张洪菊

(西宁市湟中区水利项目服务中心,青海 西宁 811600)

1 前言

每个供水公司的首要任务是确保在适当的压力下,以所需的效率、最佳的细菌和物理化学参数连续生产、分配和输送水。然而,尽管水净化过程的效率很高,水处理厂出口处的水质较高,但在分配系统中,水往往会受到二次污染[1]。获得安全饮用水是一项基本人权,对健康保护至关重要[2]。因此,预防水污染和维护供水系统的卫生安全是世界卫生组织目前的主要目标之一[3]。对分配系统的适当管理关注太少,会导致水在输送给消费者的过程中产生二次污染。正常工作的饮用水分配系统,不仅应确保进入供水系统水的质量参数正确[4],而且最重要的是应确保饮用者的场所。

水分配系统是一个复杂的反应器,其中可以发生物理、化学和生物过程,从而改变水的物理化学和细菌组成[5]。二次水污染的主要原因是:(1)给水管网的水缺乏化学和生物稳定性;(2)水中消毒剂缺乏或数量不足;(3)当向用户分配水时,可变的、不适当的水力条件;(4)管道损坏和故障维修[6];(5)不同取水口的水混合导致的变化(易受主要涉及几个取水口供应较大的城市);(6)在农村自来水厂的条件下水流速度低;(7)网络开发和维护不足。

上述因素可分为与水、管网水力、开采周期和数量、管道材料和密封,以及管网结构相关的组。二次水污染通常是这些因素综合作用的结果[7]。

根据有关规定,浊度应小于1 NTU,浊度值超过5 NTU时会使水呈现颜色[8]。金属浓度与浊度呈正相关,并且随着浊度水平的升高而增加。铸铁管道的腐蚀会促进系统中铁颗粒的积聚。此外,金属被用作水处理厂中的凝结剂,以消除有机物,这些有机物的残留浓度可能进入分配系统并沉积在管道上。饮用水中这些金属的过量存在会导致水变色或味道变化。

2 水质影响因素

2.1 水的化学稳定性

配水系统中水的化学稳定性和微生物稳定性受原水质量和处理过程可靠性的影响。问题不在于进入网络的水质,因为它必须符合卫生相关条例的参数[9]。所有供水系统的主要问题是在从水处理厂输送至客户的过程中失去水稳定性[10]。

当水不会导致沉积物(主要是碳酸钙)沉淀时,水被认为是化学稳定的[11]。配水系统中化学不稳定水污染的主要指标是总铁、相关浊度、颜色和游离氯的使用[12]。

确保水中碳酸盐—钙平衡可以消除其水垢,例如水泥衬里,但只会减少金属的电化学腐蚀,其过程还取决于溶解氧、其他氧化剂和溶解物质的含量以及温度[13]。

2.2 微生物稳定性

生物稳定的水不支持微生物生长,这与缺乏有机和无机营养素有关。酸化水生环境的酶加剧了植物材料的破坏[14]。在水的化学不稳定性影响中,金属的电化学腐蚀在生物膜的形成中起着重要作用。其影响取决于被腐蚀金属的类型,可能会刺激或延迟生物生长的形成。第一种情况发生在腐蚀产物对微生物没有毒性时,第二种情况则相反。在初始生命周期中,其成分构成营养物质来源的材料有助于生物膜的形成[15]。

生物膜可以被传统材料如铸铁、钢或水泥制成的水管以及塑料所占据。金属制成的管道易受微生物腐蚀,这可能会导致水管的流量下降。使用合成材料并不能完全保护供水系统免受生物膜影响。在光滑表面上形成的生物膜与定殖材料结合较少,这使得增加的流速使微生物从中冲洗出来更容易[16]。

腐蚀性材料和腐蚀产物消耗一定量的消毒剂,并且通过阻碍它们接触微生物,降低失活效力[17]。生物膜形成是一个多阶段的过程,一方面取决于形成生物膜的微生物的特征,另一方面也取决于定殖材料的结构。

2.3 水的停滞

供水网络中的水停滞可导致水质参数变化。根据种群大小,停留时间为2～30 d不等。当涉及到家庭饮用水系统时,水在被消耗之前可能会在管道中进一步停滞数小时、数天甚至数周[18]。事实上,家用管道会对水质产生相当大的影响,据报道,在家用自来水停滞后,铅、镉、铜和镍的浓度增加。在分布网络中,细菌生长受到低营养浓度、消毒剂残留、低温和短停留时间的限制[19]。然而,家用管道中的微生物质量可能会发生变化,因为较高的温度、较长的停留时间、消毒剂残留的耗尽以及管道材料或家庭环境中的营养污染可能会导致细菌生长。这可能会导致一系列问题,如饮用水中味道、气味和颜色的劣变[20]。

3 材料和方法

这项工作的目的是评估供水网络中选定水的物理和化学参数的变化。对进入供水系统和该市8个选定控制点的水样进行分析。所取水样的实验室分析参数包括:颜色;pH值;浊度;高锰酸盐指数(CODMn);锰;总铁含量。

根据实验室试验水样采集指南采集水样,见表1。

表1 地下原水水质Tab.1 The quality of raw underground water

捕获的含水层中水的特点是铁和锰含量增加,浊度过高,不符合饮用水的要求。水处理过程按以下工艺顺序进行,见图1:(1)在自然气流的开放式滴水塔上曝气;(2)催化床上的压力过滤;(3)用3%次氯酸钠溶液消毒。

图1 水处理厂(WTP)的水处理工艺流程Fig.1 Technological sequences of water treatment at the Water Treatment Plant(WTP)

该市供水网络的长度约为122 km,直径在25～300 mm之间。该市旧城区的大部分管网由钢管和铅管制成。新建部分以及连接件均由聚乙烯制成。网络上有两个储备和均衡水箱,用于补偿每小时和每天的取水不均。

4 结果和讨论

表2显示了供水网络点中的水质参数。在进行测试期间,各项指标的平均值分别为:颜色1.5 mgPt/dm3,浊度0.39 NTU,总铁0.008 mg Fe/dm3,CODMn值0.2 mgO2/dm3,pH值为7.52～7.54。

研究表明,供水网络中的水参数发生了变化。浊度、颜色和总铁含量变化最大,见图2。

表2 供水网络控制点的水参数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颜色/(mgPt/dm3)1614121086420与水处理厂的距离/km(a)颜色WTPP5P1P2P6P3P7P4P8P4P7P8P6P2P1P5P3使用水限值1NTU0.41.72.02.22.32.53.03.1与水处理厂的距离/km(b)浊度浊度/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与水处理厂的距离/km(c)总铁含量0.41.72.02.22.32.53.03.1WTPCODMn/(mg/dm3)6543210与水处理厂的距离/km(d)CODMn0.41.72.02.22.32.53.03.1WTP使用水限值5mg/dm3P5P1P2P6P3P7P4P8图2 供水网络中的水参数Fig.2 Water parameters in the water supply network

由表2和图2数据表明,在距离水处理厂2 km或更远的点,受控水指标的值明显高于距离较远的点。网络中水的pH值增加,P6和P8中的最高值分别为7.63和7.64。CODMn范围为0.2 mg/dm3(P1)至1.1 mg/dm3,水处理厂出口处的初始值为0.2 mg/dm3。浊度在0.44 NTU(P1)至1.5 NTU(P2)之间变化,注入网络中水的初始值为0.39 NTU。3个控制点超过了1 NTU的允许浊度水平。水色从2.25 mgPt/dm3(P1)变化到6.00 mgPt/dm2(P2和P8)。P2的总铁含量最高,为0.149 mg/dm3。在所有测量点,均未超过允许值,而网络中的铁浓度比流出水处理厂的水中的铁浓度高5～16.5倍。

分析表明,水的浊度和颜色的增加取决于总铁浓度的增加(见图3)。浊度增加和颜色描述方程:浊度=8.155[Feog]+0.267 2,颜色=28.998[Feog]+2.186 3。

图3 浊度和颜色增加对总铁浓度的依赖性Fig.3 Dependence of turbidity and colour increase on total iron concentration

研究证实,电网和家庭连接中水质恶化的原因是不利的材料结构。在P2、P3和P8中发现,所检查的水参数增加较大,以及其浊度为1 NTU的情况下,超过了预期消耗的水的极限值,位于钢管网络上。由于管道停滞,网络末端(P4和P8)点的水参数特性也有所增加。水质的差异是由管道所用材料造成的。在P4点(聚乙烯管道),浊度、颜色、铁和CODMn的增加较小,水没有失去其营养价值。

5 结论

在初步研究的基础上,结果表明,供水系统中的水参数与水处理厂出水的水参数值不同。所获得的关于水中总铁含量、相关浊度和颜色的结果表明,配水系统中水的化学不稳定性。

在浊度为1 NTU的情况下,超过了拟消耗的水的限值。二次水污染取决于网络或连接的材料类型以及与水处理厂的距离。在距离水处理厂2 km或更远的地方,发现钢管中的污染物浓度高于聚乙烯。