供水管網(wǎng)水質(zhì)模型中余氯在主體水中的衰減情況分析*

林英姿 王 宇

(1:吉林建筑大學(xué)松遼流域水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，長春 130118;2:吉林省城市水資源與水環(huán)境修復(fù)工程實(shí)驗(yàn)室，長春 130118;3:吉林建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院，長春 130118)

目前，常規(guī)水處理工藝中最常見的消毒方式即氯消毒，其優(yōu)點(diǎn)在于價(jià)格低廉、操作簡單、效果好，因此，自來水水質(zhì)安全的一項(xiàng)重要指標(biāo)即是水中的余氯濃度．我國最新的《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)中明確規(guī)定，管網(wǎng)末梢水中余氯濃度不小于0．05mg/L．但是，供水管網(wǎng)錯(cuò)綜復(fù)雜，支管繁多，經(jīng)過消毒后的自來水流經(jīng)如此龐大的管網(wǎng)后，達(dá)到用戶處的水質(zhì)并不一定完全都能達(dá)到國家標(biāo)準(zhǔn)，這是由于管網(wǎng)中各種復(fù)雜的反應(yīng)使得余氯濃度在不同程度上有所下降．因此，確定影響因素并對其影響情況進(jìn)行分析研究，對保障飲用水的水質(zhì)安全具有重要意義．氯在供水管網(wǎng)中的衰減情況可分為主體水衰減和管壁衰減．主體水衰減是指氯與存在于自來水中的微生物、有機(jī)物和無機(jī)物等相互反應(yīng)而造成的衰減;管壁衰減是指氯與附著在管道上的微生物、沉淀物等相互反應(yīng)而引起的衰減，管壁衰減還認(rèn)為與管道本身的材質(zhì)也有一定的關(guān)系．本文主要研究余氯在主體水中的衰減情況，針對管壁衰減的情況，由于各管道的物理化學(xué)狀況不同，實(shí)際中很難對每個(gè)管段進(jìn)行實(shí)地測量研究，因此需結(jié)合編程軟件VC++6．0和EPANET［1］的編輯程序?qū)ζ溥M(jìn)行研究校正．

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1．1 實(shí)驗(yàn)儀器

便攜式余氯測試儀;標(biāo)準(zhǔn)水銀溫度計(jì);pH測試儀;總有機(jī)碳(TOC)分析儀．

1．2 實(shí)驗(yàn)方法

在供水管網(wǎng)中，影響主體水反應(yīng)的主要因素有:溫度(t)、初始氯質(zhì)量濃度(C0)、pH和TOC．本文通過研究當(dāng)其他條件相同時(shí)，改變其中的一個(gè)影響因素，求出主體水反應(yīng)系數(shù)(kb)，以確定這4個(gè)影響因素對余氯在主體水中的衰減情況有何作用．

傳統(tǒng)的余氯模擬方法將氯衰減過程視為符合一級(jí)動(dòng)力學(xué)的變化規(guī)律［2］，即:

積分可得:

則:

其中，Ct為t時(shí)刻的氯質(zhì)量濃度，mg/L;C0為初始氯質(zhì)量濃度，mg/L;t為時(shí)間，h;kb為主體水余氯衰減系數(shù)，h-1．因此，可根據(jù)公式(3)求出余氯在主體水中的衰減系數(shù)．

本次實(shí)驗(yàn)所需水樣取自A市X水廠，使用的玻璃儀器均用蒸餾水清洗干凈并自然風(fēng)干，實(shí)驗(yàn)過程中將分別只改變某一變量，以確定其對主體水余氯衰減系數(shù)kb的影響情況．

2 結(jié)果與分析

2．1 初始氯濃度的影響

投加不同量的氯，將對主體水中余氯的衰減情況有直接影響．通過改變氯的投加量，來測定不同初始濃度下的kb值．實(shí)驗(yàn)條件為:溫度為17℃，pH為7．3，TOC為2．3mg/L，向水樣中加入次氯酸鈉溶液來控制不同的初始氯質(zhì)量濃度．實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，通過曲線擬合分析發(fā)現(xiàn)，kb與C0之間呈線性關(guān)系．

由曲線可明顯看出，對于同一水樣，當(dāng)其他條件相同時(shí)，初始氯濃度越高，氯衰減速率越快;而初始氯濃度越低，氯衰減速率越慢．這是由于氯與水體中的微生物、有機(jī)物和無機(jī)物等會(huì)發(fā)生很多復(fù)雜反應(yīng)，反應(yīng)物的初始濃度影響了一些反應(yīng)的發(fā)生，在初始氯濃度高時(shí)，相對較難與氯反應(yīng)的物質(zhì)也參與了復(fù)合反應(yīng)，與初始濃度較低時(shí)相比，副反應(yīng)所造成的氯衰減速率較為明顯，所以消耗了較多的氯［3］．

圖1 初始氯濃度和衰減速率

2．2 溫度的影響

供水管網(wǎng)中，溫度的變化也會(huì)影響水中余氯的衰減速率，尤其是在北方城市，一年四季的溫度變化較大．因此，研究溫度對主體水余氯衰減情況的影響尤為重要．一般來說，可用Arrhenius方程來描述溫度t與主體水反應(yīng)系數(shù)kb的關(guān)系，即:

其中，A為與溫度無關(guān)的常數(shù);R為氣體常數(shù);E為反應(yīng)的活化能，kJ/mol;t為溫度，℃．

實(shí)驗(yàn)條件為:初始氯濃度為 0．79mg/L，pH 為 7．3，TOC為2．3mg/L，溫度由恒溫箱控制．實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示．通過曲線擬合分析發(fā)現(xiàn)，kb與t之間呈線性關(guān)系．溫度對余氯衰減速率常數(shù)的影響很明顯．在本次試驗(yàn)中，溫度從4℃升至30℃，kb值從0．020 5升至0．041 0，可見溫度越高，余氯在水中衰減的越快．

將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代人公式(4)中，求得反應(yīng)的活化能E=23 145．7J，指前因子 A=399．1，所以得到不同溫度下 kb的經(jīng)驗(yàn)公式為:

圖2 溫度和衰減速率常數(shù)的關(guān)系

值得注意的是:氯與主體水中的各種物質(zhì)之間的反應(yīng)是復(fù)雜反應(yīng)，存在多個(gè)平行反應(yīng)，所以，對于不同水源的水質(zhì)，氯在水中發(fā)生的反應(yīng)也不相同，因而，其總反應(yīng)的活化能也存在差異．

2．3 pH 的影響

本實(shí)驗(yàn)通過改變pH值的大小，來研究pH對余氯在主體水中的衰減有何影響．實(shí)驗(yàn)條件為:溫度為17℃，初始氯濃度為0．79mg/L，TOC為2．3mg/L，實(shí)驗(yàn)控制的pH值均在飲用水限制的pH范圍內(nèi)．實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，從表1中可看出，pH值從弱酸性變化到弱堿性，主體水反應(yīng)系數(shù)kb的變化并不明顯，因此，可以認(rèn)為pH的變化對主體水反應(yīng)系數(shù)kb的影響不大．

表1 pH和衰減速率常數(shù)的關(guān)系

2．4 TOC 的影響

氯在水中的消耗除了受處理工藝影響，也受到原水和處理水組分的影響．水處理過程改變了飲用水各組分的含量，從而可能改變水體對氯的消耗量．因此，建立余氯衰減模型時(shí)，很有必要找出那些反映水質(zhì)特征變化的參數(shù)．通常用TOC來衡量水中的有機(jī)物含量［4］．實(shí)驗(yàn)條件為:pH 為7．3，初始氯濃度為0．79mg/L，溫度17℃，TOC值通過加水稀釋來改變，但同時(shí)需調(diào)整pH值和初始氯濃度以保證其不變．實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示，從圖中可以看出，kb和TOC之間呈指數(shù)線性關(guān)系，關(guān)系式可表示為kb=0．011 8TOC00．3318．

在本次試驗(yàn)中，TOC 從0．75mg/L 升至2．3mg/L，kb值從0．010 9升至0．015 5，可見TOC越大，余氯在水中衰減得越快．

圖3 TOC和衰減速率常數(shù)的關(guān)系

3 結(jié)論

(1)從以上試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，構(gòu)建余氯衰減動(dòng)力學(xué)模型時(shí)可采用一級(jí)動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行模擬，模擬結(jié)果與實(shí)際吻合良好;

(2)在供水管網(wǎng)中，不同的變化因素皆會(huì)影響到余氯的衰減，溫度、初始氯質(zhì)量濃度和TOC均會(huì)對kb造成不同程度的影響，而pH對kb影響不大;

(3)經(jīng)過對影響因素的分析可得:kb與C0和t之間呈線性關(guān)系，kb與TOC之間呈指數(shù)線性關(guān)系．在建立供水管網(wǎng)的水質(zhì)模型時(shí)，若將各個(gè)水質(zhì)參數(shù)的影響都考慮在內(nèi)，則可以使模型具有較高的準(zhǔn)確度，有效地確定主體水反應(yīng)系數(shù)kb，可以使模型對水質(zhì)的模擬效果較好地接近實(shí)測值，有效地模擬實(shí)際管網(wǎng)中的水質(zhì)變化;

(4)在實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)各個(gè)管網(wǎng)的實(shí)際情況，針對不同地域的差異，測定不同的水質(zhì)參數(shù)，從而確定模型參數(shù)，使模型能夠準(zhǔn)確有效地反映實(shí)際管網(wǎng)的水質(zhì)變化．

［1］李紅艷，呂 謀，王夢琳，張坤明．供水管網(wǎng)中余氯衰減情況的試驗(yàn)研究及分析［J］．給水排水，2010，36(5):163．

［2］羅旖旎，黃賽琴，何文杰，趙洪賓，熊震湖，陰沛軍，孫雨石．余氯在主體水中衰減情況的分析［J］．哈爾濱商業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006，22(5):39．

［3］徐洪福，趙宏賓，張金松，尤作亮，任月明，王宇峰．輸配水系統(tǒng)中水體余氯的衰減規(guī)律研究［J］．中國給水排水，2003，19(8):17．

［4］周建華，趙洪賓，薛 罡．配水管網(wǎng)中與有機(jī)物反應(yīng)的余氛衰減動(dòng)力學(xué)模型［J］．環(huán)境科學(xué)，2003，24(3):45-49．