導讀
　　以常州市供水管網(wǎng)為例，通過人工取樣檢測水廠、補氯站、管網(wǎng)、二供采樣點的余氯濃度，從時間和空間角度對常州市供水管網(wǎng)余氯分布均勻性進行了初步評估。結(jié)果表明，水廠-補氯站兩級消毒方案改善了常州市政管網(wǎng)余氯濃度分布均勻性，應(yīng)加強對冬夏兩季水質(zhì)敏感點的監(jiān)控。同時，應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟因素，采用增設(shè)補氯點、改造管網(wǎng)、改變消毒方案等方式提高供水管網(wǎng)余氯分布時空均勻性。
　　00前言
　　氯消毒是水處理工藝中最常見的消毒方式，世界衛(wèi)生組織規(guī)定飲用水中余氯濃度不得超過5 mg/L。美國聯(lián)邦標準沒有明確規(guī)定管網(wǎng)中余氯濃度，但有23個州對管網(wǎng)中最低余氯濃度有明確規(guī)定，其中19個州要求0.20 mg/L或更高的最低游離氯濃度。例如，賓夕法尼亞州在2018年規(guī)定管網(wǎng)中0.20 mg/L最低游離氯或總氯濃度。歐盟標準沒有明確規(guī)定管網(wǎng)中余氯濃度，但歐盟國家用戶末梢余氯濃度一般維持在較高水平，相比之下，英格蘭和威爾士地區(qū)水司一般將用戶末梢余氯濃度控制在較低水平，用戶末梢余氯值一般控制在1.00 mg/L以下。例如，泰晤士水司2018年出廠水余氯濃度1%百分位數(shù)（即1% ile）為0.29 mg/L，99% ile為0.94 mg/L；用戶末梢余氯濃度1% ile為0.18 mg/L，99% ile為0.86 mg/L?！渡铒嬘盟l(wèi)生標準》(GB 5749-2006)規(guī)定：出廠水中余氯限值4 mg/L，出廠水余氯含量應(yīng)不低于0.30 mg/L，管網(wǎng)末梢水不低于0.05 mg/L。例如，上海市2018年出廠水余氯控制在0.8～1. 0 mg/L，管網(wǎng)平均余氯濃度0.85 mg/L。
　　然而，是否應(yīng)該采用氯消毒并在管網(wǎng)中保持剩余消毒劑一直是國際范圍討論的熱點，主要針對的就是在輸配過程產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物以及余氯濃度過高影響口感這兩方面問題。有研究指出，管網(wǎng)平均余氯濃度較出廠水下降較少，但管網(wǎng)末梢余氯濃度較出廠水下降較多。為了確保管網(wǎng)末梢余氯濃度不低于0.05 mg/L，水司一般通過增加出廠水投氯量來保證管網(wǎng)末梢的余氯，隨著出廠水投氯量的增加，管網(wǎng)中消毒副產(chǎn)物的生成量也隨之增加，管網(wǎng)前端過量余氯也會產(chǎn)生氣味，增加用戶投訴。增設(shè)二次加氯點是解決傳統(tǒng)管網(wǎng)消毒控制難題的有效措施，目前加氯點的確定多基于經(jīng)驗。
　　因此，合理選擇消毒工藝，精準加氯，提高供水管網(wǎng)中余氯分布的均勻性，嚴格控制消毒副產(chǎn)物，改善余氯帶來的口感問題，實現(xiàn)居民用水同網(wǎng)同質(zhì)，這是供水管網(wǎng)管理需要解決的關(guān)鍵問題。本文通過人工取樣分析手段，從時間和空間角度對常州市供水管網(wǎng)余氯分布進行了深度剖析，能夠為精細消毒和精準加氯提供技術(shù)參考，從而實現(xiàn)管網(wǎng)余氯濃度平穩(wěn)和管網(wǎng)末梢水質(zhì)穩(wěn)定達標。
　　01研究區(qū)域概況和研究方法
　　1.1 區(qū)域概況
　　研究區(qū)域供水面積757 km2，供水人口200余萬人，供水區(qū)域內(nèi)有2座水廠，總供水能力110萬m3/d，水廠消毒劑均為次氯酸鈉。常州市供水管網(wǎng)總長度6 361.78 km，其中DN200（含）以上市政管道長度1 869.50 km，管道材質(zhì)主要為鑄鐵管（球墨鑄鐵管、鑄鐵管）、塑料管（PVC、PE）、混凝土管（PCCP、混凝土）、鋼管，其所占比例分別為69.99%、19.39%、3.37%、7.24%，管齡為1～50年。
　　1.2 研究方法
　　在研究區(qū)域內(nèi)選取水質(zhì)采樣點211個，具體位置（采樣點以黑點表示）如圖1所示。其中，水廠取樣點2個，中途補氯站取樣點5個，管網(wǎng)取樣點70個，二次供水取樣點134個。

　　圖1 水質(zhì)采樣點分布
　　水廠取樣點位于水廠出水管上，中途補氯站取樣點位于補氯站出水管上，管網(wǎng)取樣點位于用戶附近市政管道的消火栓處（一般為小區(qū)入口），二次供水取樣點位于小區(qū)二次供水增壓設(shè)施出水處。取樣時間為2019年1-12月，檢測頻率為每月1次，取樣前放水2～3 min，每個采樣點連續(xù)采樣3次，取平均值作為檢測結(jié)果。余氯檢測儀器為美國HACH Pocketcolorimeter Ⅱ型便攜式余氯儀，檢測精度為0.01 mg/L。
　　02結(jié)果與分析
　　2.1 管網(wǎng)余氯總體情況
　　圖2為常州市供水管網(wǎng)的水廠、管網(wǎng)、補氯站、二供的余氯分布情況。常州市供水管網(wǎng)采用水廠-補氯站兩級消毒方案，控制出廠水余氯濃度以降低對水廠周邊用戶的影響，補氯站中途投氯以確保管網(wǎng)末梢余氯濃度達標。采樣結(jié)果顯示，出廠水余氯濃度0.50～0.80 mg/L，補氯站出水余氯濃度0.59～0.85 mg/L。圖2中補氯站曲線位于水廠右側(cè)，說明常州控制出廠水余氯水平低于補氯站，補氯站對提升管網(wǎng)余氯水平起到關(guān)鍵作用。采樣結(jié)果顯示，管網(wǎng)余氯濃度0.10～0.65 mg/L，二供余氯濃度0.11～0.61 mg/L，兩者濃度范圍相差較小，圖2中二供曲線位于管網(wǎng)右側(cè)，二供余氯水平略高于管網(wǎng)可能與采樣點位置有關(guān)，二供采樣點主要位于中心城區(qū)，且在補氯站供水范圍內(nèi)，管網(wǎng)采樣點分布于全管網(wǎng)的市政管道上。

　　圖2 常州市供水管網(wǎng)余氯分布擬合曲線
　　如圖2所示，1%的常州出廠水取樣點余氯濃度小于0.50 mg/L，高于英國泰晤士水司出廠水1%ile的0.29 mg/L，99%的常州出廠水余氯濃度小于0.80 mg/L，低于英國泰晤士水司出廠水99% ile的0.94 mg/L，說明常州出廠水余氯濃度波動范圍較小，且出廠水余氯濃度主要集中在0.50～0.80 mg/L。
　　99%的常州管網(wǎng)余氯濃度小于0.52 mg/L，99%的常州二供余氯濃度小于0.60 mg/L，兩者均小于英國泰晤士水司末梢水99% ile的0.86 mg/L，說明常州供水管網(wǎng)整體余氯水平比英國低。1%的常州管網(wǎng)余氯濃度小于0.20 mg/L，1%的常州二供余氯濃度小于0.22 mg/L，兩者與美國19個州管網(wǎng)（含末梢）余氯最低濃度0.20 mg/L基本持平，考慮到常州管網(wǎng)小區(qū)內(nèi)余氯的衰減，常州管網(wǎng)末梢余氯水平整體低于美國。
　　常州2019年出廠水余氯控制在0.50～0.80 mg/L，管網(wǎng)平均余氯濃度0.35 mg/L，上海2018年出廠水余氯控制在0.80～1.00 mg/L，管網(wǎng)平均余氯濃度0.85 mg/L，說明常州出廠水和管網(wǎng)整體余氯水平低于上海。上海和常州同屬于長江流域，位于上游的常州原水氨氮濃度低，采用游離氯消毒，位于下游的上海原水氨氮濃度高，采用化合氯消毒。由于化合氯比游離氯消毒效果更持久，且上海出廠水余氯水平高于常州，因此常州管網(wǎng)余氯水平整體低于上海。
　　2.2 溫度對管網(wǎng)余氯分布的影響
　　供水管網(wǎng)中余氯的消耗主要來自于水體耗氯和管壁耗氯，有研究數(shù)據(jù)表明，水體中氯的消耗與氯反應(yīng)動力學、溫度、加氯點及投氯量等因素有關(guān)。溫度升高時，水中的細菌、微生物等繁殖速率會顯著加快，代謝產(chǎn)物增多，為保證消毒效果所需投氯量也會相應(yīng)增加。
　　表1為冬夏兩季水廠、補氯站、管網(wǎng)、二供采樣點的數(shù)據(jù)統(tǒng)計結(jié)果。冬季1-3月，常州出廠水余氯濃度0.50～0.70 mg/L，管網(wǎng)余氯平均濃度0.35 mg/L；夏季7-9月，常州出廠水余氯濃度0.50～0.80 mg/L，管網(wǎng)余氯平均濃度0.35 mg/L。夏季出廠水余氯濃度雖然提高，但是冬夏兩季管網(wǎng)余氯平均濃度相同，而且，管網(wǎng)夏季最小值更低。
　　表1 冬夏兩季采樣點余氯濃度統(tǒng)計

　　為了直觀顯示管網(wǎng)各管段中余氯濃度隨季節(jié)變化情況，根據(jù)冬季（1月）和夏季（8月）采樣點余氯濃度數(shù)據(jù)，在ArcGis中利用空間分析工具推算出每根管段的余氯濃度，并計算8月與1月余氯濃度的差值（見圖3），圖3中深色代表該管段8月余氯濃度比1月增加，淺色代表該管段8月余氯濃度比1月降低，管線粗細代表管徑大小，管線越粗代表管徑越大。

　　圖3 8月與1月的管網(wǎng)余氯濃度對比
　　相比于1月，8月管網(wǎng)余氯濃度變化率為-40%～100%，8月二供余氯濃度變化率為-51.72%～36.59%，余氯濃度變化率較大說明溫度對供水管網(wǎng)中余氯變化的影響明顯。季節(jié)變化會造成居民用水習慣、用水量的改變，從而影響管網(wǎng)局部區(qū)域水力條件，使得管網(wǎng)余氯變化率出現(xiàn)正負。管網(wǎng)余氯濃度變化幅度最大為100%，二供余氯濃度變化幅度最大為51.72%，管網(wǎng)的變化幅度更大，說明水廠和補氯站的余氯調(diào)控對市政管網(wǎng)的影響較大，對二供增壓后出水影響較小，可能是由于二供小區(qū)水箱的緩沖作用造成的。
　　常州主力水廠位于北部，出廠水由兩根輸水干管從北向南輸送。圖3中位于管網(wǎng)下游的南部管網(wǎng)顏色較淺，說明8月南部管網(wǎng)余氯水平低于1月，主要原因為南部管網(wǎng)水齡較長，且夏季余氯衰減快，南部管網(wǎng)為水質(zhì)敏感區(qū)域，應(yīng)重點監(jiān)控或考慮在南部管網(wǎng)增設(shè)補氯點。
　　相比于1月，8月主力水廠周邊輸水干管余氯濃度下降（圖3圈中所示區(qū)域），主要原因是水廠周邊的鄉(xiāng)鎮(zhèn)用水量較小，節(jié)點水齡較長，夏季余氯衰減快，造成水廠周邊局部區(qū)域余氯濃度較低。圖3中管線粗細代表管徑大小，從圖3中可以看出，管線較細的配水支管顏色均較淺，說明夏季用戶末梢余氯濃度降低較多，為水司重點監(jiān)控的水質(zhì)敏感點。
　　2.3 水齡對管網(wǎng)余氯分布的影響
　　水齡越長管網(wǎng)余氯降低越多，大型管網(wǎng)局部區(qū)域水齡較長，為了滿足隨著時間推移末梢用水點余氯濃度最低要求，常規(guī)一次性投加大量氯的方法不利于余氯在管網(wǎng)范圍的均勻分布，設(shè)置合適的二次加氯點能夠改善余氯分布的均勻性。為了研究水齡對管網(wǎng)余氯分布的影響，利用EPANET對管網(wǎng)進行水力模擬，計算管網(wǎng)采樣點的水齡，水齡以水廠或補氯站為起點計算。由于二供采樣點位于水箱后，水力模擬無法計算二供采樣點的水齡，因此僅分析管網(wǎng)采樣點數(shù)據(jù)。
　　圖4縱坐標從上至下按照管網(wǎng)采樣點水齡升序排列，理論上，隨著水齡增加余氯濃度逐漸降低，每列色帶從上至下顏色應(yīng)逐漸加深。對每月數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)，圖4中每列色帶均無顯著顏色漸變，說明常州管網(wǎng)余氯空間分布不合理。圖4中，冬季1～3月黑色條紋出現(xiàn)12次，夏季7-9月黑色條紋出現(xiàn)7次，相比于其他季節(jié)出現(xiàn)低余氯的概率更高，因此應(yīng)調(diào)整冬夏兩季消毒方案，并加強冬夏兩季管網(wǎng)水質(zhì)的監(jiān)控。以1月和8月為例，1月條紋顏色深的比例高，8月條紋顏色淺的比例高，說明8月管網(wǎng)整體余氯水平高于1月，這與夏季水廠和補氯站出水余氯濃度升高有關(guān)。

　　圖4 管網(wǎng)采樣點余氯濃度全年情況
　　對全年數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)，圖4監(jiān)測點編碼為1-40時，黑色條紋出現(xiàn)7次，監(jiān)測點編碼41-70時，黑色條紋出現(xiàn)24次，說明水齡較大的管網(wǎng)點出現(xiàn)低余氯的概率更高，是水質(zhì)風險敏感點。以監(jiān)測點57和70為例，12個月中黑色條紋均出現(xiàn)5次，應(yīng)將這兩個管網(wǎng)點列為水質(zhì)重點監(jiān)控點，或考慮改造局部管網(wǎng)（監(jiān)測點57和70周圍）。
　　將管網(wǎng)采樣點按照水齡升序排列，計算每個采樣點12個月余氯濃度的均值和上下限，如圖5所示，管網(wǎng)采樣點平均水齡為10.59 h，水齡主要集中在2.59～19.03 h。從圖5可以看出，隨著水齡增加，各采樣點余氯濃度均值呈現(xiàn)波動變化，變化范圍基本在0.30～0.40 mg/L。補氯站下游節(jié)點水齡以補氯站為起點計算，增設(shè)補氯站降低了下游節(jié)點的水齡，提高了管網(wǎng)余氯濃度空間均勻性。

　　圖5 管網(wǎng)采樣點水齡分析
　　圖5中余氯濃度上下限與均值的差值波動較大，說明季節(jié)變化對某些管網(wǎng)節(jié)點余氯濃度的影響較大，造成管網(wǎng)節(jié)點余氯濃度時間均勻性不高，因此，常州應(yīng)根據(jù)溫度變化進一步調(diào)整水廠和補氯站的加氯方案。
　　03結(jié)論
　?。?）常州市供水管網(wǎng)采用水廠-補氯站兩級消毒方案，控制出廠水余氯水平低于補氯站，改善了市政管網(wǎng)余氯濃度分布均勻性。
　?。?）冬夏兩季供水管網(wǎng)余氯濃度較低，應(yīng)加強對冬夏兩季管網(wǎng)水質(zhì)的監(jiān)控，夏季應(yīng)重點監(jiān)控水齡較長的南部管網(wǎng)和水質(zhì)敏感點。
　　（3）應(yīng)綜合考慮經(jīng)濟因素，采用增設(shè)補氯點、改造管網(wǎng)、改變消毒方案等方式，調(diào)控受季節(jié)性變化影響較大的節(jié)點、管網(wǎng)末梢節(jié)點的余氯濃度，提高供水管網(wǎng)余氯分布均勻性，保障末端水質(zhì)達標。
作者：吳雪等
來源：給水排水