淡化海水纳入城市供水系统的水质风险防控技术

淡化海水是重要的淡水补充水,其水质好,但pH、碱度、硬度都很低。这种特质的水极具侵蚀性,若不加处理直接纳入城市供水系统会造成管网的腐蚀。因此,本文从管道优选、管材防腐和淡化水厂后处理（投加药剂法、溶解矿石法、掺混法、添加镁法）等3个方面,系统地介绍了目前淡化海水风险防控技术的原理、适用条件和发展现状,可为今后实现淡化海水的规模化应用提供参考。     

某市给水管网中铁释放现象影响因素与控制对策分析

针对某市管网水中铁浓度的变化规律进行了系统的研究,确定了管垢向管网水中释放出的铁是管网水中铁超标的主要原因.研究中发现铸铁管和镀锌钢管中管垢的主要化学组分为铁.在给水管网中,管网水的溶解氧和余氯浓度低时,对应的管网水中铁释放现象严重,其原因是还原条件使管垢表面的致密钝化层被破坏,造成二价铁的大量释放.根据试验结果提出了给水管网中铁释放和“红水”现象的控制对策.     

给水管网中铁释放现象的影响因素研究

在实验室静态试验下,定量分析了给水管网中无机化学水质参数对铁释放现象的影响,包括酸碱条件、氧化还原条件和无机离子等不同类别的水质参数.研究发现,铁释放速率都随着pH值、碱度和氧化剂浓度的升高而降低,随着氯离子浓度的升高而升高.根据管网的一般条件,提出了控制铁释放现象的理论临界释放速率计算公式.根据理论临界铁释放速率,达到控制管网铁释放现象的必要条件时,管网水质条件满足的要求为pH大于7.6,碱度大于150 mg/L,溶解氧浓度大于2 mg/L,氯离子浓度小于150 mg/L.     

典型海水淡化系统的水足迹评价

海水淡化是缓解我国水资源匮乏的有效方式之一。目前国内外主要关注海水淡化技术的成本和水质,缺乏对海水淡化水资源效益的量化评价。根据ISO水足迹理论,划定海水淡化量化边界,进行典型海水淡化工艺生产阶段清单分析,建立了海水淡化水足迹量化及评价方法。结果表明:低温多效蒸馏水稀缺足迹比反渗透水稀缺足迹高出3~4倍,2种工艺的海水淡化水稀缺足迹的关键影响因素均为电耗;反渗透工艺的水劣化足迹均低于低温多效蒸馏工艺海水淡化。因此,在样本范围内,反渗透工艺的水资源效益整体优于低温多效蒸馏工艺。水足迹评价研究结果揭示,海水淡化生产阶段的水资源消耗和水质影响,有助于引导海水淡化技术向提高水资源效益和降低能耗、消除水污染的方向发展,以期为海水资源科学开发利用提供技术支撑。     

南方某城市供水管网红水原因调查与研究

针对南方某城市供水管网经常出现红水现象,对实际供水管网进行了调查.从某城市供水管网中连续取样检测溶解氧、余氯、铁浓度、锰浓度、铁细菌和亚硝酸菌等重要水质指标,目的是探讨管网出现红水的原因.结果表明,管网出现红水地区的沉淀物主要成分为铁、锰,出厂水存在锰超标现象（Mn最大值达到0.33 mg.L-1）,4个水厂出厂水拉森指数均〉1,4个水厂供水量及硫酸盐、电导率等供水水质指标存在较大的差别,管网中铁细菌及亚硝酸菌（100～103MPN.mL-1）存在水平较高.因此,出厂水本身腐蚀性是导致管网出现红水的潜在原因;其次,各水厂供水量和水质差异导致管网水在低溶解氧及低余氯条件下易发生红水现象;再者,管网中硝化作用严重,诱发微生物腐蚀供水管道.为此,针对上述原因提出控制管网红水现象的主要措施.     

投加不同碱性药剂对管网铁释放的影响

针对不同水源切换可能使管网铁释放增加而引起黄水的问题,搭建了管网模拟中试系统,比较了投加3种不同碱性药剂对管网铁释放的影响. 结果表明:①投加NaHCO₃调节进水碱度,当进水碱度为94~251 mg/L(以CaCO₃计)时,增加进水碱度能够有效抑制管网系统的铁释放,并且出水中ρ(TFe)(TFe为总铁)达到GB 5749—2006《生活饮用水卫生标准》(<30 mg/L). ②pH为7.83~9.01时,采用投加NaOH调节进水pH对管网铁释放无明显抑制作用甚至有所促进;而投加Ca(OH)₂调节进水pH虽然能够在一定程度上抑制管网铁释放,但抑制效果有限,不能保证出水中ρ(TFe)达标. ③当进水中ρ(SO₄2-)较低时,试验后期停止投加NaHCO₃或Ca(OH)₂后,管网系统铁释放能够维持在较低水平;但当进水中ρ(SO₄2-)较高时,停止投加NaHCO₃或Ca(OH)₂后,管网铁的释放又会明显升高.      

水源更换对给水管网水质的影响研究

为了研究水源更换对给水管网水质的影响,对北方A市水源更换过程中管网水质理化指标进行了监测分析.通过33 h的监测发现,由于水源水质不同造成管网水质化学不稳定,管网水水质部分指标发生了明显的下降,pH从7.54降到7.18,碱度从188　mg·L^-1降到117 　mg·L^-1,氯化物从310 　mg·L^-1降到132 　mg·L^-1（以Cl^-计）,电导率从0.176　S·m^-1降到0.087 　S·m^-1,钙离子和镁离子略有下降分别为15 　mg·L^-1和11 　mg·L^-1,这些都是由于滦河水质与黄河水质不同造成的;余氯在换水过程中发生了较复杂的变化,主要是由于水源更换造成耗氯量增加以及夜间用水量少造成管网水输配时间长引起的;pH、碱度、余氯的变化使得管网水中铁的含量增加,最高达到0.4 　mg·L^-1,超出饮用水标准规定的0.3 　mg·L^-1.通过分析水源更换过程中水质的变化,提出了控制管网水质稳定的方法主要有提高pH、增加碱度、投加缓蚀剂和严格保证出厂水及管网水水质指标特别是余氯等.     

滞流工况下管网水中微生物群落对铁释放的影响

为探究不同供水管道滞流过程中,管网水细菌数量和微生物群落结构对铁释放影响作用,研究依托搭载于实际供水管网中的试验平台,分别采用传统R2A培养法计数可培养腐蚀细菌数量,和高通量测序分析水中微生物群落结构.结果显示,滞流过程中不同管材管网水微生物群落以变形菌门(Proteobacteria)为主,占到86.69%~91.36%.在纲水平上,a-变形菌纲(Alphaproteobacteria)、β-变形菌纲(Betaproteobacteria)和放线菌纲(Actinobacteria)含量较高,可达50%以上.总铁浓度与铁氧化细菌和硫酸盐还原菌的相关性较强,且球墨铸铁管管网水中腐蚀细菌对总铁释放的影响性相较于HDPE管的要大.通过相关性系数分析和RDA分析,门水平上Proteobacteria、Actinobacteria和Acidobacteria以及纲水平上的Alphaproteobacteria、Betaprotebacteria和Bacilli对铁释放起到促进作用.     

铸铁管输配再生水铁溶出颗粒物特征研究

针对输配水过程中产生的"红水"现象及铁颗粒物溶出对水质的影响,开展了初步的模拟管网中试研究.实验采用内径为100 mm的铸铁管搭建了120 m长管网中试模拟系统,并以北京某再生水厂生产的再生水为水源,进行了单向连续流动和密闭循环流动模拟管网输配实验,并对管网出水水质进行了的连续跟踪监测.中试结果表明,两种方式的实验都发生了"红水"现象;出水水质的p H、总溶解性固体(TDS)、电导率及总铁都有明显升高;实验过程中得到的两种不同颜色颗粒物,它们都包括α-Fe OOH、γ-Fe OOH、Fe CO3、Fe2O3、Fe3O4及Fe O等矿物质;颗粒物颜色可能与颗粒中羟基氧化铁与碳酸亚铁的含量有关;水流速度对于管网中颗粒物的沉积和释放要一定影响;不带内衬的铸铁管不适合作为输配腐蚀性极强水质再生水的管材.     

给水管网管壁铁细菌生长特性模拟及控制对策研究

利用AR反应器对管壁铁细菌的生长特性、影响因素以及悬浮铁细菌与管壁铁细菌的相关关系进行了研究.管壁铁细菌在反应器运行12 d后达到稳定生长,出水中铁细菌数量比进水增加1 lg,剪切力对于铁细菌达到稳定生长的时间有影响,但对稳定生长后挂片上的铁细菌数量没有明显的影响.稳定余氯0.3 mg/L可以有效控制悬浮和管壁铁细菌的生长,数量降低1 lg;对于管垢内的铁细菌即使余氯增加到1.0 mg/L仍无法杀灭;余氯浓度0.05 mg/L无法有效控制悬浮和管壁附着铁细菌的生长.对于稳定生长下的管壁铁细菌,增加余氯浓度至1.25 mg/L,可使管壁铁细菌数量降低2 lg~3 lg.稳定生长状态下,悬浮铁细菌与管壁铁细菌数量具有线性关系.并在试验基础上提出给水管网铁细菌生长控制对策:维持管网余氯0.3 mg/L;定期采用较高浓度消毒剂冲洗管道;采用新型防腐管材或加快旧管网改造,提高管网抗腐蚀性能等.     

水源切换引起给水管网黄水问题原因分析

针对水源切换造成黄水问题的原因开展试验研究.对水源切换前后原水水质进行分析,连续3个月跟踪监测出现黄水问题用户出水水质变化,利用XRD、SEM和EDS对出现黄水问题管段的管垢进行分析.利用试验室模拟反应器,比较不同水质下管材腐蚀速率及管垢铁释放速率.结果表明,水源切换后新水源水化学组分的较大变化,特别是硫酸盐浓度的大幅度增加是引发黄水问题的主要原因.拉森指数从原来的0.4左右增加到1.7～1.9,水源切换后数天内部分管网用户出水出现黄水问题.发生黄水问题地区的管垢致密壳层较为脆弱,在高浓度硫酸盐水质条件下,容易发生溶解破坏.通过反应器模拟试验,对于旧铸铁管,高浓度硫酸盐对管垢铁释放的影响要大于对管材基质腐蚀的影响.拉森指数与铁释放速率具有相关关系,随着拉森指数的增加,铁释放速率升高;对于旧铸铁管,其相关关系为非线性.由于出现黄水问题的管段管垢稳定保护层被破坏,即使随后管网水拉森指数降低到0.6左右,黄水问题仍持续较长时间.     

软水中EPS对铜管/硅酸盐体系溶解性铜释放影响

以海藻酸钠模拟水体中的EPS,研究了软水体系中海藻酸钠对铜管,硅酸盐体系缓蚀效果的影响.结果表明,当有低浓度海藻酸钠存在时,体系中的溶解性铜浓度显著增加,且老化1 a的铜管溶解性铜释放浓度明显高于老化3 a和10 a的铜管,释放溶解性铜浓度大小顺序为c1a>c3a>c10a;但随着海藻酸钠浓度的增加,老化1 a的铜管的溶解性铜释放浓度增加,而3 a和10 a铜管的溶解性铜释放浓度减小,表明水体中EPS的存在降低硅酸盐对铜管的缓蚀效果.在pH值7.5和海藻酸钠为16mg/L条件下,不同停留时间溶解性铜释放呈现逐渐增加-降低-逐渐增加的趋势,表明海藻酸钠、硅酸盐、铜离子和管壁进行了复杂的相互作用.在低pH值条件下,海藻酸钠对铜管溶解性铜释放影响更加显著,随着pH值增加和铜管老化时间延长,其溶解性铜释放浓度降低,表明海藻酸钠对溶解性铜释放影响降低.     

供水管壁的磷释放对管网水质生物稳定性的影响

为了研究供水系统金属管壁磷释放及其对管网水质生物稳定性的影响,采用新旧有水泥涂衬球墨铸铁管,考察了管壁和水泥涂衬中磷的含量,管网水中可同化有机碳(AOC)、异养菌平板计数(HPC)及生物可利用磷(MAP)的变化规律.结果表明,在铸铁管金属管壁和水泥涂衬中均有磷元素及其他微生物生长所需微量元素存在.旧管和新管均可向悬浮水中释放磷元素并可被微生物吸收利用,旧管释放水平高于新管;同时旧管释放产生的AOC和旧管水中的HPC也明显高于新管;新管对水中pH值有明显影响,但随时间推移逐渐减弱.     

水中硫酸根及溶解氧质量浓度变化对管垢金属元素释放的影响

针对出厂水水质化学组分变化可能引起管垢成分释放进而导致管网"黄水"的问题,利用管段反应器,研究了硫酸根(SO24-)质量浓度变化对长期通地下水的铸铁管段总铁释放的影响,同时分析了硫酸根质量浓度变化可能造成的金属元素锰(Mn)、砷(As)、铬(Cr)、铜(Cu)、锌(Zn)和镍(Ni)的释放行为.研究表明,实验管段进水中SO24-质量浓度的升高能导致管垢总铁、Mn释放量显著增加,且当SO24->400 mg.L-1时,出水呈现明显的"黄水"现象.对实验管段进出水中微量金属元素的检测发现,尽管随着进水SO24-质量浓度的升高,出水中As、Cr、Cu、Zn和Ni质量浓度也随之增加,但其多数情况下低于进水质量浓度,说明管垢对这些微量元素具有吸附作用.增加水中溶解氧(DO)质量浓度对铁的释放具有明显控制作用,但当超过一定值时,其抑制作用反而降低.     

生物膜对给水铸铁管腐蚀结垢的影响

采用XRD、XPS对给水铸铁管腐蚀结垢产物进行表征,结合水相中总铁浓度变化规律,研究了生物膜生长对给水铸铁管腐蚀结垢的影响.结果表明,0～7 d时生物膜存在条件下水相中总铁浓度更高,而15～30 d时无生物膜生长的对照组水相中总铁浓度更高.有生物膜生长时,锈垢的XRD图谱主峰为铁氧化物;无生物膜生长时,主峰为CaCO₃,次峰为铁氧化物,表明生物膜的存在会影响锈垢中晶体的生长及组成.7 d时有生物膜生长组锈垢中铁的质量分数更高,而15 d和30 d时对照组锈垢中铁的质量分数更高.有生物膜生长组锈垢中钙的质量分数始终低于对照组,可能是胞外多聚物吸附或微生物生长消耗钙离子所致.上述结果表明,生物膜发育7 d时会促进铸铁管的腐蚀,而发育15～30 d时会抑制铸铁管的腐蚀;存在生物膜生长会对铸铁管锈垢的形态和组成产生重要影响.生物膜对腐蚀的抑制作用为控制配水管网管道的腐蚀提供了一条新的途径.     

给水管网中污染物在管垢上的累积和释放

给水管网中,管垢是各种污染物的源和汇,但目前污染物在管垢中的累积释放特征尚缺乏系统研究.本文以实际的城市供水管网的球墨铸铁管和灰口铸铁管为对象,一方面采用扫描电镜(SEM)、能谱分析(EDS)、晶体衍射结构分析(XRD)等手段对其管垢进行表征,另一方面运用管段滞流反应器研究了三氯甲烷、铅、锰和锌等污染物滞流状态下在管垢上累积和释放特征.结果表明:同为铸铁管,使用一定年限后,管垢成分有所差异,灰口管管垢量较大,具有明显的锈蚀和管瘤出现,成分以二氧化硅、金属复合氧化物为主,而球墨管管垢量较小,以二氧化硅为主;随着初始浓度的提高,管垢对污染物的累积量逐步提高,对于三氯甲烷,其吸附量和释放量都非常低,而对于Pb、Mn和Zn 3种金属,管垢的吸附量远大于释放量,说明在实验条件下它们易累积不易释放,但水质条件的改变有可能引起大规模释放.研究结果对饮用水管网生物化学安全提出了更高的要求,为管网的饮用水安全保障提供了理论依据.     

Deposition behavior of residual aluminum in drinking water distribution system: Effect of aluminum speciation

Finished drinking water usually contains some residual aluminum.The deposition of residual aluminum in distribution systems and potential release back to the drinking water could significantly influence the water quality at consumer taps.A preliminary analysis of aluminum content in cast iron pipe corrosion scales and loose deposits demonstrated that aluminum deposition on distribution pipe surfaces could be excessive for water treated by aluminum coagulants including polyaluminum chloride（PACl）.In this work,the deposition features of different aluminum species in PACl were investigated by simulated coil-pipe test,batch reactor test and quartz crystal microbalance with dissipation monitoring.The deposition amount of non-polymeric aluminum species was the least,and its deposition layer was soft and hydrated,which indicated the possible formation of amorphous Al（OH）₃.Al₁₃ had the highest deposition tendency,and the deposition layer was rigid and much less hydrated,which indicated that the deposited aluminum might possess regular structure and self-aggregation of Al₁₃could be the main deposition mechanism.While for Al₃₀,its deposition was relatively slower and deposited aluminum amount was relatively less compared with Al₁₃.However,the total deposited mass of Al₃₀ was much higher than that of Al₁₃,which was attributed to the deposition of particulate aluminum matters with much higher hydration state.Compared with stationary condition,stirring could significantly enhance the deposition process,while the effect of pH on deposition was relatively weak in the near neutral range of 6.7 to 8.7.     

软水中富里酸对铜管/磷酸盐体系溶解性铜释放影响

通过静态模拟试验研究了在软水体系中富里酸对铜管/磷酸盐缓蚀行为的影响,结果表明,富里酸含量、软水pH值、停留时间影响磷酸盐对铜管的缓蚀作用;高浓度的富里酸(16mg/L,以TOC计)明显增加溶解性铜释放,且从新铜管释放溶解性铜浓度高于老化6个月和12个月的铜管;在富里酸存在下,pH值较低时显著增加溶解性铜的释放,随着pH值的增大,富里酸对溶解性铜的释放影响降低;在96h的停留过程中,溶解性铜的释放浓度不断发生变化,表明富里酸与铜离子形成的络合物影响磷酸与铜的相互作用,从而影响磷酸盐对铜管的缓蚀效果.