韋運(yùn)明， 呂 竹， 黃昭銘

(柳州市自來(lái)水有限責(zé)任公司，廣西柳州545006)

消毒是目前常規(guī)水處理工藝流程中的最后一道安全保障工序，合理有效的消毒對(duì)用戶獲得安全可靠的飲用水具有重要意義。氯消毒是目前國(guó)內(nèi)應(yīng)用范圍最廣的消毒手段，其不僅需要滿足出廠水的含氯要求，還需滿足管網(wǎng)中的余氯要求，以解決自來(lái)水在管道輸送中產(chǎn)生的二次污染的問題。柳州市供水管網(wǎng)總長(zhǎng)度為1 350 km，柳江水源滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)地表水Ⅲ類以上水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，部分河段達(dá)到Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。為保證出廠水余氯達(dá)到0.3 mg/L，管網(wǎng)末梢余氯達(dá)到0.03 mg/L的標(biāo)準(zhǔn)[1]，現(xiàn)采用的出廠水余氯為0.5～0.55 mg/L。在目前設(shè)計(jì)規(guī)模30×104m3/d的柳東新區(qū)水廠投入使用后，全市最高日供水量已超過80×104m3/d。為保證用戶得到符合飲用水標(biāo)準(zhǔn)的自來(lái)水，在柳州市供水系統(tǒng)中保障管網(wǎng)余氯達(dá)標(biāo)，成為一個(gè)必須長(zhǎng)期研究的課題。

1 出廠水余氯影響分析

在不考慮其他因素的影響下，分析管網(wǎng)余氯和出廠水余氯的關(guān)系。所設(shè)置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別是：1#城中友誼路來(lái)賓駐柳辦事處、2#廣西科技大學(xué)、3#柳東交警大隊(duì)、4#柳空醫(yī)院、5#柳南地區(qū)高中、6#五菱醫(yī)院、7#職教園二職校。這7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)分布于柳州的各個(gè)片區(qū)，數(shù)據(jù)較為全面。

根據(jù)2020年1月至2021年12月的各水廠出廠水余氯，將其進(jìn)行加權(quán)平均以模擬管網(wǎng)中的平均出廠水余氯值，如圖1所示。

圖1 出廠水余氯變化Fig.1 Change of residual chlorine in treated water

同時(shí)分析7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)2020年1月至2021年12月的余氯變化，如圖2所示。

圖2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)余氯變化Fig.2 Variation of residual chlorine of monitoring sites

由圖1、圖2得出7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的月平均余氯從2021年以來(lái)整體呈波動(dòng)下降的趨勢(shì)，出廠水余氯的降低直接影響了管網(wǎng)中的余氯走向[2]，但由于管網(wǎng)條件復(fù)雜，各個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)都表現(xiàn)出局部不同的影響情況。與2020年相比，2021年各個(gè)月份監(jiān)測(cè)點(diǎn)余氯的同比變化情況見表1。

表1 2021年監(jiān)測(cè)點(diǎn)余氯的變化Tab.1 Change of residual chlorine at monitoring sites in 2021 mg·L-1

在忽略測(cè)量誤差和特殊情況的條件下，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)管網(wǎng)余氯同比下降了5%～70%。柳州市自來(lái)水有限責(zé)任公司于2021年實(shí)施出廠水余氯新規(guī)定后，出廠水余氯由0.6～0.65 mg/L下降至0.5～0.55 mg/L，其整體走向符合管網(wǎng)余氯值的月平均走向。

2 其他因素影響分析

管網(wǎng)余氯直接受出廠水余氯以及是否進(jìn)行管網(wǎng)二次投氯影響，余氯太低無(wú)法滿足抑制細(xì)菌生長(zhǎng)的要求，余氯過高則會(huì)影響使用感受并增多對(duì)人體有害的消毒副產(chǎn)物[3]。但管網(wǎng)中的余氯還受其他許多因素的影響，主要有以下三方面：水力工況(主要指流速及水力停留時(shí)間)、管道屬性(如管材、管長(zhǎng))和水質(zhì)(如溫度、濁度)。

2.1 水力工況

水力工況對(duì)于管網(wǎng)余氯的影響主要體現(xiàn)在流速上，它使余氯在管網(wǎng)中的停留時(shí)間發(fā)生變化，從而影響余氯的消耗量。由于管道分布錯(cuò)綜復(fù)雜，管內(nèi)水力條件瞬息萬(wàn)變，想要獲得相應(yīng)的流速分布十分困難，故通過2020年1月至2021年12月的生產(chǎn)供水量來(lái)近似模擬整體的流速變化情況，如圖3所示。7—9月均為用水高峰期，管網(wǎng)中水的停留時(shí)間相對(duì)較短，因此余氯含量相對(duì)于用水量少的月份要高。2月的用水量在這兩年中都是最低，2021年整體供水量相對(duì)于2020年提升較為明顯。

圖3 2020年和2021年月供水量的變化Fig.3 Variation of monthly water supply in 2020 and 2021

選取了7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中的5個(gè)進(jìn)行對(duì)比分析，如圖4所示。

圖4 部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)的余氯 Fig.4 Residual chlorine of some monitoring sites

由于職教園二職校監(jiān)測(cè)點(diǎn)和柳南地區(qū)高中監(jiān)測(cè)點(diǎn)的流量受暑假因素影響較大，故對(duì)兩者進(jìn)行單獨(dú)對(duì)比，如圖5所示。

圖5 部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)的余氯Fig.5 Residual chlorine of some monitoring sites

為保證不受溫度和出廠水余氯降低對(duì)管網(wǎng)余氯的影響，選取2020年和2021年1月的余氯數(shù)據(jù)進(jìn)行同比分析，其平均溫度分別為13、11℃，平均出廠水余氯分別為0.65、0.61 mg/L。

從表2可以得出，當(dāng)用戶用水量上升時(shí)，由于水力停留時(shí)間縮短，管網(wǎng)余氯隨之上升，兩者成正相關(guān)關(guān)系。

表2 用水量和余氯的變化Tab.2 Change of water consumption and residual chlorine

2.2 管道屬性

7個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)中有6個(gè)點(diǎn)的供水管道均是球墨鑄鐵管，剩余1個(gè)點(diǎn)的供水主管是水泥管。球墨鑄鐵管具有防腐性能優(yōu)異、密封效果好的特點(diǎn)，余氯衰減速率最小[4]，故從管道長(zhǎng)度的影響進(jìn)一步研究管網(wǎng)余氯的變化情況。

為了保證結(jié)果受其他因素的影響，選用條件相似、管道長(zhǎng)度不同的4#和6#監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析。通過管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)(GIS)，測(cè)量得出兩者和柳州市供水量占比約50%的柳西水廠間的管道長(zhǎng)度分別為4 998和3 266 m，這2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)處2020年管網(wǎng)余氯對(duì)比如圖6所示。

圖6 4#和6#監(jiān)測(cè)點(diǎn)余氯Fig.6 Residual chlorine at monitoring points 4# and 6#

自2019年以來(lái)，由于柳東新區(qū)水廠的投入使用，位于柳東新區(qū)職教園的二職校由原本的管網(wǎng)末梢變?yōu)榫嚯x水廠較近的點(diǎn)。通過對(duì)比分析該點(diǎn)2018年和2019年的管網(wǎng)余氯情況(見圖7)，得出管長(zhǎng)對(duì)余氯的影響。

圖7 某監(jiān)測(cè)點(diǎn)2018年與2019年余氯對(duì)比Fig.7 Comparison of residual chlorine between 2018 and 2019 at a monitoring site

所選取的這兩個(gè)案例都基本符合越靠近管網(wǎng)末梢管網(wǎng)余氯越低的規(guī)律，因此合理控制出廠水余氯和中途站加氯，能在保證管網(wǎng)末梢飲用水安全的前提下降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率。

2.3 水質(zhì)

水質(zhì)對(duì)水中余氯的影響主要表現(xiàn)為水溫和濁度兩方面，由于各廠各月份的出廠水濁度都控制在1 NTU以內(nèi)，故只分析溫度變化帶來(lái)的影響。

水溫對(duì)自來(lái)水中余氯有多種影響方式，水溫會(huì)影響水中細(xì)菌和病毒的繁殖速率、耗氯速率，還會(huì)影響余氯的生化反應(yīng)速率。隨著水溫的升高，細(xì)菌和病毒的生長(zhǎng)繁殖大大加快[5]，代謝產(chǎn)物增加，消毒所需的氯量也相應(yīng)顯著增大。

圖8[6]中，L、Q、S為離水廠距離不同、流速不同的3個(gè)模擬取樣點(diǎn)， 7—8月管網(wǎng)中的水溫(平均溫度為28.8℃)高于9—10月(平均溫度為22.3℃)，然而9—11月管網(wǎng)水的細(xì)菌菌落總數(shù)卻很高。這可能是由于受細(xì)菌細(xì)胞壁的保護(hù)作用，溫度對(duì)細(xì)菌的生長(zhǎng)產(chǎn)生了延緩效應(yīng)，所以細(xì)菌在9—11月達(dá)到最大值。在其他月份內(nèi)的水溫相對(duì)較低(平均溫度為13.6℃)，管網(wǎng)中細(xì)菌存在水平也有較為明顯的降低。這表明當(dāng)水溫較低時(shí)，水體中細(xì)菌和病毒的生長(zhǎng)繁殖較慢，新陳代謝活動(dòng)較慢，隨著水溫升高，細(xì)菌和病毒的總數(shù)大大增加，即溫度與細(xì)菌菌落總數(shù)呈正相關(guān)關(guān)系。

圖8 溫度對(duì)管網(wǎng)菌落總數(shù)的影響Fig.8 Effect of temperature on the total number of colonies in the pipe network

水溫對(duì)管網(wǎng)余氯的影響還表現(xiàn)在對(duì)于余氯的揮發(fā)和損耗上。從圖9所示的余氯衰減曲線[7]可以看出，在10，15，24和30℃不同季節(jié)溫度下，出廠水余氯的衰減速度都是先快后慢，余氯衰減系數(shù)大小排列為：K30℃>K24℃>K15℃>K10℃。

圖9 余氯衰減規(guī)律Fig.9 Attenuation law of residual chlorine

各溫度下的余氯衰減速率都隨著溫度的升高而加快，也再次證明溫度是影響水中余氯衰減的重要因素，且二者成正相關(guān)關(guān)系。 2020年和2021年各個(gè)月份的月平均氣溫均呈倒V分布，如圖10所示。

圖10 月平均氣溫的變化Fig.10 Change of monthly average temperature

與圖4中各測(cè)點(diǎn)余氯的變化相一致，管網(wǎng)余氯在運(yùn)輸過程中的揮發(fā)程度受溫度影響較大，溫度越高，相應(yīng)的管網(wǎng)水余氯越低。因此，根據(jù)出廠水在管網(wǎng)中水力停留時(shí)間的長(zhǎng)短，可適當(dāng)依據(jù)季節(jié)溫度調(diào)整出廠水加氯量，優(yōu)化生產(chǎn)效果。即在冬季低溫條件下，控制初始投加量，節(jié)約加氯成本；在夏季高溫條件下，適當(dāng)增大投加量或者中途站補(bǔ)氯，以保障用水安全。

3 結(jié)論

① 管網(wǎng)余氯總體上受出廠水余氯直接影響，在輸送到用戶的過程中同時(shí)受多方面因素的影響，如水力停留時(shí)間、水質(zhì)情況、管材情況等，其中影響較大的是水溫和水力停留時(shí)間。溫度上升時(shí)，管網(wǎng)余氯隨之下降。水齡越長(zhǎng)，余氯值越低。

② 氣溫改變影響水溫，進(jìn)而對(duì)余氯產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)在細(xì)菌增殖和余氯衰減兩方面。為應(yīng)對(duì)夏季高溫帶來(lái)的管網(wǎng)余氯降低，可以采取提高出廠水余氯或增設(shè)中途加氯站的措施來(lái)保證用戶的用水安全，相反在溫度較低的月份可以減少加氯量來(lái)提高生產(chǎn)效益，減少運(yùn)營(yíng)成本。

③ 在濁度較低(<1 NTU)、水溫穩(wěn)定的情況下，余氯的主要影響因素為管材。管材內(nèi)壁腐蝕及脫落程度直接影響余氯。球墨鑄鐵管和經(jīng)過內(nèi)壁防腐的鋼管是市政管道較為常用且理想的管材類型。在新建、改造供水管道時(shí)，優(yōu)先使用上述兩種管材對(duì)控制管網(wǎng)余氯水平，保障管網(wǎng)末梢水質(zhì)有著重要意義。