王文哲，陈战利，苏子林，廖玉斌，唐诗辉，金宏浩，范凌，高 建，樊慧云

(南昌大学 资源环境与化工学院,江西 南昌 330031)

1 引言

水是生命之源，人类的生存也与水有着十分密切的关系，饮用水水质与人类的健康息息相关。在城镇供水系统工程中，输配水管网显得尤为重要，研究和解决给水管道的水质污染问题，保障供水水质安全，对于保障人民生命健康、提高居民生活质量和促进经济社会发展有着极为重要的意义。

管道的清洁度是水资源管理中的一个非常重要的环节，然而却常常被忽视。管道的清洁度在很大程度上决定了水质的好坏，也决定了用户的体验感受[1]。如今，城镇给水管道的水质污染严重地影响了城镇供水安全保障，供水二次污染的问题也越来越显著。经过多年的技术研究和经济投入，我国绝大多数水厂可以实现出厂水质达到国家生活饮用水水质标准《GB5749-2006》，但由于不合理的输配水管网规划和建设，加之管道管材的选用不佳、管道的使用年限过久以及缺少必要的维护，出厂水经过输配水管网后，色度、浊度增加，细菌总数超标，水质指标恶化，水质受到二次污染，当出厂水到达用户端时，水质往往达不到生活饮用水水质标准要求。因此，对给水管网二次污染的成因及其清洗技术进行研究，以保障供水水质和提高供水安全性，已成为城市供水的重要课题[2]。

2 给水管道二次污染成因

2.1 化学腐蚀

给水管道广义上的化学腐蚀包括化学腐蚀和电化学腐蚀。化学腐蚀是管道常见的质量问题，其具体成因是多种多样的，其中最主要的是金属管道与外界环境中其他化学成分进行化学反应之后被氧化或者还原造成的[3]。电化学腐蚀是金属和电解质组成原电池所发生的电解过程[4]。其腐蚀原理是金属与电解质各自作为两个电极，组成原电池，发生电解进而腐蚀金属表面。两种化学腐蚀都将破环管材原有的表面结构，形成疏松多孔的不稳定结构，管材中的铁被“释放”到水中，造成水质的污染，引发诸如“红水”“黄水”等水污染事故。

2.2 微生物腐蚀

微生物腐蚀也是导致给水管道污染的重要因素，占整个供水管道污染损失的40%。微生物腐蚀是因为微生物代谢产物与金属离子相互作用发生化学反应而产生的一种腐蚀现象[5]。它是指管道内壁因硫酸盐还原菌、铁细菌、腐生菌等腐蚀微生物的增殖以及新陈代谢而改变其某些理化性质，形成利于微生物繁殖的环境，在常年累月的运行后，沿管道内壁会形成由沉淀物、黏垢、生物膜和腐蚀物构成的“生长环”，生长环中含有大量不同种类的细菌、金属元素等，严重污染了供水管网内的水质，对人们的健康造成了很大的危害。

3 给水管道污染治理技术

3.1 冰浆清洗法

冰浆，又称液冰或泵送冰，是一种由直径不超过1mm的悬浮冰晶颗粒组成的固液两相流，几何形状复杂多变，可适应给水管道中复杂的管壁状况，其流动形式表现为“活塞状”，并且具有较为可观的剪切力[6]。冰浆清洗法是以冰浆作为清洗介质注入供水管道的清洗技术，清洗前先将上游的冲洗阀门和下游阀门关闭，然后从冰浆注入点将冰浆储罐中的冰浆注入给水管道内，冰浆在管道内形成一段柔软可形变的“冰活塞”，再打开冲洗阀门，借助上游管道水压推动冰浆前移，在移动过程中，利用冰浆与管壁之间的摩擦碰撞，破坏附着、沉积于管壁的污染物结构，使其脱离管壁随冰浆一同前移排出供水管道，实现管道的清理。

冰浆清洗法较其他传统管道清理技术具有无二次化学污染、无需开挖、耗时短，可快速恢复供水等优势。经施凯等[6]研究试验，现已成功应用于小区及市政供水管道等的清洗中。

3.2 气水脉冲清洗法

气水脉冲法是一种新型、智能的管道生长环清除技术[7]。气水脉冲清洗法以压缩空气为动力源，以水作为清洗介质，先由空气压缩机向能量转换器中输气形成高压气流，经由脉冲振荡发生器与水混合形成高速水气脉冲湍流，冲击管道内的硬性附着物和沉积物，促使其破碎脱离管壁，随水流前移从末端排污口排出 ，从而达到清洗目的[8]。

近年来，气水脉冲法的研究受到广泛关注。它解决了小管冲大管、冲洗水量不足及被冲管段地形变化较大等问题，以经济环保的优势成为当今供水企业解决管网二次污染，提高供水效率和供水水质的重要手段[9]。杨坤[10]研究发现向管道中的水流通过脉冲方式充入高压气体时，管道内的压降比不充气时增大了几十倍，表明气水脉冲能够对管道内壁的生长环产生很大的剪切力，能够很好地起到冲刷管壁硬性杂质的作用。陈广勇[11]基于流体仿真软件，对建立的气水二相流模型进行研究，确定家庭管道清洗时，最佳供气压力为0.4 MPa，供气频率设定为通气0.5 s、停气0.3 s。龚莉娣[12]通过水锤理论分析了使用气水脉冲法冲洗新建市政管道的可操作性。

气水脉冲法为纯物理清洗方法，不使用任何化学试剂，因而对后续供水无二次污染。其优点是冲击力大，效果好，耗水量低，不用开挖[13]。气水脉冲法的数值模拟以及实验室验证等研究内容近年来广受研究学者们的追捧，对于此方面的研究也已经较为完备，下一步如何将实验室的研究成果更好地应用于实际工程中，在工程实际应用中如何调整气水脉冲的各项参数，以期达到更好的清洗效果，降低清洗的运行成本及设备的可靠性，将是未来一项重要的研究方向。

3.3 管道机器人

管道机器人是指可在管道内自由移动的，可执行一系列工作任务的电、机、仪一体化装置。根据其运动形式可分为流动式、螺旋驱动式、腹壁式、轮式、蠕动式、活塞式等。不同类型的管道机器人适用于不同的工作环境，而应用于给水管道的机器人应具有一定的柔度、清理效率以及自救能力。邵琦[14]研究认为活塞式管道机器人的工作环境与自来水管的内部环境相似，并由此出发设计出了能源自给式管道清理机器人，该机器人能够通过特定机构，将管道中的水能转换为清理执行器的旋转驱动力以及机器人在管道中行走的推动力，从而实现边向前推进边清理管道的工作流程。

管道机器人作为一种自动化装置，能够代替人工实现在狭小、恶劣等依靠人力难以达到的工作环境中持续作业，且因其在输送管道内部作业，避免了人工挖掘、隔断作业方式对道路通行带来的不利影响[15]。对管道机器人的研究更新了机器人的应用范围，拓宽了给水管道的清洗思路，为保障居民生活用水安全提供了新的途径。

3.4 紫外消毒法

管道消毒方法分为化学消毒法和物理消毒法，化学消毒法一般都会产生消毒副产物，而紫外线消毒不会产生消毒副产物，因而不会造成二次污染问题[16]。紫外线消毒法通过紫外线对水的照射而进行，是一个光化学过程[17]。其消毒原理是采用适当波长、一定照射强度的紫外线对供水管道中的水进行一定时间的照射，从而破坏水中微生物机体细胞中遗传物质的分子结构，使其无法继续生长增殖污染水质，从而达到消毒杀菌、净化水质的效果。紫外线消毒装置通常用于用户端的净水处理，采用外置的方式接入供水管路中，为达到一定的紫外消杀效果，一般采用高压石英水银灯。

紫外线消毒技术自20世纪90年代末兴起以来，因其不会引发二次污染、杀菌范围广且迅速而被广大科研人员所研究。孙文俊[18]研究发现紫外线消毒对大肠杆菌、细菌总数和管网中分离的抗氯菌Sphingomonas TS001灭活效果显著。张崇淼等[19]对3种大肠杆菌的灭活效果和耐药性进行研究发现：在20 m J/cm2的紫外线辐照剂量下，大肠杆菌ATCC25922和SER2的紫外线消毒灭活效果基本相同，而大肠杆菌SER6的灭活率偏低。刘博等[20]研究表明：紫外线消毒后，存活细胞再培养生长迟滞期变长，且水中微生物丰富度下降。

与传统消毒方法相比，紫外消毒法具有不需要投加化学药剂、不产生有毒有害副产物、消毒效率高、操作简单、便于运行管理等优点，在近些年得到了飞速的发展[21]。然而，尽管紫外线消毒法在清洗给水管道方面有着诸多优点，但其在实际应用中仍然存在着一些弊端，如经紫外线照射后，管网中的余氯含量会减少，对水质安全问题方面产生了一定的隐患；紫外线照射消杀有效覆盖范围存在局限，水层厚度超过2cm对微生物消杀效果不明显等。

4 结语

城镇的供水管网系统在保证不断水的情况下给用户提供生活用水的同时，也要保证其质量符合国家对生活饮用水卫生的标准，对给水管道清洗技术的研究将在很大程度上解决供水管网二次污染问题，保障城镇居民饮用水安全。然而，要解决供水管网的二次污染问题，不能仅仅关注管道清洗技术，还应考虑管材及其配件的自身分解物、水在管网中停留中停留时间过长等因素对供水水质的破坏，采取多元化措施，“多管齐下”以彻底改善城镇供水的水质问题。

当前给水管道的清洗技术很多，但这些清洗技术都或多或少有一些局限，在价格、清洗效果、工期等要素上很难达到兼顾，未来如何将这些清洗技术更好地普及应用于城镇日常给水管网维护中，抑或是研制出更低成本、更高效、更环保无污染的清洗技术，将是未来管道清理技术研究的发展方向。