政管道的消火栓处(一般为小区入口),二次供水取样点位于小区二次供水增压设施出水处。取样时间为2019年1-12月,检测频率为每月1次,取样前放水2~3 min,每个采样点连续采样3次,取平均值作为检测结果。余氯检测仪器为美国HACH Pocketcolorimeter Ⅱ型便携式余氯仪,检测精度为0.01 mg/L。
  02结果与分析
  2.1 管网余氯总体情况
  图2为常州市供水管网的水厂、管网、补氯站、二供的余氯分布情况。常州市供水管网采用水厂-补氯站两级消毒方案,控制出厂水余氯浓度以降低对水厂周边用户的影响,补氯站中途投氯以确保管网末梢余氯浓度达标。采样结果显示,出厂水余氯浓度0.50~0.80 mg/L,补氯站出水余氯浓度0.59~0.85 mg/L。图2中补氯站曲线位于水厂右侧,说明常州控制出厂水余氯水平低于补氯站,补氯站对提升管网余氯水平起到关键作用。采样结果显示,管网余氯浓度0.10~0.65 mg/L,二供余氯浓度0.11~0.61 mg/L,两者浓度范围相差较小,图2中二供曲线位于管网右侧,二供余氯水平略高于管网可能与采样点位置有关,二供采样点主要位于中心城区,且在补氯站供水范围内,管网采样点分布于全管网的市政管道上。
  图2 常州市供水管网余氯分布拟合曲线
  如图2所示,1%的常州出厂水取样点余氯浓度小于0.50 mg/L,高于英国泰晤士水司出厂水1%ile的0.29 mg/L,99%的常州出厂水余氯浓度小于0.80 mg/L,低于英国泰晤士水司出厂水99% ile的0.94 mg/L,说明常州出厂水余氯浓度波动范围较小,且出厂水余氯浓度主要集中在0.50~0.80 mg/L。
  99%的常州管网余氯浓度小于0.52 mg/L,99%的常州二供余氯浓度小于0.60 mg/L,两者均小于英国泰晤士水司末梢水99% ile的0.86 mg/L,说明常州供水管网整体余氯水平比英国低。1%的常州管网余氯浓度小于0.20 mg/L,1%的常州二供余氯浓度小于0.22 mg/L,两者与美国19个州管网(含末梢)余氯最低浓度0.20 mg/L基本持平,考虑到常州管网小区内余氯的衰减,常州管网末梢余氯水平整体低于美国。
  常州2019年出厂水余氯控制在0.50~0.80 mg/L,管网平均余氯浓度0.35 mg/L,上海2018年出厂水余氯控制在0.80~1.00 mg/L,管网平均余氯浓度0.85 mg/L,说明常州出厂水和管网整体余氯水平低于上海。上海和常州同属于长江流域,位于上游的常州原水氨氮浓度低,采用游离氯消毒,位于下游的上海原水氨氮浓度高,采用化合氯消毒。由于化合氯比游离氯消毒效果更持久,且上海出厂水余氯水平高于常州,因此常州管网余氯水平整体低于上海。
  2.2 温度对管网余氯分布的影响
  供水管网中余氯的消耗主要来自于水体耗氯和管壁耗氯,有研究数据表明,水体中氯的消耗与氯反应动力学、温度、加氯点及投氯量等因素有关。温度升高时,水中的细菌、微生物等繁殖速率会显著加快,代谢产物增多,为保证消毒效果所需投氯量也会相应增加。
  表1为冬夏两季水厂、补氯站、管网、二供采样点的数据统计结果。冬季1-3月,常州出厂水余氯浓度0.50~0.70 mg/L,管网余氯平均浓度0.35 mg/L;夏季7-9月,常州出厂水余氯浓度0.50~0.80 mg/L,管网余氯平均浓度0.35 mg/L。夏季出厂水余氯浓度虽然提高,但是冬夏两季管网余氯平均浓度相同,而且,管网夏季最小值更低。
  表1 冬夏两季采样点余氯浓度统计
  为了直观显示管网各管段中余氯浓度随季节变化情况,根据冬季(1月)和夏季(8月)采样点余氯浓度数据,在ArcGis中利用空间分析工具推算出每根管段的余氯浓度,并计算8月与1月余氯浓度的差值(见图3),图3中深色代表该管段8月余氯浓度比1月增加,浅色代表该管段8月余氯浓度比1月降低,管线粗细代表管径大小,管线越粗代表管径越大。
  图3 8月与1月的管网余氯浓度对比
  相比于1月,8月管网余氯浓度变化率为-40%~100%,8月二供余氯浓度变化率为-51.72%~36.59%,余氯浓度变化率较大说明温度对供水管网中余氯变化的影响明显。季节变化会造成居民用水习惯、用水量的改变,从而影响管网局部区域水力条件,使得管网余氯变化率出现正负。管网余氯浓度变化幅度最大为100%,二供余氯浓度变化幅度最大为51.72%,管网的变化幅度更大,说明水厂和补氯站的余氯调控对市政管网的影响较大,对二供增压后出水影响较小,可能是由于二供小区水箱的缓冲作用造成的。
  常州主力水厂位于北部,出厂水由两根输水干管从北向南输送。图3中位于管网下游的南部管网颜色较浅,说明8月南部管网余氯水平低于1月,主要原因为南部管网水龄较长,且夏季余氯衰减快,南部管网为水质敏感区域,应重点监控或考虑在南部管网增设补氯点。
  相比于1月,8月主力水厂周边输水干管余氯浓度下降(图3圈中所示区域),主要原因是水厂周边的乡镇用水量较小,节点水龄较长,夏季余氯衰减快,造成水厂周边局部区域余氯浓度较低。图3中管线粗细代表管径大小,从图3中可以看出,管线较细的配水支管颜色均较浅,说明夏季用户末梢余氯浓度降低较多,为水司重点监控的水质敏感点。
  2.3 水龄对管网余氯分布的影响
  水龄越长管网余氯降低越多,大型管网局部区域水龄较长,为了满足随着时间推移末梢用水点余氯浓度最低要求,常规一次性投加大量氯的方法不利于余氯在管网范围的均匀分布,设置合适的二次加氯点能够改善余氯分布的均匀性。为了研究水龄对管网余氯分布的影响,利用EPANET对管网进行水力模拟,计算管网采样点的水龄,水龄以水厂或补氯站为起点计算。由于二供采样点位于水箱后,水力模拟无法计算二供采样点的水龄,因此仅分析管网采样点数据。
  图4纵坐标从上至下按照管网采样点水龄升序排列,理论上,随着水龄增加余氯浓度逐渐降低,每列色带从上至下颜色应逐渐加深。对每月数据进行分析发现,图4中每列色带均无显著颜色渐变,说明常州管网余氯空间分布不合理。图4中,冬季1~3月黑色条纹出现12次,夏季7-9月黑色条纹出现7次,相比于其他季节出现低余氯的概率更高,因此应调整冬夏两季消毒方案,并加强冬夏两季管网水质的监控。以1月和8月为例,1月条纹颜色深的比例高,8月条纹颜色浅的比例高,说明8月管网整体余氯水平高于1月,这与夏季水厂和补氯站出水余氯浓度升高有关。
  图4 管网采样点余氯浓度全年情况
  对全年数据进行分析发现,图4监测点编码为1-40时,黑色条纹出现7次,监测点编码41-70时,黑色条纹出现24次,说明水龄较大的管网点出现低余氯的概率更高,是水质风险敏感点。以监测点57和70为例,12个月中黑色条纹均出现5次,应将这两个管网点列为水质重点监控点,或考虑改造局部管网(监测点57和70周围)。
  将管网采样点按照水龄升序排列,计算每个采样点12个月余氯浓度的均值和上下限,如图5所示,管网采样点平均水龄为10.59 h,水龄主要集中在2.59~19.03 h。从图5可以看出,随着水龄增加,各采样点余氯浓度均值呈现波动变化,变化范围基本在0.30~0.40 mg/L。补氯站下游节点水龄以补氯站为起点计算,增设补氯站降低了下游节点的水龄,提高了管网余氯浓度空间均匀性。
  图5 管网采样点水龄分析
  图5中余氯浓度上下限与均值的差值波动较大,说明季节变化对某些管网节点余氯浓度的影响较大,造成管网节点余氯浓度时间均匀性不高,因此,常州应根据温度变化进一步调整水厂和补氯站的加氯方案。
  03结论
  (1)常州市供水管网采用水厂-补氯站两级消毒方案,控制出厂水余氯水平低于补氯站,改善了市政管网余氯浓度分布均匀性。
  (2)冬夏两季供水管网余氯浓度较低,应加强对冬夏两季管网水质的监控,夏季应重点监控水龄较长的南部管网和水质敏感点。
  (3)应综合考虑经济因素,采用增设补氯点、改造管网、改变消毒方案等方式,调控受季节性变化影响较大的节点、管网末梢节点的余氯浓度,提高供水管网余氯分布均匀性,保障末端水质达标。
作者:吴雪等
来源:给水排水