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5)探究二次污染的控制方案
四、项目执行进度安排
4月16—4月22,宁大管网的绘制
4月24—4月30,对图纸进行核对
5月8-5月10,在宁大范围内取样
5月11-9月30,对样品的实验:
包括浑浊度、PH值、铁、锰、细菌总数、总大肠菌数、游离性余氯、总磷等
9月1-9月30资料调查对二次污染实验的分析,并探究相对的控制方案
10月1-10月31,完善和总结
五、项目研究成果
1)宁波大学给水管网水质报告
1、实验方法
⑴、采样地点:
宁波大学北区一村,北区二村,西区宿舍楼,西区教学楼(化学楼),本部教学楼(4号楼),安中大楼,本部宿舍楼,建工学院。
⑵、检测方法:
在上述各采样点的出水口按规定的要求取样,并置于低温环境中,样品在24小时室内送到水质检测实验室进行分析。
酸碱度(PH值)采用PH测定仪。
在所测溶液的温度与标准缓冲液的温度相同的前提下,对每个相同水样进行3次重复性实验,取算术平均值为实验的最终结果。
浊度采用浊度仪。
在正确的操作手法下,对每个相同样品进行3次重复性实验,记录3次的数据,取算术平均值为水样的最终结果。
总大肠菌群数—多管发酵法。
测定生活用水的该项指标采用的多管发酵法中的初发酵试验,即采用乳糖蛋白胨培养液37℃培养24h,观察产酸产气情况。
接种一个水样总量300ml,即100ml接种2管,10ml接种10管,采用两个稀释度,12支发酵管,经过24小时的培养,观察阳性管数,根大肠菌群检数表,得到水样中大肠菌群数。
细菌总数—菌落培养法,即平皿计数法。
以无菌操作方法,每个水样检验时,做一平行接种,同时另用一个平皿只倾注营养琼脂培养基作为空白对照,置于36±
1℃培养箱内培养24h,进行菌落计数便得出实验结果。
总磷(以P计)—钼锑抗分光光度法。
各水样经过K2S2O8消解后,向消解液中加入抗坏白酸液和钼酸盐溶液,充分混匀后,以水做参比,测吸光度。
扣除空白(以蒸馏水代水样做空白)的吸光度,从标准曲线上查得磷的含量。
余氯—邻联甲苯铵法。
水样在20℃下,与邻联甲苯胺溶液接触后,立即以永久性余氯标准溶液进行目视比色,所得结果为游离性余氯;
放置10min后产生最高色度,再进行比色,所得结果为总余氯,总余氯减去游离余氯等于化合余氯.
铁—邻菲罗林分光光度法。
采样后,立即将样品用盐酸酸化至PH为1,分析时取50.0mL混匀水样置150mL锥形瓶中,加1+3盐酸1mL,盐酸羟胺溶液1mL,加热煮沸至体积减少到15mL左右,以保证全部铁的溶解和还原.定量转移至50mL具塞刻度管中加一小片刚果红试纸,滴加饱和乙酸钠溶液至试纸刚刚变红,加入5mL缓冲溶液,05%(m/v)邻菲罗啉溶液2mL,加水至标线,摇匀.显色15min后,用10mm比色皿,以水为参比,在510nm处测量吸光度。
并作空白校正。
然后从标准曲线读取实验结果。
锰—高碘酸钾氧化光度法。
在中性的焦磷酸钾介质中,室温条件下高碘酸钾可瞬间将低价锰氧化到紫红色的七价锰,用分光光度法在525nm处进行测定。
2、检测结果
⑴PH:
标准6.5~8.5检测时间:
2007—09—24表1
水样
西区宿舍
西区教学楼
北区一村
北区二村
本部宿舍
本部教学楼
建工学院
安中大楼
PH
6.44
6.59
6.45
6.17
6.37
6.27
6.24
6.19
⑵浊度:
标准≤1NTU检测时间:
2007—09—24表2
浊度(NTU)
0.89
0.28
0.57
0.19
0.17
0.29
0.21
0.34
⑶总大肠菌群数:
标准≤3个/L检测时间:
2007—07—05表3
个数(个)
<
3
⑷细菌总数:
标准≤100个/mL检测时间:
2007—07—05表4
5
189
7
1
10
14
4
⑸余氯:
标准不低于0.05mg/L检测时间:
2007—07—06表5
总余氯(mg/L)
0.05
0.01
0.2
0.5
0.7
游离余氯(mg/L)
0.4
0.1
化合余氯(mg/L)
0.04
0
⑹总磷:
标准≤0.02mg/L检测时间:
2007—09—24表6
总磷浓度(mg/L)
0.26
0.14
0.22
0.18
0.009
0.024
⑺铁:
标准≤0.3mg/L检测时间:
2007—09—24表7
铁浓度(mg/L)
0.489
0.373
0.289
0.117
0.317
0.495
0.801
0.351
(8)锰:
标准≤0.1mg/L检测时间:
2007—09—24表8
锰含量(mg/L)
0.008
0.0085
0.085
0.075
3、结论
PH:
除西区教学楼属标准,其余水样都达不到标准,处于弱酸性。
由于在水厂处理时经过漂白粉作用,有氯离子并且水中的溶解氧及二氧化碳的存在,水的pH值影响着管道的腐蚀速度。
根据实验结果,水样的PH值基本都低于6.5,这样的水质会在一定程度上造成管网的腐蚀,间接会造成管网使用年限的减少。
浊度:
基本符合标准。
总大肠菌群数:
水样中总大肠菌群数的含量,表明水被粪便污染的程度,而且间接地表明有肠道致病菌存在的可能。
实验结果得,水样的总大肠菌群数都符合指标,宁波大学整个管网出水基本不受粪便污染。
细菌总数:
西区教学楼超标。
水中细菌总数可说明被有机物污染的程度。
细菌数越多,有机物质含量越大。
由此看出,西区教学楼的自来水所含有机物浓度相对较高。
其他水样的生物稳定性基本较好。
余氯:
除了西区宿舍、北区二村、安中大楼在0.05mg/L之上,其余均达不到
总磷:
本部教学楼,本部宿舍,北区一村,北区二村,西区教学楼,西区宿舍都严重超标。
总磷与细菌总数有较好的相关关系,对于配水水样,在一定的磷浓度范围内,磷是水中细菌生长的因子。
实验得出宁波大学的整个配水系统中的水都超过了标准范围,增加了管网中生物稳定性
铁:
除北区二村外,其余都超标,其中建工学院严重超标。
管网的腐蚀是铁含量增高的主要原因之一。
并且铁是微生物生长所必需的营养物质之一,超标的水给生物的生长提供了充足的营养,破坏了管网水中生物稳定性。
由此表明宁波大学配水管网具有一定程度的腐蚀,并且生物潜在稳定性不理想。
锰:
水质中锰均未超标,可知水质基本不受锰的污染。
2)宁波大学给水管网模拟图
3)给水管网二次污染的原因分析及影响
1、出厂水中的污染物(例如铁和锰)
无论是地表水水源还是地下水水源,均含有一定的铁和锰,并且其含量呈季节性变化。
经过水厂的净化处理,出厂水中铁、锰的含量会降低到出厂水质的标准。
但是进入输水管及配水管网后,加上管道本身的腐蚀产生的“铁锈”,综合起来,则用户水的水中铁、锰就会超标,造成较严重的二次污染。
并且人体摄入过多的铁,容易引起胃肠障碍而下痢。
过量的锰呈毒性,长期过量摄取将造成前脑皮质等神经损伤。
其次因铁、锰会逐渐沉积在管网上,不仅会缩小过水断面,降低输水能力。
当流量增加、流速提高时,铁、锰的沉淀物会冲刷下来,“黄水”、“黑水”。
根据我们对宁波大学整个给水管网中铁、锰含量的初步测定,图1
从上图可知,其中北区一村和北区二村在0.3mg/L之下,符合饮用水水质标准。
其余都超出标准,其中西区宿舍、西区教学楼、本部教学楼、建工学院超标情况相当严重。
在表8中显示,各区自来水的锰含量均符合生活用水的标准。
本部于1985年建成管网使用时间已有20多年的时间;
西区(前身宁波师范学院)建于1956,已有50年的历史。
虽然西区和本部尚未出现“黑水”“黄水”之类的现状,但两区的历史较长(尤其西区),两区的给水管网都有较大程度上的腐蚀,有电化学腐蚀和还原的硫化氢与铁作用的腐蚀,主要表现为铁含量大大高于锰含量。
对于给水管网是铸铁管的管道中铁离子浓度的增加较大,而宁波大学整个给水管网均采用铸铁管(球墨),因此宁大的铁含量均超标,而对于1999年及2004建成的北区一村和二村,管网使用时间尚短,腐蚀程度较小生活用水的铁含量就相对较抵。
2、供水管材对管网水质的影响
主要表现在不同管材自身分解物的影响。
宁波大学的给水管网采用的是球墨铸铁管,球墨铸铁管是强度大,韧性强可承受较高,耐腐蚀性高的金属管。
但金属管自身分解物的种类及含量直接影响到供水水质。
根据某市自来水总公司进行的管材的浸泡试验与检测,金属管在5天的浸泡后:
浊度平均增值0.202,占标准值的20.2%;
PH平均增值0.06,占标准波动值的3%;
铁平均增值≤0.05mg/L,占标准值的16.7%;
锰的平均增值≤0.02,占标准值的20%
所以整个庞大的给水管网像一个大型的反应器,生活用水经过水厂处理均达到国家要求的水质标准,但出厂水通过整个输水管网系统,管线长度可达数十至上百公里,水在管网及构筑物中停留时间长达数日。
而水这是也如同进入了反应器内发生着复杂的物理、化学和生物的变化,导致水中浊度、PH值、铁、锰等指标的变化,进一步促成了管网的二次污染。
3、管道腐蚀与结垢对水质的影响
由于长期受到水的腐蚀作用,管内壁上生成一种含有多种成分和细菌的“生长环”,它的厚度主要受水质、管道材料和使用时间的影响,这些锈垢上所含的多种成分和细菌,会溶于水中,使水质受到“二次污染”。
还有管道结垢后,水质“二次污染”,使水中余氯被有机物消耗殆尽,所以细菌的总数增加,在这些细菌中有病原菌,也有对管道起腐蚀作用的细菌例如铁细菌。
这些各种各样的细菌,有的严重影响水质,有的则加剧了管道腐蚀,从而缩短管道的使用寿命。
对于没做内衬的管材,使用5年以上均百分之百地被锈蚀,尤其是普通铸铁管材更为明显。
由于管网腐蚀造成余氯的消耗,具有50多年历史的西区,余氯含量就相对只有3年左右的北区二村水中含量的2%。
西区的管道腐蚀程度较严重。
同时管道内“生长环”的逐渐加厚,不仅影响供水水质,还严重影响原有管道的过水断面,降低输水能力,也使管道阻力增大,而造成供水压力下降。
为了保证供水服务的水压,必须采用高扬程水泵来加大水压,这不仅浪费电能,也会增大漏失水量。
4、生物膜对管网水的影响
水在管道内流动过程中有些水中化合物会发生复杂的分解或化合作用。
水中含有的能被细菌利用的营养物质例如磷,是管道内微生物繁殖并附着在管壁,管壁表面的细胞不仅增加水中悬浮细胞的继续沉积,而且其数量主要通过随后的黏附生长来增加,在管内形成的微生物覆盖层就是生物膜。
而在输水系统中,管道内生物膜的存在与孳生增大水的流动阻力,增加管道的粗糙度,使得输水管的输送效率下降,影响水压,使管道的使用寿命缩短。
这是因为水压的下降,影响了用户的正常用水,不得不采用提高水压的方法来满足,这样使二级甭站动力消耗增加,使管网的服务年限降低。
在宁波大学的给水管网中磷的含量均超标严重,给管道中生物膜的“生长”、“壮大”提供的先决条件。
且生物膜为致病菌提供了生存环境,如病原大肠杆菌在水体不能生存时,却能在生物膜中存活下来。
所以由生物膜引起的二次污染不得不可忽视。
5、加氯消毒状况对管网水质的影响
为了保证出厂水和管网水的水质,消毒是必不可少的环节。
由于氯具有较强的持续性消毒作用、价格低等因素,在我国氯仍是主要的消毒剂。
但是目前有两种极端情况出现一些水厂中:
一种情况是一些水厂,尤其是县级水厂,由于经济等原因,没有对出厂水进行消毒。
即使这些水厂出厂水水质较好,管网水质也很难保证,因为余氯的持续性消毒作用能较好地抵制管网中细菌、病毒等微生物的生长繁殖,保持水质的稳定;
另一种情况是有些水厂加氯量偏大,这可能是认识上的误区,虽然加氯量越多,消毒效果越好,但是加氯量越多,副作用也越大,这往往被人所忽视。
研究表明:
当水中含有腐蚀酸、富里酸等有机物时,加氯后就会产生卤代烃类有机物,目前在用氯消毒的饮用水中,已检测出500多种有机氯化物,其中有的是致癌或可疑致癌的,氯的加注量越高,加注点越在前面(尤其是沉淀前加氯)产生的卤代烃越多,副作用也越大。
因此加氯消毒虽然使出厂水和管网水符合了微生物指标,保持了水的新鲜和稳定,但同时如果加氯不合理,就会使水质越来越远离毒理学指标的要求,同样不利于人体健康。
宁大的自来水是由镇海水厂直供,由镇海水厂出水的余氯含量为1毫克每升。
表5中,表明宁波大学的管网末梢的水中余氯在0.01~0.7毫克每升之间。
那么其中0.3~0.99毫克每升的余氯消耗在管网中。
表3中显示管网中的大肠菌群数均在标准之内;
表4中,除西区教学楼的细菌总数较多外,其余的也皆未超标。
由此可知,管网中余氯一部分用于杀灭水中微生物、细菌、病毒等外,并且杀毒效果相当好。
但是除了西区宿舍、北区二村、安中大楼在0.05mg/L之上,其余均达不到0.05mg/L。
那么这些过多余氯的消耗,主要表现在两方面:
①有有机氯化物这些致癌或可疑致癌的消毒副产物产生(化合性余氯)。
②以游离性余氯的形式存在于水体中,这两则不仅造成了管网的二次污染,给我们的健康造成影响,也在一定程度上添加我们的对水质的不信任度。
综上所述,管网中二次污染的实质是水质的不稳定性引起的。
而水质的不稳定性现已被国内外公认为管网水质二次污染的主要因素。
水质的不稳定性分为化学不稳定和生物不稳定性两种。
化学不稳定直接导致供水管道的腐蚀和结垢。
腐蚀形成的产物,如Fe(OH)3,称为锈垢,悬浮固体沉淀物,称为泥垢,总称为水垢。
水垢不仅本身会污染水质,而且是细菌等微生物生长的“避风港”和繁殖地,不仅使细菌超标,而且细菌等微生物在生长过程中形成生物膜,而生物膜在管内水流流动和冲刷过程中被剥落。
又造成了对水质的污染。
此外,除了使水的浊度、细菌数等的增加,甚至超标,还会增加金属元素,例如铁、锰。
腐蚀问题不仅对不衬里的金属管来说,水泥砂浆衬里的铸铁管,同样会受到腐蚀水的侵蚀。
而水温和PH值对金属的腐蚀程度起着至关重要的作用
生物不稳定性引起微生物生长繁殖进一步造成对给水管网水质的污染。
目前水厂出水经加氯消毒后,虽然杀灭了绝大多数微生物,但仍有少量的细菌未被杀死,细菌数虽然达标并不等于水中细菌为零,而且,未被氯杀死的细菌其生命力又往往比较顽强。
同时出厂水中或多或少存在着有机物,这样就会使水中的细菌和复活的细菌利用这些有机营养物而生长繁殖。
可见出厂水中存在的有机物是微生物在管网中繁殖的必要条件。
为了防止管网中微生物再生长繁殖而污染水质,水在出厂前均投加氯,一般要求管网中的余氯两为0.3mg/L左右,管网末梢为≥0.05mg/L。
但在以下两种情况下余氯往往被消失:
一是管网水入流地面水池(含调节水库、加压泵站水池等)和屋顶水箱后,水的停留时间较长而水中余氯被挥发消失。
宁波大学是采用水厂直供水,可以排除这点。
二是水中存在相对较多的有机物及细菌等微生物,余氯不断地用于氧化有机物和杀死微生物而被消失。
水在没有余氯的情况下细菌易自我修复,又在富含有机营养物的条件下,细菌会生长繁殖而形成生物膜。
即使水中有一定量的余氯,但在管壁层流处、弯头、接头、异径管、丁字管等的坑凹处都是残留细菌的隐蔽所。
细菌生长繁殖形成膜,也会造成管壁局部表面电位差而致使管道腐蚀,在新陈代谢中生物膜不断老化被剥落,使水质变差。
主要表现在细菌学指标、总铁、锰、色度、浊度、臭味等增多,致使超过《生活饮用水水质标准》规定值。
由此表明,生物不稳定性使管网水质受到二次污染的主要原因之一。
六、二次污染防治方法及建议
1、提高出厂水水质和稳定性,严格控制浊度超标
由于不稳定或水质不好的出厂水直接导致管网水质的变化,因此提高和稳定出厂水水质就显得尤为重要。
城市水源的严重污染,使水中有机污染物的含量大大的增加,经传统常规处理工艺(混凝、沉淀、过滤、消毒)处理净化的水,有的已不符合饮用水标准,可增加预处理和浓度处理工艺,如臭氧法、活性炭法,生物活性炭法、接触氧化法、光氧化法等。
对含铁量高的地下水,可增加特殊处理工艺,如氧化法、碱化法、充氧回藻法。
同时加强净水过程的全面质量控制工作,合理加药,实现投注加药自动化,以提高供水水质。
尤其是要严格控制水的浊度指标,因为降低水的浊度,不仅可以满足感官要求,而且对降低管网中病毒、细菌和有机物的含量是非常重要的,有研究资料表明,当水中的浊度为2.5NTU时,水中有机物去除了27.3%,浊度降至1.5NTU时,有机物去除了60%,浊度隆至0.5NTU时,有机物去除了79.6%,浊度降至0.1NTU时,绝大多数有机物予以去除,致病微生物的含量也大大地降低。
西方发达国家把浊度隆至0.1NTU甚至接近0,就是这个原因。
另一方面有机物含的降低,也减少了加氯消毒后有机卤代烃的含量。
在水质稳定性方面,水厂出厂水要进行稳定性处理,必须进行较长时间的测定与小范围试验,必须有一套工艺设施。
但要在短时间内完成这一技术措施还有一定难度。
目前在改善水质稳定性方面比较现实的做法是推行调整PH值法,即水在出厂前投加稳定剂,把PH值调整至7--8.5,提高水的稳定性,这种方法在欧美等发达国家已得到了广泛的应用,并且取得了很好的效果。
2、更新或改造供水管道系统,深化管网管理
就是从管材选择、设计施工、维护管理等方面进行改进完善。
在管材方面首先要选用产品质量较好的厂家,管道要有较好的内壁,既能抗腐蚀又不析出有害物质。
新铺设的管道或对旧管道更新改造的管道,如预应力钢筋混凝土管、给水塑料管、玻璃钢管、球墨铸铁管等;
100mm以下的可采用给水塑料管、衬里钢管、铝塑复合管、薄壁不锈钢管等,应逐步减少镀锌钢管的使用;
管道上的阀门等附件要推广采用橡胶衬里的球面三角形软件、环氧树脂喷涂的铸件和不锈钢配件;
在做金属管道衬里时,可加丙烯酸树脂分散剂(占硝浆干重3%)或采用蒸汽养护,以增强抗酸性水的能力、抗腐蚀能力,此外施压法衬里比喷压法衬里质量好,砂子失落量小。
在设计施工方面,应严格遵守给水工程设计、施工规范,做到合理设计、合理施工,如给管道与其它管(尤其是排水管)交叉时,要保证规范要求的最小间距,与自备水源或非饮用水管道连接时,应采取空气隔断装置等措施,防止饮用水的污染;
由于环状管网比树状管线水质条件好,如经济条件许可,管线尽可能采取环状,即使采用树状,管线也不宜太长,以免末端滞水,如果管线延伸太长,应考虑在中途加氯和定期冲洗;
推行管道不停水引接分支管和维修作业,减少管道停水机率,减少管内流向、流速的剧变;
泄水阀安装位置要合理,不要淹没在水中;
管道安装或抢修完毕后要彻底冲洗消毒;
打水钻时,施工要小心,防止管道碎片落入管中;
禁止用泵直接从管网抽水,确需加压时,最好增设蓄水池,以免管网产生负压,使污物浸入,卫器具的安装要规范、合理。
在维护管理方面,调研与控制管网的流态,减少低流速管段,消除死水管段,对使用年限太长的供水管道进行更新改造或刮管涂衬;
其次要定期冲洗管道,这可作为一项经常性运行的措施,冲洗周期根据当地客观情况而定,但两年至少一次,对管网末端冲洗周期一年不少于一次,管网末端则根据具体情况进行区域冲洗;
此外尽量降低管网漏水机率,加强管网检漏工作,及时抢修漏水管道;
定期对水表、阀门、消火栓进行检查保养,对淹没在水中的阀门、水表要及时清理,阀门要每隔一、二年人为地活动活动,消火栓要经常冲洗;
用泵抽水加压时,对备用泵要经常检查,防止由于备用泵长期不用造成污染。
3、合理加氯
合理加氯的基本原则是:
在保证消灭水中细菌、病毒和其他微生物的前提下,应尽量降低氯的投加量,加氯点尽量往后道工序移,在设施上尽可能实现多点加氯,为了有利于保持管网的余氯,可使出厂水余氯呈氯胺状态,和出厂水充分混合,保持30分钟以上的接触时间。
同时要增强水质检测手段,加强对出厂水氯含量和管网余氯量的连续监测,提高加氯自动化程度,这是实现合理加氯的关键。
如管
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