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          土木工程視角下模擬水源切換對供水管網內水質及生物膜的影響研究

          來源: www.lov2go.com 發布時間:2020-03-20 論文字數:33699字
          論文編號: sb2020031717373429968 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文
          本文是一篇土木工程論文,本文以供水系統管網中常用的球墨鑄鐵管、銅管、不銹鋼管、聚乙烯和聚氯乙烯等五種給水管材材質以及玻璃材質的試片作為通水載體在高硼硅玻璃瓶中進行水源切換
          本文是一篇土木工程論文,本文以供水系統管網中常用的球墨鑄鐵管、銅管、不銹鋼管、聚乙烯和聚氯乙烯等五種給水管材材質以及玻璃材質的試片作為通水載體在高硼硅玻璃瓶中進行水源切換模擬管網實驗,對管材先后提供兩種不同的水質,分別為實驗室自來水龍頭出水和自來水經五級深層過濾處理后的水,每兩天進行新鮮水樣換水以此模擬實際供水在管網中的水力停留時間,經過兩個多月的培養后,切換供水,來揭示水源切換前后反應瓶中管內水和生物膜的生物量和相關元素的潛在變化。得出結論如下:(1)在第一階段(水源切換前),管內水的 DOC 值在最初 10 天內呈下降趨勢,一些含碳量較高的管材管內水的 DOC 值會有微小的升高,表明管材自身所含物質發生了遷移。水源切換后,不同管材管內水的 DOC 均比進水濃度高,說明除管材本身碳的遷移外,還發生了生物膜及有機沉積物的脫落。(2)除 PVC 管材外,其余管材管內水的 Ca 元素濃度與進水持平,即 Ca 元素濃度不受水源切換的影響。不同管材管內水的 Fe 元素濃度和 Al 元素濃度在水源切換后均有所提升,表明各管材都在一定程度上釋放了 Fe 和 Al 元素。

          第 1 章   緒論

          1.1   研究背景
          水是生命不可缺少的物質,是任何有機體和細胞成活的保證,人類的一切生產生活活動都離不開水,獲得安全、可靠、充足的飲用水對人類健康和福祉至關重要[1]。因此,飲用水水質安全關乎全人類的生命健康安全。對于飲用水水質,各國也都有其嚴格的標準,如國標《生活飲用水衛生標準》(GB 5749—2006)、《美國飲用水水質標準》(EPA)和《歐共體理事會關于生活飲用水水質的條例》(98/83/EEC)等。
          生活飲用水生產是集中凈水廠采用不同的處理工藝或聯合工藝去除原水中的污染物而使水質適于飲用[2]。一方面,隨著人們生活水平的日益提高,對飲用水水質要求也不斷提高,從各國飲用水水質標準的發展歷史來看,水質標準愈發嚴格[3],因此,集中凈水廠不僅積極開發優質水源來保障飲用水水質,還不斷優化處理工藝,由最初的混凝、沉淀、過濾、消毒簡單常規處理模式逐步發展成為常規處理結合深度處理的綜合性水處理工藝??梢哉f,經過水處理工作者長期以來的不斷研究,水廠的凈化技術不斷發展突破,現已日漸成熟,其出廠水水質全都得到保障并遠遠優于相關標準[4, 5]。另一方面,隨著人口增加,水資源的過度開采,水資源短缺問題也日益突顯,許多地區不得不改變原有的供水方式,形成地下水、地表水、外調水庫水等多水源供水格局[3]。但事實上,伴隨著水處理技術工藝的革新及優質水源的開采使用,居民生活用水安全問題仍無法得到保障,世界各國突發水污染事件頻頻報道。這些方式雖然在不同程度上改善了水質條件,但供水水質的變化卻導致合格的出廠水進入輸配水管網系統后,使原有的管網平衡遭到破壞,引發“二次污染”[6],從而對用戶終端龍頭出水產生不利影響,更甚者出現明顯的感官(如色度、嗅味)品質的不合格。
          人們普遍比較關注的是凈水廠飲用水水質處理達標與否,而對于用戶龍頭出水水質卻鮮有關注,考慮到水在長距離復雜的管網分配過程中,管內生化和微生物過程的共同影響會導致到達用戶水龍頭的水質較水廠出廠水而言水質發生惡化[7,  8]。諸如此類的水惡化事件在世界上都有關注和報道:上世紀 40 年代美國南加州地區將水源由地下水切換為地表水后,發生了嚴重“黃水”(國外稱“Red Water”)事件,用戶出水嚴重異嗅異味且持續數月直至管網重新達到穩定[9]。上世紀 90 年代美國亞利桑那州圖森市由采用地下水作為供水水源改用科羅拉多河的地表水為水源后,發生了較為嚴重的水質超標問題,引起了大量用戶投訴[10]。2005 年我國松花江發生重大污染事件,哈爾濱市引用新水源作為應急處理后,卻引發了新的問題,來自新水源的水進入原管網后,產生了二次污染,居民龍頭多現“黃水”現象[6]。北京市 2008 年調用河北水庫地表水部分替代本地地下水和地表水后,也曾引發嚴重“黃水”問題,給居民飲水安全造成了較大影響[11]。浙江某海島小鎮2007 年采用淡化海水供水后,全鎮發生不同程度的“黃水”現象,且持續數月[12]。
          ...........................

          1.2   飲用水輸配水系統內物質的積累及特點
          飲用水管網是城市供水系統的重要組成部分。在集中凈水廠,原水從河流、湖泊或地下水中提取而來,而后通過各種工藝去除污染物,處理過的飲用水通過加壓配水管網輸送給公共建筑和用戶,在飲用水分配過程中,系統管路多數埋于地下且管路長度、直徑和管材不一??梢?,飲用水水質不僅受源水水質及處理工藝的制約,出廠合格的水還需歷經數天流經復雜的配水管網到達用戶終端。此時管網內的水中可能會發生化合物分解,殘存細菌再生長繁殖等變化,水和管壁亦會發生一系列反應。因此,對于飲用水,其分配過程和生產過程同等重要,且配水管道是保護飲用水在分配過程中不受污染物損害并決定和維護供水水質安全的最后一道屏障[10]。
          盡管凈水廠不斷革新其處理工藝,水質也得到了顯著改善,但進入配水管網系統的飲用水中仍不可避免地含有顆粒物、微生物和營養物質[13]。在配水過程中,供水管道就天然成為了這些顆粒物和微生物生長的棲息地,微生物沉降并附著在管道的內表面上,形成生物膜。懸浮固體顆粒等在管內聚集淀成為疏松沉積物,隨著水在管道系統內的連續流動,這些物質逐漸積累并能在管道系統內達到相對穩定的狀態[4, 14]。其示意圖如圖 1-1 所示。
          所以,如何在飲用水輸配水的期間內保持其原有水質狀況順應成為供水公司和研究人員未來亟需關注和解決的問題。
          圖 1-1   管道內生物膜形成示意圖
          ..........................
           
          第 2 章   實驗材料與方法

          2.1   模擬水源切換實驗設計
          為考察水源切換前后對供水管網管內水和生物膜的影響,根據實際供水管網所用管材及水力條件,利用兩種不同水質對常見的 5 種管材進行管材試片培養實驗。通過對比不同管材對水源切換響應的差異,以期尋找較為合適的環保型管材,提高飲用水水質。
          2.1.1   實驗用水
          為模擬實際給水管網水源切換情況,實驗第一階段(水源切換前)用水采用實驗室實際自來水龍頭出水,并添加適量次氯酸鈉溶液以保持培養周期內水中余氯量。依據實驗室實際條件,第二階段(水源切換后)用水采用實驗室實際自來水流經超濾凈水器(經微米 PP 棉濾芯→顆?;钚蕴?rarr;棒狀活性炭→中空超濾膜→后置活性炭 5 級過濾)后的出水,并添加與第一階段等量的次氯酸鈉溶液作為培養水樣。
          2.1.2   試樣材料及試片比表面積的確定
          在輸配水系統中,管材既是影響管網經濟合理性的主要因素,也是保障水質安全的屏障?!督ㄖo水排水設計規范》(GB50015-2003)3.4 中規定小區室外埋地給水管道可采用塑料給水管、鑄鐵給水管、經可靠防腐處理的鋼管;室內給水管道可采用塑料給水管、塑料和金屬復合管、銅管、不銹鋼管及經可靠防腐處理的鋼管。在我國實際現行使用的給水管道中,主要包括金屬和塑料兩大類管材[58]  。管壁累積物的特點取決于管材和供水水質的耦合作用,而且,不同管材對管內水水質的不同變化表現出不同的適應性[59]。因此,本實驗選取球墨鑄鐵管、不銹鋼管、銅管、聚乙烯(polyethylene,PE)和聚氯乙烯(polyvinyl chloride,PVC)等5 種具有代表性的常用生活給水管材作為試樣材料,并選用玻璃試樣進行陰性對照實驗。
          試片比表面積(S/V)的選取會直接影響實驗結果,太高會影響生物膜的生長速度,太低則與實際相差甚遠而缺乏實際指導意義[60,  61],故應根據實際配水管網情況進行 S/V 的選擇。本實驗所模擬的是 DN200 的配水管網,故 S/V 取值為 0.2cm-1。
          ............................

          2.2   檢測方法
          為分析水源切換前后管內水和管壁生物穩定性、生物量和相關元素的絕對變化量,就必須確立檢測指標并建立完整、準確的檢測方法。
          2.2.1   電鏡掃描
          SEM是由電子槍發射出來的電子束在加速電壓的作用下聚焦于樣品表面,通過連續可調放大倍數觀測樣品的宏觀形貌與微觀組織,
          EDS可以定性定量的分析樣品中化學元素組成,是材料研究和分析的重要手段[64]。對洗凈未污染管片樣品進行掃描電鏡定性表征,并結合能量發射光譜確定不同管片的元素組成。
          2.2.2   實驗用水生物穩定性檢測
          近年來隨著水源水中有機物含量的不斷增加,這些有機物和無機營養元素共同作為微生物在供水管網中“二次生長”的營養基質,降低了飲用水的生物穩定性[65],水質生物穩定性與飲用水水質安全密切相關,在給水管網系統中,飲用水水質的生物穩定性是指飲用水中有機營養基質能支持異養細菌生長的潛力,即細菌生長的最大可能性,飲用水生物穩定性高,表明水中細菌生長所需的有機營養物含量低,細菌越不易在其中生長;反之,飲用水生物穩定性低,則表明水中細菌生長所需的有機營養物含量高,細菌容易在其中生長[66,  67]。集中凈水廠通常通過加氯且保持管網末梢一定的余氯來控制細菌在管網中的再生長,但事實上到目前為止,由于飲用水中的病原微生物導致傳染病爆發事例也時有報道。研究指出,即使給水系統中保持較高的余氯,若水中營養基質充分,細菌仍然可能再生[68]。因此,引起配水管網中細菌再生長和繁殖的主要誘因是出廠水中含有殘存的異養菌生長所需的有機營養基質。
          飲用水中有機物種類繁多,形態、大小和化學性質比較復雜,目前要想測定其中每一種有機物幾乎是不可能的。一般測定DOC作為總有機物含量的替代參數,按有機物是否能被微生物利用的角度來劃分,溶解性有機碳又可分為生物可降解溶解性有機碳(Biodegradable dissolved organic carbon,BDOC)和生物難降解有機碳(Non-biodegradable dissolved organic carbon,NBDOC),BDOC中易被細菌利用合成細胞體的有機物稱為生物可同化有機碳(Assimilable  organic  carbon,AOC),AOC與異養細菌在給水管道中的生長密切相關,是研究飲用水生物穩定性所要關注的重點[69]。
          ............................

          第 3 章   水源切換對不同管材管內水水質的影響 .................................................... 27
          3.1   實驗用水及管材初始概況 ............................... 27
          3.1.1   原水水質情況 ................................... 27
          3.1.2   管材原始表征 ............................. 28
          第 4 章   水源切換對不同管材中生物膜的影響 .................................. 39
          4.1   第一階段培養末期不同管材中的生物膜狀況 ................................ 39
          4.1.1   不同管材生物膜金屬元素濃度 .................................... 39
          4.1.2   不同管材生物膜總/活細菌濃度 ........................................ 40
          第 5 章   結論與建議 .................................. 45
          5.1   結論 ....................................... 45
          5.2   建議 ........................................ 45

          第 4 章   水源切換對不同管材中生物膜的影響

          4.1   第一階段培養末期不同管材中的生物膜狀況
          針對培養至 63 天的生物膜和水源切換后的生物膜進行取樣分析,生物膜采樣的具體步驟見 2.3.2。
          4.1.1   不同管材生物膜金屬元素濃度
          取培養至 63 天的各管片生物膜進行元素測定,各管片生物膜中不同元素濃度如表 4-1、圖 4-1 所示。
          表 4-1   各管片生物膜的元素濃度
          從圖 4-1 可看出,對于所選定的三種金屬元素,鑄鐵片中元素總濃度最高,是其余管材的 10-20 倍,且鑄鐵試片上不同元素所占的比例也與其余管材差異明顯。鑄鐵管材的主要組成成分是 Fe 元素,其生物膜中 Fe 濃度達 346.18μg/cm2,遠高于Ca 和 Al 元素濃度,且鑄鐵片生物膜中每種元素濃度也均比其余管材豐富。說明鑄鐵管更有利于無機物質的積累。
          .............................

          第 5 章   結論與建議

          5.1   結論
          本文以供水系統管網中常用的球墨鑄鐵管、銅管、不銹鋼管、聚乙烯和聚氯乙烯等五種給水管材材質以及玻璃材質的試片作為通水載體在高硼硅玻璃瓶中進行水源切換模擬管網實驗,對管材先后提供兩種不同的水質,分別為實驗室自來水龍頭出水和自來水經五級深層過濾處理后的水,每兩天進行新鮮水樣換水以此模擬實際供水在管網中的水力停留時間,經過兩個多月的培養后,切換供水,來揭示水源切換前后反應瓶中管內水和生物膜的生物量和相關元素的潛在變化。得出結論如下: 
          (1)在第一階段(水源切換前),管內水的 DOC 值在最初 10 天內呈下降趨勢,一些含碳量較高的管材管內水的 DOC 值會有微小的升高,表明管材自身所含物質發生了遷移。水源切換后,不同管材管內水的 DOC 均比進水濃度高,說明除管材本身碳的遷移外,還發生了生物膜及有機沉積物的脫落。
          (2)除 PVC 管材外,其余管材管內水的 Ca 元素濃度與進水持平,即 Ca 元素濃度不受水源切換的影響。不同管材管內水的 Fe 元素濃度和 Al 元素濃度在水源切換后均有所提升,表明各管材都在一定程度上釋放了 Fe 和 Al 元素。
          (3)不同管材在第一階段(水源切換前)培養過程中,管內水的細菌濃度相較于進水全部呈升高趨勢,不同管材管內水的細菌濃度大小為:CI>Cu>PVC>SS>PE>G。培養兩個多月后各管材單位面積微生物量高低為:PVC>CI>SS>G>PE>Cu。
          (4)第二階段(水源切換后),所有管材管內水的微生物量顯著升高,約為進水濃度的 10 倍,各管材生物膜生物量與第一階段相比都有不同程度的減少,但并未發現水源切換對水質及生物膜中微生物的活性有明顯影響。
          (5)不同管材管內水的生物量在水源切換前后初期的變化大小為 Cu>CI>PVC>SS>G>PE,說明應對水源切換時,銅管更容易受沖擊,PE 管最穩定。因此,PE 管是應對水源切換最為理想的供水管管材,不銹鋼管是較為適宜的金屬管管材。 
          參考文獻(略)

          原文地址:http://www.lov2go.com/civil/29968.html,如有轉載請標明出處,謝謝。

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