管網(wǎng)消毒、清洗、非開挖修復(fù)診斷與評(píng)估技術(shù)

劉辛悅，沈玉瓊，楊 坤，翁 杰，朱佳華，白曉慧

(1上海城市水資源開發(fā)利用國(guó)家工程中心有限公司，上海 200082；2 上海城投水務(wù)<集團(tuán)>有限公司，上海 200002；3上海交通大學(xué)生命科學(xué)技術(shù)學(xué)院，微生物代謝國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200240)

1 研究背景

西南五區(qū)(青浦、松江、金山、奉賢、閔行5個(gè)區(qū))供水管網(wǎng)長(zhǎng)度約為10 560 km?！笆濉逼陂g，郊區(qū)供水管網(wǎng)基本形成分片集約的供水格局，全市供水安全保障能力得到進(jìn)一步加強(qiáng)。供水企業(yè)對(duì)管齡較長(zhǎng)、易爆易漏、材質(zhì)較差的供水管網(wǎng)進(jìn)行更新改造，結(jié)合金山、青浦水廠等新建及擴(kuò)建工程，累計(jì)敷設(shè)DN500以上管道約350 km，改建DN300以下小口徑管網(wǎng)約2 200 km。雖然供水管網(wǎng)基礎(chǔ)設(shè)施已得到進(jìn)一步完善，但管網(wǎng)生物風(fēng)險(xiǎn)與水質(zhì)調(diào)控亟待加強(qiáng)。隨著西南五區(qū)水源取水口歸并，水廠集約化，導(dǎo)致供水管網(wǎng)輸配距離增加，停留時(shí)間延長(zhǎng)，流速慢，供水管網(wǎng)生物風(fēng)險(xiǎn)大幅提升。

管網(wǎng)消毒、清洗、非開挖修復(fù)診斷與評(píng)估關(guān)鍵技術(shù)研究術(shù)語(yǔ)國(guó)家科技重大專項(xiàng)“金澤水庫(kù)原水水處理工藝優(yōu)化與安全輸配技術(shù)研究與應(yīng)用”(2017ZX07207004)課題的研究任務(wù)之一。依托“十二五”水專項(xiàng)供水管網(wǎng)水質(zhì)安全多級(jí)保障與漏損控制技術(shù)研究與示范的研究成果，結(jié)合上海市集約化供水和用戶端水質(zhì)保障示范工程的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，開展供水管網(wǎng)水質(zhì)安全綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與調(diào)控技術(shù)研究。關(guān)鍵技術(shù)結(jié)合管網(wǎng)水質(zhì)特點(diǎn)和運(yùn)行現(xiàn)狀，綜合評(píng)估管網(wǎng)特征，提出供水管網(wǎng)分級(jí)調(diào)控和改造方案，協(xié)同管網(wǎng)多級(jí)消毒、沖洗、修復(fù)，保障供水管網(wǎng)運(yùn)行安全，構(gòu)建管網(wǎng)輸配多級(jí)保障體系。

2 研究?jī)?nèi)容

研究供水管網(wǎng)水體中生物指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)的變化規(guī)律，統(tǒng)計(jì)物理指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)與生物指標(biāo)變化的相關(guān)性；研究確定表征管網(wǎng)水質(zhì)與運(yùn)行安全的關(guān)鍵指標(biāo)與綜合指標(biāo)，以及管網(wǎng)補(bǔ)充消毒、管道沖洗、修復(fù)等調(diào)控措施的啟動(dòng)條件。

基于管網(wǎng)水質(zhì)分析和運(yùn)行診斷評(píng)估結(jié)果，結(jié)和現(xiàn)場(chǎng)條件，研究制定分級(jí)調(diào)控方案：對(duì)于輕度腐蝕結(jié)垢、水齡長(zhǎng)、水質(zhì)異常的管道，開展管網(wǎng)沖洗；對(duì)于腐蝕結(jié)垢嚴(yán)重、漏損、受損程度高的管道，開展非開挖修復(fù)；對(duì)超役、重度腐蝕或嚴(yán)重老化、破損的管道采取更新改造措施；對(duì)于余氯(總氯)無(wú)法達(dá)到控制目標(biāo)的區(qū)域開展管網(wǎng)補(bǔ)充加氯消毒。

3 關(guān)鍵技術(shù)

3.1 技術(shù)內(nèi)涵

以物理指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)、生物指標(biāo)的變化為表征，分析管網(wǎng)水質(zhì)與生物安全性；根據(jù)水質(zhì)特點(diǎn)和管網(wǎng)特征，科學(xué)選用消毒、清洗、非開挖修復(fù)技術(shù)提升管網(wǎng)水質(zhì)，集成供水管網(wǎng)水質(zhì)調(diào)控技術(shù)，保障供水管網(wǎng)運(yùn)行安全。

3.2 技術(shù)工藝

3.2.1 管網(wǎng)診斷評(píng)估技術(shù)

傳統(tǒng)管網(wǎng)檢測(cè)主要利用聲學(xué)原理，需要依靠技術(shù)人員的工作經(jīng)驗(yàn)，主要針對(duì)管道漏損檢測(cè)，具有一定的局限性。目前，上海市多采用基于視頻和聲學(xué)的、無(wú)損的狀態(tài)評(píng)估檢測(cè)技術(shù)[1-2]，用于日常管道狀態(tài)的診斷評(píng)估與漏點(diǎn)定位，客觀反映管道內(nèi)部狀況。通過管道內(nèi)窺檢測(cè)，得到管道受損面積占比和異常點(diǎn)數(shù)量，并結(jié)合其受損程度，綜合評(píng)估管道受損狀態(tài)，如表1和圖1所示。

表1 管道受損評(píng)價(jià)因素及程度Tab.1 Assessment Factors and Extent of Pipeline Damage

圖1 管網(wǎng)檢測(cè)技術(shù)示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Pipeline Inspection Technology

上述管網(wǎng)檢測(cè)評(píng)估技術(shù)適用于中大口徑管道(≥DN300)，可在不影響管網(wǎng)正常供水運(yùn)營(yíng)的狀態(tài)下對(duì)管道內(nèi)部的多種狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)于小口徑管道(

3.2.2 管網(wǎng)清洗技術(shù)

目前，國(guó)內(nèi)外普遍采用物理清洗技術(shù)，主要包括單向沖洗法、高壓射流法、機(jī)械刮管法、氣壓脈沖清洗法和碎冰清管法等(表2)[3-4]。在實(shí)際工程中，需要綜合考慮管徑、管內(nèi)流速、工程措施、排水要求等因素，科學(xué)選用管網(wǎng)清洗技術(shù)。

1)啟動(dòng)條件

通過供水管網(wǎng)水質(zhì)物理指標(biāo)、化學(xué)指標(biāo)與生物指標(biāo)變化的相關(guān)性分析，篩選出渾濁度、余氯(總氯)、亞硝酸鹽、異養(yǎng)菌平板計(jì)數(shù)(HPC)、總鐵等關(guān)鍵指示參數(shù)，結(jié)合管網(wǎng)診斷評(píng)估結(jié)果，有條件的地區(qū)還可以模型模擬情況作為管網(wǎng)清洗措施的依據(jù)。除新建管網(wǎng)或管網(wǎng)維修后在并網(wǎng)前需按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行管網(wǎng)沖洗消毒外，若出現(xiàn)下列情況可以考慮進(jìn)行管網(wǎng)沖洗。

表2 管網(wǎng)清洗工藝綜合對(duì)比Tab.2 Comparison of Cleaning Strategies of Pipelines

(1)管網(wǎng)水質(zhì)特征

a.渾濁度偏高、余氯偏低的區(qū)域，尤其是經(jīng)管網(wǎng)補(bǔ)氯后，末梢余氯仍低于0.1 mg/L；

b.HPC、總鐵指標(biāo)異常(Z-score標(biāo)準(zhǔn)化值均>1.8)的點(diǎn)或區(qū)域；

c.出現(xiàn)亞硝酸鹽積累現(xiàn)象(高于0.075 mg/L)，水質(zhì)穩(wěn)定性較差的點(diǎn)或區(qū)域；

d.其他管網(wǎng)薄弱環(huán)節(jié)(管網(wǎng)末梢、“黃水”現(xiàn)象等)。

(2)管網(wǎng)檢測(cè)診斷

通過管道檢測(cè)診斷，評(píng)估管道運(yùn)行狀況，作為工程措施依據(jù)，對(duì)存在輕度腐蝕結(jié)垢或受損系數(shù)較低的管道進(jìn)行沖洗。

(3)管網(wǎng)模型模擬

有條件的區(qū)域，可根據(jù)模型模擬情況，重點(diǎn)關(guān)注流速較低、水齡較長(zhǎng)、余氯較低的管道。

2)工藝參數(shù)

目前，城市供水管網(wǎng)清洗普遍采用水力沖洗方式，主要包括單相沖洗法和氣水脈沖方法，工藝參數(shù)如下。

(1)單相沖洗法

a.沖洗水量可按沖洗管段容積的10～15倍進(jìn)行測(cè)算；

b.水流流速不小于1.2 m/s。

(2)氣水脈沖法

a.沖洗水量可按沖洗管段容積的4～6倍進(jìn)行測(cè)算；

b.進(jìn)氣管末端壓力應(yīng)大于沖洗管道水壓，壓差應(yīng)大于0.03 MPa；

c.入口水壓為0.25～0.40 MPa，入口氣壓為0.40～0.65 MPa；

d.進(jìn)氣時(shí)間為5～20 s，停氣時(shí)間為10～30 s；

e.參數(shù)可根據(jù)沖洗效果適當(dāng)調(diào)整。

3.2.3 管網(wǎng)多級(jí)消毒技術(shù)

近年來(lái)，上海在開展降低管網(wǎng)余氯，改善余氯帶來(lái)的口感問題，2018年管網(wǎng)平均余氯為0.85 mg/L，2019年起每年管網(wǎng)余氯降至0.05 mg/L，至2021年上海管網(wǎng)平均余氯降至0.70 mg/L，由此余氯帶來(lái)的口感問題可以基本解決[5]。

為改善消毒效果，保障管網(wǎng)水質(zhì)，采用水廠-泵站兩級(jí)消毒方案，在確保微生物指標(biāo)合格的情況下，合理選擇消毒工藝，降低出廠水余氯，嚴(yán)格控制消毒副產(chǎn)物，精準(zhǔn)確加氯，采用管網(wǎng)補(bǔ)氯措施，針對(duì)局部區(qū)域管網(wǎng)余氯(總氯)無(wú)法滿足控制目標(biāo)的情況，在管網(wǎng)增壓泵站和水庫(kù)泵站環(huán)節(jié)進(jìn)行補(bǔ)氯措施，平穩(wěn)管網(wǎng)余氯，改善余氯帶來(lái)的口感等問題，保障末端水質(zhì)穩(wěn)定達(dá)標(biāo)。

1)控制條件

對(duì)泵站加氯量的控制，宜根據(jù)不同季節(jié)、不同水源合理制定出站水余氯控制指標(biāo)(表3)。同時(shí)，總氯控制指標(biāo)還應(yīng)根據(jù)供水管網(wǎng)輸配距離、余氯衰減情況、管網(wǎng)末梢微生物指標(biāo)檢測(cè)結(jié)果等，結(jié)合進(jìn)站氨氮進(jìn)行合理調(diào)整[6]，實(shí)現(xiàn)精細(xì)管理、精準(zhǔn)加氯。

對(duì)于以化合氯出廠的水廠，其范圍內(nèi)的泵站應(yīng)定期手動(dòng)或在線監(jiān)測(cè)進(jìn)站水氨氮，當(dāng)總氯不能滿足要求時(shí)，應(yīng)采取補(bǔ)氨措施，補(bǔ)氨后，氨氮一般不超過0.25 mg/L。另外，針對(duì)游離氯消毒水廠，在滿足加氯控制目標(biāo)時(shí)，還應(yīng)注意消毒副產(chǎn)物的生成情況，合理調(diào)整加氯量，嚴(yán)格控制消毒副產(chǎn)物。

表3 管網(wǎng)補(bǔ)充加氯工藝控制目標(biāo)Tab.3 Target Values of Booster Chlorination Process in Pipelines

2)工藝要求

(1)加注點(diǎn)設(shè)置和投加方式

水庫(kù)泵站的加注點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在水庫(kù)泵前，增壓泵站的加注點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在泵前管道上。為保障投加效果，加注管需要保證一定的入水深度，防止藥劑外溢造成浪費(fèi)和污染。

次氯酸鈉溶液可直接原液投加，也可根據(jù)實(shí)際情況稀釋后投加。通過調(diào)節(jié)加注泵的沖程或頻率控制投加比例和投加量，并根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)節(jié)加注量。

(2)控制模式

加氯系統(tǒng)控制模式：就地控制、遠(yuǎn)程手動(dòng)控制、遠(yuǎn)程自動(dòng)控制。控制級(jí)別由高到低：就地、遠(yuǎn)程手動(dòng)、遠(yuǎn)程自動(dòng)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，無(wú)人值守成為未來(lái)泵站的管理模式，補(bǔ)充加氯工藝向自動(dòng)控制方向發(fā)展。操作人員通過設(shè)置關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)或發(fā)出控制指令，結(jié)合在線監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)根據(jù)聯(lián)動(dòng)步驟進(jìn)行閉環(huán)自動(dòng)控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加注和遠(yuǎn)程監(jiān)控(圖2)。自動(dòng)控制時(shí)可按流量比例或余氯反饋?zhàn)詣?dòng)投加次氯酸鈉[7]。

圖2 自動(dòng)加氯控制系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Automatic Chlorination Control System

3)保障措施

泵站補(bǔ)充加氯期間還應(yīng)實(shí)時(shí)關(guān)注泵站進(jìn)、出水以及加氯后的水質(zhì)情況，及時(shí)調(diào)節(jié)藥劑投加量，并定期檢測(cè)次氯酸鈉有效氯含量，確保補(bǔ)充加氯效果。

同時(shí)，還需重點(diǎn)關(guān)注管網(wǎng)末梢的水質(zhì)情況。對(duì)管網(wǎng)末梢余氯偏低的區(qū)域(≤0.1 mg/L)，或存在亞硝酸鹽氮積累現(xiàn)象(>0.075 mg/L)的點(diǎn)或區(qū)域，應(yīng)協(xié)同管網(wǎng)沖洗，穩(wěn)定和提升管網(wǎng)水質(zhì)。

3.2.4 管網(wǎng)非開挖修復(fù)技術(shù)

通過對(duì)管道運(yùn)行狀況開展診斷評(píng)估，針對(duì)嚴(yán)重老化或受損系數(shù)高的管道進(jìn)行修復(fù)措施，尤其是交通繁忙、不易開挖修復(fù)的管道應(yīng)采取非開挖修復(fù)技術(shù)，對(duì)管道進(jìn)行整體或局部修復(fù)。該技術(shù)是將PE內(nèi)襯、薄壁不銹鋼內(nèi)襯等通過折U或縮徑的形式，在一定的牽引力和牽引速度下拉入主管道，或?qū)h(huán)氧樹脂作為噴涂材料，通過卷?yè)P(yáng)機(jī)拉力作用下的旋轉(zhuǎn)噴頭或人工方法將材料依次在舊管道內(nèi)噴涂，形成加固層，經(jīng)過自然養(yǎng)護(hù)，形成主管道-襯里復(fù)合管，達(dá)到對(duì)舊管道的修復(fù)。在實(shí)際工程中，依據(jù)《城鎮(zhèn)給水管道非開挖修復(fù)更新工程技術(shù)規(guī)程》(CJJ/T 244—2016)中提出給水管道非開挖修復(fù)工藝設(shè)計(jì)的原則性規(guī)定(表4)，結(jié)合管道狀況，科學(xué)選擇修復(fù)工藝。

表4 管網(wǎng)非開挖修復(fù)技術(shù)選擇Tab.4 Selection of Pipeline Trenchless Repair Technology

3.3 示范應(yīng)用案例與成效

協(xié)同管網(wǎng)診斷評(píng)估技術(shù)，依據(jù)管道狀態(tài)評(píng)估結(jié)果，結(jié)合水質(zhì)特征，進(jìn)行水質(zhì)分級(jí)調(diào)控，在閔行區(qū)開展應(yīng)用驗(yàn)證，具體如下：1)對(duì)輕度腐蝕結(jié)垢、水齡長(zhǎng)、水質(zhì)異常管道開展氣水沖洗；2)對(duì)腐蝕結(jié)垢嚴(yán)重、漏損、受損程度高的管道開展非開挖修復(fù)。

(1)管網(wǎng)氣水沖洗

管網(wǎng)氣水沖洗應(yīng)用于閔行區(qū)中誼路-東方花園一期DN300球墨鑄鐵管，沖洗長(zhǎng)度約800 m。該管段存在黃水問題，通過管網(wǎng)檢測(cè)診斷，其內(nèi)部存在輕微腐蝕，受損系數(shù)低，且沖洗前水質(zhì)分析結(jié)果表明該區(qū)域渾濁度為0.67～0.90 NTU，存在超過上海市地方標(biāo)準(zhǔn)限值風(fēng)險(xiǎn)。因此，基于管道診斷結(jié)果和水質(zhì)特征，對(duì)該管段采用氣水沖洗。

圖3 沖洗過程中渾濁度變化(左)和沖洗后效果(右)Fig.3 Turbidity Changes during Pipe Cleaning (Left) and Pipe Interior after Cleaning (Right)

應(yīng)用結(jié)果表明，氣水沖洗技術(shù)能有效去除管網(wǎng)內(nèi)壁污染物，改善管道衛(wèi)生狀況，渾濁度指標(biāo)明顯改善(降低70%)。此次氣水沖洗用時(shí)110 min，與常規(guī)沖洗方法相比可較大程度的縮短工期，減小對(duì)周邊環(huán)境和居民用水的影響，且節(jié)省水量約99.59 m3/h，達(dá)到事半功倍的清洗效果。

(2)管網(wǎng)非開挖修復(fù)

管網(wǎng)非開挖修復(fù)技術(shù)應(yīng)用于閔行區(qū)龍吳路(景聯(lián)路-雙柏路)DN800鑄鐵管，修復(fù)長(zhǎng)度為1 140 m。由于該管段處于管網(wǎng)末梢，距離水廠較遠(yuǎn)，余氯偏低，存在微生物風(fēng)險(xiǎn)，管網(wǎng)診斷評(píng)估結(jié)果表明，該管道存在多處漏點(diǎn)、腐蝕和管瘤，受損程度高，且所處路段交通繁忙且管道位于綠化景觀帶，傳統(tǒng)開槽排管將大面積毀壞綠化林木，同時(shí)也會(huì)破壞部分新修道路，因此，采取非開挖修復(fù)技術(shù)對(duì)該管道進(jìn)行結(jié)構(gòu)性修復(fù)(圖3和圖4)。

圖4 修復(fù)前(左)、修復(fù)后(右)對(duì)比Fig.4 Comparison of Pipe Segment before (Left) and after (Right) Rehabilitation

管網(wǎng)非開挖修復(fù)技術(shù)可有效避免傳統(tǒng)開槽排管大面積毀壞綠化帶和道路，減小了對(duì)周圍環(huán)境和路面設(shè)施的影響，施工周期短，操作便捷，實(shí)現(xiàn)了對(duì)繁忙路段的管道修復(fù)和改造。非開挖修復(fù)后既解決了管網(wǎng)內(nèi)部銹蝕和水垢問題，修復(fù)后內(nèi)壁光滑，無(wú)褶皺、無(wú)脫落、無(wú)氣泡、粗糙度n<0.01,可極大降低介質(zhì)在管道內(nèi)的阻力損失，管道輸水能力提高；且固化后支撐管具有極高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，能夠保證不依靠原有舊管道的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行獨(dú)立承壓，極低的蠕變使得管道可以使用50年以上，大大延長(zhǎng)了管道使用壽命。從水質(zhì)上看，修復(fù)后渾濁度指標(biāo)顯著降低(0.09 NTU)，余氯衰減情況明顯改善，修復(fù)后管網(wǎng)水質(zhì)達(dá)到上海市《生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(DB31/T 1091—2018)的要求的基礎(chǔ)上，滿足菌落總數(shù)小于20 CFU/mL，渾濁度<0.2 NTU的考核要求，取得良好的應(yīng)用效果。

4 總結(jié)與展望

保障供水管網(wǎng)輸配水質(zhì)是提升龍頭水質(zhì)的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，本研究基于管網(wǎng)水質(zhì)參數(shù)的變化規(guī)律和相關(guān)性分析，篩選出渾濁度、余氯、HPC等關(guān)鍵指標(biāo)作為指示參數(shù)，并通過基于視頻和聲學(xué)的管道內(nèi)窺檢測(cè)技術(shù)，評(píng)估管道腐蝕結(jié)垢、受損程度，結(jié)合管網(wǎng)水質(zhì)特點(diǎn)，綜合考慮相關(guān)現(xiàn)場(chǎng)因素，協(xié)同管網(wǎng)多級(jí)消毒、沖洗、修復(fù)，集成供水管網(wǎng)水質(zhì)調(diào)控技術(shù)，核心在于有針對(duì)性的調(diào)控措施及啟動(dòng)條件，通過制定分級(jí)改造和調(diào)控方案，構(gòu)建水質(zhì)多級(jí)保障體系，指導(dǎo)管網(wǎng)運(yùn)行維護(hù)，保障管網(wǎng)的安全運(yùn)行和輸配過程的水質(zhì)穩(wěn)定。關(guān)鍵技術(shù)在上海市西南五區(qū)得到應(yīng)用和驗(yàn)證，為管網(wǎng)精細(xì)管理提供技術(shù)支撐，助力實(shí)現(xiàn)高品質(zhì)供水目標(biāo)。