基于衰減模型的小口徑供水管道余氯衰減分析

錢 勇,王子祎

(蘇州市自來(lái)水有限公司,江蘇蘇州 215002)

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)不斷發(fā)展,居民對(duì)自來(lái)水水質(zhì)的要求不斷提高。對(duì)于用戶端“龍頭”水質(zhì)而言,余氯的含量更為重要。在《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB 5749—2022)中規(guī)定,龍頭水余氯質(zhì)量濃度不得低于0.05 mg/L。低余氯量極易導(dǎo)致微生物的孳生,在增加居民的健康風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)導(dǎo)致水體渾濁度、色度等直接感官性狀的變化,增加居民對(duì)行業(yè)的質(zhì)疑。消毒劑添加后,必須確保管網(wǎng)水中存在足夠的余氯濃度來(lái)抑制微生物的再生,因此,控制余氯在管道末端的衰減就尤為重要[1]。

通常認(rèn)為影響末梢余氯濃度的因素眾多,例如,初始氯濃度[2]、溫度[3]、管材[4]、總有機(jī)碳(TOC)濃度[5]、pH[6]等。但這些針對(duì)影響末梢余氯消耗的各因素的研究,且大多是處于實(shí)驗(yàn)室小試階段,未在實(shí)際場(chǎng)景中進(jìn)行驗(yàn)證考察。因此,本文在對(duì)管道末端余氯的消耗模式進(jìn)行了分析的基礎(chǔ)上,通過(guò)理論和試驗(yàn)得出了影響管網(wǎng)末梢余氯的最主要因素,并在實(shí)際管網(wǎng)中進(jìn)行了相應(yīng)的驗(yàn)證研究。

1 小口徑管道余氯基本衰減模式

供水管網(wǎng)中余氯衰減的原因,主要是主體水衰減和管壁衰減2種[7]。主體水衰減指的是供水管道中存在的微生物、有機(jī)物以及無(wú)機(jī)物等與氯發(fā)生反應(yīng)所造成的余氯消耗;管壁衰減指的是管壁在長(zhǎng)期使用過(guò)程中所產(chǎn)生的沉淀物以及附著微生物等能夠與氯相互反應(yīng),引起的余氯消耗[6]。基于以上2個(gè)方面,余氯在水中衰減的基本形式可以表述為式(1)。

(1)

其中:C——水中余氯質(zhì)量濃度,mg/L;

t——時(shí)間,d;

kc——水體主反應(yīng)系數(shù),d-1;

kf——傳質(zhì)影響系數(shù),m/d;

kw——管壁反應(yīng)系數(shù),m/d;

rh——水力半徑,m。

(2)

Mutoti等[8]在文章中指出,同種管材下,湍流態(tài)和層流態(tài)的管壁反應(yīng)系數(shù)會(huì)有極大的差異,在雷諾數(shù)(Re)小于2 500時(shí),管壁反應(yīng)速率很小(圖2)。而在進(jìn)入湍流態(tài)后,隨著Re的增大管壁反應(yīng)系數(shù)急劇增大。

綜上,可以認(rèn)定在層流管壁反應(yīng)中,起主要限制因素的是余氯的傳質(zhì)速率。而由式(1)可知,此時(shí)管壁耗氯與傳質(zhì)系數(shù)近似成正比關(guān)系,即kb僅受kf影響(圖3)。管壁附近Fe2+的含量遠(yuǎn)大于HClO,因此,余氯與Fe2+的反應(yīng)可以認(rèn)為是零級(jí)反應(yīng)。只要存在余氯,反應(yīng)就會(huì)發(fā)生。而在大部分輸水管道中,余氯總是存在的,該反應(yīng)實(shí)際取決于氯離子的傳遞速率。因此,管壁鐵與余氯的反應(yīng)僅受氯離子的傳質(zhì)影響,可以認(rèn)為,管壁反應(yīng)速率在這種情況下可以用kf替代。

在層流態(tài),傳質(zhì)系數(shù)可用式(3)表示[9]。

(3)

其中:v——水的流速,m/s;

d——管徑,m;

L——管長(zhǎng),m;

D——余氯在水中的擴(kuò)散系數(shù)(20 ℃時(shí),D=0.10×10-3m2/d),m2/d;

由此可知,在管道內(nèi)當(dāng)管徑越大,流速越小,kf越小,余氯消耗速率越低,并且管徑對(duì)余氯的影響更為明顯。因此,在小口徑管道的傳質(zhì)耗氯為主要作用的情況下,那么管網(wǎng)中的余氯消耗如式(4)。

C=-kt

(4)

其中,t計(jì)算方式如式(5)。

(5)

結(jié)合式(5)得到耗氯量計(jì)算如式(6)。

(6)

在管網(wǎng)末端用水量低峰段,通常存在以下情況:只有枝狀管網(wǎng)的某個(gè)末端用水,此時(shí)管網(wǎng)某片分管網(wǎng)內(nèi)所有管道流量相等[式(7)]。

Q1=Q2=…=Qn

(7)

流量公式如式(8)。

(8)

代入式(8)得到式(9)。

(9)

(10)

其中:kq——傳質(zhì)耗氯速率,mg/min。

所以在以傳質(zhì)耗氯占主體的管道中,管徑與傳質(zhì)耗氯速率呈反比例關(guān)系。

一般居民夜間停用水時(shí)間為8 h,此時(shí)流速為0,因此,可計(jì)算kq為3.65×10-4mg/min。

根據(jù)理論計(jì)算表明,管壁消耗會(huì)對(duì)余氯的產(chǎn)生更大影響,極易因?yàn)橛嗦冉档投鴮?dǎo)致龍頭水微生物超標(biāo)。因此,進(jìn)行試驗(yàn)證明該理論具有實(shí)際可行性[10]。

2 試驗(yàn)方法

2.1 小口徑管道余氯衰減試驗(yàn)裝置

在蘇州市自來(lái)水有限公司的中試基地構(gòu)建了如圖4所示的小口徑管道余氯衰減試驗(yàn)裝置。分別選用304不銹鋼、無(wú)規(guī)共聚聚丙烯(PPR)、鋁塑、鍍鋅、焊接316不銹鋼以及聚苯乙烯基吡啶(PSP)鋼塑復(fù)合管6種常見(jiàn)入戶管材作為試驗(yàn)對(duì)象,管徑均為DN20。通過(guò)單一管道進(jìn)行分水后進(jìn)入各試驗(yàn)管道,管道與管道之間均通過(guò)閥門實(shí)現(xiàn)流量控制。

2.2 管道余氯衰減影響因素分析

取砂濾池出水,將水通入試驗(yàn)水箱后補(bǔ)氯至0.7 mg/L后靜置3 d,等待余氯與水中有機(jī)物充分反應(yīng),以消除水體主反應(yīng)系數(shù)耗氯的影響。

3 d內(nèi)通過(guò)取樣管分別取上層水和下層水檢測(cè)余氯濃度,測(cè)得上下層水余氯質(zhì)量濃度均為0.3 mg/L且保持穩(wěn)定,此時(shí)可視作水中主要有機(jī)物質(zhì)已反應(yīng)完畢并上下層已混合均勻,可作為排除水體主反應(yīng)耗氯的影響。

以上述水樣作為試驗(yàn)的初始條件。等試驗(yàn)用水充分充滿各管道后,封閉管道末端黃銅球閥,每隔30 min取水樣進(jìn)行余氯測(cè)定,每次打開(kāi)末端閥門放水50 mL進(jìn)行余氯濃度測(cè)定。

2.3 管道余氯衰減速率分析

基于本文1小節(jié)中理論可知,在k相同的情況下,同等反應(yīng)時(shí)間管道內(nèi)初始余氯濃度和末端余氯濃度成正比關(guān)系。因此,使用不同初始余氯濃度的水封閉相同時(shí)間,即可求得各管道的耗氯速率常數(shù)。

取砂濾池出水,將水通入試驗(yàn)水箱后分別補(bǔ)氯至0.05、0.8 mg/L和4 mg/L進(jìn)行試驗(yàn),待水箱中余氯上下混勻后打開(kāi)閥門,使水充分充滿各試驗(yàn)管道。

封閉管道末端黃銅球閥,將水封存24 h后測(cè)定余氯濃度,打開(kāi)末端閥門放水50 mL進(jìn)行余氯濃度測(cè)定。

3 結(jié)果與討論

3.1 管道余氯衰減影響因素分析

靜態(tài)管道余氯3 h內(nèi)衰減趨勢(shì)如圖5所示。

由圖5可知,各種管道0.5 h內(nèi)的耗氯量就有明顯的差異,之后則總體呈現(xiàn)緩慢下降趨勢(shì),考慮到取樣會(huì)造成水體流動(dòng)。因此,1 h之后的衰減速率包含了水體混合而引起的余氯升降以及管壁微生物生長(zhǎng)所帶來(lái)的余氯消耗。

以0.5 h的采樣情況看,各管道的余氯衰減基本可分為快速、中速、不變3種衰減情況,具體衰減如表1所示。

表1 余氯衰減擬合參數(shù)

由表1可知,其中衰減基本不變的有304-1、304-2、304-3、PPR-1、PPR-2、鋁塑-1和鋁塑-2;中速的有PPR+316、鋁塑-3、鍍鋅管-1、PSP和316+PSP;耗氯較快的有鍍鋅管-2和316管道。在排除水體主反應(yīng)對(duì)氯的消耗后,管道中的耗氯反應(yīng)基本全為管壁反應(yīng)所造成的余氯消耗,可以發(fā)現(xiàn)在管道中基本為含鐵量越高的管道余氯衰減越快。具體含鐵量為304-1(0.28 mg/L)、304-2(0.27 mg/L)、304-3(0.27 mg/L)、PPR-1(0.27 mg/L)、PPR-1(0.27 mg/L)、PPR+316(0.36 mg/L)、鋁塑-1(0.27 mg/L)、鋁塑-2(0.27 mg/L)、鋁塑-3(0.27 mg/L)、鍍鋅管-1(0.25 mg/L)、鍍鋅管-2(0.46 mg/L)、316(0.4 mg/L)、PSP(0.46 mg/L)、316+PSP(0.45 mg/L)(圖6)。

在管道中,鐵和水中的溶解氧發(fā)生反應(yīng),負(fù)極反應(yīng)為式(11),正極反應(yīng)為式(12)。而另一方面,氯在水中歧化產(chǎn)生HClO,而HClO與水中的Fe2+進(jìn)一步發(fā)生反應(yīng),其反應(yīng)表達(dá)式為式(13)。

Fe-2e-=Fe2+

(11)

(12)

2Fe2++HClO+H+=2Fe3++Cl-+H2O

(13)

LU等[11]指出在管道中,鐵的溶解主要來(lái)自與水中溶解氧的反應(yīng),而余氯和鐵的直接電化學(xué)反應(yīng)只占到很小的一部分。因此,余氯的消耗主要來(lái)自和二價(jià)鐵的化學(xué)反應(yīng)。

為了證明確實(shí)是由于焊接產(chǎn)生的鐵素體對(duì)余氯產(chǎn)生影響,進(jìn)一步選取304和316不銹鋼的焊接件以及未經(jīng)焊接的304、316不銹鋼管段和不含鐵的PPR管段使用砂濾水加氯至1 mg/L進(jìn)行浸泡,試驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

由圖7可知,各類管材中經(jīng)過(guò)焊接的管道耗氯速率明顯高于未焊接管道,經(jīng)過(guò)焊接的304焊和316焊不銹鋼在1 d內(nèi)余氯質(zhì)量濃度即降至0.1 mg/L,而不含鐵質(zhì)的PVC管道與空白對(duì)照組余氯衰減基本相近,可以認(rèn)為是由水體主反應(yīng)導(dǎo)致的余氯消耗,耗氯速率低于304和316不銹鋼管道,由此可見(jiàn)不銹鋼管道仍然會(huì)有一部分的鐵質(zhì)溶出造成余氯的降低,因此,在忽略水體主反應(yīng)耗氯時(shí),含鐵量是引起管道水中余氯消耗的主要原因(圖8)。

3.2 不同濃度靜態(tài)管道余氯衰減

不同濃度的初始余氯靜態(tài)衰減24 h后結(jié)果如圖9所示。

在長(zhǎng)時(shí)間的層面上,不含鐵質(zhì)的PPR管道的余氯總體衰減速度較為緩慢,鋼鐵類管道均有較大的耗氯速率。

根據(jù)式(4)可知,對(duì)不同時(shí)間的氯消耗擬合即可求得k。

由圖10可知,耗氯速率由小到大排序分別為鋁塑、PPR、PSP、304、304焊蝕、316焊蝕、鍍鋅鋼管和316+PSP。具體擬合參數(shù)如表2所示。

表2 耗氯速率擬合參數(shù)

圖1 管壁耗氯與管壁反應(yīng)系數(shù)和傳質(zhì)系數(shù)關(guān)系

圖2 傳質(zhì)系數(shù)與Re關(guān)系

圖3 kb與kf關(guān)系

圖4 小口徑管道試驗(yàn)裝置

圖5 靜態(tài)小口徑管道余氯時(shí)間衰減

圖6 靜態(tài)小口徑管道余氯衰減和鐵質(zhì)量濃度關(guān)系

圖7 焊接不銹鋼管道余氯衰減

圖8 不銹鋼管道焊接鐵質(zhì)量濃度

圖9 不同初始濃度余氯24 h衰減率

圖10 耗氯速率

根據(jù)3.1小節(jié)可知,塑料管道衰減速率與水體主反應(yīng)系數(shù)基本相近,僅存在部分由鐵質(zhì)主管所帶來(lái)的鐵質(zhì),因此,認(rèn)為鋁塑管和PPR管道的耗氯速率近似于水體主反應(yīng)耗氯速率,得到各管道的管壁反應(yīng)相關(guān)速率,如圖11和圖12所示。不銹鋼管道因?yàn)橛醒趸t保護(hù)層,管壁反應(yīng)耗氯速率僅約為其余管道的1/2。PSP、304、304焊蝕、316焊蝕、鍍鋅鋼管和316+PSP不銹鋼管道耗氯速率占總反應(yīng)速率分別是0.59%、0.75%、0.84%、0.84%、0.85%和0.87%。此外,鋁塑和PPR的管壁反應(yīng)速率常數(shù)與水體主反應(yīng)系數(shù)接近,而PSP、304、304焊蝕、316焊蝕和鍍鋅鋼管的管道反應(yīng)速率常數(shù)分別是水體主反應(yīng)系數(shù)的2.65、4.75、4.79、5.44倍和5.93倍。可見(jiàn)對(duì)于小口徑管道管壁耗氯是氯消耗的主要因素。

圖11 管壁反應(yīng)耗氯速率

圖12 余氯消耗

因此,在實(shí)際管道中,余氯消耗的主體來(lái)自于管壁反應(yīng)。在管壁附近Fe2+的含量遠(yuǎn)大于HClO,因此余氯與Fe2+的反應(yīng)可以認(rèn)為是零級(jí)反應(yīng)。只要存在余氯,反應(yīng)就會(huì)發(fā)生。而在大部分輸水管道中,余氯總是存在的,因此該反應(yīng)實(shí)際取決于氯離子的傳遞速率。

3.3 管道耗氯速率計(jì)算

根據(jù)3.1和3.2小節(jié)可知,在小口徑管道中,影響管道中氯濃度的主要是管道中的鐵含量。

建立完善政府對(duì)企業(yè)收益分配的宏觀調(diào)控機(jī)制，合理平衡各行業(yè)工資收益，適當(dāng)縮收益差距，調(diào)動(dòng)各行業(yè)職工的工作積極性，使得整個(gè)社會(huì)各行業(yè)全面發(fā)展。對(duì)于非自然壟斷行業(yè)中由于行政壟斷造成的企業(yè)間不合理的收益差距，要通過(guò)轉(zhuǎn)變政府職能實(shí)行市場(chǎng)化競(jìng)爭(zhēng)來(lái)進(jìn)行調(diào)控。加快健全完善社會(huì)保障體系，必須做好社會(huì)保險(xiǎn)、社會(huì)救濟(jì)、社會(huì)福利、社會(huì)優(yōu)撫和社會(huì)互助工作，逐步建立城鄉(xiāng)統(tǒng)一的勞動(dòng)力市場(chǎng)、平等競(jìng)爭(zhēng)的就業(yè)制度、公平的收益分配制度等，不斷對(duì)收益分配進(jìn)行完善。加快工資立法。隨著我國(guó)社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)體制的逐漸發(fā)展與完善，適應(yīng)新體制要求的企業(yè)收益分配機(jī)制也在慢慢形成，所以制定符合職工利益的《工資法》迫在眉睫。

對(duì)于DN20的試驗(yàn)用管道,此時(shí)kf為1.825×10-2mg/min,與3.2小節(jié)中測(cè)得的304焊蝕(0.151 28 mg/min)、316焊蝕(0.152 55 mg/min)、鍍鋅鋼管(0.165 93 mg/min)、316焊蝕+PSP(0.182 58 mg/min)的耗氯系數(shù)基本相近,特別是對(duì)于鐵充分暴露的316焊蝕+PSP組,該反應(yīng)系數(shù)相似程度較高。因此,對(duì)于不同管徑的小口徑管道,有關(guān)系如圖13所示。

圖13 靜止時(shí)傳質(zhì)系數(shù)與管徑關(guān)系

因此可知,在管道內(nèi)余氯質(zhì)量濃度為1 mg/L時(shí),DN10口徑的管道在27 h內(nèi)余氯將降至0,并且DN100的管道耗盡時(shí)間是DN10管道的10倍。

4 實(shí)際配水管網(wǎng)余氯檢測(cè)

4.1 日間用水低峰時(shí)段

在某小區(qū)的日間10:00用水低峰段對(duì)實(shí)際用水管網(wǎng)進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)檢查,對(duì)照現(xiàn)場(chǎng)管網(wǎng)圖(圖14),并通過(guò)管網(wǎng)水力模型分析流向,確定相似支管用水點(diǎn)為一幢用戶和門衛(wèi)用戶。

圖14 水質(zhì)點(diǎn)位置

通過(guò)水力模型判斷該點(diǎn)處水流流向(圖15),確定支管對(duì)應(yīng)的主干管網(wǎng)。

圖15 水質(zhì)點(diǎn)水流方向

小區(qū)市政管道水質(zhì)無(wú)直接取水口,無(wú)法直接判斷。通過(guò)管路圖發(fā)現(xiàn),消防管道與市政管道基本并行排列,因此,通過(guò)消防栓放水判斷市政管道余氯,同時(shí)以一幢101居民家中龍頭和門衛(wèi)龍頭作為相似點(diǎn)。各管道間關(guān)系如圖16所示。

圖16 水質(zhì)點(diǎn)管線關(guān)系

以消防栓代表DN100管道,門衛(wèi)和101用戶代表入戶DN20管道,現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果如圖17～圖18所示。

圖17 日間現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果

圖18 夜間現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)結(jié)果

檢測(cè)結(jié)果表明,在同樣無(wú)人用水的情況下,管道余氯口徑越小衰減越快,符合前述理論。

4.2 夜間用水低峰時(shí)段

在凌晨5:00用水低峰段對(duì)某小區(qū)進(jìn)行水質(zhì)監(jiān)測(cè),該小區(qū)10幢位于小區(qū)最末端,對(duì)10幢通過(guò)便攜式余氯儀進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)。

在對(duì)10幢3、4層進(jìn)行檢測(cè)時(shí),閥門問(wèn)題導(dǎo)致水流量大,測(cè)得的實(shí)際為主管網(wǎng)上余氯,從而導(dǎo)致該處余氯較高。這表明主管上的余氯在經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的衰減后仍能保持水質(zhì)達(dá)標(biāo),而在1、2層時(shí)正常檢測(cè)入戶管處水質(zhì)時(shí)可發(fā)現(xiàn)余氯較低,因?yàn)楣軓叫亩鼙诜磻?yīng)占了主導(dǎo)地位,導(dǎo)致余氯消耗速度較快。

5 結(jié)論

本文通過(guò)試驗(yàn)、理論分析得到了以下結(jié)論,并通過(guò)檢測(cè)實(shí)際管網(wǎng)日夜間低峰用水時(shí)段的管道余氯量對(duì)試驗(yàn)結(jié)論進(jìn)行了驗(yàn)證。

(1)影響小口徑管道中余氯衰減的主要因素是管壁反應(yīng),管壁反應(yīng)所消耗的余氯可占到總余氯消耗的60%～80%。各不同管材管道中,鋁塑和PPR的管壁反應(yīng)速率常數(shù)與水體主反應(yīng)系數(shù)接近,而PSP、304、304焊蝕、316焊蝕和鍍鋅鋼管的管壁反應(yīng)速率常數(shù)分別是水體主反應(yīng)系數(shù)的2.65、4.75、4.79、5.44倍和5.93倍。

(2)管壁反應(yīng)主要由鐵元素引起,亞鐵離子和次氯酸的反應(yīng)是主要余氯消耗途徑,焊接會(huì)破壞不銹鋼表面保護(hù)層并產(chǎn)生鐵素體,從而增強(qiáng)不銹鋼管道的管壁反應(yīng)。

(3)在小口徑管網(wǎng)中低峰用水以層流為主,此時(shí)主要限制速率為傳質(zhì)速率,當(dāng)管道中鐵充分暴露時(shí),余氯反應(yīng)速率應(yīng)為1.825×10-2mg/min,實(shí)際情況中會(huì)有所降低,鍍鋅鋼管實(shí)測(cè)反應(yīng)速率為2.83×10-3mg/min。

(4)實(shí)地配水管網(wǎng)中檢測(cè)發(fā)現(xiàn)同片管網(wǎng)中大口徑消防管余氯較之小口徑居民給水管要高,符合管壁余氯衰減理論。