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導(dǎo)讀
以常州市供水管網(wǎng)為例，通過(guò)人工取樣檢測(cè)水廠(chǎng)、補(bǔ)氯站、管網(wǎng)、二供采樣點(diǎn)的余氯濃度，從時(shí)間和空間角度對(duì)常州市供水管網(wǎng)余氯分布均勻性進(jìn)行了初步評(píng)估。結(jié)果表明，水廠(chǎng)-補(bǔ)氯站兩級(jí)消毒方案改善了常州市政管網(wǎng)余氯濃度分布均勻性，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)冬夏兩季水質(zhì)敏感點(diǎn)的監(jiān)控。同時(shí)，應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素，采用增設(shè)補(bǔ)氯點(diǎn)、改造管網(wǎng)、改變消毒方案等方式提高供水管網(wǎng)余氯分布時(shí)空均勻性。
00前言
氯消毒是水處理工藝中最常見(jiàn)的消毒方式，世界衛(wèi)生組織規(guī)定飲用水中余氯濃度不得超過(guò)5 mg/L。美國(guó)聯(lián)邦標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有明確規(guī)定管網(wǎng)中余氯濃度，但有23個(gè)州對(duì)管網(wǎng)中最低余氯濃度有明確規(guī)定，其中19個(gè)州要求0.20 mg/L或更高的最低游離氯濃度。例如，賓夕法尼亞州在2018年規(guī)定管網(wǎng)中0.20 mg/L最低游離氯或總氯濃度。歐盟標(biāo)準(zhǔn)沒(méi)有明確規(guī)定管網(wǎng)中余氯濃度，但歐盟國(guó)家用戶(hù)末梢余氯濃度一般維持在較高水平，相比之下，英格蘭和威爾士地區(qū)水司一般將用戶(hù)末梢余氯濃度控制在較低水平，用戶(hù)末梢余氯值一般控制在1.00 mg/L以下。例如，泰晤士水司2018年出廠(chǎng)水余氯濃度1%百分位數(shù)（即1% ile）為0.29 mg/L，99% ile為0.94 mg/L；用戶(hù)末梢余氯濃度1% ile為0.18 mg/L，99% ile為0.86 mg/L。《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749-2006)規(guī)定：出廠(chǎng)水中余氯限值4 mg/L，出廠(chǎng)水余氯含量應(yīng)不低于0.30 mg/L，管網(wǎng)末梢水不低于0.05 mg/L。例如，上海市2018年出廠(chǎng)水余氯控制在0.8～1. 0 mg/L，管網(wǎng)平均余氯濃度0.85 mg/L。
然而，是否應(yīng)該采用氯消毒并在管網(wǎng)中保持剩余消毒劑一直是國(guó)際范圍討論的熱點(diǎn)，主要針對(duì)的就是在輸配過(guò)程產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物以及余氯濃度過(guò)高影響口感這兩方面問(wèn)題。有研究指出，管網(wǎng)平均余氯濃度較出廠(chǎng)水下降較少，但管網(wǎng)末梢余氯濃度較出廠(chǎng)水下降較多。為了確保管網(wǎng)末梢余氯濃度不低于0.05 mg/L，水司一般通過(guò)增加出廠(chǎng)水投氯量來(lái)保證管網(wǎng)末梢的余氯，隨著出廠(chǎng)水投氯量的增加，管網(wǎng)中消毒副產(chǎn)物的生成量也隨之增加，管網(wǎng)前端過(guò)量余氯也會(huì)產(chǎn)生氣味，增加用戶(hù)投訴。增設(shè)二次加氯點(diǎn)是解決傳統(tǒng)管網(wǎng)消毒控制難題的有效措施，目前加氯點(diǎn)的確定多基于經(jīng)驗(yàn)。
因此，合理選擇消毒工藝，精準(zhǔn)加氯，提高供水管網(wǎng)中余氯分布的均勻性，嚴(yán)格控制消毒副產(chǎn)物，改善余氯帶來(lái)的口感問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)居民用水同網(wǎng)同質(zhì)，這是供水管網(wǎng)管理需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題。本文通過(guò)人工取樣分析手段，從時(shí)間和空間角度對(duì)常州市供水管網(wǎng)余氯分布進(jìn)行了深度剖析，能夠?yàn)榫?xì)消毒和精準(zhǔn)加氯提供技術(shù)參考，從而實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)余氯濃度平穩(wěn)和管網(wǎng)末梢水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。
01研究區(qū)域概況和研究方法
1.1 區(qū)域概況
研究區(qū)域供水面積757 km2，供水人口200余萬(wàn)人，供水區(qū)域內(nèi)有2座水廠(chǎng)，總供水能力110萬(wàn)m3/d，水廠(chǎng)消毒劑均為次氯酸鈉。常州市供水管網(wǎng)總長(zhǎng)度6 361.78 km，其中DN200（含）以上市政管道長(zhǎng)度1 869.50 km，管道材質(zhì)主要為鑄鐵管（球墨鑄鐵管、鑄鐵管）、塑料管（PVC、PE）、混凝土管（PCCP、混凝土）、鋼管，其所占比例分別為69.99%、19.39%、3.37%、7.24%，管齡為1～50年。
1.2 研究方法
在研究區(qū)域內(nèi)選取水質(zhì)采樣點(diǎn)211個(gè)，具體位置（采樣點(diǎn)以黑點(diǎn)表示）如圖1所示。其中，水廠(chǎng)取樣點(diǎn)2個(gè)，中途補(bǔ)氯站取樣點(diǎn)5個(gè)，管網(wǎng)取樣點(diǎn)70個(gè)，二次供水取樣點(diǎn)134個(gè)。
圖1 水質(zhì)采樣點(diǎn)分布
水廠(chǎng)取樣點(diǎn)位于水廠(chǎng)出水管上，中途補(bǔ)氯站取樣點(diǎn)位于補(bǔ)氯站出水管上，管網(wǎng)取樣點(diǎn)位于用戶(hù)附近市政管道的消火栓處（一般為小區(qū)入口），二次供水取樣點(diǎn)位于小區(qū)二次供水增壓設(shè)施出水處。取樣時(shí)間為2019年1-12月，檢測(cè)頻率為每月1次，取樣前放水2～3 min，每個(gè)采樣點(diǎn)連續(xù)采樣3次，取平均值作為檢測(cè)結(jié)果。余氯檢測(cè)儀器為美國(guó)HACH Pocketcolorimeter Ⅱ型便攜式余氯儀，檢測(cè)精度為0.01 mg/L。
02結(jié)果與分析
2.1 管網(wǎng)余氯總體情況
圖2為常州市供水管網(wǎng)的水廠(chǎng)、管網(wǎng)、補(bǔ)氯站、二供的余氯分布情況。常州市供水管網(wǎng)采用水廠(chǎng)-補(bǔ)氯站兩級(jí)消毒方案，控制出廠(chǎng)水余氯濃度以降低對(duì)水廠(chǎng)周邊用戶(hù)的影響，補(bǔ)氯站中途投氯以確保管網(wǎng)末梢余氯濃度達(dá)標(biāo)。采樣結(jié)果顯示，出廠(chǎng)水余氯濃度0.50～0.80 mg/L，補(bǔ)氯站出水余氯濃度0.59～0.85 mg/L。圖2中補(bǔ)氯站曲線(xiàn)位于水廠(chǎng)右側(cè)，說(shuō)明常州控制出廠(chǎng)水余氯水平低于補(bǔ)氯站，補(bǔ)氯站對(duì)提升管網(wǎng)余氯水平起到關(guān)鍵作用。采樣結(jié)果顯示，管網(wǎng)余氯濃度0.10～0.65 mg/L，二供余氯濃度0.11～0.61 mg/L，兩者濃度范圍相差較小，圖2中二供曲線(xiàn)位于管網(wǎng)右側(cè)，二供余氯水平略高于管網(wǎng)可能與采樣點(diǎn)位置有關(guān)，二供采樣點(diǎn)主要位于中心城區(qū)，且在補(bǔ)氯站供水范圍內(nèi)，管網(wǎng)采樣點(diǎn)分布于全管網(wǎng)的市政管道上。
圖2 常州市供水管網(wǎng)余氯分布擬合曲線(xiàn)
如圖2所示，1%的常州出廠(chǎng)水取樣點(diǎn)余氯濃度小于0.50 mg/L，高于英國(guó)泰晤士水司出廠(chǎng)水1%ile的0.29 mg/L，99%的常州出廠(chǎng)水余氯濃度小于0.80 mg/L，低于英國(guó)泰晤士水司出廠(chǎng)水99% ile的0.94 mg/L，說(shuō)明常州出廠(chǎng)水余氯濃度波動(dòng)范圍較小，且出廠(chǎng)水余氯濃度主要集中在0.50～0.80 mg/L。
99%的常州管網(wǎng)余氯濃度小于0.52 mg/L，99%的常州二供余氯濃度小于0.60 mg/L，兩者均小于英國(guó)泰晤士水司末梢水99% ile的0.86 mg/L，說(shuō)明常州供水管網(wǎng)整體余氯水平比英國(guó)低。1%的常州管網(wǎng)余氯濃度小于0.20 mg/L，1%的常州二供余氯濃度小于0.22 mg/L，兩者與美國(guó)19個(gè)州管網(wǎng)（含末梢）余氯最低濃度0.20 mg/L基本持平，考慮到常州管網(wǎng)小區(qū)內(nèi)余氯的衰減，常州管網(wǎng)末梢余氯水平整體低于美國(guó)。
常州2019年出廠(chǎng)水余氯控制在0.50～0.80 mg/L，管網(wǎng)平均余氯濃度0.35 mg/L，上海2018年出廠(chǎng)水余氯控制在0.80～1.00 mg/L，管網(wǎng)平均余氯濃度0.85 mg/L，說(shuō)明常州出廠(chǎng)水和管網(wǎng)整體余氯水平低于上海。上海和常州同屬于長(zhǎng)江流域，位于上游的常州原水氨氮濃度低，采用游離氯消毒，位于下游的上海原水氨氮濃度高，采用化合氯消毒。由于化合氯比游離氯消毒效果更持久，且上海出廠(chǎng)水余氯水平高于常州，因此常州管網(wǎng)余氯水平整體低于上海。
2.2 溫度對(duì)管網(wǎng)余氯分布的影響
供水管網(wǎng)中余氯的消耗主要來(lái)自于水體耗氯和管壁耗氯，有研究數(shù)據(jù)表明，水體中氯的消耗與氯反應(yīng)動(dòng)力學(xué)、溫度、加氯點(diǎn)及投氯量等因素有關(guān)。溫度升高時(shí)，水中的細(xì)菌、微生物等繁殖速率會(huì)顯著加快，代謝產(chǎn)物增多，為保證消毒效果所需投氯量也會(huì)相應(yīng)增加。
表1為冬夏兩季水廠(chǎng)、補(bǔ)氯站、管網(wǎng)、二供采樣點(diǎn)的數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果。冬季1-3月，常州出廠(chǎng)水余氯濃度0.50～0.70 mg/L，管網(wǎng)余氯平均濃度0.35 mg/L；夏季7-9月，常州出廠(chǎng)水余氯濃度0.50～0.80 mg/L，管網(wǎng)余氯平均濃度0.35 mg/L。夏季出廠(chǎng)水余氯濃度雖然提高，但是冬夏兩季管網(wǎng)余氯平均濃度相同，而且，管網(wǎng)夏季最小值更低。
為了直觀顯示管網(wǎng)各管段中余氯濃度隨季節(jié)變化情況，根據(jù)冬季（1月）和夏季（8月）采樣點(diǎn)余氯濃度數(shù)據(jù)，在ArcGis中利用空間分析工具推算出每根管段的余氯濃度，并計(jì)算8月與1月余氯濃度的差值（見(jiàn)圖3），圖3中深色代表該管段8月余氯濃度比1月增加，淺色代表該管段8月余氯濃度比1月降低，管線(xiàn)粗細(xì)代表管徑大小，管線(xiàn)越粗代表管徑越大。
圖3 8月與1月的管網(wǎng)余氯濃度對(duì)比
相比于1月，8月管網(wǎng)余氯濃度變化率為-40%～100%，8月二供余氯濃度變化率為-51.72%～36.59%，余氯濃度變化率較大說(shuō)明溫度對(duì)供水管網(wǎng)中余氯變化的影響明顯。季節(jié)變化會(huì)造成居民用水習(xí)慣、用水量的改變，從而影響管網(wǎng)局部區(qū)域水力條件，使得管網(wǎng)余氯變化率出現(xiàn)正負(fù)。管網(wǎng)余氯濃度變化幅度最大為100%，二供余氯濃度變化幅度最大為51.72%，管網(wǎng)的變化幅度更大，說(shuō)明水廠(chǎng)和補(bǔ)氯站的余氯調(diào)控對(duì)市政管網(wǎng)的影響較大，對(duì)二供增壓后出水影響較小，可能是由于二供小區(qū)水箱的緩沖作用造成的。
常州主力水廠(chǎng)位于北部，出廠(chǎng)水由兩根輸水干管從北向南輸送。圖3中位于管網(wǎng)下游的南部管網(wǎng)顏色較淺，說(shuō)明8月南部管網(wǎng)余氯水平低于1月，主要原因?yàn)槟喜抗芫W(wǎng)水齡較長(zhǎng)，且夏季余氯衰減快，南部管網(wǎng)為水質(zhì)敏感區(qū)域，應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)控或考慮在南部管網(wǎng)增設(shè)補(bǔ)氯點(diǎn)。
相比于1月，8月主力水廠(chǎng)周邊輸水干管余氯濃度下降（圖3圈中所示區(qū)域），主要原因是水廠(chǎng)周邊的鄉(xiāng)鎮(zhèn)用水量較小，節(jié)點(diǎn)水齡較長(zhǎng)，夏季余氯衰減快，造成水廠(chǎng)周邊局部區(qū)域余氯濃度較低。圖3中管線(xiàn)粗細(xì)代表管徑大小，從圖3中可以看出，管線(xiàn)較細(xì)的配水支管顏色均較淺，說(shuō)明夏季用戶(hù)末梢余氯濃度降低較多，為水司重點(diǎn)監(jiān)控的水質(zhì)敏感點(diǎn)。
2.3 水齡對(duì)管網(wǎng)余氯分布的影響
水齡越長(zhǎng)管網(wǎng)余氯降低越多，大型管網(wǎng)局部區(qū)域水齡較長(zhǎng)，為了滿(mǎn)足隨著時(shí)間推移末梢用水點(diǎn)余氯濃度最低要求，常規(guī)一次性投加大量氯的方法不利于余氯在管網(wǎng)范圍的均勻分布，設(shè)置合適的二次加氯點(diǎn)能夠改善余氯分布的均勻性。為了研究水齡對(duì)管網(wǎng)余氯分布的影響，利用EPANET對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行水力模擬，計(jì)算管網(wǎng)采樣點(diǎn)的水齡，水齡以水廠(chǎng)或補(bǔ)氯站為起點(diǎn)計(jì)算。由于二供采樣點(diǎn)位于水箱后，水力模擬無(wú)法計(jì)算二供采樣點(diǎn)的水齡，因此僅分析管網(wǎng)采樣點(diǎn)數(shù)據(jù)。
圖4縱坐標(biāo)從上至下按照管網(wǎng)采樣點(diǎn)水齡升序排列，理論上，隨著水齡增加余氯濃度逐漸降低，每列色帶從上至下顏色應(yīng)逐漸加深。對(duì)每月數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，圖4中每列色帶均無(wú)顯著顏色漸變，說(shuō)明常州管網(wǎng)余氯空間分布不合理。圖4中，冬季1～3月黑色條紋出現(xiàn)12次，夏季7-9月黑色條紋出現(xiàn)7次，相比于其他季節(jié)出現(xiàn)低余氯的概率更高，因此應(yīng)調(diào)整冬夏兩季消毒方案，并加強(qiáng)冬夏兩季管網(wǎng)水質(zhì)的監(jiān)控。以1月和8月為例，1月條紋顏色深的比例高，8月條紋顏色淺的比例高，說(shuō)明8月管網(wǎng)整體余氯水平高于1月，這與夏季水廠(chǎng)和補(bǔ)氯站出水余氯濃度升高有關(guān)。
圖4 管網(wǎng)采樣點(diǎn)余氯濃度全年情況
對(duì)全年數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，圖4監(jiān)測(cè)點(diǎn)編碼為1-40時(shí)，黑色條紋出現(xiàn)7次，監(jiān)測(cè)點(diǎn)編碼41-70時(shí)，黑色條紋出現(xiàn)24次，說(shuō)明水齡較大的管網(wǎng)點(diǎn)出現(xiàn)低余氯的概率更高，是水質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)敏感點(diǎn)。以監(jiān)測(cè)點(diǎn)57和70為例，12個(gè)月中黑色條紋均出現(xiàn)5次，應(yīng)將這兩個(gè)管網(wǎng)點(diǎn)列為水質(zhì)重點(diǎn)監(jiān)控點(diǎn)，或考慮改造局部管網(wǎng)（監(jiān)測(cè)點(diǎn)57和70周?chē)?br> 將管網(wǎng)采樣點(diǎn)按照水齡升序排列，計(jì)算每個(gè)采樣點(diǎn)12個(gè)月余氯濃度的均值和上下限，如圖5所示，管網(wǎng)采樣點(diǎn)平均水齡為10.59 h，水齡主要集中在2.59～19.03 h。從圖5可以看出，隨著水齡增加，各采樣點(diǎn)余氯濃度均值呈現(xiàn)波動(dòng)變化，變化范圍基本在0.30～0.40 mg/L。補(bǔ)氯站下游節(jié)點(diǎn)水齡以補(bǔ)氯站為起點(diǎn)計(jì)算，增設(shè)補(bǔ)氯站降低了下游節(jié)點(diǎn)的水齡，提高了管網(wǎng)余氯濃度空間均勻性。
圖5 管網(wǎng)采樣點(diǎn)水齡分析
圖5中余氯濃度上下限與均值的差值波動(dòng)較大，說(shuō)明季節(jié)變化對(duì)某些管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)余氯濃度的影響較大，造成管網(wǎng)節(jié)點(diǎn)余氯濃度時(shí)間均勻性不高，因此，常州應(yīng)根據(jù)溫度變化進(jìn)一步調(diào)整水廠(chǎng)和補(bǔ)氯站的加氯方案。
03結(jié)論
（1）常州市供水管網(wǎng)采用水廠(chǎng)-補(bǔ)氯站兩級(jí)消毒方案，控制出廠(chǎng)水余氯水平低于補(bǔ)氯站，改善了市政管網(wǎng)余氯濃度分布均勻性。
（2）冬夏兩季供水管網(wǎng)余氯濃度較低，應(yīng)加強(qiáng)對(duì)冬夏兩季管網(wǎng)水質(zhì)的監(jiān)控，夏季應(yīng)重點(diǎn)監(jiān)控水齡較長(zhǎng)的南部管網(wǎng)和水質(zhì)敏感點(diǎn)。
（3）應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟(jì)因素，采用增設(shè)補(bǔ)氯點(diǎn)、改造管網(wǎng)、改變消毒方案等方式，調(diào)控受季節(jié)性變化影響較大的節(jié)點(diǎn)、管網(wǎng)末梢節(jié)點(diǎn)的余氯濃度，提高供水管網(wǎng)余氯分布均勻性，保障末端水質(zhì)達(dá)標(biāo)。
作者：吳雪等
來(lái)源：給水排水