林英姿 王 宇

(1:吉林建筑大学松辽流域水环境教育部重点实验室，长春 130118;2:吉林省城市水资源与水环境修复工程实验室，长春 130118;3:吉林建筑大学市政与环境工程学院，长春 130118)

目前，常规水处理工艺中最常见的消毒方式即氯消毒，其优点在于价格低廉、操作简单、效果好，因此，自来水水质安全的一项重要指标即是水中的余氯浓度．我国最新的《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)中明确规定，管网末梢水中余氯浓度不小于0．05mg/L．但是，供水管网错综复杂，支管繁多，经过消毒后的自来水流经如此庞大的管网后，达到用户处的水质并不一定完全都能达到国家标准，这是由于管网中各种复杂的反应使得余氯浓度在不同程度上有所下降．因此，确定影响因素并对其影响情况进行分析研究，对保障饮用水的水质安全具有重要意义．氯在供水管网中的衰减情况可分为主体水衰减和管壁衰减．主体水衰减是指氯与存在于自来水中的微生物、有机物和无机物等相互反应而造成的衰减;管壁衰减是指氯与附着在管道上的微生物、沉淀物等相互反应而引起的衰减，管壁衰减还认为与管道本身的材质也有一定的关系．本文主要研究余氯在主体水中的衰减情况，针对管壁衰减的情况，由于各管道的物理化学状况不同，实际中很难对每个管段进行实地测量研究，因此需结合编程软件VC++6．0和EPANET［1］的编辑程序对其进行研究校正．

1 实验材料与方法

1．1 实验仪器

便携式余氯测试仪;标准水银温度计;pH测试仪;总有机碳(TOC)分析仪．

1．2 实验方法

在供水管网中，影响主体水反应的主要因素有:温度(t)、初始氯质量浓度(C0)、pH和TOC．本文通过研究当其他条件相同时，改变其中的一个影响因素，求出主体水反应系数(kb)，以确定这4个影响因素对余氯在主体水中的衰减情况有何作用．

传统的余氯模拟方法将氯衰减过程视为符合一级动力学的变化规律［2］，即:

积分可得:

则:

其中，Ct为t时刻的氯质量浓度，mg/L;C0为初始氯质量浓度，mg/L;t为时间，h;kb为主体水余氯衰减系数，h-1．因此，可根据公式(3)求出余氯在主体水中的衰减系数．

本次实验所需水样取自A市X水厂，使用的玻璃仪器均用蒸馏水清洗干净并自然风干，实验过程中将分别只改变某一变量，以确定其对主体水余氯衰减系数kb的影响情况．

2 结果与分析

2．1 初始氯浓度的影响

投加不同量的氯，将对主体水中余氯的衰减情况有直接影响．通过改变氯的投加量，来测定不同初始浓度下的kb值．实验条件为:温度为17℃，pH为7．3，TOC为2．3mg/L，向水样中加入次氯酸钠溶液来控制不同的初始氯质量浓度．实验结果如图1所示，通过曲线拟合分析发现，kb与C0之间呈线性关系．

由曲线可明显看出，对于同一水样，当其他条件相同时，初始氯浓度越高，氯衰减速率越快;而初始氯浓度越低，氯衰减速率越慢．这是由于氯与水体中的微生物、有机物和无机物等会发生很多复杂反应，反应物的初始浓度影响了一些反应的发生，在初始氯浓度高时，相对较难与氯反应的物质也参与了复合反应，与初始浓度较低时相比，副反应所造成的氯衰减速率较为明显，所以消耗了较多的氯［3］．

图1 初始氯浓度和衰减速率

2．2 温度的影响

供水管网中，温度的变化也会影响水中余氯的衰减速率，尤其是在北方城市，一年四季的温度变化较大．因此，研究温度对主体水余氯衰减情况的影响尤为重要．一般来说，可用Arrhenius方程来描述温度t与主体水反应系数kb的关系，即:

其中，A为与温度无关的常数;R为气体常数;E为反应的活化能，kJ/mol;t为温度，℃．

实验条件为:初始氯浓度为 0．79mg/L，pH 为 7．3，TOC为2．3mg/L，温度由恒温箱控制．实验结果如图2所示．通过曲线拟合分析发现，kb与t之间呈线性关系．温度对余氯衰减速率常数的影响很明显．在本次试验中，温度从4℃升至30℃，kb值从0．020 5升至0．041 0，可见温度越高，余氯在水中衰减的越快．

将实验数据代人公式(4)中，求得反应的活化能E=23 145．7J，指前因子 A=399．1，所以得到不同温度下 kb的经验公式为:

图2 温度和衰减速率常数的关系

值得注意的是:氯与主体水中的各种物质之间的反应是复杂反应，存在多个平行反应，所以，对于不同水源的水质，氯在水中发生的反应也不相同，因而，其总反应的活化能也存在差异．

2．3 pH 的影响

本实验通过改变pH值的大小，来研究pH对余氯在主体水中的衰减有何影响．实验条件为:温度为17℃，初始氯浓度为0．79mg/L，TOC为2．3mg/L，实验控制的pH值均在饮用水限制的pH范围内．实验结果如表1所示，从表1中可看出，pH值从弱酸性变化到弱碱性，主体水反应系数kb的变化并不明显，因此，可以认为pH的变化对主体水反应系数kb的影响不大．

表1 pH和衰减速率常数的关系

2．4 TOC 的影响

氯在水中的消耗除了受处理工艺影响，也受到原水和处理水组分的影响．水处理过程改变了饮用水各组分的含量，从而可能改变水体对氯的消耗量．因此，建立余氯衰减模型时，很有必要找出那些反映水质特征变化的参数．通常用TOC来衡量水中的有机物含量［4］．实验条件为:pH 为7．3，初始氯浓度为0．79mg/L，温度17℃，TOC值通过加水稀释来改变，但同时需调整pH值和初始氯浓度以保证其不变．实验结果如图3所示，从图中可以看出，kb和TOC之间呈指数线性关系，关系式可表示为kb=0．011 8TOC00．3318．

在本次试验中，TOC 从0．75mg/L 升至2．3mg/L，kb值从0．010 9升至0．015 5，可见TOC越大，余氯在水中衰减得越快．

图3 TOC和衰减速率常数的关系

3 结论

(1)从以上试验数据可知，构建余氯衰减动力学模型时可采用一级动力学模型进行模拟，模拟结果与实际吻合良好;

(2)在供水管网中，不同的变化因素皆会影响到余氯的衰减，温度、初始氯质量浓度和TOC均会对kb造成不同程度的影响，而pH对kb影响不大;

(3)经过对影响因素的分析可得:kb与C0和t之间呈线性关系，kb与TOC之间呈指数线性关系．在建立供水管网的水质模型时，若将各个水质参数的影响都考虑在内，则可以使模型具有较高的准确度，有效地确定主体水反应系数kb，可以使模型对水质的模拟效果较好地接近实测值，有效地模拟实际管网中的水质变化;

(4)在实际应用中，应根据各个管网的实际情况，针对不同地域的差异，测定不同的水质参数，从而确定模型参数，使模型能够准确有效地反映实际管网的水质变化．

［1］李红艳，吕 谋，王梦琳，张坤明．供水管网中余氯衰减情况的试验研究及分析［J］．给水排水，2010，36(5):163．

［2］罗旖旎，黄赛琴，何文杰，赵洪宾，熊震湖，阴沛军，孙雨石．余氯在主体水中衰减情况的分析［J］．哈尔滨商业大学学报(自然科学版)，2006，22(5):39．

［3］徐洪福，赵宏宾，张金松，尤作亮，任月明，王宇峰．输配水系统中水体余氯的衰减规律研究［J］．中国给水排水，2003，19(8):17．

［4］周建华，赵洪宾，薛 罡．配水管网中与有机物反应的余氛衰减动力学模型［J］．环境科学，2003，24(3):45-49．