淺析給水管網(wǎng)幾種清洗技術(shù)的原理及應(yīng)用

韓曉曦

（天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津市 300051）

0 前言

飲用水在輸配過程中，雖然從水廠出水的各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)已達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，但是在經(jīng)過供水管網(wǎng)被輸送到用戶處的過程中，水會(huì)在管網(wǎng)中有一定的滯留時(shí)間。在這期間，管網(wǎng)中的水會(huì)相繼發(fā)生各種復(fù)雜的物理化學(xué)變化，沿管道內(nèi)壁會(huì)形成由沉淀物、銹蝕物、黏垢以及生物膜相互結(jié)合構(gòu)成的“生長(zhǎng)環(huán)”。給水管網(wǎng)在運(yùn)行過程中，一旦由于突發(fā)事故導(dǎo)致管網(wǎng)內(nèi)水力條件突變時(shí)，在水流的作用下，其內(nèi)部的“生長(zhǎng)環(huán)”則會(huì)部分脫落，從而容易出現(xiàn)“黃水”、“黑水”的現(xiàn)象，造成給水管網(wǎng)水質(zhì)二次污染?！吧L(zhǎng)環(huán)”的出現(xiàn)還會(huì)降低管道的有效直徑，致使管道的摩阻和水頭損失增大，造成管網(wǎng)末端水量和水壓的不足。不僅如此，“生長(zhǎng)環(huán)”還加劇了對(duì)余氯的消耗，降低了管道內(nèi)的殺菌效果。為了保障正常供水，滿足日常的生產(chǎn)和生活的需求，水廠出水位置水泵的揚(yáng)程就需要相應(yīng)提高，從而使供水電耗也隨之增大，對(duì)供水企業(yè)造成一定經(jīng)濟(jì)損失。

1 減輕給水管網(wǎng)二次污染的必要性

一方面，《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》（GB 5749—2006）對(duì)供水水質(zhì)的保障做了相應(yīng)的明確規(guī)定，把“龍頭水”作為水質(zhì)的主要評(píng)價(jià)點(diǎn)，這就要求我們加強(qiáng)對(duì)供水管網(wǎng)清潔、安全的管理；另一方面，根據(jù)《給水排水管道工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50268—2008）要求，新排管道在并網(wǎng)運(yùn)行前需進(jìn)行沖洗消毒工作以保障管網(wǎng)內(nèi)的水質(zhì)。管網(wǎng)中發(fā)生的水質(zhì)二次污染具有滯后性[1]，供水企業(yè)解決管網(wǎng)水質(zhì)二次污染的方法十分有限，諸如更換管道和修復(fù)管道等，不僅需要花費(fèi)較大的人力、物力和財(cái)力，并且影響管網(wǎng)的正常供水。對(duì)給水管網(wǎng)進(jìn)行定期沖洗，不但能大大改善管網(wǎng)的水質(zhì)，而且與其他方法相比所需的投入較少，基本上不影響供水。

2 改善給水管網(wǎng)水質(zhì)的主要方法

對(duì)于改善管道二次污染的現(xiàn)象，抑制或去除管道內(nèi)的“生長(zhǎng)環(huán)”，國(guó)內(nèi)外有許多不同的方法和手段，其中主要分為“控制”和“清除”兩大方向[2]。首先，控制管道內(nèi)二次污染和“生長(zhǎng)環(huán)”的生長(zhǎng)，可以通過調(diào)節(jié)控制pH值來實(shí)現(xiàn)。pH值對(duì)水中細(xì)菌生長(zhǎng)影響較大，其適宜生長(zhǎng)環(huán)境一般在5.0

3 國(guó)內(nèi)外管網(wǎng)清洗技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

對(duì)于徹底清除給水管網(wǎng)中的“生長(zhǎng)環(huán)”，有化學(xué)方法和物理方法之分。化學(xué)方法由于具有成本高、效率低、安全性低和清洗不徹底等特點(diǎn)，因此不能在城市管網(wǎng)中普及使用。物理清洗法由于相對(duì)化學(xué)方法具有簡(jiǎn)便易行、成本低、種類多和對(duì)正常供水影響小等特點(diǎn)，在我國(guó)和其他國(guó)家已被廣泛使用和普及。物理清洗法主要分為單向沖洗法、高壓射流法、機(jī)械刮管法和氣壓脈沖清洗法四大類[3]。

（1）單向沖洗法

管道沖洗技術(shù)被認(rèn)為是保持配水系統(tǒng)水質(zhì)管理過程中最有效的方法之一。管道沖洗不僅僅歷史悠久，而且和其他技術(shù)相比具有成本低、高效等特點(diǎn)。這不僅有助于去除沉積在管道內(nèi)的泥沙和結(jié)垢，消除臭味，降低濁度，還能保證消毒劑殘余量，提供一個(gè)對(duì)控制微生物生長(zhǎng)更好的途徑。管道沖洗不僅被用來對(duì)出現(xiàn)嚴(yán)重腐蝕和污染的事故管段進(jìn)行應(yīng)急處理，還可以從長(zhǎng)遠(yuǎn)規(guī)劃，定時(shí)沖洗管段，防止水質(zhì)二次污染。

該方法的缺點(diǎn)是每次沖洗需要大量的用水，并且在對(duì)大管徑管道進(jìn)行沖洗時(shí)，由于很難達(dá)到所需的流速，因而不適宜采用。一般來說，單向沖洗法的沖洗流速一般控制在管道水流速大于1.8 m/s，可以有效去除附著在管道內(nèi)壁的“生長(zhǎng)環(huán)”[4]。

（2）高壓射流法

高壓射流沖洗法在近幾年發(fā)展十分迅速，隨著清洗設(shè)備不斷的智能化和自定義功能的開拓，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在各個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。這種方法將水作為沖洗介質(zhì)，通過對(duì)噴嘴形狀的選擇和增壓裝置的共同作用能產(chǎn)生成束狀的高速水射流，水中具有很高的能量密度[5]。該方法與電子束、激光束和等離子束統(tǒng)稱為高能粒子處理技術(shù)，但是與其他3種技術(shù)的區(qū)別是，高壓水射流技術(shù)是唯一的冷切割技術(shù)。高壓水射流沖洗法不但可以切割各種金屬、非金屬和塑料材質(zhì)的物體，并且不會(huì)損害材料本身的物理和機(jī)械性能。該技術(shù)可以將管道內(nèi)壁的沉積物完全去除，使其表面光滑干凈，不需任何化學(xué)藥劑，效率高而且環(huán)保。在給水管網(wǎng)清洗應(yīng)用中，高壓水射流一次性沖洗管段的最大長(zhǎng)度約為400 m左右，實(shí)際工程中需要采用超高壓設(shè)備來實(shí)現(xiàn)，并且對(duì)參與工作人員的安全知識(shí)和防護(hù)設(shè)施具有一定要求。

（3）機(jī)械刮管法

管道內(nèi)壁“生長(zhǎng)環(huán)”的堅(jiān)硬垢狀物可用機(jī)械刮管的方式將其去除。當(dāng)今主要使用的一種刮管方法稱作彈性沖管器法（Poly-Pig）。該技術(shù)是利用充氣的特制工具來刮掉管壁上附著的堅(jiān)硬固體，通過選用不同的清管器，可以針對(duì)不同硬度的銹蝕部分或者結(jié)垢部分進(jìn)行清洗，具有節(jié)水和效率高的特點(diǎn)。該方法的清垢原理一部分是靠清管器對(duì)管壁的磨擦和卷掃作用，使結(jié)垢和銹蝕脫離管壁；其次是清管器經(jīng)過的瞬間以及之后一段時(shí)間內(nèi)，管道中水產(chǎn)生的沖刷作用可以將沒有刮下來的頑固部分進(jìn)行二次沖洗，將細(xì)小的碎片一起卷入水中，隨水流方向排出管外，從而完成一次完整的沖洗過程。這種方法由于對(duì)管道內(nèi)壁的防護(hù)層傷害較大，再次通水很有可能加速腐蝕，因此一般與管道涂襯技術(shù)聯(lián)合使用。在清管器徹底清完管段后，可以在管道內(nèi)壁附加水泥砂漿襯里或者環(huán)氧樹脂，增加管道的耐磨性、柔軟性和物理性能的保障，減少腐蝕發(fā)生的機(jī)會(huì)[6]。

（4）氣水脈沖清洗法

氣水脈沖法是哈爾濱工業(yè)大學(xué)給水排水系統(tǒng)研究所提出的一種新的給水管網(wǎng)沖洗技術(shù)。通過搭建的一套試驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行多次試驗(yàn)，得到一些試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為現(xiàn)場(chǎng)沖洗試驗(yàn)奠定了一定的基礎(chǔ)。該技術(shù)于2008年獲得國(guó)家專利。氣水脈沖清洗給水管網(wǎng)的原理類似于空化現(xiàn)象，當(dāng)流體在有壓力存在的情況下，其內(nèi)部的大氣泡和空腔發(fā)生爆裂，從而成為振動(dòng)源。這種現(xiàn)象能夠在流體內(nèi)部產(chǎn)生比較強(qiáng)烈的聲波，進(jìn)而會(huì)交替產(chǎn)生壓縮和擴(kuò)張，出現(xiàn)可爆裂的氣泡。當(dāng)這種氣泡在固體表面附近位置形成時(shí)，例如管內(nèi)壁表面，空化泡將會(huì)形成一個(gè)流速大于110 m/s的指向固體表面的液體射流[7]?？栈菰谄屏训臅r(shí)候會(huì)產(chǎn)生巨大的能量，并且集中作用在很多非常小的面積上，這會(huì)導(dǎo)致局部區(qū)域產(chǎn)生很高的應(yīng)力，固體表面受到射流的巨大沖擊作用。由于射流作用產(chǎn)生的波以高速度和高壓力作用于固體表面，管內(nèi)壁因這種高強(qiáng)作用而能夠被徹底地清洗。由于不使用任何化學(xué)試劑，該種方法被認(rèn)為是純物理清洗，對(duì)水質(zhì)無污染。

在實(shí)際工程中，氣水脈沖沖洗技術(shù)可以有效對(duì)給水管道“生長(zhǎng)環(huán)”進(jìn)行清除，沖洗后濁度和余氯等水質(zhì)指標(biāo)均達(dá)到國(guó)家飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。它解決了小管沖大管、沖洗水量不足及被沖管段地形變化較大等問題，以經(jīng)濟(jì)環(huán)保的優(yōu)勢(shì)成為當(dāng)今供水企業(yè)解決管網(wǎng)二次污染，提高供水效率和供水水質(zhì)的重要手段。

4 結(jié)語

隨著城市化的速度逐漸加快，管網(wǎng)的二次污染問題越加顯著，從而導(dǎo)致城市供水企業(yè)的負(fù)荷加大，水質(zhì)污染、供水不足以及能耗增加等重大問題都成為不能滿足現(xiàn)代化社會(huì)供水需求和發(fā)展的障礙。眾所周知，解決管網(wǎng)二次污染最有效的方法即對(duì)給水管網(wǎng)定期進(jìn)行更新?lián)Q代[8,9]，但由于工程量繁重，投資巨大，工期長(zhǎng)等特點(diǎn)使得該方法在短期內(nèi)難以進(jìn)行。與此同時(shí)，管網(wǎng)管道的清洗技術(shù)已成為解決給水管網(wǎng)二次污染，去除管道內(nèi)部各種結(jié)垢、腐蝕的既經(jīng)濟(jì)有效又僅需較少人力物力即可完成的一項(xiàng)成熟的技術(shù)。

[1]焦文海.關(guān)于水質(zhì)維護(hù)的管網(wǎng)沖洗研究 [D].天津：天津大學(xué),2005.

[2]李欣,王郁萍,齊晶瑤,等.給水管道生長(zhǎng)環(huán)的沖洗與防治[J].哈爾濱建筑大學(xué)學(xué)報(bào),2002(6):30-32.

[3]Campbell SA,Fairfield CA.An Overview of The Various Techniques Used in Routine Cleaning and Maintenance of Clay,Concrete and Plastic Drains[J].Construction and Building Materials,2008,22(1):50-60.

[4]童禎恭,劉遂慶,陶濤.供水管網(wǎng)清洗技術(shù)及其應(yīng)用[J].中國(guó)給水排水,2004(8):27-30.

[5]楊宏濤,叢蘋,周榮敏.城市給水管網(wǎng)腐蝕機(jī)理及防護(hù)措施[J].管道技術(shù)與設(shè)備,2008(3):50-51.

[6]蔣興橋,宋華東,張?chǎng)┨?Pig清洗技術(shù)的研究及應(yīng)用 [J].清洗世界,2006(5):13-15.

[7]夏寶瑩,劉望,鄭金豹,等.空化射流清洗技術(shù)及其在水下設(shè)施清洗中的應(yīng)用[J].油氣儲(chǔ)運(yùn),2011(10):729-731.

[8]孫斌.供水管網(wǎng)水質(zhì)污染的原因及對(duì)陳舊管網(wǎng)更新改造[J].凈水技術(shù),2003(4):42-44.

[9]陳寅,陳國(guó)光.上海城市供水管網(wǎng)水質(zhì)的調(diào)查分析 [J].中國(guó)給水排水,2002(7):32-34.