管材和水力條件對(duì)三鹵甲烷形成的影響

袁一星，鐘 丹，吳晨光，吳 艷，邱 微

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，150090 哈爾濱，zhongdan2001@163.com;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，150090 哈爾濱;3.寧波市城建設(shè)計(jì)研究院有限公司，315012 浙江寧波)

管材和水力條件對(duì)三鹵甲烷形成的影響

袁一星1，2，鐘 丹1，2，吳晨光1，2，吳 艷3，邱 微1，2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，150090 哈爾濱，zhongdan2001@163.com;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)市政環(huán)境工程學(xué)院，150090 哈爾濱;3.寧波市城建設(shè)計(jì)研究院有限公司，315012 浙江寧波)

針對(duì)管材和水力條件對(duì)氯消毒副產(chǎn)物(Disinfection By-Products，DBPs)產(chǎn)生過(guò)程的影響，研究了管材和水力條件對(duì)供水管網(wǎng)中典型的消毒副產(chǎn)物——三鹵甲烷(Trihalomethanes，THMs)形成的影響情況，其中，管材對(duì)THMs生成的影響研究采用靜態(tài)管段反應(yīng)器來(lái)完成，水力條件對(duì)THMs生成的影響研究采用供水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)模擬裝置來(lái)完成.靜態(tài)試驗(yàn)的研究結(jié)果表明:在不同管材中，余氯衰減速率排序?yàn)榍蚰T鐵＞PVC＞不銹鋼，而THMs的生成量排序?yàn)?PVC管＞球墨鑄鐵管＞不銹鋼管.供水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)結(jié)果表明:THMs的生成量與流速成正比，但相對(duì)于余氯的衰減速度，THMs的增加并不顯著;當(dāng)停留時(shí)間和流速同時(shí)對(duì)THMs的生成量產(chǎn)生影響時(shí)，THMs的變化取決于二者影響程度的大小;管徑與THMs的生成量成正比;余氯、管材、流速和停留時(shí)間都是THMs形成的重要影響因素.

三鹵甲烷;管材;水力條件

在消毒殺滅水中病原微生物的同時(shí)，氯會(huì)與水體中的富里酸和腐殖酸等有機(jī)物發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生一系列的 DBPs［1］.在眾多的 DBPs中，THMs 以其獨(dú)特的化學(xué)特性、毒性和對(duì)人類(lèi)健康的危害性，一直是國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)［2］.Villanueva 等［3］的研究結(jié)果表明:不同水源的 THMs和鹵乙酸(Haloacetic acids，HAAs)質(zhì)量濃度變化很大;特定種類(lèi)的HAAs與特定種類(lèi)的THMs密切相關(guān)，總HAAs及特定種類(lèi)的HAAs可以由THM質(zhì)量濃度來(lái)預(yù)測(cè).Jean-B等［4-5］的研究結(jié)果表明:在加拿大南魁北克地區(qū)的3個(gè)主要水廠中，飲用水THMs質(zhì)量濃度的主要影響因素是溫度和DBPs前體物質(zhì)量濃度.此外，通過(guò)測(cè)定出廠水的THMs質(zhì)量濃度，可以較好地預(yù)測(cè)管網(wǎng)中THMs的質(zhì)量濃度.H.Pourmoghaddas等［6］的研究結(jié)果表明:水中總有機(jī)鹵化物(Total Organic Halogens，TOX)隨著溴離子質(zhì)量濃度和pH值升高而升高.陳萍萍等［7］對(duì)THMs和HAAs生成影響因素的研究結(jié)果表明:TOC和UV-254與THMs前體物的相關(guān)性較差;在pH5～10的范圍內(nèi)，THMs總量隨pH值的增高而增大;THMs的生成量與投氯量、氯化時(shí)間、溫度(常溫)均呈正相關(guān).商丹紅等［8］研究了反應(yīng)時(shí)間、水中有機(jī)物質(zhì)量濃度、反應(yīng)溫度、pH、氨氮質(zhì)量濃度和溴離子等對(duì)THMs產(chǎn)生的影響，結(jié)果表明:除氨氮對(duì)THM的生成有抑制作用外，其他的影響因素都會(huì)促進(jìn)THMs的生成.近年來(lái)，韓暢等［9］討論了有關(guān)分析技術(shù)的發(fā)展過(guò)程，從DBPs的前處理技術(shù)、分析技術(shù)等角度，介紹了DBPs研究領(lǐng)域近期所取得的進(jìn)展，并展望了今后研究的發(fā)展方向.吳維等［10］考察了天津市城市供水系統(tǒng)中鹵乙酸的質(zhì)量濃度及其變化規(guī)律.趙建莉等［11］介紹了飲用水中消毒副產(chǎn)物的產(chǎn)生及其危害，論述和比較了飲用水中消毒副產(chǎn)物的各種去除途徑及進(jìn)展，并指出了去除副產(chǎn)物過(guò)程中存在的問(wèn)題.陳穎敏等［12］介紹了飲用水氯消毒的現(xiàn)狀，分析了氯消毒副產(chǎn)物的形成機(jī)理，簡(jiǎn)要論述了其控制方法，提出了今后研究工作的方向.鄭曉波等［13］論述了飲用水鹵代消毒副產(chǎn)物(三鹵甲烷和鹵乙酸)的研究現(xiàn)狀，分析了其對(duì)人類(lèi)健康的危害，介紹了去除副產(chǎn)物的各種有效途徑，并展望了今后的研究方向.

綜上所述，以往的研究結(jié)果多集中在THMs生成量的預(yù)測(cè)、水處理工藝中THMs生成量的影響因素、THMs質(zhì)量濃度變化規(guī)律等方面.而對(duì)供水管網(wǎng)中THMs的生成機(jī)理及其變化規(guī)律的研究成果較少，仍處于起步階段.有關(guān)管材和水力條件模擬試驗(yàn)研究的報(bào)道還不多見(jiàn)，而該模擬試驗(yàn)研究對(duì)實(shí)際管網(wǎng)中DBPs的研究以及水質(zhì)模型的建立具有重要意義.本文通過(guò)靜態(tài)管壁試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)供水系統(tǒng)模擬試驗(yàn)，研究了管材及水力條件對(duì)THMs生成量的影響，以期為供水管網(wǎng)DBPs水質(zhì)模型的建立奠定理論基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置

1.1.1 靜態(tài)管壁試驗(yàn)

通過(guò)靜態(tài)管壁試驗(yàn)研究消毒劑與管壁沉淀、生物膜物質(zhì)、腐蝕瘤和管材本身發(fā)生的反應(yīng)，以及生成THMs的影響因素.從實(shí)際供水管網(wǎng)中截取不同管材、管齡的管段，管材包括球墨鑄鐵管、不銹鋼管、PVC管，各管段管齡不同，內(nèi)部形成不同程度的腐蝕，對(duì)各管段進(jìn)行密封保存，將其加工制作成靜態(tài)管段反應(yīng)器，將水質(zhì)狀況相同的試驗(yàn)用水分別注入各靜態(tài)管段反應(yīng)器中，分別研究各管材的管道內(nèi)壁對(duì)水中THMs生成量的影響，反應(yīng)器管材是DN80的未做防腐處理的球墨鑄鐵管、不銹鋼管、PVC管，反應(yīng)器內(nèi)設(shè)有掛片.試驗(yàn)裝置如圖1所示.

1.1.2 實(shí)驗(yàn)室供水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)

本研究所采用的反應(yīng)裝置是供水管網(wǎng)模擬裝置，如圖2所示.

圖1 靜態(tài)管段反應(yīng)器

圖2 供水管網(wǎng)模擬裝置實(shí)圖

模擬裝置由5層環(huán)狀管網(wǎng)反應(yīng)器組成，該模擬裝置的示意圖如圖3所示.供水管網(wǎng)模擬裝置自下而上，管徑分別為 100、80、50、50、50 mm.每層管道均由17.5 m長(zhǎng)的未襯里普通鑄鐵管構(gòu)成，這些管道在實(shí)際管網(wǎng)中已使用多年，內(nèi)壁已形成明顯腐蝕瘤和生物膜.該裝置可根據(jù)具體實(shí)驗(yàn)要求，改變管道長(zhǎng)度，實(shí)現(xiàn)不同管徑管段的混合.

圖3 模擬裝置示意圖

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 靜態(tài)管壁試驗(yàn)

靜態(tài)管壁試驗(yàn)的用水取自某地表水處理廠的濾后水(未加氯)，測(cè)定水樣的TOC為3.16 mg/L，pH 值為 6.57.

向水樣中加入適量次氯酸鈉溶液調(diào)整pH值，使之處于7.3±0.3 范圍內(nèi)，靜置 2 h，將水樣注入球墨鑄鐵管、不銹鋼管和PVC管3種管材的靜態(tài)管段反應(yīng)器中，密封，保持室溫，每隔2 h取水樣測(cè)定各時(shí)刻的余氯質(zhì)量濃度和THMs生成量，觀測(cè)時(shí)間持續(xù)24 h.

1.2.2 供水管網(wǎng)動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)

動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)由于耗水量大，以管網(wǎng)水作為試驗(yàn)用水，測(cè)定該管網(wǎng)水的TOC值為5.20 mg/L，pH值為6.5.試驗(yàn)前先將水敞口放置24 h，以除去水中的大部分余氯.

1)管徑和停留時(shí)間相同、流速不同條件下，THMs生成規(guī)律.在模擬裝置的供水水箱內(nèi)(水樣500 L)投加30 mL次氯酸鈉溶液，運(yùn)行大變頻調(diào)速泵進(jìn)行管道水的大循環(huán)，從而使余氯均勻分布，而后靜置2 h.水樣進(jìn)入管網(wǎng)前，余氯質(zhì)量濃度為1.41 mg/L，pH 值為 7.33.將水樣注入模擬裝置下面3層DN50的管道中，調(diào)節(jié)各層管道的變頻調(diào)速泵，使各層流速自下而上分別為 0.3、0.6、0.9 m/s;各層定時(shí)同步取樣測(cè)定余氯和THMs質(zhì)量濃度，并同時(shí)進(jìn)行燒杯平行試驗(yàn).

2)流經(jīng)距離相同、流速和管徑不同條件下，THMs生成規(guī)律.在管網(wǎng)動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)中，設(shè)流經(jīng)距離為3 500 m，在初始投氯量為1.41 mg/L、pH值為7.23的條件下，當(dāng)水樣流經(jīng)時(shí)間分別為3 h 14 min 27 s(0.3 m/s)、1 h 37 min 13 s(0.6 m/s)、1 h 4 min 9 s(0.9 m/s)時(shí)，測(cè)定 THMs的生成量.

1.3 分析指標(biāo)及方法

試驗(yàn)中常規(guī)指標(biāo)分析均按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)方法測(cè)定［14］，余氯的測(cè)定方法采用 DPD(N，N-二乙基-1，4-苯二胺)比色法，THMs的檢測(cè)方法采用液-液萃取法和帶電子捕獲檢測(cè)器的氣相色譜法.

2 結(jié)果與討論

2.1 管材

從試驗(yàn)結(jié)果可知，3種管材的余氯衰減速率由大到小依次為:球墨鑄鐵、PVC、不銹鋼，且反應(yīng)的前12 h余氯的衰減較快，12 h后余氯衰減趨于緩慢，如圖4所示.

圖4 不同管材對(duì)余氯衰減的影響

不同管材對(duì)氯仿生成的影響如圖5所示，前12 h水樣中氯仿生成速率較快，12～24 h生成速率則趨于平緩，這一變化趨勢(shì)與余氯的衰減趨勢(shì)相符.3種管段反應(yīng)器內(nèi)氯仿的生成量由大到小依次為:PVC管、球墨鑄鐵管、不銹鋼管.

圖5 不同管材對(duì)氯仿生成的影響

分析原因可能是:球墨鑄鐵管由于其自身成分的原因，管內(nèi)壁存在腐蝕微電池，使管道內(nèi)部腐蝕較為嚴(yán)重，對(duì)余氯的消耗最大，由于大部分余氯是與球墨鑄鐵管內(nèi)壁的腐蝕瘤等發(fā)生反應(yīng)，與主體水中消毒副產(chǎn)物發(fā)生反應(yīng)的量很少，生成的THMs量最少.PVC管與不銹鋼管相比，不銹鋼管內(nèi)壁不存在腐蝕，且管壁平滑不易聚集吸附沉淀物，所以，對(duì)余氯的消耗最小，大部分余氯與主體水中的物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，THMs生成量比球墨鑄鐵管多.PVC管內(nèi)壁比不銹鋼管內(nèi)壁粗糙，會(huì)聚集更多的細(xì)菌和微生物，因此，對(duì)氯的消耗量大于不銹鋼管，但PVC管內(nèi)壁聚集的物質(zhì)會(huì)向水中提供消毒副產(chǎn)物的前體物質(zhì)，所以，生成的THMs量在3種管材中最大.

2.2 水力條件

2.2.1 相同管徑和停留時(shí)間、不同流速條件下，THMs的生成規(guī)律

不同流速下余氯衰減變化如圖6所示，通過(guò)燒杯試驗(yàn)與動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)的比較可以看出，相同的停留時(shí)間內(nèi)，動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)中余氯衰減速率遠(yuǎn)大于燒杯試驗(yàn)中余氯衰減速率，且流速越大，耗氯量越大，余氯衰減越快.這是由于管道內(nèi)水的流速增大會(huì)增加管壁上氧的補(bǔ)給量，促進(jìn)管壁腐蝕，從而增加耗氯量.

圖6 不同流速下余氯衰減的變化

不同流速下THMs生成的變化如圖7所示，可以看出，在相同的停留時(shí)間內(nèi)，模擬裝置和燒杯試驗(yàn)中THMs的生成量變化規(guī)律總體上一致，模擬裝置中THMs的生成量略大于燒杯試驗(yàn)中的生成量，遠(yuǎn)不如余氯的衰減明顯(如圖6).這是由于在動(dòng)態(tài)模擬試驗(yàn)中，管壁上形成的水垢、銹瘤和生物膜中所含的THMs前體物，隨著水體流動(dòng)釋放到了水中，促進(jìn)了THMs生成，從而減小了與燒杯試驗(yàn)中THMs生成量之間的差距.但由于大量的氯被管壁所消耗，減少了THMs的生成.因此，流速的增大雖然使余氯的衰減速率大幅提高，但卻沒(méi)有對(duì)THMs的生成產(chǎn)生顯著影響.

可見(jiàn)，余氯是THMs形成較為重要的影響因素，但并非唯一條件，實(shí)際管網(wǎng)中THMs的生成量取決于管內(nèi)衛(wèi)生狀況等多種因素.

2.2.2 相同流經(jīng)距離、不同流速和管徑條件下，THMs的生成規(guī)律

由圖7可見(jiàn)，流速為0.3 m/s時(shí)管道內(nèi)THMs的生成量最大.流經(jīng)距離相同時(shí)，水體在管網(wǎng)中的停留時(shí)間和 THMs的生成量成正比.同時(shí)，由2.2.1的分析可知，流速與 THMs的生成量成正比，且對(duì)其影響并不十分明顯.這時(shí)，與流速相比，停留時(shí)間對(duì)THMs生成的影響更為明顯.對(duì)于流速為0.6 m/s的水體，其停留時(shí)間僅略大于流速為0.9 m/s的水體，停留時(shí)間和流速對(duì)THMs的影響基本上相互抵消，從圖7可以看出，兩種情況下THMs的生成量較為接近.可見(jiàn)，當(dāng)停留時(shí)間和流速同時(shí)對(duì)THMs的生成量產(chǎn)生影響時(shí)，THMs變化要取決于兩種因素影響程度的大小.

圖7 不同流速下THMs生成的變化

為了解釋管徑對(duì)THMs生成量的影響，先介紹一下接觸率的概念.若將管道中單位體積的水與管壁的接觸面積稱(chēng)為接觸率，那么接觸率與管道直徑成反比，即

式中:R為接觸率;d為管道直徑;r為管道半徑;l為管道長(zhǎng)度.

由式(1)可知，管徑愈小，接觸率愈大.水與管壁的接觸率越大，余氯衰減速度就越快，耗氯量也越大.

由圖8可見(jiàn)，對(duì)于DN50和DN100的管道而言，THMs生成量隨著管徑增大而增加.這是由于管徑增大，接觸率減小，管壁耗氯量減少，大部分余氯與水中消毒副產(chǎn)物前體物反應(yīng)，生成的THMs也相對(duì)較多.

圖8 流經(jīng)距離相同、流速不同情況下THMs的生成

3 結(jié)論

1)投氯量相同，3種管材的反應(yīng)器中THMs生成量從大到小依次為:PVC管＞球墨鑄鐵管＞不銹鋼管.

2)在相同的管徑和停留時(shí)間內(nèi)，模擬裝置和燒杯試驗(yàn)中THMs的生成量變化規(guī)律總體上一致，模擬裝置中THMs的生成量?jī)H略大于燒杯試驗(yàn)，遠(yuǎn)不如余氯的衰減明顯.隨著管網(wǎng)流速的增大，THMs的生成量也有所增多，但相對(duì)于氯的衰減量，THMs的增加并不顯著.

3)在相同流經(jīng)距離、不同流速和管徑條件下，當(dāng)停留時(shí)間和流速同時(shí)對(duì)THMs的生成量產(chǎn)生影響時(shí)，THMs的變化要取決于兩種因素影響程度的大小.

4)在相同流經(jīng)距離、不同流速條件下，對(duì)于不同管徑的管段，管徑越大，水中THMs的生成量越大.

5)余氯、管材、流速和停留時(shí)間都是THMs形成的重要影響因素，實(shí)際管網(wǎng)中THMs的生成量取決于多種因素的綜合作用.

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Effects of pipe materials and hydraulic conditions on the formation of trihalomethanes

YUAN Yi-xing1，2，ZHONG Dan1，2，WU Chen-guang1，2，WU Yan3，QIU Wei1，2

(1.State Key Laboratory of Urban Water Resource and Environment，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China，zhongdan2001@163.com;2.School of Municipal and Environmental Engineering，Harbin Institute of Technology，150090 Harbin，China;3.Ningbo Urban Construction Design ＆ Research Institute Co.，Ltd，315012 Ningbo，Zhejiang，China)

The effects of different pipe materials and hydraulic conditions on the formation of trihalomethanes(THMs)were investigated.Pipe section reactor was used for the research of pipe materials and dynamic simulation equipment of water distribution network was used for the research of hydraulic conditions.The results of pipe section reactor showed that the ranking of chlorine decay velocity in different pipe materials was ductile cast iron＞PVC＞stainless steel，while the ranking of THMs concentration was PVC＞ductile cast iron＞stainless steel.The results of dynamic simulation showed that a higher flow velocity of water caused higher THMs concentration，but it was not distinct compared with the decay of chlorine.When retention time and flow velocity affected the formation of THMs simultaneously，THMs concentration was dependent on the effect degree of the two factors.THMs concentration increased as pipe diameter was increased.Chlorine residual，pipe materials，flow velocity and retention time are all important effects for the THMs formation.

trihalomethanes;pipe material;hydraulic condition

TU991.21

A

0367-6234(2011)10-0024-05

2011-07-05.

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(青年)(51108123);城市水資源與水環(huán)境國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室(哈爾濱工業(yè)大學(xué))自主課題(2010TS02);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(HIT.NSRIF.201191);水體污染控制與治理科技重大專(zhuān)項(xiàng)(2009ZX07424-001).

袁一星(1957—)，男，教授，博士生導(dǎo)師.

(編輯 劉 彤)