土木工程视角下模拟水源切换对供水管网内水质及生物膜的影响研究

来源: www.sblunwen.com 发布时间:2020-03-20 论文字数:33699字
论文编号: sb2020031717373429968 论文语言:中文 论文类型:硕士毕业论文
本文是一篇土木工程论文,本文以供水系统管网中常用的球墨铸铁管、铜管、不锈钢管、聚乙烯和聚氯乙烯等五种给水管材材质以及玻璃材质的试片作为通水载体在高硼硅玻璃瓶中进行水源切换
本文是一篇土木工程论文,本文以供水系统管网中常用的球墨铸铁管、铜管、不锈钢管、聚乙烯和聚氯乙烯等五种给水管材材质以及玻璃材质的试片作为通水载体在高硼硅玻璃瓶中进行水源切换模拟管网实验,对管材先后提供两种不同的水质,分别为实验室自来水龙头出水和自来水经五级深层过滤处理后的水,每两天进行新鲜水样换水以此模拟实际供水在管网中的水力停留时间,经过两个多月的培养后,切换供水,来揭示水源切换前后反应瓶中管内水和生物膜的生物量和相关元素的潜在变化。得出结论如下:(1)在第一阶段(水源切换前),管内水的 DOC 值在最初 10 天内呈下降趋势,一些含碳量较高的管材管内水的 DOC 值会有微小的升高,表明管材自身所含物质发生了迁移。水源切换后,不同管材管内水的 DOC 均比进水浓度高,说明除管材本身碳的迁移外,还发生了生物膜及有机沉积物的脱落。(2)除 PVC 管材外,其余管材管内水的 Ca 元素浓度与进水持平,即 Ca 元素浓度不受水源切换的影响。不同管材管内水的 Fe 元素浓度和 Al 元素浓度在水源切换后均有所提升,表明各管材都在一定程度上释放了 Fe 和 Al 元素。

第 1 章   绪论

1.1   研究背景
水是生命不可缺少的物质,是任何有机体和细胞成活的保证,人类的一切生产生活活动都离不开水,获得安全、可靠、充足的饮用水对人类健康和福祉至关重要[1]。因此,饮用水水质安全关乎全人类的生命健康安全。对于饮用水水质,各国也都有其严格的标准,如国标《生活饮用水卫生标准》(GB 5749—2006)、《美国饮用水水质标准》(EPA)和《欧共体理事会关于生活饮用水水质的条例》(98/83/EEC)等。
生活饮用水生产是集中净水厂采用不同的处理工艺或联合工艺去除原水中的污染物而使水质适于饮用[2]。一方面,随着人们生活水平的日益提高,对饮用水水质要求也不断提高,从各国饮用水水质标准的发展历史来看,水质标准愈发严格[3],因此,集中净水厂不仅积极开发优质水源来保障饮用水水质,还不断优化处理工艺,由最初的混凝、沉淀、过滤、消毒简单常规处理模式逐步发展成为常规处理结合深度处理的综合性水处理工艺。可以说,经过水处理工作者长期以来的不断研究,水厂的净化技术不断发展突破,现已日渐成熟,其出厂水水质全都得到保障并远远优于相关标准[4, 5]。另一方面,随着人口增加,水资源的过度开采,水资源短缺问题也日益突显,许多地区不得不改变原有的供水方式,形成地下水、地表水、外调水库水等多水源供水格局[3]。但事实上,伴随着水处理技术工艺的革新及优质水源的开采使用,居民生活用水安全问题仍无法得到保障,世界各国突发水污染事件频频报道。这些方式虽然在不同程度上改善了水质条件,但供水水质的变化却导致合格的出厂水进入输配水管网系统后,使原有的管网平衡遭到破坏,引发“二次污染”[6],从而对用户终端龙头出水产生不利影响,更甚者出现明显的感官(如色度、嗅味)品质的不合格。
人们普遍比较关注的是净水厂饮用水水质处理达标与否,而对于用户龙头出水水质却鲜有关注,考虑到水在长距离复杂的管网分配过程中,管内生化和微生物过程的共同影响会导致到达用户水龙头的水质较水厂出厂水而言水质发生恶化[7,  8]。诸如此类的水恶化事件在世界上都有关注和报道:上世纪 40 年代美国南加州地区将水源由地下水切换为地表水后,发生了严重“黄水”(国外称“Red Water”)事件,用户出水严重异嗅异味且持续数月直至管网重新达到稳定[9]。上世纪 90 年代美国亚利桑那州图森市由采用地下水作为供水水源改用科罗拉多河的地表水为水源后,发生了较为严重的水质超标问题,引起了大量用户投诉[10]。2005 年我国松花江发生重大污染事件,哈尔滨市引用新水源作为应急处理后,却引发了新的问题,来自新水源的水进入原管网后,产生了二次污染,居民龙头多现“黄水”现象[6]。北京市 2008 年调用河北水库地表水部分替代本地地下水和地表水后,也曾引发严重“黄水”问题,给居民饮水安全造成了较大影响[11]。浙江某海岛小镇2007 年采用淡化海水供水后,全镇发生不同程度的“黄水”现象,且持续数月[12]。
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1.2   饮用水输配水系统内物质的积累及特点
饮用水管网是城市供水系统的重要组成部分。在集中净水厂,原水从河流、湖泊或地下水中提取而来,而后通过各种工艺去除污染物,处理过的饮用水通过加压配水管网输送给公共建筑和用户,在饮用水分配过程中,系统管路多数埋于地下且管路长度、直径和管材不一。可见,饮用水水质不仅受源水水质及处理工艺的制约,出厂合格的水还需历经数天流经复杂的配水管网到达用户终端。此时管网内的水中可能会发生化合物分解,残存细菌再生长繁殖等变化,水和管壁亦会发生一系列反应。因此,对于饮用水,其分配过程和生产过程同等重要,且配水管道是保护饮用水在分配过程中不受污染物损害并决定和维护供水水质安全的最后一道屏障[10]。
尽管净水厂不断革新其处理工艺,水质也得到了显著改善,但进入配水管网系统的饮用水中仍不可避免地含有颗粒物、微生物和营养物质[13]。在配水过程中,供水管道就天然成为了这些颗粒物和微生物生长的栖息地,微生物沉降并附着在管道的内表面上,形成生物膜。悬浮固体颗粒等在管内聚集淀成为疏松沉积物,随着水在管道系统内的连续流动,这些物质逐渐积累并能在管道系统内达到相对稳定的状态[4, 14]。其示意图如图 1-1 所示。
所以,如何在饮用水输配水的期间内保持其原有水质状况顺应成为供水公司和研究人员未来亟需关注和解决的问题。
图 1-1   管道内生物膜形成示意图
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第 2 章   实验材料与方法

2.1   模拟水源切换实验设计
为考察水源切换前后对供水管网管内水和生物膜的影响,根据实际供水管网所用管材及水力条件,利用两种不同水质对常见的 5 种管材进行管材试片培养实验。通过对比不同管材对水源切换响应的差异,以期寻找较为合适的环保型管材,提高饮用水水质。
2.1.1   实验用水
为模拟实际给水管网水源切换情况,实验第一阶段(水源切换前)用水采用实验室实际自来水龙头出水,并添加适量次氯酸钠溶液以保持培养周期内水中余氯量。依据实验室实际条件,第二阶段(水源切换后)用水采用实验室实际自来水流经超滤净水器(经微米 PP 棉滤芯→颗粒活性炭→棒状活性炭→中空超滤膜→后置活性炭 5 级过滤)后的出水,并添加与第一阶段等量的次氯酸钠溶液作为培养水样。
2.1.2   试样材料及试片比表面积的确定
在输配水系统中,管材既是影响管网经济合理性的主要因素,也是保障水质安全的屏障。《建筑给水排水设计规范》(GB50015-2003)3.4 中规定小区室外埋地给水管道可采用塑料给水管、铸铁给水管、经可靠防腐处理的钢管;室内给水管道可采用塑料给水管、塑料和金属复合管、铜管、不锈钢管及经可靠防腐处理的钢管。在我国实际现行使用的给水管道中,主要包括金属和塑料两大类管材[58]  。管壁累积物的特点取决于管材和供水水质的耦合作用,而且,不同管材对管内水水质的不同变化表现出不同的适应性[59]。因此,本实验选取球墨铸铁管、不锈钢管、铜管、聚乙烯(polyethylene,PE)和聚氯乙烯(polyvinyl chloride,PVC)等5 种具有代表性的常用生活给水管材作为试样材料,并选用玻璃试样进行阴性对照实验。
试片比表面积(S/V)的选取会直接影响实验结果,太高会影响生物膜的生长速度,太低则与实际相差甚远而缺乏实际指导意义[60,  61],故应根据实际配水管网情况进行 S/V 的选择。本实验所模拟的是 DN200 的配水管网,故 S/V 取值为 0.2cm-1。
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2.2   检测方法
为分析水源切换前后管内水和管壁生物稳定性、生物量和相关元素的绝对变化量,就必须确立检测指标并建立完整、准确的检测方法。
2.2.1   电镜扫描
SEM是由电子枪发射出来的电子束在加速电压的作用下聚焦于样品表面,通过连续可调放大倍数观测样品的宏观形貌与微观组织,
EDS可以定性定量的分析样品中化学元素组成,是材料研究和分析的重要手段[64]。对洗净未污染管片样品进行扫描电镜定性表征,并结合能量发射光谱确定不同管片的元素组成。
2.2.2   实验用水生物稳定性检测
近年来随着水源水中有机物含量的不断增加,这些有机物和无机营养元素共同作为微生物在供水管网中“二次生长”的营养基质,降低了饮用水的生物稳定性[65],水质生物稳定性与饮用水水质安全密切相关,在给水管网系统中,饮用水水质的生物稳定性是指饮用水中有机营养基质能支持异养细菌生长的潜力,即细菌生长的最大可能性,饮用水生物稳定性高,表明水中细菌生长所需的有机营养物含量低,细菌越不易在其中生长;反之,饮用水生物稳定性低,则表明水中细菌生长所需的有机营养物含量高,细菌容易在其中生长[66,  67]。集中净水厂通常通过加氯且保持管网末梢一定的余氯来控制细菌在管网中的再生长,但事实上到目前为止,由于饮用水中的病原微生物导致传染病爆发事例也时有报道。研究指出,即使给水系统中保持较高的余氯,若水中营养基质充分,细菌仍然可能再生[68]。因此,引起配水管网中细菌再生长和繁殖的主要诱因是出厂水中含有残存的异养菌生长所需的有机营养基质。
饮用水中有机物种类繁多,形态、大小和化学性质比较复杂,目前要想测定其中每一种有机物几乎是不可能的。一般测定DOC作为总有机物含量的替代参数,按有机物是否能被微生物利用的角度来划分,溶解性有机碳又可分为生物可降解溶解性有机碳(Biodegradable dissolved organic carbon,BDOC)和生物难降解有机碳(Non-biodegradable dissolved organic carbon,NBDOC),BDOC中易被细菌利用合成细胞体的有机物称为生物可同化有机碳(Assimilable  organic  carbon,AOC),AOC与异养细菌在给水管道中的生长密切相关,是研究饮用水生物稳定性所要关注的重点[69]。
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第 3 章   水源切换对不同管材管内水水质的影响 .................................................... 27
3.1   实验用水及管材初始概况 ............................... 27
3.1.1   原水水质情况 ................................... 27
3.1.2   管材原始表征 ............................. 28
第 4 章   水源切换对不同管材中生物膜的影响 .................................. 39
4.1   第一阶段培养末期不同管材中的生物膜状况 ................................ 39
4.1.1   不同管材生物膜金属元素浓度 .................................... 39
4.1.2   不同管材生物膜总/活细菌浓度 ........................................ 40
第 5 章   结论与建议 .................................. 45
5.1   结论 ....................................... 45
5.2   建议 ........................................ 45

第 4 章   水源切换对不同管材中生物膜的影响

4.1   第一阶段培养末期不同管材中的生物膜状况
针对培养至 63 天的生物膜和水源切换后的生物膜进行取样分析,生物膜采样的具体步骤见 2.3.2。
4.1.1   不同管材生物膜金属元素浓度
取培养至 63 天的各管片生物膜进行元素测定,各管片生物膜中不同元素浓度如表 4-1、图 4-1 所示。
表 4-1   各管片生物膜的元素浓度
从图 4-1 可看出,对于所选定的三种金属元素,铸铁片中元素总浓度最高,是其余管材的 10-20 倍,且铸铁试片上不同元素所占的比例也与其余管材差异明显。铸铁管材的主要组成成分是 Fe 元素,其生物膜中 Fe 浓度达 346.18μg/cm2,远高于Ca 和 Al 元素浓度,且铸铁片生物膜中每种元素浓度也均比其余管材丰富。说明铸铁管更有利于无机物质的积累。
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第 5 章   结论与建议

5.1   结论
本文以供水系统管网中常用的球墨铸铁管、铜管、不锈钢管、聚乙烯和聚氯乙烯等五种给水管材材质以及玻璃材质的试片作为通水载体在高硼硅玻璃瓶中进行水源切换模拟管网实验,对管材先后提供两种不同的水质,分别为实验室自来水龙头出水和自来水经五级深层过滤处理后的水,每两天进行新鲜水样换水以此模拟实际供水在管网中的水力停留时间,经过两个多月的培养后,切换供水,来揭示水源切换前后反应瓶中管内水和生物膜的生物量和相关元素的潜在变化。得出结论如下: 
(1)在第一阶段(水源切换前),管内水的 DOC 值在最初 10 天内呈下降趋势,一些含碳量较高的管材管内水的 DOC 值会有微小的升高,表明管材自身所含物质发生了迁移。水源切换后,不同管材管内水的 DOC 均比进水浓度高,说明除管材本身碳的迁移外,还发生了生物膜及有机沉积物的脱落。
(2)除 PVC 管材外,其余管材管内水的 Ca 元素浓度与进水持平,即 Ca 元素浓度不受水源切换的影响。不同管材管内水的 Fe 元素浓度和 Al 元素浓度在水源切换后均有所提升,表明各管材都在一定程度上释放了 Fe 和 Al 元素。
(3)不同管材在第一阶段(水源切换前)培养过程中,管内水的细菌浓度相较于进水全部呈升高趋势,不同管材管内水的细菌浓度大小为:CI>Cu>PVC>SS>PE>G。培养两个多月后各管材单位面积微生物量高低为:PVC>CI>SS>G>PE>Cu。
(4)第二阶段(水源切换后),所有管材管内水的微生物量显著升高,约为进水浓度的 10 倍,各管材生物膜生物量与第一阶段相比都有不同程度的减少,但并未发现水源切换对水质及生物膜中微生物的活性有明显影响。
(5)不同管材管内水的生物量在水源切换前后初期的变化大小为 Cu>CI>PVC>SS>G>PE,说明应对水源切换时,铜管更容易受冲击,PE 管最稳定。因此,PE 管是应对水源切换最为理想的供水管管材,不锈钢管是较为适宜的金属管管材。 
参考文献(略)

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