何自立，趙曉華，楊建國，何 宇

(西北農(nóng)林科技大學a.水利與建筑工程學院;b.旱區(qū)農(nóng)業(yè)水土工程教育部重點實驗室，陜西 楊凌 712100)

1 研究背景

供水系統(tǒng)中，水體對供水系統(tǒng)材質(zhì)的腐蝕以及供水系統(tǒng)本身對水體的污染同時存在，不同材質(zhì)對水體的主要理化指標也存在顯著影響［1－3］。徐洪福等［4］研究表明不同材質(zhì)中氯的衰減速率不同;趙文君等［5］研究發(fā)現(xiàn)不同材質(zhì)水窖儲存的雨水其水質(zhì)有較大差異;史玉坤［6］研究表明，玻璃鋼容器影響著飲用水中的氨氮含量和化學需氧量(Chemical Oxygen Demand，COD);傅金祥［7］認為抗氧化涂層會增加水中苯類、揮發(fā)性酚類及金屬物質(zhì)的種類;張向誼等［8］以環(huán)狀生物膜掛片反應(yīng)器模擬實際管網(wǎng)研究細菌生長規(guī)律，認為聚乙烯塑料(PE)是防止微生物在供水管壁生長較為理想的管材。

農(nóng)村供水系統(tǒng)管線長、用水量小，水在調(diào)節(jié)池中停留時間較長，調(diào)節(jié)池材質(zhì)對水體水質(zhì)指標產(chǎn)生直接影響，是影響供水系統(tǒng)水質(zhì)的重要因素。本文在充分調(diào)研的基礎(chǔ)上選取工程中常用的混凝土、瓷磚、塑料和不銹鋼4種材質(zhì)做內(nèi)壁構(gòu)建模擬調(diào)節(jié)池，分別在不同環(huán)境條件下，研究各貯水材質(zhì)調(diào)節(jié)池中余氯、pH、電導(dǎo)率和溶解氧(Dissolved Oxygen，DO)隨貯存水時間的變化，明確不同材質(zhì)調(diào)節(jié)池對水質(zhì)的影響及其隨環(huán)境因素變化的時間效應(yīng)，以期為農(nóng)村供水系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計及運行管理提供一定參考。

2 材料與方法

2.1 供試調(diào)節(jié)池

選擇西部地區(qū)農(nóng)村集中供水工程中不同內(nèi)壁材質(zhì)的混凝土、瓷磚、塑料以及不銹鋼調(diào)節(jié)池(長×寬×高:100 cm×100 cm×120 cm)作為研究對象。混凝土調(diào)節(jié)池壁厚為5 cm，其中:水泥選用抗?jié)B性能較好的礦渣硅酸鹽水泥;細骨料選用細度模數(shù)為2.5、含泥量約1.5%的中粗砂;粗骨料選用3級配，含泥量約0.6%的碎石。混凝土調(diào)節(jié)池澆筑好后標準養(yǎng)護30 d。瓷磚內(nèi)壁的調(diào)節(jié)池采用水灰比為0.42的素水泥做粘合劑，將拋光磚貼于混凝土水池內(nèi)壁，瓷磚間縫隙為1 mm。塑料調(diào)節(jié)池選用壁厚為2 mm的PE塑料水槽。不銹鋼調(diào)節(jié)池選用食品級SU304材質(zhì)2 mm厚的不銹鋼板，采用氬弧焊焊接成形。為避免環(huán)境對供試調(diào)節(jié)池中的水造成二次污染，配套相同材質(zhì)的容器蓋。

2.2 供試水樣采集

供試水樣于2012年3月至8月3個階段取自戶外不同材質(zhì)調(diào)節(jié)池中，不同取樣階段水樣的日平均溫度約為5，15℃和25℃，取樣深度均為60 cm。不同材質(zhì)調(diào)節(jié)池開始儲存水1 h之內(nèi)采集水樣取樣時間定為0 h，此后 2，5，10，20，30，40，50，60，70 和80 h各取樣1次，每次重復(fù)取樣3份。

2.3 試驗參數(shù)的測定

余氯含量采用四甲基聯(lián)苯胺法(ML810智能便攜式余氯測量儀，上海米聯(lián)電子科技有限公司制造);pH值、電導(dǎo)率和溶解氧采用pH/ORP/電導(dǎo)率/溶解氧多參數(shù)測量儀(SX736型，上海三信儀表廠制造)測定，其中pH值分辨率為0.01(玻璃電極法)，電導(dǎo)率分辨率為1μs/cm(電極法)，溶解氧分辨率為0.01 mg/L(電極法)。

3 結(jié)果與分析

3.1 余氯衰減變化特征

水體中余氯衰減變化特征如圖1所示，從圖中可以看出不同材質(zhì)調(diào)節(jié)池中，余氯變化趨勢較為一致，均是隨著水停留時間的增長總體呈顯著減小，且前期衰減速率較快，后期漸漸減小。不同溫度條件下各調(diào)節(jié)池中余氯衰減速率隨溫度升高均呈現(xiàn)增加趨勢。

圖1 不同溫度下各材質(zhì)調(diào)節(jié)池水體余氯含量變化Fig.1 Variation of residual chlorine content in different regulation tanks at different temperatures

余氯在水中的衰減規(guī)律一般為單指數(shù)衰減，若反應(yīng)為一級，則可用以下方程表示:

式中:k為余氯衰減系數(shù)，C為氯在某一時刻的濃度，C0為氯的初始濃度(mg/L)，t為時間(h)。

由分析計算得出不同材質(zhì)調(diào)節(jié)池在不同溫度下的余氯衰減系數(shù)如表1所示:其中在混凝土、瓷磚、塑料和不銹鋼4種材質(zhì)的調(diào)節(jié)池中，余氯的衰減系數(shù)k值均隨溫度的升高而增加;同一溫度下，余氯衰減系數(shù)排列順序均為混凝土、塑料、瓷磚、不銹鋼，說明混凝土容器中余氯衰減最快，其次依次為塑料和瓷磚，不銹鋼容器中貯存水余氯衰減最慢。

表1 不同溫度下各材質(zhì)調(diào)節(jié)池水體中余氯的衰減系數(shù)Table 1 Attenuation coefficient of residual chlorine in different regulation tanks at different temperatures

同一材質(zhì)不同溫度條件下，余氯衰減系數(shù)隨溫度的升高而增大。余氯衰減速率隨溫度變化關(guān)系，在溫度變化不是很大情況下采用阿侖尼烏斯公式表示為

式中:k為余氯衰減系數(shù);R為摩爾氣體常量;T為熱力學溫度;Ea為表觀活化能;A為指前因子。

分析計算得出不同材質(zhì)中阿侖尼烏斯公式待定系數(shù)如表2所示，不同的反應(yīng)具有不同的活化能(Ea)，其中大小依次為不銹鋼、瓷磚、塑料和混凝土，且活化能越大，衰減速率k值越小;不同反應(yīng)Ea越大，衰減速率k隨溫度的變化率越大(表1)。不銹鋼材質(zhì)水體中余氯的衰減系數(shù)k隨溫度的變化影響較大，而混凝土材質(zhì)水體中余氯衰減系數(shù)k受溫度的變化影響較弱。

表2 阿侖尼烏斯公式中的待定系數(shù)Table 2 Undetermined coefficient of Arrhenius formula

氯作為強氧化劑，其在配水管網(wǎng)中的衰減過程受許多因素影響。本試驗通過不同溫度下不同材質(zhì)調(diào)節(jié)池對以上4種參數(shù)隨時間變化的效應(yīng)進行分析，結(jié)果表明不同溫度下，各材質(zhì)調(diào)節(jié)池中余氯會隨著水停留時間的增長均呈逐漸減小趨勢，余氯衰減速率隨溫度升高均呈現(xiàn)上升趨勢。混凝土容器中余氯衰減最快，其次為塑料和瓷磚，不銹鋼容器中水中余氯衰減最慢。以上分析表明引起余氯衰減差異的主要原因可能與不同材質(zhì)調(diào)節(jié)池的溶出物有關(guān)。對于混凝土調(diào)節(jié)池，其內(nèi)壁粗糙易形成生物膜使細菌數(shù)量增加;且其表面存在CaO和Ca(OH)2等可溶于水的化合物中并和水中的氯化物相互反應(yīng)，以上因素均可能導(dǎo)致較大的余氯消耗。

3.2 水體中pH值變化特征

不同材質(zhì)調(diào)節(jié)池中，pH值變化趨勢隨儲存水時間的增加存在上升趨勢(圖2)，不同材質(zhì)容器的pH值變化存在差異?；炷良按纱u材質(zhì)蓄水池pH值存在明顯上升趨勢，而不銹鋼材質(zhì)其pH值存在一定上升趨勢。塑料材質(zhì)蓄水池pH值未發(fā)生顯著變化。瓷磚和混凝土材質(zhì)容器中由于其能析出Ca(OH)2等堿性物質(zhì)，導(dǎo)致pH隨著時間的持續(xù)有較大的上升，而不銹鋼材質(zhì)輕微的腐蝕導(dǎo)致水體pH值上升，即發(fā)生氧化還原反應(yīng)使H+離子濃度有明顯的下降，而塑料的pH較穩(wěn)定，其小幅度的上升是由于水質(zhì)中次氯酸的消耗而導(dǎo)致。

圖2 不同溫度下各材質(zhì)調(diào)節(jié)池水體p H值變化Fig.2 Variation of p H value in different regulation tanks at different temperatures

不同材質(zhì)容器中pH隨著溫度的上升而均呈現(xiàn)下降趨勢。應(yīng)用熱力學函數(shù)與化學平衡原理推導(dǎo)出中性水體pH值與熱力學溫度(T)之間成線性關(guān)系，其兩者之間可以近似表示為

其中T為熱力學溫度。pH值的變化對水體中多個生化過程產(chǎn)生重要影響。首先水體中多種病原微生物活性對于pH值變化較為敏感，其次pH值對飲用水中的消毒劑的氧化作用產(chǎn)生顯著影響，同時某些消毒副產(chǎn)物(如溴酸鹽)的分解與轉(zhuǎn)化也與水體pH值密切相關(guān)，而且pH值的變化將直接影響管道腐蝕、溶解性鹽類的析出等。

3.3 水體中電導(dǎo)率變化特征

不同材質(zhì)的調(diào)節(jié)池中水體的電導(dǎo)率隨儲存水時間總體呈現(xiàn)增長趨勢(圖3)。其中混凝土瓷磚及不銹鋼材質(zhì)調(diào)節(jié)池電導(dǎo)率在初始階段隨時間的變化上升較快，而在后期隨時間的變化較為平穩(wěn)。塑料材質(zhì)調(diào)節(jié)池電導(dǎo)率隨時間的變化較為平穩(wěn)。不同材質(zhì)容器中電導(dǎo)率隨著溫度的上升而均呈現(xiàn)上升趨勢。且電導(dǎo)率隨溫度變化呈線性變化關(guān)系，溫度每升高1℃，電導(dǎo)率增加約2%。電導(dǎo)率的大小取決于溶液中所含離子的種類、總濃度以及溶液的溫度、黏度等因素，其反應(yīng)水中離子成分的總濃度。不同材質(zhì)容器由于理化性能不同導(dǎo)致水體電導(dǎo)率存在一定差異。混凝土調(diào)節(jié)池長期浸泡的條件下，存在微量金屬元素 Fe，Mn，Cu，Zn，Pb，As，Hg，Cr，Cd 溶出現(xiàn)象，引起電導(dǎo)率上升。雖然塑料材質(zhì)調(diào)節(jié)池電導(dǎo)率未發(fā)生顯著變化，但塑料材質(zhì)若選用不當會在水體中大量溶出甲苯、乙苯、二甲苯、甲乙苯等苯系物及三氯乙烯等化合物，且其揮發(fā)溶解周期較長，對人體存在較大潛在危害。不銹鋼材質(zhì)調(diào)節(jié)池長期浸泡后會有鉛、鉻、鎳、砷等物質(zhì)不同程度溶出，其中以鎳離子的溶出最為顯著。同時飲用水中加氯后，加速了氯離子與容器內(nèi)壁的反映速率，引起水體電導(dǎo)率上升。

圖3 不同溫度下各材質(zhì)調(diào)節(jié)池水體電導(dǎo)率變化Fig.3 Variation of conductivity in different regulation tanks at different temperatures

3.4 水體中溶解氧的變化特征

溶解氧是指溶解于水中分子狀態(tài)的氧，是水體中各種理化反應(yīng)強弱程度的直接體現(xiàn)，也是反映水體中藻類或微生物密度的重要指標。不同材質(zhì)調(diào)節(jié)池中溶解氧值隨時間的變化存在一定差異(圖4)。其中混凝土及不銹鋼材質(zhì)調(diào)節(jié)池溶解氧隨時間的變化較為平穩(wěn)，而瓷磚及塑料材質(zhì)調(diào)節(jié)池溶解氧隨時間的變化有升高的趨勢。同時，不同材質(zhì)調(diào)節(jié)池水樣溶解氧值隨溫度存在明顯變化:溫度升高，水中的溶解氧降低。

圖4 不同溫度下各材質(zhì)調(diào)節(jié)池水體溶解氧變化Fig.4 Variation of dissolved in different regulation tanks at different temperatures

不同材質(zhì)調(diào)節(jié)池對溶解氧的變化作用存在差異，體現(xiàn)在不同材質(zhì)調(diào)節(jié)池與水體相互作用過程中所產(chǎn)生的理化反應(yīng)的程度不同，混凝土及不銹鋼材質(zhì)中溶解氧的變化較為平穩(wěn)，其水體的受耗氧和富氧作用2方面影響達到平衡。而塑料及瓷磚材質(zhì)蓄水池中隨著時間增長，溶解于水中的氧氣量逐漸增大，其作用過程中富氧作用更為顯著?？傮w上各材質(zhì)調(diào)節(jié)池溶解氧隨時間變化較為平緩，無顯著變化趨勢，表明在該試驗條件下以上各種材質(zhì)中水體有機物質(zhì)含量及其分解作用較為緩慢。

4 結(jié)論與討論

以上分析成果表明不同材質(zhì)調(diào)節(jié)池由于其理化性質(zhì)的差異對于水體水質(zhì)產(chǎn)生不同影響。溫度及水體存放時間對水體余氯的衰減過程存在顯著影響，一定溫度下不同材質(zhì)調(diào)節(jié)池中貯存水余氯衰減系數(shù)由大到小依次為混凝土、塑料、瓷磚、不銹鋼，且隨著溫度的升高余氯的衰減速率加快。余氯指標與水體的各微生物特征指標緊密相關(guān)，因此為了保證水體的消毒性能應(yīng)避免選用混凝土或塑料調(diào)節(jié)池，并保證調(diào)節(jié)池具有良好的隔熱保溫能力。

混凝土及瓷磚內(nèi)壁調(diào)節(jié)池pH值隨儲存時間增加上升較為明顯，不銹鋼材質(zhì)與塑料材質(zhì)未發(fā)生顯著變化。除塑料材質(zhì)外其他材質(zhì)蓄水池電導(dǎo)率在初始階段隨時間的變化上升較快，而在后期隨時間的變化趨勢較為穩(wěn)定?；炷良安讳P鋼材質(zhì)調(diào)節(jié)池溶解氧隨時間的變化較為平穩(wěn)，而瓷磚及塑料材質(zhì)調(diào)節(jié)池溶解氧隨時間的變化有升高的趨勢。現(xiàn)有試驗條件下不銹鋼及塑料材質(zhì)具有較為優(yōu)良的性能，但在使用中應(yīng)優(yōu)先選用食品衛(wèi)生級不銹鋼或UPVC材料，并注意避光保溫等措施。若選用混凝土調(diào)水池，可加裝薄不銹鋼板襯里以防止混凝土與水直接接觸，若條件限制無法滿足，應(yīng)盡量對混凝土內(nèi)壁加貼瓷磚進行防護。

另外，在運行管理中，應(yīng)根據(jù)不同地區(qū)，不同季節(jié)生活及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)用水的變化特性，合理調(diào)節(jié)儲水量大小，既滿足用水量，又避免水停留時間過長引起水體余氯大量衰減。本文雖然對不同材質(zhì)調(diào)節(jié)池中水體的變化特征進行了初步的分析研究，但由于各種材質(zhì)其理化特性存在較大差異，其與水體和消毒劑之間的相互作用及其時間效應(yīng)較為復(fù)雜，對于不同過程之間的作用機理仍需要進一步探究。

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