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给水管网中重金属释放的控制方法研究 * 陈红1段春毅1赵志领2 1. 广西建设职业技术学院， 南宁 530003; 2. 华侨大学 土木工程学院， 福建 厦门 361021 摘要 供水管网中重金属的释放和富集严重影响饮用水的水质， 威胁居民的健康。介绍了管道物理清洗的 5 种方法和 原理， 并对河南省某市管网进行截管并分析其管壁内生长环的成分， 在此基础上， 利用小试试验模拟单向冲洗法和刮 管法研究去除管道中重金属的方法和效果。研究结果表明 河南省某市自来水管道中有严重的腐蚀现象， 成为影响管 网水质稳定的潜在威胁， 单向冲洗法和刮管法对管壁生长环中重金属的去除有很好的效果， 可用于指导管网运营 管理。 关键词 给水管网; 重金属; 释放; 去除; 控制 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201409005 CONTＲOL S AND MEASUＲES OF ＲELEASE HEAVY METALS IN WATEＲ DISTＲIBUTION SYSTEM Chen Hong1Duan Chunyi1Zhao Zhiling2 1. Guangxi Polytechnic of Construction，Nanning 530003，China; 2. College of Civil Engineering，Huaqiao Univercity，Xiamen 361021，China Abstract The release and enrichment of heavy metals seriously affect the quality of drinking water in water distribution system，which threaten the health of residents． Five s and principles of pipeline physical cleaning was described． To cut off sections of pipe in water distribution system in a city of Henan Province and the composition of growth rings within the pipe wall was analyzed． Base on this，using small scale test simulates unidirectional ing and scraping pipes to remove heavy metals． The results showed that water pipes in this city had got serious corrosion phenomena，which became the potential threat of water quality stabilization． Unidirectional ing and scraping pipe had a good effect for removal of heavy metals in pipe growth rings，which were the effective guidance of pipe network operations management． Keywordswater distribution system;heavy metals;release;remove;control * 十二五水体污染控制与治理科技重大专项 2009ZX07424 。 收稿日期 2013 －11 －19 0引言 在供水管网管道中， 由于管壁腐蚀物生长环的存 在， 为重金属的富集提供了适宜的环境。重金属进一 步释放到饮用水中， 危害居民健康。重金属来源主要 是受污染源水 ［1 ］、 供水管道腐蚀物的释放。国内进 行水质重金属控制的水厂较少， 但美国、 欧洲已有通 过调整水的 pH 值、 碱度、 硬度， 曝气去除 CO2， 进而减 少水中重金属残留， 但出厂水中重金属不能做到百分 之百完全去除， 残留重金属进入管网的现象无法避 免。若从管网角度来看， 预防管道的腐蚀可以进一步 减少重金属释放， 现有的预防管道腐蚀的技术较多， 如在金属管道内涂水泥砂浆、 环氧树脂等， 但以上防 腐材料脱落时又会引起金属管道继续腐蚀， 如沙特胡 拜尔海水淡化自来水厂的给水管网主要是内涂环氧 树脂的钢管， 但部分环氧树脂在运行前期脱落， 未能 达到控制钢管腐蚀的效果［2 ］。另外， 巨额的城市给 水管网系统的改造费用， 不具备施工开挖条件的路 段， 金属管道在给水管网中的主导地位， 造成了给水 管网改造、 更换管材的困难。 因此， 在进行合理的预防措施和经济条件允许的 基础上， 可以在供水服务期间采用清洗管道和控制重 金属释放相关影响因素来实现控制重金属释放， 本文 91 水污染防治 Water Pollution Control 主要阐述管道清洗对重金属释放控制作用。 1管道清洗 管壁的生长环是生长环吸附和释放重金属的温 床， 去除管道腐蚀生长环， 进行管道清洗不仅可以控 制水质污染和管壁腐蚀， 更重要的是可以较彻底的阻 止重金属的释放。管道物理清洗包括单向冲洗、 高压 水射流、 刮管法、 气压脉冲法等。从世界上管道清洗 技术统计来看， 大部分使用的是物理冲刷方法［3 ］。 1. 1单向冲洗法 单向冲洗法是通过提高水流的流速在管道内部 进行疏松积垢的冲洗， 冲洗流速为平时管内水速度的 3 倍 ～5 倍， 单次冲洗的管线长度为 100 ～ 200 m［4 ］， 适合去除轻度污染或使用时间较短的管段的清洗。 因为管道积垢时间过长后会更难进行单向冲洗， 因 此， 虽然每次单向冲洗的成本低， 但是需要冲洗的频 率较高。利用管道本身的一些附属设备进行除垢， 以 达到去除重金属目的。目前， 国外有学者研究得出结 论， 为冲掉附着在管壁的生物膜、 腐蚀结垢物等沉积 物， 单向冲洗的水流速度需控制在 1. 8 m/s 以上， 但 压力不应高于允许值［5- 6 ］。 1. 2高压水射流清洗 高压水射流清洗是根据不同的清洗对象， 利用不 同的射流形式和射流较高的冲击动能， 不间断地对被 清洗管道基体进行打击、 冲蚀、 剥离、 切除等过程来清 除管道腐蚀物。高压水射流清洗中常采用80 MPa 作 为常规的管道清洗压力， 管道除锈则采用磨料射流约 150 MPa 的清洗压力。近年来研制出的高压水射流 管道清洗多功能车， 使城市管道清洗变得更灵活， 操 作更简便 ［7 ］。高压水射流清洗的缺点是清洗长度 30 ～40 m， 而且清洗工作需要装备超高压设备， 对操 作工人的素质和防护装备要求高［8 ］。高压水射流清 洗的优点是不污染管道， 清洁较彻底， 每千米可去除 用化学方法难以清洗的特殊生长环。 1. 3刮管法 管道使用年限长久， 管道内部结垢严重并且坚 硬， 可以采用机械刮管方式去除。处理管道内壁生长 环的刮管器是利用钢丝绳等拖拉工具， 使其在结垢的 管道内来回拖动 ［4 ］。逐段进行刮管清洗成本较高。 另外， 还有适用于 DN l00 以上的管道除垢 Pigging 清 管法， 其清管长度可达几千米， 一般 100 m 的管道只 需要 1 d 即可， 相对于单向冲洗法节省成本。若清洗 管道管径不变， 可以进行距离较长的清管。但是因为 国内还未有配套的衬里技术， 因此可能会破坏管道内 防腐层， 加速管网的腐蚀速度［9 ］。 1. 4气压脉冲法 圆形断面管道中水流态分为层流和紊流， 而紊流 是一般的城市供水管网中的水流状态［10 ］。气压脉冲 法主要是改变管内的紊流状况， 加速紊流程度。相关 研究显示 ［11- 12 ］， 气蚀形成的球形气泡爆炸可形成 775 ～1 200 MPa 的压力， 对管壁腐蚀物产生局部破 坏。哈尔滨工业大学给排水系统研究所结合脉冲释 放冲洗动能技术 ［10 ］， 利用管壁方向切应力冲击管壁 生长环和管锈形成脱落的颗粒， 构成气液固三相流继 续冲击未脱落的“生长环” ， 进一步提高管道的清洗 效果。无化学污染的物理机械清洗方式， 利用原有管 道附属设备进行施工， 不污染管网水质， 去除生长环 的效果也很理想， 成本控制效果优异［11- 12 ］。但由于 该法需要依靠密封管道获得动力， 因此对清洗对象密 封性要求较高。 表 1 为几种清除管垢以及生长环的技术方法， 各 有优势， 但也都存在一定的技术缺陷， 可根据管道的 实际情况采用不同清洗方法。 表 1各种管道清洗技术优劣性对比 Table 1Comparison of pipe cleaning technical characteristics 参数 单向 冲洗 高压水射 流冲洗法 机械 刮管法 Pigging 刮管法 气压脉 冲法 针对垢质 消除软垢软硬垢 皆可 主要用于 清除硬垢 主要用于 清除硬垢 软硬垢皆可 可操作性 容易有一定 危险 容易复杂中等难度 单次冲洗 长度 100 ～200 m 30 ～40 m 100 m1 km 以上 1 km 以上 每千米冲 洗时间 视 积 垢 多 少而定 4 ～8 h1 周8 ～12 h2 ～4 h 消耗水量 多少少中中 技术缺陷 无法清除 硬垢 无法清洗 长距离管 网 周期长， 易 损害管壁 内防腐层 有变径或 复杂管线 无法清除 缺少对清洗 大口径管道 的成功经验 2试验部分 2. 1单向冲洗法试验 在试验期间， 于河南省某市截取了 DN50 ～ 500 的各种管道， 进行管道内壁生长环成分分析， 并对截 取管段进行小试。试验装置模拟实际供水管网如图 1 所示。在实际供水管网中， 针对大管径管道需要大 量的冲洗水， 资金投入多， 操作管理难， 开关阀门造成 的停水区域也较大， 冲洗效果不明显， 因此 DN400 以 上的给水管线一般不进行单向冲洗。试验过程中选 02 环境工程 Environmental Engineering 取 DN50、 DN100 以及 DN200 的管道， 在高流速条件 下运行。取样的间隔时间为冲洗前、 冲洗后4 h、 冲洗 后 12 h、 冲洗后 24 h， 冲洗后 1 周和冲洗后 2 周。小 型管网的总立管上各安 3 个阀门， 模拟小管网管段间 的相互切换可以通过开关阀门实现， 取样口的两边都 各自安装阀门， 管网管道可以自由拆卸， 管网入水口 安装流量计。共装有 6 排并联试验装置。水质监测 指标包括 余氯、 浊度、 温度、 pH、 碱度、 硬度、 砷、 总 铁、 锰、 铅、 钙、 镁、 铝、 铬及颗粒物。 图 1冲刷 － 重金属释放反应器装置 Fig． 1The reactor device of erosion- release of heavy metals 颗粒物检测采用激光散射法， 仪器为 IBＲ 便携 式颗粒计数仪; 浊度采用哈希 2100N 便携式浊度仪; 采用电感耦合等离子体质谱法。对生长环待测样品 进行分层研磨。测定前用 “王水” 将样品粉末消解2 h 后用 0. 45 μm 滤膜过滤， 依据 GB/T 5750. 62006 生活饮用水标准检验方法 检测。金属及重金属标 准曲线的测定及药剂依据 GB/T 5750. 62006 配制。 2. 2刮管法试验 试验装置模拟实际给水管网建造如图 1 所示。 试验过程中选取 DN100 及 DN200 的管道。取样的间 隔时间为刮管前、 刮管后 4 h、 刮管后 12 h、 刮管后 24 h， 刮管后 1 周和刮管后两周。 3结果与讨论 3. 1单向冲洗法试验结果与分析 图2、 图3 为单向冲洗后管网中水的浊度及颗粒物 的变化情况。由图2、 图 3 可以看出 通过管网单向冲 洗， 各个取样点浊度明显下降。初冲洗时取样浊度最 高， 说明单向冲洗可以去除管网中引起浊度的生长环 中的沉积物、 腐蚀结垢、 胶体颗粒等物质。冲洗后 24 h 内， 浊度整体上有下降趋势， 这是由于高速水流对管道 内壁的冲刷作用造成的。浊度的变化在 1 周内可以达 到稳定状态， 1 周后浊度稳定在0. 2 ～0. 4 NTU。 图 2单向冲洗法浊度变化曲线 Fig．2Change curve of turbidity by unidirectional ing 图 3不同管径总颗粒物变化曲线 Fig．3Change curve of total particles in different pipe diameter 表 2 为生长环冲刷前后重金属变化量。由表 2 可以看出 冲刷后生长环各金属成分均大幅减小， 管 壁生长环中重金属含量较低， 说明管道单向冲洗可有 效去除管道内壁重金属污染沉积物、 腐蚀结垢物等， 可对供水管网起良好清洁作用， 进一步有效改善给水 管网水质。 表 2生长环冲刷前后成分变化分析 Table 2Growing ring composition analysis before and after ing 管径FeCaZnCuMnAsAlPb DN5053. 4163. 6435. 2870. 3548. 8980. 3474. 6263. 16 DN100 62. 0249. 4432. 9662. 7641. 7851. 7295. 18 60. 50 DN200 88. 3965. 2837. 1069. 5964. 7968. 6371. 84 71. 39 另外针对出水中重金属砷含量做浓度检测， 如图 4 所示。冲洗管道后， 出水砷含量很低， 为 0. 0015 ～ 0. 007 mg/L， 属于国家规定的标准范围， 由此可得出 在较小管径中使用单向冲洗法， 去除管壁中重金属的 效果较明显。 3. 2刮管法试验结果与分析 由表 3 可以看出 刮管后生长环的各金属成分均 大幅减小， 说明刮管方法可有效去除管道内壁上的生 物膜、 沉积物、 部分腐蚀结垢等， 可对管网起到较好的 清洁作用， 并有效改善管网水质。 12 水污染防治 Water Pollution Control 图 4单向冲洗出水砷的变化曲线 Fig．4Change curve As in unidirectional ing water 表 3初始生长环与冲刷后生长环成分变化分析 Table 3Growing ring composition analysis before and after ing 管径AsFeMnCaZnAlCuPb DN100 99. 4789. 4799. 6881. 6094. 6699. 8894. 63 99. 80 DN200 98. 3392. 2399. 8582. 5496. 2899. 8588. 78 99. 92 由图 5 和图 6 可以看出 通过刮管法， 浊度明显 下降， 且稳定为 0. 2 ～0. 5 NTU， 和进水的浊度基本相 同， 说明刮管方法可有效去除管道内壁上的生物膜、 沉积物、 部分腐蚀结垢等。 图 5未刮管浊度变化曲线 Fig．5Turbidity change curve before scraping 图 6刮管后浊度变化曲线 Fig．6Turbidity change curve after scraping 图 7 为刮管法出水中砷的变化情况。试验出水 中砷含量很低， 远低于国家规定标准， 且刮管后砷去 除效 果 比 单 向 冲 洗 法 明 显，砷 浓 度 平 均 低 于 0. 002 mg/L。 图 7刮管法出水砷的变化曲线 Fig．7Change curve of As in effluent by scraping pipe 4结论 研究结果表明， 河南省某市自来水管道中有严重 的腐蚀现象， 管道内壁的生长环主要结构为 疏松层、 后沉淀层、 腐蚀物层， 生长环中的含量成分复杂， 包括 管壁腐蚀物和沉淀物， 含有多种重金属， 成为影响管网 水质稳定的潜在威胁。通过采用单向冲洗法和刮管法 可有效去除管壁生长环中的重金属， 且刮管法的效果 优于单向冲洗法， 因此对于敷设年代长， 腐蚀严重的管 道建议采用刮管法， 期间定期采用单向冲洗法为优。 参考文献 ［1］王丽苑， 李彦锋． 重金属微污染水体的处理技术及应用研究进 展［ J］ ． 环境工程， 2009， 27 S1 96- 99. ［2］陈跃， 赵明， 袁一星． 给水管道内 “生长环” 的危害及去除方法 研究［ J］． 给水排水， 2009， 35 12 112- 115. ［3］Wwarf，Dvgw， Tzw．Internal Corrosion of Water Distribution Systems［ M］ ． 2nded． Denver AWWA Ｒesearch Foundation， 1996 403- 404. ［4］王利平． 给水管网中铁稳定性问题与管道腐蚀的研究［D］． 天 津 天津大学， 2007. ［5］姜湘山， 张晓明． 市政工程管道工试用技术［M］ ． 北京 机械工 业出版社， 2005 285. ［6］SwardNAntoun， JohnEDyken， DavidJHiltebran． Unidirectional ingA powerful tool［J］ ．American Water Works Association， 1999， 91 7 62- 71. ［7］Ｒiedman，Melinda，Hill，et at． Establishing Site- Specific ing Velocities［ C］ ∥Proc of American Water Works Association， 2002. ［8］Boris Kessel，Dan Eilam，Itamar Ashkenazi．Severe hydroblast intra- abdominal injuries due to high- pressure water jet without penetration of abdominal cavity［ J］ ． Injury Extra， 2005， 36 82- 83. 下转第 25 页 22 环境工程 Environmental Engineering 2. 3二级活性污泥池 将 SBＲ 池的后部改建为二级活性污泥池， 与一 级活性污泥池结构相同， 如图 3 所示， 主体反应单元 内部尺寸 单位 m L B H 15 m 8. 5 m 5. 5 m， 泥水分离单元内部尺寸 L B H 15 m 3 m 5. 5 m。 3改造后污水处理运行效果 原 SBＲ 工艺运行期间氨氮有效容积负荷为 0. 096 kg/ m3d ， COD 有效容积负荷为 0. 21 kg/ m3 d ， 改造后废水处理负荷需达到原 SBＲ 工艺 2 倍， 才可满足实际厂区污水处理负荷的需求。从图 4 可以看出 改造后进水 ρ COD 为 600 ～1 200 mg/L， ρ NH3－N 为250 ～400 mg/L， 出水 ρ COD＜60 mg/L， ρ NH3－N＜ 10 mg/L。氨 氮 有 效 容 积 负 荷 为 0. 19 kg/ m3 d ， COD 有效容积负荷为 0. 45 kg/ m3 d 。运行数据表明改造后工艺废水处理负荷可以达 到原工艺负荷的 2 倍， 而且有进一步提高的空间; 抗 水质变化冲击能力较强; 运行 1 个月中处理效果稳 定， 出水 COD 和 NH3－N 均小于国家一级排放标准。 且比原工艺节省曝气能耗 50以上。 图 4生物组合工艺 COD 和 NH 3－N 变化情况 Fig．4The change of COD and NH3－N in the biological combined process 4经济效益分析 该改造工程总投资约 600 万元， 原 SBＲ 工艺日 处理废水量为 120 t/h， 吨水处理费用 电费和药剂 费 为 2. 56 元; 改造后日处理废水量为 200 t/h， 吨水 处理费用 电费和药剂费 为 1. 58 元， 改造后比原日 处理废水量多 80 t/h， 而吨水处理费用减少 0. 98 元， 则按照改造后日处理废水量为 200 t/h 计算， 改造后 每年可节省废水处理运行费用 164. 6 万元， 更重要的 是解决了生产废水完全处理达标排放的问题， 保证了 企业生产工作的正常开展。 5结论 通过生物接触氧化池 二级活性污泥池生物组合 工艺处理煤制甲醇废水的实际工程应用， 表明该生化 组合工艺具有较高的污水处理负荷和运行稳定性， 较 低的投资和运行成本， 且出水水质好， 可达国家污水排 放一级标准， 为下一步的污水脱盐回用创造了基本条 件 ［ 8 ］。该工艺适合应用于煤制甲醇废水及其类似水质 污水的处理， 值得在煤化工企业进行推广应用。 参考文献 ［1］李英． 大型甲醇生产厂废水治理措施［J］． 山西煤炭管理干部 学院学报， 2007， 3 3 136- 138. ［2］罗刚， 张文耀， 邢艳萍． 煤制甲醇工艺废水改造［ J］． 化工环保， 2010， 30 1 79- 83. ［3］赵利霞． 工艺处理煤制甲醇污水的研究［J］． 河南化工， 2010， 27 42- 44. ［4］蒋芹． 浅谈 SBＲ 法处理大型煤制甲醇废水的应用与发展［J］． 科技情报开发与经济， 2008， 18 11 130- 131. ［5］Kuba T，Smolders G，Heijnen J J，et al． Biological phosphorus removal from wastewater by anaerobic- anoxic sequencing batch reactor［J］ ． Water Science and Technology， 1993， 27 5 241- 252. ［6］Lawrence K， Wang YL．Sequencingbatchreactors ［J］． Handbook of Environmental Engineering， 2009， 8 459- 511. ［7］何奕， 陈花果， 王俊凯， 等． 物化- SBＲ 工艺处理甲醇生产废水 ［J］． 给水排水， 2007， 33 2 63- 65. ［8］张勇， 曲顺利， 朱艳艳． 国内煤制甲醇企业节水技术现状［J］． 氮肥技术， 2010， 31 1 18- 20. ［9］任庆伟， 商登峰， 刘青海， 等． 新型煤化工企业水处理工艺方案 设计优化［J］ ． 工业水处理， 2010， 30 7 87- 90. 第一作者 贾永强 1981 － ， 男， 博士研究生， 工程师， 主要从事工业废 水处理回用技术的研究和开发。 櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅櫅 jyqiang_81126． com 上接第 22 页 ［9］林立． 高压水射流清洗与安全管理［J］． 化工劳动保护， 2001， 22 7 238- 239. ［ 10］Vreeburg J H G，Boxall J B．Discoloration in potable water distribution systemsA review［J］． Water Ｒesearch，2007，41 5 519- 529. ［ 11］王萍辉， 方湄． 基于空化技术的管道清洗装置的研究［J］ ． 机 械设计， 2003， 20 8 9- 12. ［ 12］Timothy G L． What is ultrasound［J］ ． Progress in Biophysics and Molecular Biology， 2007， 93 78- 83. 第一作者 陈红 1968 － ， 女， 副教授， 主要研究方向为饮用水安全保 障技术。 通讯作者 段春毅 1987 － ， 女， 助教， 硕士研究生， 主要研究方向为饮 用水安全保障技术。dcyjoyce126． com 52 水污染防治 Water Pollution Control