摘要：采用管网模拟系统就西江水源置换管网水质的影响效应进行了中试研究。以广州市西北部原有水源和西江水源处理后的两种出厂水（分别简称为出厂水A和出厂水B）为试验用水，以从广州市西北部供水管网中挖取的两段旧铸铁管（DN100，管龄约30年）作为试验管段，系统地研究了管网模拟系统中浊度、余氯衰减、硝化作用及异养菌生长繁殖的变化规律。试验结果表明，两出厂水中余氯在模拟管网中衰减速度都非常快，但当出厂水B置换出厂水A后，管网模拟系统中浊度有所降低，硝化作用大大减弱，亚硝酸盐浓度显著降低，异养菌生长繁殖能力下降，管网水质明显提高。该研究成果可为西江水源置换管网水质保障提供技术支持。

　　关键词：西江水源；水源置换；管网模拟系统；硝化作用；异养菌

　　西江是珠江的主干流，河流水量丰沛，自净能力强，水质常年处于国家饮用水Ⅱ类水源水平，个别指标达到Ⅰ类，是理想的取水水源。为改善广州市西北部供水水源现状，提高中心城区供水水质，广州市实施西江引水工程，将西江优质水源全面置换广州市西北部江村、石门和西村水厂原有水源，经过水厂现有工艺处理后出厂水水质将会明显改善，但在管网输配过程中水质将发生怎样的变化是非常值得关注的问题。在国内外都曾经发生过因不同水源切换而造成管网水质恶化的先例。如我国北方某市在实施异地长距离调水后，由于两种水源在化学组成方面的差异，引发了局部地区的管网“黄水”现象，对正常供水产生了较大影响[1]。

　　通过管网模拟系统中试，系统地研究西江水源置换后管网水质的变化规律，掌握西江水源置换对管网系统造成的影响效应，为西江水源置换管网水质保障提供理论和技术支持，避免因水源置换可能引发的管网水质恶化。

　　1 试验材料与方法

　　1.1 试验管段

　　在广州市西北部（西江水源置换区域）实际供水管网的两个不同地段，分别挖取管龄为30年左右的DN100铸铁管作为试验管段，分别记作试验管段M和试验管段N。

　　1.2 试验用水

　　试验用水取自两个不同水厂的出厂水，分别是西江水源置换前广州市西北部某水厂出厂水（出厂水A）和以西江水源为原水的某水厂出厂水（出厂水B）。

　　1.3 管网模拟系统

　　管网模拟系统见图1。沿实验室四周平行布置两条不同管材的管道 (球墨铸铁管和 UPVC管 )，分两层布置，底层管径为150mm，上层管径为100mm，每条管道长为75m。循环水泵的运行采用变频调速和PLC控制,可根据试验需要改变水泵的输出流量与压力。在试验过程中，将试验管段替换上层UPVC（DN100）管道中的一部分，替换长度为12m。

1.水箱 2.水泵 3.热交换器 4.流量计 5.压力传感器 6.生物膜取样器 7.取样口 8.排水口
图1 管网模拟系统示意图

　　1.4 试验方法

　　第一阶段试验以管段M开展。管段M接入管网模拟系统后，先将出厂水A注入高位水箱，调节阀门使水以重力自流（控制流速约0.3m/s）方式流动，排出管道中松散脱落的沉积物。待浊度稳定后，开启循环泵，使水流超越高位水箱，形成管道闭路循环（控制管道流速为0.3m/s）。循环运行时间40h以上，定时取样检测水质的变化。一个循环周期结束后将水排出（控制流速约0.3m/s），继续通入出厂水A开始新的循环周期，依此类推。运行4个周期后，开始通入出厂水B，以相同方式操作，共运行5个周期。

　　第二个阶段试验以管段N替换管段M进行。为了模拟实际管网中白天管网水流动和夜间管网水近似滞流状态，在本阶段的每个操作周期中，先开动离心泵以循环方式运行约30h，然后将泵关闭，使水在管道内停滞约10h。出厂水A和出厂水B先后各运行3个周期。其它操作方式同第一阶段。

　　1.5 水质指标分析方法

　　浊度、总氯、氨氮、亚硝酸盐和硝酸盐的分析方法参见生活饮用水标准检验方法（GB/T 5750-2006）。异养菌（HPC）采用两种方法进行测定[2]，分别以传统营养琼脂（PCA）和R2A培养基培养，再进行HPC平板计数。

　　2 结果与分析

　　2.1 出厂水水质特征

　　在试验期间通过运水车将出厂水A和B分别运回试验室，并对出厂水的主要水质指标进行了测定。通过比较可以得出，出厂水B水质整体上优于出厂水A。主要表现在以下三个方面：

　　（1）出厂水B各项水质指标随月份变化幅度比出厂水A小。

　　（2）由于出厂水B以优质的西江水源为原水，出厂水B中有机物、氨氮、总溶解固体、电导率、硫酸盐和氯离子等水质指标含量低于出厂水A，出厂水B的pH值（7.80-7.97）略高于出厂水A（7.40-7.50）。

　　（3）通过朗格利尔饱和指数（LSI）和拉森指数（LR）的分析比较，出厂水B的化学稳定性要优于出厂水A。

　　2.2 浊度变化规律

　　浊度是衡量管网水质是否发生恶化的重要指标之一。在管网循环状态下，浊度随HRT的变化，如图2所示。由图2可知，在管段M试验阶段，两出厂水流经管网模拟系统后的浊度没有明显差异，且都在2NTU以下；而在管段N试验阶段，当出厂水B置换出厂水A后，管网模拟系统中浊度显著降低。

图2 循环流动状态下管网模拟系统中浊度的变化

　　在滞流状态下试验管段内浊度增量变化情况，如图3所示。由图3可知，除在通入出厂水A的第一个试验周期时浊度增加量较大（3.5NTU）外，其余情况下浊度增量都在1NTU上下，且通入出厂水B时管网浊度增量小于通出厂水A时的浊度增量。

图3滞流状态下管网模拟系统中浊度增量

　　色度也是衡量管网水质是否发生恶化的重要指标之一。本试验研究过程中没有发现管网水色度在管网运行过程以及两种不同出厂水置换后有明显的变化，因此有关色度的检测结果本文中未列出。

　　综上所述，当出厂水B置换出厂水A，模拟管网中未出现浊度和色度升高的水质恶化现象，相反置换后浊度有所降低，管网水质感官指标得到改善。

　　2.3余氯衰减

　　在循环流动状况下，余氯浓度随HRT的变化，如图4所示。由图4可知，两出厂水中余氯在模拟管网中衰减速度都非常快，在10h内基本已经耗尽。结果表明，出厂水B在管网模拟系统中维持消毒剂余量能力并不比出厂水A有明显优势。

图4循环流动状况下管网模拟系统中总氯的变化

　　管网中余氯衰减主要分为两部分：余氯在水体中的衰减和管壁造成的余氯衰减，余氯在水体中的衰减是由余氯与管网水体中生物体、有机物和无机物等物质发生反应，管壁造成的余氯衰减主要是余氯与管道内壁上的生物膜、沉淀以及管材本身反应而造成的[3-4]。在铸铁试验管段未接入管网模拟系统中时，以出厂水B（总氯初始浓度为1.2mg/L）进行试验，即使循环25h后，消毒剂仍可维持在0.2mg/L以上。结果表明，试验铸铁管段中的余氯衰减速度远远大于管网模拟系统UPVC管中的余氯衰减速度。这是因为新的UPVC管内壁没有形成生物膜及管网沉积物，而铸铁管试验管段内部腐蚀比较严重，存在大量铁腐蚀产物形成的瘤状物。

　　2.4硝化作用

　　试验中两种出厂水都是采用氯氨消毒，而在氯胺消毒的供水管网常常伴随硝化作用产生，硝化作用最典型的过程就是将氨氮依次氧化成亚硝酸盐和硝酸盐的过程。在供水管网中，硝化作用往往是不完全的，不完全的硝化作用会导致亚硝酸盐积累、余氯衰减加快、溶解氧降低及异养菌增加等，影响管网水质[5-7]。循环流动状态下，试验管段中“三氮”（氨氮、亚硝酸盐氮、硝酸盐氮）随HRT的变化，如图5所示。

　　如图5可知，出厂水A中氨氮浓度较高，管网中硝化作用明显，导致氨氮浓度随HRT增加明显降低，同时亚硝酸盐浓度明显升高，在管段M试验阶段亚硝酸盐浓度甚至达到了4mg/L；由于出厂水B中氨氮浓度相对低得多，因此管网中亚硝酸盐的浓度远低于通出厂水A时的情形。硝酸盐浓度随HRT变化不明显，这可能是由于随着管网中消毒剂的耗尽和溶解氧浓度的降低，系统内的氧化电位减小，亚硝酸盐转化为硝酸盐的速度受到限制。因此，以出厂水B置换出厂水A将极大改善管网水质，降低亚硝酸盐污染风险。

图5 循环流动状态下管网模拟系统中“三氮”的变化

　　2.5 HPC生长繁殖及其影响因素

　　管网中HPC水平是衡量管网水质的重要指标之一，也是管网水质生物稳定性的直接体现。管网循环试验中HPC随HRT变化情况，如图6所示（该部分试验是以管段N进行的）。

　　由图6可知，随着HRT的延长，HPC迅速增长。这是由于随着HRT延长，消毒剂不断衰减直至耗尽（见图4），致使水中受损细菌恢复活性并大量繁殖生长[8]。同时，消毒剂浓度降低到一定程度后，管壁生物膜上的细菌不断释放也会增加水中悬浮细菌数量。

　　当出厂水B置换出厂水A后，两种培养基所得的HPC计数都有所降低。这表明出厂水B生物稳定性要优于出厂水A。由于两出厂水中消毒剂在管网模拟系统中都很快耗尽及该试验中两出厂水中有机物浓度（TOC）基本相当，因此可以推断出，出厂水B相对较低HPC生长势主要是其氨氮浓度较低和管网内硝化作用较弱的缘故。尽管参与硝化反应的细菌是自养菌，但大量的硝化菌繁殖可以促进HPC繁殖。主要原因有两个：一是氨氧化生成的亚硝酸盐消耗水中消毒剂导致HPC繁殖[10]；二是亚硝酸盐氮和硝酸盐氮是HPC的氮源，而硝化过程中硝化菌和亚硝化菌的代谢产物可能成为HPC的营养源，这些因素都会促使HPC再生[8，10-12]。

　　由图6还可知，PCA和R2A两种培养基HPC计数存在1~2数量级的差异，前者明显低于后者。因为R2A是贫营养培养基，供水管网贫营养环境决定了HPC饥饿生存方式， 所以HPC(R2A)结果更能体现管网中HPC真实水平[13]。因此，美国和欧洲一些国家的供水行业已逐渐以R2A代替PCA进行HPC计数[14]。

图6 循环流动状态下管网模拟系统中HPC的变化

　　HPC与消毒剂浓度的关系，如图7所示。由图7可知，在相同消毒剂浓度情况下，出厂水B对应的HPC低于出厂水A，这也表明出厂水B的生物稳定性要好于出厂水A。

图7 循环流动状态下HPC与总氯的关系

　　从上面的分析可以得知，管网中HPC生长繁殖与管网水中的消毒剂余量、HRT和硝化作用等因素有关。为了分析这些因素与HPC（R2A培养计数结果）的关系，进行了相关性统计分析，结果见表1。

　　从表1可知，log(HPC)与总氯、氨氮存在明显的负相关性，log(HPC)与HRT存在明显的正相关性。对于出厂水A，log(HPC)与亚硝酸盐存在明显的正相关性。对出厂水B，log(HPC)与亚硝酸盐的正相关性不明显，主要由于出厂水B中氨氮浓度较低，管网硝化现象不明显，亚硝酸盐浓度非常低的缘故。

　　3 结论

　　（1）管网模拟系统中试试验结果表明，以西江水源为原水的水厂出厂水置换广州市西北部水厂出厂水后，管网水质得到了很大程度的改善。主要是因为以西江水源为原水的水厂出厂水水质优于西北部水厂出厂水，出厂水水质化学稳定性好，降低了管网腐蚀性，管网内硝化作用大大减弱，亚硝酸盐浓度显著降低，HPC生长繁殖能力下降，水质生物稳定性提高。

　　（2）由于西江原水经西北部水厂现有工艺处理后出厂水水质与中试试验出厂水B水质应该同一类型的，没有本质上的差别。因此，根据管网模拟系统中试试验结果，可以预测西江水源置换广州市西北部水源后将进一步改善管网水质稳定性，广州中心城区供水水质将会得到整体提升。

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