韋運明， 呂 竹， 黃昭銘

(柳州市自來水有限責任公司，廣西柳州545006)

消毒是目前常規(guī)水處理工藝流程中的最后一道安全保障工序，合理有效的消毒對用戶獲得安全可靠的飲用水具有重要意義。氯消毒是目前國內應用范圍最廣的消毒手段，其不僅需要滿足出廠水的含氯要求，還需滿足管網(wǎng)中的余氯要求，以解決自來水在管道輸送中產(chǎn)生的二次污染的問題。柳州市供水管網(wǎng)總長度為1 350 km，柳江水源滿足《地表水環(huán)境質量標準》(GB 3838—2002)地表水Ⅲ類以上水質標準，部分河段達到Ⅱ類水質標準。為保證出廠水余氯達到0.3 mg/L，管網(wǎng)末梢余氯達到0.03 mg/L的標準[1]，現(xiàn)采用的出廠水余氯為0.5～0.55 mg/L。在目前設計規(guī)模30×104m3/d的柳東新區(qū)水廠投入使用后，全市最高日供水量已超過80×104m3/d。為保證用戶得到符合飲用水標準的自來水，在柳州市供水系統(tǒng)中保障管網(wǎng)余氯達標，成為一個必須長期研究的課題。

1 出廠水余氯影響分析

在不考慮其他因素的影響下，分析管網(wǎng)余氯和出廠水余氯的關系。所設置的監(jiān)測點分別是：1#城中友誼路來賓駐柳辦事處、2#廣西科技大學、3#柳東交警大隊、4#柳空醫(yī)院、5#柳南地區(qū)高中、6#五菱醫(yī)院、7#職教園二職校。這7個監(jiān)測點分布于柳州的各個片區(qū)，數(shù)據(jù)較為全面。

根據(jù)2020年1月至2021年12月的各水廠出廠水余氯，將其進行加權平均以模擬管網(wǎng)中的平均出廠水余氯值，如圖1所示。

圖1 出廠水余氯變化Fig.1 Change of residual chlorine in treated water

同時分析7個監(jiān)測點2020年1月至2021年12月的余氯變化，如圖2所示。

圖2 監(jiān)測點余氯變化Fig.2 Variation of residual chlorine of monitoring sites

由圖1、圖2得出7個監(jiān)測點的月平均余氯從2021年以來整體呈波動下降的趨勢，出廠水余氯的降低直接影響了管網(wǎng)中的余氯走向[2]，但由于管網(wǎng)條件復雜，各個監(jiān)測點都表現(xiàn)出局部不同的影響情況。與2020年相比，2021年各個月份監(jiān)測點余氯的同比變化情況見表1。

表1 2021年監(jiān)測點余氯的變化Tab.1 Change of residual chlorine at monitoring sites in 2021 mg·L-1

在忽略測量誤差和特殊情況的條件下，各監(jiān)測點管網(wǎng)余氯同比下降了5%～70%。柳州市自來水有限責任公司于2021年實施出廠水余氯新規(guī)定后，出廠水余氯由0.6～0.65 mg/L下降至0.5～0.55 mg/L，其整體走向符合管網(wǎng)余氯值的月平均走向。

2 其他因素影響分析

管網(wǎng)余氯直接受出廠水余氯以及是否進行管網(wǎng)二次投氯影響，余氯太低無法滿足抑制細菌生長的要求，余氯過高則會影響使用感受并增多對人體有害的消毒副產(chǎn)物[3]。但管網(wǎng)中的余氯還受其他許多因素的影響，主要有以下三方面：水力工況(主要指流速及水力停留時間)、管道屬性(如管材、管長)和水質(如溫度、濁度)。

2.1 水力工況

水力工況對于管網(wǎng)余氯的影響主要體現(xiàn)在流速上，它使余氯在管網(wǎng)中的停留時間發(fā)生變化，從而影響余氯的消耗量。由于管道分布錯綜復雜，管內水力條件瞬息萬變，想要獲得相應的流速分布十分困難，故通過2020年1月至2021年12月的生產(chǎn)供水量來近似模擬整體的流速變化情況，如圖3所示。7—9月均為用水高峰期，管網(wǎng)中水的停留時間相對較短，因此余氯含量相對于用水量少的月份要高。2月的用水量在這兩年中都是最低，2021年整體供水量相對于2020年提升較為明顯。

圖3 2020年和2021年月供水量的變化Fig.3 Variation of monthly water supply in 2020 and 2021

選取了7個監(jiān)測點中的5個進行對比分析，如圖4所示。

圖4 部分監(jiān)測點的余氯 Fig.4 Residual chlorine of some monitoring sites

由于職教園二職校監(jiān)測點和柳南地區(qū)高中監(jiān)測點的流量受暑假因素影響較大，故對兩者進行單獨對比，如圖5所示。

圖5 部分監(jiān)測點的余氯Fig.5 Residual chlorine of some monitoring sites

為保證不受溫度和出廠水余氯降低對管網(wǎng)余氯的影響，選取2020年和2021年1月的余氯數(shù)據(jù)進行同比分析，其平均溫度分別為13、11℃，平均出廠水余氯分別為0.65、0.61 mg/L。

從表2可以得出，當用戶用水量上升時，由于水力停留時間縮短，管網(wǎng)余氯隨之上升，兩者成正相關關系。

表2 用水量和余氯的變化Tab.2 Change of water consumption and residual chlorine

2.2 管道屬性

7個監(jiān)測點中有6個點的供水管道均是球墨鑄鐵管，剩余1個點的供水主管是水泥管。球墨鑄鐵管具有防腐性能優(yōu)異、密封效果好的特點，余氯衰減速率最小[4]，故從管道長度的影響進一步研究管網(wǎng)余氯的變化情況。

為了保證結果受其他因素的影響，選用條件相似、管道長度不同的4#和6#監(jiān)測點進行分析。通過管網(wǎng)地理信息系統(tǒng)(GIS)，測量得出兩者和柳州市供水量占比約50%的柳西水廠間的管道長度分別為4 998和3 266 m，這2個監(jiān)測點處2020年管網(wǎng)余氯對比如圖6所示。

圖6 4#和6#監(jiān)測點余氯Fig.6 Residual chlorine at monitoring points 4# and 6#

自2019年以來，由于柳東新區(qū)水廠的投入使用，位于柳東新區(qū)職教園的二職校由原本的管網(wǎng)末梢變?yōu)榫嚯x水廠較近的點。通過對比分析該點2018年和2019年的管網(wǎng)余氯情況(見圖7)，得出管長對余氯的影響。

圖7 某監(jiān)測點2018年與2019年余氯對比Fig.7 Comparison of residual chlorine between 2018 and 2019 at a monitoring site

所選取的這兩個案例都基本符合越靠近管網(wǎng)末梢管網(wǎng)余氯越低的規(guī)律，因此合理控制出廠水余氯和中途站加氯，能在保證管網(wǎng)末梢飲用水安全的前提下降低生產(chǎn)成本、提高生產(chǎn)效率。

2.3 水質

水質對水中余氯的影響主要表現(xiàn)為水溫和濁度兩方面，由于各廠各月份的出廠水濁度都控制在1 NTU以內，故只分析溫度變化帶來的影響。

水溫對自來水中余氯有多種影響方式，水溫會影響水中細菌和病毒的繁殖速率、耗氯速率，還會影響余氯的生化反應速率。隨著水溫的升高，細菌和病毒的生長繁殖大大加快[5]，代謝產(chǎn)物增加，消毒所需的氯量也相應顯著增大。

圖8[6]中，L、Q、S為離水廠距離不同、流速不同的3個模擬取樣點， 7—8月管網(wǎng)中的水溫(平均溫度為28.8℃)高于9—10月(平均溫度為22.3℃)，然而9—11月管網(wǎng)水的細菌菌落總數(shù)卻很高。這可能是由于受細菌細胞壁的保護作用，溫度對細菌的生長產(chǎn)生了延緩效應，所以細菌在9—11月達到最大值。在其他月份內的水溫相對較低(平均溫度為13.6℃)，管網(wǎng)中細菌存在水平也有較為明顯的降低。這表明當水溫較低時，水體中細菌和病毒的生長繁殖較慢，新陳代謝活動較慢，隨著水溫升高，細菌和病毒的總數(shù)大大增加，即溫度與細菌菌落總數(shù)呈正相關關系。

圖8 溫度對管網(wǎng)菌落總數(shù)的影響Fig.8 Effect of temperature on the total number of colonies in the pipe network

水溫對管網(wǎng)余氯的影響還表現(xiàn)在對于余氯的揮發(fā)和損耗上。從圖9所示的余氯衰減曲線[7]可以看出，在10，15，24和30℃不同季節(jié)溫度下，出廠水余氯的衰減速度都是先快后慢，余氯衰減系數(shù)大小排列為：K30℃>K24℃>K15℃>K10℃。

圖9 余氯衰減規(guī)律Fig.9 Attenuation law of residual chlorine

各溫度下的余氯衰減速率都隨著溫度的升高而加快，也再次證明溫度是影響水中余氯衰減的重要因素，且二者成正相關關系。 2020年和2021年各個月份的月平均氣溫均呈倒V分布，如圖10所示。

圖10 月平均氣溫的變化Fig.10 Change of monthly average temperature

與圖4中各測點余氯的變化相一致，管網(wǎng)余氯在運輸過程中的揮發(fā)程度受溫度影響較大，溫度越高，相應的管網(wǎng)水余氯越低。因此，根據(jù)出廠水在管網(wǎng)中水力停留時間的長短，可適當依據(jù)季節(jié)溫度調整出廠水加氯量，優(yōu)化生產(chǎn)效果。即在冬季低溫條件下，控制初始投加量，節(jié)約加氯成本；在夏季高溫條件下，適當增大投加量或者中途站補氯，以保障用水安全。

3 結論

① 管網(wǎng)余氯總體上受出廠水余氯直接影響，在輸送到用戶的過程中同時受多方面因素的影響，如水力停留時間、水質情況、管材情況等，其中影響較大的是水溫和水力停留時間。溫度上升時，管網(wǎng)余氯隨之下降。水齡越長，余氯值越低。

② 氣溫改變影響水溫，進而對余氯產(chǎn)生影響，主要表現(xiàn)在細菌增殖和余氯衰減兩方面。為應對夏季高溫帶來的管網(wǎng)余氯降低，可以采取提高出廠水余氯或增設中途加氯站的措施來保證用戶的用水安全，相反在溫度較低的月份可以減少加氯量來提高生產(chǎn)效益，減少運營成本。

③ 在濁度較低(<1 NTU)、水溫穩(wěn)定的情況下，余氯的主要影響因素為管材。管材內壁腐蝕及脫落程度直接影響余氯。球墨鑄鐵管和經(jīng)過內壁防腐的鋼管是市政管道較為常用且理想的管材類型。在新建、改造供水管道時，優(yōu)先使用上述兩種管材對控制管網(wǎng)余氯水平，保障管網(wǎng)末梢水質有著重要意義。