張洪菊

(西寧市湟中區(qū)水利項(xiàng)目服務(wù)中心,青海 西寧 811600)

1 前言

每個(gè)供水公司的首要任務(wù)是確保在適當(dāng)?shù)膲毫ο?以所需的效率、最佳的細(xì)菌和物理化學(xué)參數(shù)連續(xù)生產(chǎn)、分配和輸送水。然而,盡管水凈化過程的效率很高,水處理廠出口處的水質(zhì)較高,但在分配系統(tǒng)中,水往往會(huì)受到二次污染[1]。獲得安全飲用水是一項(xiàng)基本人權(quán),對(duì)健康保護(hù)至關(guān)重要[2]。因此,預(yù)防水污染和維護(hù)供水系統(tǒng)的衛(wèi)生安全是世界衛(wèi)生組織目前的主要目標(biāo)之一[3]。對(duì)分配系統(tǒng)的適當(dāng)管理關(guān)注太少,會(huì)導(dǎo)致水在輸送給消費(fèi)者的過程中產(chǎn)生二次污染。正常工作的飲用水分配系統(tǒng),不僅應(yīng)確保進(jìn)入供水系統(tǒng)水的質(zhì)量參數(shù)正確[4],而且最重要的是應(yīng)確保飲用者的場(chǎng)所。

水分配系統(tǒng)是一個(gè)復(fù)雜的反應(yīng)器,其中可以發(fā)生物理、化學(xué)和生物過程,從而改變水的物理化學(xué)和細(xì)菌組成[5]。二次水污染的主要原因是:(1)給水管網(wǎng)的水缺乏化學(xué)和生物穩(wěn)定性;(2)水中消毒劑缺乏或數(shù)量不足;(3)當(dāng)向用戶分配水時(shí),可變的、不適當(dāng)?shù)乃l件;(4)管道損壞和故障維修[6];(5)不同取水口的水混合導(dǎo)致的變化(易受主要涉及幾個(gè)取水口供應(yīng)較大的城市);(6)在農(nóng)村自來水廠的條件下水流速度低;(7)網(wǎng)絡(luò)開發(fā)和維護(hù)不足。

上述因素可分為與水、管網(wǎng)水力、開采周期和數(shù)量、管道材料和密封,以及管網(wǎng)結(jié)構(gòu)相關(guān)的組。二次水污染通常是這些因素綜合作用的結(jié)果[7]。

根據(jù)有關(guān)規(guī)定,濁度應(yīng)小于1 NTU,濁度值超過5 NTU時(shí)會(huì)使水呈現(xiàn)顏色[8]。金屬濃度與濁度呈正相關(guān),并且隨著濁度水平的升高而增加。鑄鐵管道的腐蝕會(huì)促進(jìn)系統(tǒng)中鐵顆粒的積聚。此外,金屬被用作水處理廠中的凝結(jié)劑,以消除有機(jī)物,這些有機(jī)物的殘留濃度可能進(jìn)入分配系統(tǒng)并沉積在管道上。飲用水中這些金屬的過量存在會(huì)導(dǎo)致水變色或味道變化。

2 水質(zhì)影響因素

2.1 水的化學(xué)穩(wěn)定性

配水系統(tǒng)中水的化學(xué)穩(wěn)定性和微生物穩(wěn)定性受原水質(zhì)量和處理過程可靠性的影響。問題不在于進(jìn)入網(wǎng)絡(luò)的水質(zhì),因?yàn)樗仨毞闲l(wèi)生相關(guān)條例的參數(shù)[9]。所有供水系統(tǒng)的主要問題是在從水處理廠輸送至客戶的過程中失去水穩(wěn)定性[10]。

當(dāng)水不會(huì)導(dǎo)致沉積物(主要是碳酸鈣)沉淀時(shí),水被認(rèn)為是化學(xué)穩(wěn)定的[11]。配水系統(tǒng)中化學(xué)不穩(wěn)定水污染的主要指標(biāo)是總鐵、相關(guān)濁度、顏色和游離氯的使用[12]。

確保水中碳酸鹽—鈣平衡可以消除其水垢,例如水泥襯里,但只會(huì)減少金屬的電化學(xué)腐蝕,其過程還取決于溶解氧、其他氧化劑和溶解物質(zhì)的含量以及溫度[13]。

2.2 微生物穩(wěn)定性

生物穩(wěn)定的水不支持微生物生長(zhǎng),這與缺乏有機(jī)和無機(jī)營(yíng)養(yǎng)素有關(guān)。酸化水生環(huán)境的酶加劇了植物材料的破壞[14]。在水的化學(xué)不穩(wěn)定性影響中,金屬的電化學(xué)腐蝕在生物膜的形成中起著重要作用。其影響取決于被腐蝕金屬的類型,可能會(huì)刺激或延遲生物生長(zhǎng)的形成。第一種情況發(fā)生在腐蝕產(chǎn)物對(duì)微生物沒有毒性時(shí),第二種情況則相反。在初始生命周期中,其成分構(gòu)成營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)來源的材料有助于生物膜的形成[15]。

生物膜可以被傳統(tǒng)材料如鑄鐵、鋼或水泥制成的水管以及塑料所占據(jù)。金屬制成的管道易受微生物腐蝕,這可能會(huì)導(dǎo)致水管的流量下降。使用合成材料并不能完全保護(hù)供水系統(tǒng)免受生物膜影響。在光滑表面上形成的生物膜與定殖材料結(jié)合較少,這使得增加的流速使微生物從中沖洗出來更容易[16]。

腐蝕性材料和腐蝕產(chǎn)物消耗一定量的消毒劑,并且通過阻礙它們接觸微生物,降低失活效力[17]。生物膜形成是一個(gè)多階段的過程,一方面取決于形成生物膜的微生物的特征,另一方面也取決于定殖材料的結(jié)構(gòu)。

2.3 水的停滯

供水網(wǎng)絡(luò)中的水停滯可導(dǎo)致水質(zhì)參數(shù)變化。根據(jù)種群大小,停留時(shí)間為2～30 d不等。當(dāng)涉及到家庭飲用水系統(tǒng)時(shí),水在被消耗之前可能會(huì)在管道中進(jìn)一步停滯數(shù)小時(shí)、數(shù)天甚至數(shù)周[18]。事實(shí)上,家用管道會(huì)對(duì)水質(zhì)產(chǎn)生相當(dāng)大的影響,據(jù)報(bào)道,在家用自來水停滯后,鉛、鎘、銅和鎳的濃度增加。在分布網(wǎng)絡(luò)中,細(xì)菌生長(zhǎng)受到低營(yíng)養(yǎng)濃度、消毒劑殘留、低溫和短停留時(shí)間的限制[19]。然而,家用管道中的微生物質(zhì)量可能會(huì)發(fā)生變化,因?yàn)檩^高的溫度、較長(zhǎng)的停留時(shí)間、消毒劑殘留的耗盡以及管道材料或家庭環(huán)境中的營(yíng)養(yǎng)污染可能會(huì)導(dǎo)致細(xì)菌生長(zhǎng)。這可能會(huì)導(dǎo)致一系列問題,如飲用水中味道、氣味和顏色的劣變[20]。

3 材料和方法

這項(xiàng)工作的目的是評(píng)估供水網(wǎng)絡(luò)中選定水的物理和化學(xué)參數(shù)的變化。對(duì)進(jìn)入供水系統(tǒng)和該市8個(gè)選定控制點(diǎn)的水樣進(jìn)行分析。所取水樣的實(shí)驗(yàn)室分析參數(shù)包括:顏色;pH值;濁度;高錳酸鹽指數(shù)(CODMn);錳;總鐵含量。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)水樣采集指南采集水樣,見表1。

表1 地下原水水質(zhì)Tab.1 The quality of raw underground water

捕獲的含水層中水的特點(diǎn)是鐵和錳含量增加,濁度過高,不符合飲用水的要求。水處理過程按以下工藝順序進(jìn)行,見圖1:(1)在自然氣流的開放式滴水塔上曝氣;(2)催化床上的壓力過濾;(3)用3%次氯酸鈉溶液消毒。

圖1 水處理廠(WTP)的水處理工藝流程Fig.1 Technological sequences of water treatment at the Water Treatment Plant(WTP)

該市供水網(wǎng)絡(luò)的長(zhǎng)度約為122 km,直徑在25～300 mm之間。該市舊城區(qū)的大部分管網(wǎng)由鋼管和鉛管制成。新建部分以及連接件均由聚乙烯制成。網(wǎng)絡(luò)上有兩個(gè)儲(chǔ)備和均衡水箱,用于補(bǔ)償每小時(shí)和每天的取水不均。

4 結(jié)果和討論

表2顯示了供水網(wǎng)絡(luò)點(diǎn)中的水質(zhì)參數(shù)。在進(jìn)行測(cè)試期間,各項(xiàng)指標(biāo)的平均值分別為:顏色1.5 mgPt/dm3,濁度0.39 NTU,總鐵0.008 mg Fe/dm3,CODMn值0.2 mgO2/dm3,pH值為7.52～7.54。

研究表明,供水網(wǎng)絡(luò)中的水參數(shù)發(fā)生了變化。濁度、顏色和總鐵含量變化最大,見圖2。

表2 供水網(wǎng)絡(luò)控制點(diǎn)的水參數(shù)Tab.2 Water parameters at control points in the water supply network

使用水限值15mgPt/dm30.41.72.02.22.32.53.03.1顏色/(mgPt/dm3)1614121086420與水處理廠的距離/km(a)顏色WTPP5P1P2P6P3P7P4P8P4P7P8P6P2P1P5P3使用水限值1NTU0.41.72.02.22.32.53.03.1與水處理廠的距離/km(b)濁度濁度/NTU1.61.41.21.00.80.60.40.20.0WTPP8P6P2P1P5P3P7P4使用水限值0.2mg/dm3Fetot/(mg/dm3)0.250.200.150.100.050.00與水處理廠的距離/km(c)總鐵含量0.41.72.02.22.32.53.03.1WTPCODMn/(mg/dm3)6543210與水處理廠的距離/km(d)CODMn0.41.72.02.22.32.53.03.1WTP使用水限值5mg/dm3P5P1P2P6P3P7P4P8圖2 供水網(wǎng)絡(luò)中的水參數(shù)Fig.2 Water parameters in the water supply network

由表2和圖2數(shù)據(jù)表明,在距離水處理廠2 km或更遠(yuǎn)的點(diǎn),受控水指標(biāo)的值明顯高于距離較遠(yuǎn)的點(diǎn)。網(wǎng)絡(luò)中水的pH值增加,P6和P8中的最高值分別為7.63和7.64。CODMn范圍為0.2 mg/dm3(P1)至1.1 mg/dm3,水處理廠出口處的初始值為0.2 mg/dm3。濁度在0.44 NTU(P1)至1.5 NTU(P2)之間變化,注入網(wǎng)絡(luò)中水的初始值為0.39 NTU。3個(gè)控制點(diǎn)超過了1 NTU的允許濁度水平。水色從2.25 mgPt/dm3(P1)變化到6.00 mgPt/dm2(P2和P8)。P2的總鐵含量最高,為0.149 mg/dm3。在所有測(cè)量點(diǎn),均未超過允許值,而網(wǎng)絡(luò)中的鐵濃度比流出水處理廠的水中的鐵濃度高5～16.5倍。

分析表明,水的濁度和顏色的增加取決于總鐵濃度的增加(見圖3)。濁度增加和顏色描述方程:濁度=8.155[Feog]+0.267 2,顏色=28.998[Feog]+2.186 3。

圖3 濁度和顏色增加對(duì)總鐵濃度的依賴性Fig.3 Dependence of turbidity and colour increase on total iron concentration

研究證實(shí),電網(wǎng)和家庭連接中水質(zhì)惡化的原因是不利的材料結(jié)構(gòu)。在P2、P3和P8中發(fā)現(xiàn),所檢查的水參數(shù)增加較大,以及其濁度為1 NTU的情況下,超過了預(yù)期消耗的水的極限值,位于鋼管網(wǎng)絡(luò)上。由于管道停滯,網(wǎng)絡(luò)末端(P4和P8)點(diǎn)的水參數(shù)特性也有所增加。水質(zhì)的差異是由管道所用材料造成的。在P4點(diǎn)(聚乙烯管道),濁度、顏色、鐵和CODMn的增加較小,水沒有失去其營(yíng)養(yǎng)價(jià)值。

5 結(jié)論

在初步研究的基礎(chǔ)上,結(jié)果表明,供水系統(tǒng)中的水參數(shù)與水處理廠出水的水參數(shù)值不同。所獲得的關(guān)于水中總鐵含量、相關(guān)濁度和顏色的結(jié)果表明,配水系統(tǒng)中水的化學(xué)不穩(wěn)定性。

在濁度為1 NTU的情況下,超過了擬消耗的水的限值。二次水污染取決于網(wǎng)絡(luò)或連接的材料類型以及與水處理廠的距離。在距離水處理廠2 km或更遠(yuǎn)的地方,發(fā)現(xiàn)鋼管中的污染物濃度高于聚乙烯。