空气污染物对供水管网中水质的影响研究

第一章 文献综述与选题背景

1.1 选题背景及意义
随着科学的进步和经济的不断发展，人们对生活水平的要求也不断升高，再加上近年来多次发生供水管网水质二次污染的事件，用户对供水水质提出了新的合理要求，随着《生活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006)的实施，对供水水质的指标结构和指标限制提出新的要求[1]。在新的标准中尤其对水中有机污染物的含量提出了新的要求。而现阶段的供水工程中，只是在净水厂出水时对各项指标进行每日不少于一次的检测，当水进入配水管网时，只要求每月不少于两次的检测，而且只针对浑浊度、色度、臭和味、余氯、细菌总数、总大肠菌群等指标[2]。饮用水在净水厂经过处理后，出水水质可以达到国家生活饮用水质标准。而当饮用水通过供水管网到达用户时，供水水质可能会发生改变。尤其是现在城市一般都采取较为庞大的统一供水管网，造成一般管网的最远点用户离净水厂的距离较远，这样净水厂的达标水会在管网中停留较长时间，会与周围环境发生各种反应和物质交换，极有可能造成供水管网水质的二次污染[3]。大部分的学者一直只关注管网本身对水质污染，往往忽略了管网周围空气环境对输配水管道的污染。这是由于人们往往认为输配水管网是一个闭式系统，而事实是供水管网不完全是一个闭式系统。在供水管网中由于边界条件的改变会出现负压水锤波，使得管道中压力降低，为防止管道中压力过度降低，在管道上安装的进排气阀会通过进气过程来缓解管道内压力的持续降低。而在这个过程中空气中的有害污染物会随空气一起进入人们认为的封闭的供水管网中。随着空气质量的持续下降，尤其是空气中致癌、致畸的持续性有机污染物增多对管网水质影响较大，严重威胁用户安全。
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1.2 国内外研究现状
供水管网主要是指城市的输配水管网，由水源到净水厂的这段管道为输水管线，由净水厂到用户的这段管道为配水管网。净水厂一般通过混凝—沉淀—过滤—消毒等一系列净水工艺去除水中的各种污染物，使得净水厂出水达标。通过出水加氯，保证管网末梢的余氯浓度，抑制配水管网中微生物数量的快速增长[4]。在实际运行中由于一个城市的配水管网往往由多个净水厂同时供水，而由于管网的联通性，造成一处水厂的出水水质会影响到整个配水管网；在北方等地，冬天气温较低时，净水厂的原水经常会出现低温低浊水的情况，而这类水质较难处理，可能会出现出水不达标情况。这两个原因造成在配水管网中水源性的污染问题[5]。现在城市的配水管网一般都较为复杂，经常出现几十甚至上百个环的统一供水管网，这样净水厂的出水需要较长时间才能到达管网的最远点用户，这个时间甚至会达到数天的时间。配水管网中由净水厂带来得微生物，管网原有的微生物及在运行过程中管网漏损及管网中进排气阀等途径进入配水管网的微生物会在管网中增长。再加上配水管网中水的停留时间较长，给微生物的繁殖提供了足够的时间，可能导致用户处水质已经超出饮用水卫生标准。而在我国很多城市的配水管网中的水质属于生物不稳定水质[6]。而管壁上长年存在的水垢、腐蚀瘤等都会对用户水质产生影响[7]。对于配水管网，在正常运行时，根据用户用水量来调节二级泵站的供水量，实现供需平衡。满足用户对水量和压力的要求。而在配水管网对水的输送环节则很难对管网中水质实现调节控制，唯一的方法就是调节管网末梢的余氯浓度。而管网较大时末梢余氯浓度的增大会使净水厂出水处的用户的余氯极大，对其产生危害，因此通过余氯来控制水质的措施时有限的。因此对配水管网中水质没有有效的处理措施，对管网水质的控制称为较大难题，应避免一切污染物进入配水管网的途径[8]。
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第二章 空气污染物对供水水质影响

2.1 空气污染物的组成
由于人类活动以及自然界不断向空气中排放各种物质，当这些物质的含量超过了正常水平时就会对人类和生态环境产生不良影响，这些物质即为空气中的污染物。空气污染物根据其存在状态不同，可分为气态污染物和颗粒物[14]。气态污染物主要有:二氧化硫、氮氧化物等。空气颗粒物按空气动力学直径可分为: TSP（总悬浮颗粒物：指空气动力学直径小于 100μm 的空气颗粒物）、PM10（可吸入颗粒物：指空气动力学直径小于 10μm 的空气颗粒物）、PM2.5（飘尘：指空气动力学直径小于 2.5μm 的空气颗粒物）和超细颗粒物[15-17]。空气中的气态污染物主要有含硫化合物（SO2、H2S 、SO3）、含碳化合物（CO、CO2、有机碳氢化合物、氧烃类）、含氮化合物（N2O、NO、NO2）、含卤素化合物（有机的卤代烃、无机的氯化物、氟化物）等。其中 SO2、H2S、NO、CO、CO2等直接排放的污染物属于一次污染物[18]；SO3、H2SO4、NO2、醛类、酮类、酸类等由一次污染物之间或一次污染物与空气原有成分之间发生正常反应或光化学反应而产生的新污染物属于二次污染物，其一般比一次污染物对人的危害较大[19]。
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2.2 对供水水质影响较大的空气污染物
由上述介绍知，在空气中现有的污染物种类较多，，而且各种污染物具有极为不同的理化性质，而这些污染物对供水管网水质的影响主要由溶水性、亲水性、持久性、毒理性、对净水厂原水理化性改变程度等方面因素决定。对于空气中的气态污染物，由于其具有较好的溶水性，通过进排气阀进入供水管道后会迅速溶于水。如 SO2、H2S、NO、CO、CO2被吸入供水管网与水接触后一般会溶于水，而溶解的反应一般只会改变水的酸碱度，而不会大量代入新的污染物。由于通过进排气阀的负压水锤防护过程进入供水管网的气态污染物是有限的，而且在多数情况下不是持续的。因此空气中气态污染物进入供水管网后对供水管网水质的影响是微小的。空气颗粒物中水溶性离子如 K+，Ca2+，Na+，Mg2+，F-，-Cl ，2-4SO ，-3NO ，+4NH等和无机元素如Ca，Fe，Al，Zn等，其随空气颗粒物进入供水管网后与水接触，溶于水后只是增加了水中离子的数量。这些离子在水中本身是存在的，因此其对供水水质的影响是可以忽略的。空气颗粒物中的重金属元素As，Cd，Pb，Ba 和Cr，等由于其毒性较大，进入供水管网后，不管以何种形态存在都会对供水水质产生较大影响。尽管重金属在空气颗粒物中的含量不高但其在人体内有富集性，因此应作为重点对象进行研究。
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第三章 供水管网的水力特性 ........ 13
3.1 供水管网基本方程 .......... 13
3.1.1 供水管网恒定流基本方程 ..... 13
3.1.2 供水管网非恒定流基本方程 .......... 15
3.2 供水管网流态分析 .......... 18
3.3 供水管网负压水锤对水流特性的影响........ 21
3.4 供水管网流态对进气污染物传播的影响 ..... 25
第四章 进排气阀对供水管网水力特性的影响 ........ 27
4.1 供水管网负压水锤防护措施......... 27
4.2 进排气阀分类与选择........ 37
4.3 进排气阀在负压水锤防护中的进气量计算.... 38
第五章 进气污染物浓度研究 ........ 45
5.1 单个进排气阀管道进气污染物浓度计算...... 45
5.2 多个进排气阀管道进气污染物浓度研究 ..... 46

第六章 实例计算

6.1 供水管线进排气阀进气量计算
选取长 20km 的一段配水管线，管径为 DN800 的铸铁管道单管输水，起点和终点高差为 120m，选取管道水锤波速为 1000m/s，水锤相长为 40s。管道前端加压泵房内设置两台离心泵（一用一备），设计扬程为 150m，设计流量为 0.57m3/s。进排气阀的口径选取供水管线直径的 1/10，假设加压泵突然断电停泵，管道中出现较大的负压水锤，经计算泵后无水锤防护措施四，泵后最大降压达到 149m。管道输水系统高程及设计水压线如下图 6-1 所示。针对上述管道，根据不同的水锤防护措施，将上述管线系统分两种情况来计算进排气阀的进气量：方案一：根据传统的进排气阀设置理论，在地形局部高点设置，来防护管线的负压水锤。应用到本管道系统，只在管线 6000m 处的局部高点设置一个进排气阀，其他位置不设置防护措施如图 6-2；方案二：根据第三章提出的联合负压水锤措施，在管线首段设置一个单向调压塔，而后续管段通过进排气阀来消除负压的影响。应用大本管道系统，在管线 6000m 处的局部高点设置一座 10m 的单向调压塔，而 6000m 后的管段根据第三章介绍的计算方法设置进排气阀，经计算分别在 14、15、16、17、18、19km 处分别设置一个进排气阀如图 6-3。

结论

随着供水矛盾的日益突出，尤其是近年来发生了多起供水管网水质二次污染的事件，用户在生活饮用水中发现了各种污染物。本文以供水管网上的进排气阀为研究对象，当管道中由于边界条件的改变出现较大负压时，进排气阀会通过将空气吸入管道中来缓解管道内压力的下降，保障管网的正常运行。但在这个过程中空气中的有害污染物也随之进入原本认为封闭的供水管网中，尤其是对没有处理措施的配水管网造成严重的水质二次污染问题，严重威胁用户的用水安全。本文主要从进气污染物的类别及危害性、进气污染物进入管道的途径、进气污染物与水混合时的理化性、进气污染物在供水管道中的迁移变化规律以及在这个过程中污染物的浓度变化等过程进行分析。最后得出如下结论：
（1）空气中的污染物会通过进排气阀的进气过程进入供水管网中，对供水管网水质造成二次污染；
（2）在空气污染物中对管网水质影响较大的有：重金属离子、多环芳烃、杂环胺等物质。在空气中多环芳烃的浓度上限达到 2000 ng/m3到 4000 ng/m3，如果进入供水管网，由于其浓度太高对用户威胁较大；而空气中的杂环胺浓度虽没多环芳烃高，但其致癌和致畸性远高于多环芳烃，因此杂环胺的危害也不容忽视。
（3）当供水管网正常运行时，管网中的水流流态主要有层流、波状流和段塞流。在管网的局部位置（如阀门、弯头等）处会出现气团流、泡沫流和环状流，但这三种流态都是短暂发生的，是其他流态的过渡过程。当供水管网中水流为层状流、波状流和段塞流时，含有进气污染物的水流会稳定得向下游运动，一般不会发生较大扩散。
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参考文献（略）