水力运行参数对给水管网水质的影响
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摘要：用自制BAR（Biological Annular Reactor）反应器来模拟给水管道，研究了管道流速、水力停留时间和温度对水质的影响。结果表明：平均流速越大或者水力停留时间越长，管网水中总有机碳TOC、氨氮NH3-N和余氯越少，浊度越大，生物膜的细菌数量越多，流速超过0.4m/s时管壁难以结膜，48h和72h的水的浊度明显超标，不适合饮用，水温在20-30℃时的水中细菌量大幅度增加。
中图分类号： TK72 文献标识码：A文章编号：
The Effect of Hydraulic Operation Parameters on Water Quality
Cong LeWangGuoping
(China Northeast Architectural Design & Research Institute Co.,LtdShenyang 110004)
Abstract To simulate water distribution network, we use homemade BAR （Biological Annular Reactor）reactor to study the velocity, hydraulic stating time and temperature on the effect of water quality in the pipe. As the result explains：the bigger the flow velocity or the longer the retention time is, the less the TOC, NH3-N or chloramines are, but when it is bigger than 0.4 meters per second, the bacteria number is so small that it cannot grow membrane, when it comes to 48 hours and 72 hours, it is not suitable for drinking,20-30℃is possible for germs to grow.
Keywordshydraulic operation parameters, water quality, BAR reactor
随着生活水平的逐步提高，人们对饮用水水质的要求也越来越高，在大量研究水处理工艺的同时，管网水质研究也开始逐渐受到重视。目前对给水管网水质影响因素的研究大都着重在管材及供水设施方面，而给水管网水力运行参数对水质的影响在近年的管网水质研究中甚少，但又是对饮用水安全极其重要的，本文利用自制的反应器，即Biological Annular Reactor，简称BAR反应器，来模拟实际给水管道[1]，通过改变该反应器的电机转速、进出水流速和水浴温度，来模拟实际管道的流速、水力停留时间（简称HRT）和水温这三个水力参数，揭示给水管网对水质影响的规律。
实验装置与方案
实验水质
研究采用市政学院暖通楼自来水管末端水龙头出水作为实验用的原水，饮用水标准[2]与原水水质的基本指标状况如下：
反应器主要由反应罐、转子、载片、电机和进出水口组成，反应器转子上挂有载片来提供生物膜附着生长的表面，反应罐外部缠绕有保温用的铜管用做水浴，保证反应器内流体处于一定的温度环境。反应罐直径210mm，高为180mm，转子内径110mm，高150mm，进出水口直径5mm，水浴进出水口直径8mm。转子在电机的驱动下旋转，随着转子的旋转，载片与水体的交界面间产生剪切力，可模拟管网中的水力条件，剪切力大小可通过调节电机转速控制。该反应罐内的水流采取非循环式用来模拟给水管网中流体的水力停留时间。实验开始前，整个反应器要用无水乙醇消毒灭菌。本实验台由两套反应器组成，如图2，实验时两套反应器在不同的工况下同时进行，每套反应器由两个回路组成，进水管11与排水管12组成一个非循环回路，模拟给水管网内水质，该循环由蠕动泵5来提供动力，调整蠕动泵流量可以模拟给水管网内水力停留时间，调整电机6的转速来模拟管壁切应力；管13、14组成另外一个回路在反应器循环，用做水浴，使管网内部流体保证一定的环境温度，该循环由潜水泵4来提供动力。
实验过程中检测水样的各项指标包括：浊度、总有机碳TOC、氨氮NH3-N、PH和余氯以及载片上生物膜的细菌总数。细菌总数的测定采用平板平涂法直接计数[3]，详细的培养方法请参照实验指导。实验台实物图如下：
反应器与实际管道的参数相关性
反应器转速与实际管道平均流速的关系，将反应器化简成两同轴圆筒环隙间的流动模型，外筒静止不动，内筒以的速度转动时，推导半径为处的切应力分布如下(≤≤)：
切向剪切力表达式为：
(1)
轴向剪切力的表达式：
(2)
实际反应器载片壁面处的剪切力是轴向与切向的合成，即：
(3)
已知管道的均匀流方程式为：
(4)
由这两个式子就可以得到反应器转速与实际管道的流速之间的关系，即：
(5)
调整反应器的蠕动泵流速可以改变反应器的进水流速度，由于本试验台是开式非循环用水系统，故定义全部更换反应罐内流体所需要的时间为水力停留时间。
反应罐的体积V：
若取水力停留时间为t（h），可得蠕动泵流速为v：
(6)
式（6）即为反应器进口流速与实际管道水力停留时间的关系式。忽略水浴铜管向反应罐内流体传热的热损失，反应器的水浴温度可以直接视为管道的环境温度。
实验方案
根据反应器和试验台的模拟原理和结构参数，分别考虑转速、水力停留时间和温度对水质的影响，设计实验方案如下表。
结果与讨论
转速对水质的影响
图4是不同转速的水质的各项指标变化。由图4、图5可以看出：除了1200RPM工况的浊度稍高不符合饮用水要求外，其他各工况下的水质都符合安全用水卫生标准，相当于管网内水流平均流速从0.034m/s到0.32m/s转速变化时，都可被人们使用；水质各项指标变化较为明显，即转速对水质的影响较大；随着转速从150RPM到750RPM的不断升高，TOC、NH3-N和余氯的值不断下降，浊度却不断升高，转速由150RPM增加到750RPM时，生物膜中细菌总数逐渐增大。这是因为增大水流速度后，提供给载片的细菌的氨氮等营养物质更多，加快了细菌的繁殖速度，余氯衰减。当转速再增加到900RPM时，细菌总数达到最大值，继续增大转速到1200RPM时，细菌总数大幅度减小，其他指标持续降低，浊度升高。这说明流速的增大，TOC、NH3-N和余氯的值减小，细菌增多，若继续增大流速的话，管壁已经形成的生物膜会由于管网内水流对管壁的强烈剪切力而被破坏，水流的冲刷作用使细菌随水流流走，极大的影响水质安全。
水力停留时间对水质的影响
图6、图7是不同的水力停留时间对水质各项指标变化的影响。由图可以看出：水力停留时间48h和72h的水质超标；随着水力停留时间的增大，水质的TOC和NH3-N不断减少，PH和浊度不断升高，越来越偏离原水水质，特别是管壁生物膜的细菌总数，水力停留时间为72h时的工况几乎为24h的五倍。这说明管网内流体停留时间明显影响水中的细菌，时间越长，水中的氨氮等营养物质被细菌等微生物消耗的越多，细菌在管壁大量繁殖，水中的余氯大量减少，PH不断升高，细菌的大量增生又导致浊度的升高。
温度对水质的影响
图8、图9是温度在10℃，20℃和30℃的不同水质变化图。由图可以看出：各工况下的水质都符合安全用水卫生标准，即管网的环境温度从10℃到30℃变化时，都可被人们使用；温度变化对水质的生物指标影响较大，不同工况的细菌总数数值变化较大；10℃工况下的水质与20℃工况的相差很小，在这个温度范围内随着环境温度的升高，浊度、TOC、NH3-N、PH和余氯的数值变化很小（变化幅值仅为0.6），细菌总数变化微大，从20增加到48 ，但30℃工况的细菌总数比以往还是有所增加，几乎是10℃工况的两倍，这说明温度在20℃~30℃是有利于管内水流中的微生物滋生的温度环境。温度对余氯的影响较大，温度越高余氯的衰减越大，这是因为水温是影响余氯与水中微生物和有机物反应的重要因素，也是管道中有效余氯自身消耗的重要因素，由于管道是密闭遮光的，故温度越高，余氯衰减越快，与此同时，随着水中余氯的衰减、浊度的增加，水质偏向对细菌生长有利的条件发展，使得细菌快速生长。
结论与建议
水中的总有机碳TOC、氨氮NH3-N和余氯随反应器转速的增大而减少，生物膜的细菌数量随反应器转速增大而增多，但当转速增大到1200RPM（相当于实际管道平均流速0.4m/s）时，膜片上的细菌数量大幅度减少，几乎难以结膜。可见实际管网运行时应保证具有足够大的流速；
水中的总有机碳TOC、氨氮NH3-N和余氯随反应器水力停留时间的增大而减少，浊度、PH随停留时间的增大而显著增大。生物膜的细菌数量随反应器水力停留时间的增大而增多，48h和72h的水质浊度明显超标，余氯较少。因此，为保证用户水质，实际管网运行时停留时间越短越好；
环境温度对水中细菌总数的影响较大，对其它指标没有显著的影响。细菌数量随温度升高而增加，温度在20℃~30℃时细菌总数明显增多，此温度范围适宜细菌生长，因此当环境温度超过20℃时，应该加强给水管网中的水质管理。
参考文献
鲁巍,王云,张晓健等.BAR反应器中生物膜的分离及定量[J].中国给水排水,2005,21(2):91-94.
GB5749-2006新生活饮用水卫生标准[EB/OL].(2006)[2011-5-23]. www.省略/www/gb5749.htm.
张志杰,环境保护微生物学[M],北京:冶金工业出版社,2001:161-165.
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