长距离供水管网中不同水质影响下的中途补氯优化

王诗宇, 林涛

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节水灌溉
中国农村水利水电 ›› 2021 ›› (7) : 209-214,221.
供水工程

长距离供水管网中不同水质影响下的中途补氯优化

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Optimization of Booster Chlorination under Different Water Qualities in the Long-distance Water Distribution System

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摘要

为探寻更具普适性的长距离供水管网中途补氯方案，分别进行了不同初始氯浓度下的一次投氯和中途补氯的对比试验，比较分析了水质差异较大的两个水厂（WTP1和WTP2）出厂水的余氯衰减规律和两种典型消毒副产物三氯甲烷（CHCl3）和二氯乙腈（DCAN）的生成规律。结果表明，在供水管网总需氯量低于1 mg/L时可采取一次投氯的方式对出厂水进行消毒处理，高于1 mg/L时，建议采用中途补氯的方式消毒；在进行中途补氯时将补氯位置控制在余氯衰减至0.2 mg/L左右时最佳。相较一次投氯，采用中途补氯时两个水厂出厂水余氯衰减时间的延长率分别为9.5%、13.8%、15%（WTP1）和12.5%、16.7%、22.9%（WTP2），中途补氯的情况下CHCl3总生成量比一次投氯减少了12%~25%左右，DCAN减少了8%~18%左右。中途补氯能明显减缓余氯的衰减，有效降低管网中的含碳消毒副产物（C-DBPs）及含氮消毒副产物（N-DBPs）的生成潜能，且当管网中总需氯量越高、水体水质越差时，中途补氯的优势相较于水质好的水体也越明显，但两者消毒副产物总体变化规律相似。在初始投氯与中途补氯配比为1∶1时，余氯在管道中维持的时间最长，管网余氯分布的均匀性最好，且对CHCl3和DCAN生成量的控制效果最优，当总投氯量改变时，该结论仍成立。建议选择1∶1作为中途补氯过程中初始氯浓度与中途补氯的最佳优化配比。

Abstract

In order to explore a universal long-distance booster chlorination scheme， a series of comparison experiments of one-time chlorination and booster chlorination under different initial chlorine concentrations is carried out， the residual chlorine decay and production of two typical disinfection by-products chloroform （CHCl3） and dichloroacetonitrile （DCAN） are compared and analyzed for the drinking water in two water treatment plants with different water qualities. The results show that when the total chlorine demand of water distribution system（WDS） is less than 1 mg/L， the finished water can be disinfected by a single injection of chlorine； when it is higher than 1 mg/L， booster chlorination is recommended， and the booster chlorination stations should be set in the pipeline network when the residual chlorine decays to about 0.2 mg/L. Compared with one-time chlorine injection， the decay time extension rates of residual chlorine from two water works are 9.5%， 13.8%， 15% （WTP1） and 12.5%， 16.7%，22.9% （WTP2）， respectively. In the case of booster chlorination， the total yields of CHCl3 decreases by about 12%~25% and DCAN by about 8%~18%， respectively. Booster chlorination can significantly reduce the attenuation of residual chlorine， effectively reduce the formation potential of carbonaceous disinfection by-products （C-DBPs） and nitrogenous disinfection by-products （N-DBPs） in WDS. Moreover， when the chlorine demand is higher and the water quality is worse， the advantage of Booster chlorination is more obvious than that of water with good water quality， but the overall change of DBPs is similar. When the dosage ratio of initial to booster chlorine is 1∶1， the residual chlorine in the pipeline network remains the longest， and has the best uniformity. In addition， the control effect on the generation of CHCl3 and DCAN is optimal. The conclusion still holds as the total chlorine demand changes. Choosing 1∶1 is recommended as the optimal ratio between the initial and booster chlorine dosage.

关键词

供水管网 / 余氯衰减 / 中途补氯 / 消毒副产物

Key words

water distribution system / residual chlorine decay / booster chlorination / disinfection by-products

基金

国家自然科学基金项目(5197080153)

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王诗宇 , 林涛. 长距离供水管网中不同水质影响下的中途补氯优化[J].中国农村水利水电, 2021(7): 209-214,221
Shi-yu WANG , Tao LIN. Optimization of Booster Chlorination under Different Water Qualities in the Long-distance Water Distribution System[J].China Rural Water and Hydropower, 2021(7): 209-214,221
消毒作为饮用水处理厂的最后一道工艺，能够充分灭活水中的病毒和病原微生物［1］。疫情防控期间饮用水处理及输配过程中消毒剂的存在至关重要，经消毒后得到的安全和清洁的饮用水能有效阻断病原微生物和致病化学物介水传染的途径，从而消除饮用水水源污染带来的水传播疾病风险［2，3］。对于体系庞大的城乡一体化模式下的长距离配水管网来说，通常会在管网中设置中途补氯站来进行消毒剂的补充，以避免在饮用水处理厂中过高的消毒剂一次性投加量，同时保证管网末梢的余氯水平，因此中途补氯被认为是一种能保证供水管网各处水质的高效的余氯浓度控制策略［4］。在众多消毒剂中，次氯酸钠由于其制备简单，储存安全且占地面积小，在中途补氯站中应用最广泛［5］。做好中途补氯的选址和投加量优化，可以有效减少消毒副产物的形成，使管网余氯分布更均匀，提高系统抵御及应对突发污染物侵害的稳固性［6］。
已有很多数学模型用来预测水中的余氯和优化中途补氯策略，然而大部分模型过于繁琐复杂，需要利用计算机进行编程模拟，对大多数普通水厂的运营不太友好，并且部分模型是根据特定水质得出的，不便快速投入实际运用［7-9］。本文以次氯酸钠作为消毒剂，针对不同的饮用水水质特点，比较分析了两个水质差异较大的饮用水处理厂的余氯衰减规律，并进行了不同总投氯量的中途补氯配比实验。通过结合含碳和含氮两种典型消毒副产物的生成规律，探究不同饮用水水质和总投氯量、中途补氯配比对余氯衰减速率的影响，探寻更加具有普适性的中途补氯方案，切实保障饮用水安全。

1 材料与方法

1.1 试验仪器与分析方法

采用便携式余氯仪（美国哈希，PCII）测定余氯浓度；采用酸性高锰酸钾法测定CODMn；采用TOC分析仪（日本岛津，TOC-VCPH）测定TOC；采用便携式浊度仪（美国哈希，2100P）测定浊度；采用异养菌平板计数法（R2A培养基）测定菌落总数；水样经采用顶空进样器（安捷伦7697A）结合气相色谱仪（安捷伦7890B）测定三氯甲烷浓度；采用气相色谱仪（安捷伦7890B）结合微型电子捕获检测器（μ-ECD）测定二氯乙腈浓度，具体参见USEPA 552.1方法。

1.2 试验水质

试验水样分别来自两座水源不同的给水厂（WTP1和WTP2 ）预处理未加氯的砂滤后出水，两座给水厂的处理工艺均为常规处理结合臭氧-生物活性炭深度处理。两座给水厂原水及出厂水水质差异均较大，试验月份的平均水质见表1。
表1 WTP1与WTP2原水及出厂水水质数据

Tab.1 Raw water and finished water quality data of WTP 1 and WTP 2

水厂 类型 浊度/NTU pH

温度/

℃

CODMn/

（mg·L-1）

TOC/

（mg·L-1）

 细菌总数/（CFU·mL-1）
WTP1 原水 19.00 7.7 25 1.63 2.9 75
出厂水 0.13 7.5 25 0.79 1.7 未检出
WTP2 原水 87.70 7.7 26 4.85 5.6 850
出厂水 0.45 7.6 26 1.39 2.8 9

1.3 试验装置

本研究自制局部管段反应装置来模拟长距离管道的饮用水运输，试验装置参考了其他研究并做了适当改进［10，11］，如图1所示。该装置内管采用市政管网中应用最广泛的水泥砂浆离心浇筑的球墨铸铁管，通过转速可调的电机使其在内部匀速旋转，使管壁拥有一定的剪切力，以模拟实际供水管道的饮用水输配情况。每隔一定时间进行取样即时测定余氯浓度，进行余氯衰减以及中途补氯试验。
图1 局部管段反应装置示意图

Fig.1 Schematic diagram of partial segment reactor

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1.4 试验水样配制

将砂滤池后取得的未消毒水样，加入棕色的2 000 mL玻璃容器中。用移液枪取1 mL自由氯含量为5%的次氯酸钠试剂加入100 mL纯水中，配得500 mg/L的次氯酸钠水溶液。向2 000 mL的烧杯中加入不同剂量的500 mg/L的次氯酸钠水溶液，不透光静置1 h以模拟真实水厂清水池中的消毒工艺，最终使各烧杯初始余氯浓度（游离氯）控制在0.3~3 mg/L，然后迅速投入试验。试验过程中，用不透光锡纸包裹住装置最外层有机玻璃外壁，使之更符合实际情况下密闭黑暗的管道条件。
在《生活饮用水卫生标准》 （GB5749-2006）中规定出水厂的游离氯含量不低于0.3 mg/L，且不超过4 mg/L。据调查了解到一般情况下我国自来水厂出厂水余氯不超过3 mg/L，故本研究一次投氯试验设置了0.3、1、1.5、2、3 mg/L 5种初始余氯浓度；中途补氯试验设置了1.5、2、3 mg/L 3种总需氯量，初始余氯浓度与中途补氯浓度配比分别设置为1∶1、1∶2和2∶1。

2 结果与讨论

2.1 一次投氯试验

2.1.1 一次投氯试验余氯衰减规律

俩水厂WTP1和WTP2在不同初始氯浓度下的余氯衰减拟合结果见图2（a）-A和图2（b）-A。在一次投氯的试验中不同初始余氯浓度下WTP1余氯衰减至0.05 mg/L所用的时间（t 0.05）依次为4，18，21，36，60 h；WTP2的t 0.05依次为2，12，16，30，48 h。可见在初始余氯浓度为国家规定的最低值0.3 mg/L时，俩水厂的余氯浓度皆衰减较快，仅可实现水龄在2 h以及4 h以内的管网用户供给，远不能满足实际需求。当初始余氯浓度从0.3 mg/L增大至1 mg/L时，余氯衰减速率大幅度下降，WTP1和WTP2衰减系数分别减小了66%和65%；而当初始余氯浓度从1 mg/L继续增加至2 mg/L时，WTP1和WTP2余氯衰减系数仅减小了39%和34%，随着初始余氯浓度进一步增加至3 mg/L，俩水厂余氯衰减系数也仅减小了33%和36%，说明当初始余氯浓度达至1 mg/L前，初始余氯浓度的增加可大幅度降低余氯衰减速率，而当其超过1 mg/L时，继续增加初始余氯浓度，衰减速率的降低幅度不大。且太高的一次性投氯量不利于管网中余氯的均匀分布，此外会导致水厂附近用户的饮用水中余氯含量较高，产生氯臭味从而影响水质的感官性状。从水质安全方面考虑，还会导致近水厂管网部分的消毒副产物生成量增加，影响该区域用水户饮水健康。综合考虑认为，在供水管网的总需氯量不超过1 mg/L时，给水厂可采取一次投氯的方式进行出厂水的消毒处理；而当总需氯量高于1 mg/L时，建议采用中途补氯的方式，在管网某处进行二次消毒处理。
图2 不同初始氯浓度下的菌落总数变化规律

Fig.2 Changes of total colony number under different initial chlorine concentrations

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2.1.2 一次投氯试验菌落总数变化规律

俩水厂菌落变化总数如图2所示，可见试验过程中菌落均低于标准规定的100 CFU/mL。初始余氯浓度为0.3 mg/L时的试验组，由于加氯量较低，俩水厂的初始菌落数都能检出，随着反应进行菌落总数有明显的增加。对于WTP1，其他各组的初始菌落数均为0，而WTP2由于水质较差，1 mg/L组的初始菌落数检出为4 CFU/mL，其余组皆为0。当余氯衰减至0.5 mg/L时，试验水体中的菌落总数上升幅度略有增加，在余氯衰减至0.2 mg/L前，各试验组（0.3 mg/L组除外）对管道里的菌落总数控制效果相差不大。而当余氯衰减至0.2 mg/L以下时，随着水龄增长菌落总数迅速增加。有学者［12］在研究余氯与细菌总数之间的关系时，截取铺设了30年以上的实际管道进行试验，发现余氯由0.8 mg/L衰减至0.2 mg/L时细菌总数缓慢增加，而当余氯小于0.2 mg/L时，细菌总数快速增加并超过了100 CFU/mL的限定值，再次证明了余氯浓度在0.2 mg/L以下时杀菌效果较差，易滋生各种病原微生物，不利于保障管道中饮用水的生物安全性。另外由于较高的余氯浓度会带来氯臭味，且产生的消毒副产物对人体有一定的危害，有研究认为，在保证管网中余氯浓度可以有效控制细菌等微生物滋生的条件下，管网中余氯浓度越低越好［13］。因此认为在进行中途补氯时将补氯位置控制在余氯衰减至0.2 mg/L左右时最佳。

2.2 中途补氯试验

2.2.1 不同中途补氯配比下的余氯衰减规律

根据上文研究结果，本次试验中在余氯浓度衰减至0.2 mg/L时再进行中途补加。且由先前研究可知，当总需氯量低于1 mg/L时一次投氯即可，高于1 mg/L时，可采用中途补氯的方式分两次进行投氯。故在中途补氯试验中选取了1.5、2、3 mg/L 3种总需氯量，结合不同的水质状况， 探究不同的初始余氯与中途补氯配比（1∶1、1∶2、2∶1）对余氯衰减的影响情况，具体结果如表2、图3所示。
表2 WTP1和WTP2中途补氯试验分析结果

Tab.2 Results of booster chlorinaton for WTP1 and WTP2

投氯方式 总投氯量1.5 mg/L 总投氯量2 mg/L 总投氯量3 mg/L
t 0.05/h 延长率/% t 0.05/h 延长率/% t 0.05/h 延长率/%
WTP1 一次投氯 21 - 36 - 60 -
初始与中途余氯配比 1∶1 23 9.5 41 13.8 69 15.0
1∶2 22 4.8 39 8.3 66 10.0
2∶1 22 4.8 38 5.6 65 8.3
WTP2 一次投氯 16 - 30 - 48 -
初始与中途余氯配比 1∶1 18 12.5 35 16.7 59 22.9
1∶2 17 6.3 32 6.7 54 12.5
2∶1 17 6.3 32 6.7 55 14.6
注：“延长率”为各不同中途补氯配比试验组相较于一次投氯试验组t 0.05的延长幅度。
图3 不同总投氯量下的一次投氯和3种不同补氯配比时的余氯衰减规律变化
注：蓝色、红色、绿色辅助线：总投氯量分别为1.5、2、3 mg/L时使余氯维持最久的1∶1补氯配比组的t 0.05，依次标记为t 0.05/1∶1/1.5、t 0.05/1∶1/2、t 0.05/1∶1/3；其余各补氯配比试验组的t 0.05与前三者的差距在图中用双箭头量出并注明了相应的字母符号。

Fig.3 Residual chlorine decay of chlorination and three different dosage ratio between initial and booster chlorination under different total chlorine concentrations

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由2、图3可看出中途补氯能明显减缓余氯的衰减。在初始余氯与中途补氯配比为1∶1的情况下，对于水质较好的WTP1，总需氯量为1.5、2、3 mg/L时，余氯衰减时间分别比一次投氯延长了2、5、9 h，延长率分别为9.5%、13.8%、15%；而对于水质较差的WTP2，因水中与氯发生反应的还原性物质和有机物较多，一次投氯的余氯衰减时间相较WTP2要小得多，中途补氯情况下的余氯衰减时间则分别延长了2、5、11 h，延长率依次为12.5%、16.7%、22.9%，即在投氯量越高时，其中途补氯的优势就越大，其他配比组余氯衰减规律亦与之相似。
对比两种不同的水质，可以发现在水质差的WTP2中各试验组的t 0.05皆大于水质较好的WTP1试验组，说明中途补氯在水质差的水体中，作用效果更为明显。此外由图表反映出无论是WTP1还是WTP2，C组（1∶2）和D组（2∶1）的暂缓余氯衰减效果差别不大。而B组（1∶1）t 0.05要明显长于C组和D组，综合数据反映出1∶1配比下减缓余氯衰减的作用最显著，能最有效地延长余氯在管道中的存在时间。
俩水厂各余氯浓度组的平均值与标准差计算结果如5所示。由先前一次投氯试验得到WTP1和WTP2的1.5、2、3 mg/L浓度组平均余氯值分别为0.68、0.90、1.31 mg/L和0.63、0.88、1.26 mg/L，而中途补氯试验中各组余氯浓度的平均值要明显低于一次投氯试验组，产生消毒副产物的风险也就越低。同时结果显示，在3种不同的总需氯量下，在初始余氯与中途补氯配比为 1∶1的时候余氯浓度的平均值与标准差最小，代表管网余氯分布的均匀性最好。且水质较差的WTP2水体中余氯浓度平均值均低于水质较好的WTP1试验组，这是因为水质差的WTP2组含有更多的溶解性有机物，会消耗更多的氯消毒剂致使管道中整体余氯水平偏低。
表5 WTP1和WTP2中各组试验余氯浓度的平均值与标准差

Tab.5 The average value and standard deviation of the residual chlorine concentration of each group in WTP1 and WTP2

水厂 总需氯量1.5 mg/L 总需氯量2.0 mg/L 总需氯量3.0 mg/L
初始与中途余氯浓度配比 平均值/（mg·L-1） 标准差 平均值/（mg·L-1） 标准差 平均值/（mg·L-1） 标准差
WTP1 1∶1 0.38 0.20 0.53 0.30 0.73 0.48
1∶2 0.39 0.28 0.56 0.36 0.76 0.56
2∶1 0.41 0.26 0.57 0.38 0.81 0.57
WTP2 1∶1 0.36 0.21 0.49 0.30 0.69 0.49
1∶2 0.38 0.28 0.51 0.39 0.74 0.61
2∶1 0.37 0.26 0.53 0.35 0.74 0.57

2.2.2 不同中途补氯配比下的消毒副产物生成规律

在进行余氯衰减试验时同步检测了对应的消毒副产物（DBPs）生成量，以三氯甲烷（CHCl3）代表典型的含碳消毒副产物（C-DBPs），以二氯乙腈（DCAN）代表典型的含氮消毒副产物（N-DBPs）［14］，可见俩水厂的DBPs总体生成规律皆呈现先快后慢趋势，最终保持稳定。具体规律如图4、5所示。在先前一次投氯试验中不同初始余氯浓度下检测到WTP1和WTP2的CHCl3最终生成量分别为25.46、39.75、42.51 μg/L和34.92、45.92、55.33 μg/L，对比可知，中途补氯条件下的CHCl3总生成量明显减少，减少量在12%~25%左右，说明中途补氯可以有效降低管网中的C-DBPs的最大生成量；而DCAN总生成量相对一次投氯减少了8%~18%左右，说明中途补氯也能在一定程度上减少N-DBPs的生成。
图4 不同初始氯浓度下各试验组初始与最终CHCl3生成量

Fig.4 The initial and final CHCl3 yields of each group under different initial chlorine concentrations

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图5 不同初始氯浓度下各试验组初始与最终DCAN生成量

Fig.5 The initial and final DCAN yields of each group under different initial chlorine concentrations

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对于中途补氯试验组，补氯配比对DBPs生成量的影响并不显著，但在投氯配比为1∶1时C-DBPs和N-DBPs的最终生成量要略小于其他两种情况。俩水厂相较而言，水质更差的WTP2中DBPs的生成量也更大，但两者总体变化规律相似。基于两类DBPs生成量变化，分析得到的最佳补氯条件也一致，因此在实际管网中可以通过测定一种典型DBPs（如CHCl3）的生成情况来代表整体消毒副产物变化规律，为中途补氯方案的指定提供参考。

3 结 论

（1）当初始余氯浓度小于1 mg/L时，初始余氯浓度增加可大幅度降低余氯衰减速率，因此管网总需氯量低于该值时采取一次投氯的方式对出厂水进行消毒处理即可；当其超过1 mg/L时，衰减速率降低的幅度不大，建议采用中途补氯的方式消毒。
（2）当余氯衰减至0.2 mg/L以下时，余氯杀菌效果较差，不利于保障管道中饮用水的生物安全性，在进行中途补氯时将补氯位置控制在余氯衰减至0.2 mg/L左右时最佳。
（3）中途补氯能明显减缓余氯的衰减。在管网中总需氯量越高时，延长余氯持续时间的效果就越好，并且对于水质越差的水体，其优势也越明显。不论何种水质何种总投需量，皆在初始余氯与中途补氯配比为1∶1时，余氯维持时间最长，余氯浓度的平均值与标准差最小，管网余氯分布的均匀性最好。
（4）水质较差的WTP2水中DBPs的生成量也更大，但两者消毒副产物总体变化规律相似。相较于一次投氯，各试验组在中途补氯情况下的CHCl3总生成量减少了12%~25%左右，DCAN减少了8%~18%左右，即中途补氯能有效降低管网中DBPs的生成潜能。在投氯配比为1∶1时对C-DBPs和N-DBPs生成量的控制效果皆为最优，与上述余氯衰减试验得到的最佳补氯条件一致，因此选择1∶1作为中途补氯过程中的最佳配比。

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