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

(蘇州市自來水有限公司,江蘇蘇州 215002)

隨著我國經濟不斷發展,居民對自來水水質的要求不斷提高。對于用戶端“龍頭”水質而言,余氯的含量更為重要。在《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2022)中規定,龍頭水余氯質量濃度不得低于0.05 mg/L。低余氯量極易導致微生物的孳生,在增加居民的健康風險的同時導致水體渾濁度、色度等直接感官性狀的變化,增加居民對行業的質疑。消毒劑添加后,必須確保管網水中存在足夠的余氯濃度來抑制微生物的再生,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]、總有機碳(TOC)濃度[5]、pH[6]等。但這些針對影響末梢余氯消耗的各因素的研究,且大多是處于實驗室小試階段,未在實際場景中進行驗證考察。因此,本文在對管道末端余氯的消耗模式進行了分析的基礎上,通過理論和試驗得出了影響管網末梢余氯的最主要因素,并在實際管網中進行了相應的驗證研究。

1 小口徑管道余氯基本衰減模式

供水管網中余氯衰減的原因,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、有機物以及無機物等與氯發生反應所造成的余氯消耗;管壁衰減指的是管壁在長期使用過程中所產生的沉淀物以及附著微生物等能夠與氯相互反應,引起的余氯消耗[6]。基于以上2個方面,余氯在水中衰減的基本形式可以表述為式(1)。

(1)

其中:C——水中余氯質量濃度,mg/L;

t——時間,d;

kc——水體主反應系數,d-1;

kf——傳質影響系數,m/d;

kw——管壁反應系數,m/d;

rh——水力半徑,m。

(2)

Mutoti等[8]在文章中指出,同種管材下,湍流態和層流態的管壁反應系數會有極大的差異,在雷諾數(Re)小于2 500時,管壁反應速率很小(圖2)。而在進入湍流態后,隨著Re的增大管壁反應系數急劇增大。

綜上,可以認定在層流管壁反應中,起主要限制因素的是余氯的傳質速率。而由式(1)可知,此時管壁耗氯與傳質系數近似成正比關系,即kb僅受kf影響(圖3)。管壁附近Fe2+的含量遠大于HClO,因此,余氯與Fe2+的反應可以認為是零級反應。只要存在余氯,反應就會發生。而在大部分輸水管道中,余氯總是存在的,該反應實際取決于氯離子的傳遞速率。因此,管壁鐵與余氯的反應僅受氯離子的傳質影響,可以認為,管壁反應速率在這種情況下可以用kf替代。

在層流態,傳質系數可用式(3)表示[9]。

(3)

其中:v——水的流速,m/s;

d——管徑,m;

L——管長,m;

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

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

C=-kt

(4)

其中,t計算方式如式(5)。

(5)

結合式(5)得到耗氯量計算如式(6)。

(6)

在管網末端用水量低峰段,通常存在以下情況:只有枝狀管網的某個末端用水,此時管網某片分管網內所有管道流量相等[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——傳質耗氯速率,mg/min。

所以在以傳質耗氯占主體的管道中,管徑與傳質耗氯速率呈反比例關系。

一般居民夜間停用水時間為8 h,此時流速為0,因此,可計算kq為3.65×10-4mg/min。

根據理論計算表明,管壁消耗會對余氯的產生更大影響,極易因為余氯降低而導致龍頭水微生物超標。因此,進行試驗證明該理論具有實際可行性[10]。

2 試驗方法

2.1 小口徑管道余氯衰減試驗裝置

在蘇州市自來水有限公司的中試基地構建了如圖4所示的小口徑管道余氯衰減試驗裝置。分別選用304不銹鋼、無規共聚聚丙烯(PPR)、鋁塑、鍍鋅、焊接316不銹鋼以及聚苯乙烯基吡啶(PSP)鋼塑復合管6種常見入戶管材作為試驗對象,管徑均為DN20。通過單一管道進行分水后進入各試驗管道,管道與管道之間均通過閥門實現流量控制。

2.2 管道余氯衰減影響因素分析

取砂濾池出水,將水通入試驗水箱后補氯至0.7 mg/L后靜置3 d,等待余氯與水中有機物充分反應,以消除水體主反應系數耗氯的影響。

3 d內通過取樣管分別取上層水和下層水檢測余氯濃度,測得上下層水余氯質量濃度均為0.3 mg/L且保持穩定,此時可視作水中主要有機物質已反應完畢并上下層已混合均勻,可作為排除水體主反應耗氯的影響。

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

2.3 管道余氯衰減速率分析

基于本文1小節中理論可知,在k相同的情況下,同等反應時間管道內初始余氯濃度和末端余氯濃度成正比關系。因此,使用不同初始余氯濃度的水封閉相同時間,即可求得各管道的耗氯速率常數。

取砂濾池出水,將水通入試驗水箱后分別補氯至0.05、0.8 mg/L和4 mg/L進行試驗,待水箱中余氯上下混勻后打開閥門,使水充分充滿各試驗管道。

封閉管道末端黃銅球閥,將水封存24 h后測定余氯濃度,打開末端閥門放水50 mL進行余氯濃度測定。

3 結果與討論

3.1 管道余氯衰減影響因素分析

靜態管道余氯3 h內衰減趨勢如圖5所示。

由圖5可知,各種管道0.5 h內的耗氯量就有明顯的差異,之后則總體呈現緩慢下降趨勢,考慮到取樣會造成水體流動。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所帶來的余氯消耗。

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

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。在排除水體主反應對氯的消耗后,管道中的耗氯反應基本全為管壁反應所造成的余氯消耗,可以發現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生反應,負極反應為式(11),正極反應為式(12)。而另一方面,氯在水中歧化產生HClO,而HClO與水中的Fe2+進一步發生反應,其反應表達式為式(13)。

Fe-2e-=Fe2+

(11)

(12)

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

(13)

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

為了證明確實是由于焊接產生的鐵素體對余氯產生影響,進一步選取304和316不銹鋼的焊接件以及未經焊接的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進行浸泡,試驗結果如圖7所示。

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

3.2 不同濃度靜態管道余氯衰減

不同濃度的初始余氯靜態衰減24 h后結果如圖9所示。

在長時間的層面上,不含鐵質的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。

根據式(4)可知,對不同時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。具體擬合參數如表2所示。

表2 耗氯速率擬合參數

圖1 管壁耗氯與管壁反應系數和傳質系數關系

圖2 傳質系數與Re關系

圖3 kb與kf關系

圖4 小口徑管道試驗裝置

圖5 靜態小口徑管道余氯時間衰減

圖6 靜態小口徑管道余氯衰減和鐵質量濃度關系

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3.1小節可知,塑料管道衰減速率與水體主反應系數基本相近,僅存在部分由鐵質主管所帶來的鐵質,因此,認為鋁塑管和PPR管道的耗氯速率近似于水體主反應耗氯速率,得到各管道的管壁反應相關速率,如圖11和圖12所示。不銹鋼管道因為有氧化鉻保護層,管壁反應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的管壁反應速率常數與水體主反應系數接近,而PSP、304、304焊蝕、316焊蝕和鍍鋅鋼管的管道反應速率常數分別是水體主反應系數的2.65、4.75、4.79、5.44倍和5.93倍?？梢妼τ谛】趶焦艿拦鼙诤穆仁锹认牡闹饕蛩?。

圖11 管壁反應耗氯速率

圖12 余氯消耗

因此,在實際管道中,余氯消耗的主體來自于管壁反應。在管壁附近Fe2+的含量遠大于HClO,因此余氯與Fe2+的反應可以認為是零級反應。只要存在余氯,反應就會發生。而在大部分輸水管道中,余氯總是存在的,因此該反應實際取決于氯離子的傳遞速率。

3.3 管道耗氯速率計算

根據3.1和3.2小節可知,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。

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對于DN20的試驗用管道,此時kf為1.825×10-2mg/min,與3.2小節中測得的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)的耗氯系數基本相近,特別是對于鐵充分暴露的316焊蝕+PSP組,該反應系數相似程度較高。因此,對于不同管徑的小口徑管道,有關系如圖13所示。

圖13 靜止時傳質系數與管徑關系

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

4 實際配水管網余氯檢測

4.1 日間用水低峰時段

在某小區的日間10:00用水低峰段對實際用水管網進行現場檢查,對照現場管網圖(圖14),并通過管網水力模型分析流向,確定相似支管用水點為一幢用戶和門衛用戶。

圖14 水質點位置

通過水力模型判斷該點處水流流向(圖15),確定支管對應的主干管網。

圖15 水質點水流方向

小區市政管道水質無直接取水口,無法直接判斷。通過管路圖發現,消防管道與市政管道基本并行排列,因此,通過消防栓放水判斷市政管道余氯,同時以一幢101居民家中龍頭和門衛龍頭作為相似點。各管道間關系如圖16所示。

圖16 水質點管線關系

以消防栓代表DN100管道,門衛和101用戶代表入戶DN20管道,現場檢測結果如圖17～圖18所示。

圖17 日間現場檢測結果

圖18 夜間現場檢測結果

檢測結果表明,在同樣無人用水的情況下,管道余氯口徑越小衰減越快,符合前述理論。

4.2 夜間用水低峰時段

在凌晨5:00用水低峰段對某小區進行水質監測,該小區10幢位于小區最末端,對10幢通過便攜式余氯儀進行水質檢測。

在對10幢3、4層進行檢測時,閥門問題導致水流量大,測得的實際為主管網上余氯,從而導致該處余氯較高。這表明主管上的余氯在經過長時間的衰減后仍能保持水質達標,而在1、2層時正常檢測入戶管處水質時可發現余氯較低,因為管徑小從而管壁反應占了主導地位,導致余氯消耗速度較快。

5 結論

本文通過試驗、理論分析得到了以下結論,并通過檢測實際管網日夜間低峰用水時段的管道余氯量對試驗結論進行了驗證。

(1)影響小口徑管道中余氯衰減的主要因素是管壁反應,管壁反應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的管壁反應速率常數與水體主反應系數接近,而PSP、304、304焊蝕、316焊蝕和鍍鋅鋼管的管壁反應速率常數分別是水體主反應系數的2.65、4.75、4.79、5.44倍和5.93倍。

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

(3)在小口徑管網中低峰用水以層流為主,此時主要限制速率為傳質速率,當管道中鐵充分暴露時,余氯反應速率應為1.825×10-2mg/min,實際情況中會有所降低,鍍鋅鋼管實測反應速率為2.83×10-3mg/min。

(4)實地配水管網中檢測發現同片管網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。