气水脉冲冲洗技术在天津市农村集中供水管网污染处理中的应用

张艳芬，袁 杰，于 谧，原鹏飞

（1.天津市水利科学研究院，天津 300061；2.天津市水利勘测设计院，天津 300204）

农村集中供水管网受使用年限、水源水质等影响，管道内极易形成锈垢、沉积物等污染物，严重影响农村居民饮水安全。目前，国内外清除供水管道内污染物的主要方法是冲洗管网，有高压水冲洗法、气水脉冲冲洗法、机械刮管清洗法等[1-3]。

为保障天津市农村居民的饮水安全，笔者对天津市农村集中供水管网污染情况进行了调研和分析，开展了气水脉冲冲洗农村集中供水管网的试验研究，以期指导天津市农村集中供水管网清洗工作。

1 污染调查与原因分析

1.1 污染调查

“十一五”和“十二五”期间，天津市分别改造老化管网41 744.867 和2 072.36 km。目前，天津市农村集中供水管网，除蓟县山区仍采用钢管外，其余以塑料管材为主，主要为UPVC、PPR、PE。

通过对天津市农村集中供水管网污染情况现场实际调查发现，使用年限超过5年的塑料管网，局部管网的管壁易附着不均匀性污染物；使用年限超过8年的塑料管网，沿着管壁四周易均匀地附着黏附性较强的污染物。

选择武清区大碱厂2006年饮水安全工程改造的一段PP管网进行现场切割发现：管壁四周均匀地附着污染物，污染物最外层为一圈生物膜，摸上去黏糊糊的，颜色较深，稍加手力就可以擦除，最里层腐蚀物极强地附着在管壁周围，即使用钢丝球擦拭也不能轻易去掉。

1.2 原因分析

将PP管道中的污染物刮下来发现，污染物为灰褐色絮状物，带有草腥味，具有黏附性，夹杂粒径可达1～2 mm砂状颗粒物和极细悬浮颗粒物，有较薄的片状结构疏松物。污染原因具体分析如下：

（1）电化学腐蚀。由于集中供水厂清水池、金属阀门、配件等供水设施本身含有杂质，金属与杂质之间存在着不同的电极电位，这样在水的作用下会形成无数微腐蚀原电池，在电化学作用下对供水管道内壁造成腐蚀，进而形成化学腐蚀物。

（2）化学沉淀。对于饱和指数（LSI）＞0 和稳定指数（RSI）＜6的不稳定水质，会产生钙盐沉淀和镁盐沉淀，沉积在管壁上形成水垢物。

（3）物理沉积、微生物腐蚀。《生活饮用水卫生标准》（GB 5749-2006）规定，出厂水浑浊度不超过3NTU。即使在这样的水质条件下，出厂水中还是含有一定量的致浊物，在低流速时可能导致沉积。同时，管壁附着的细菌等微生物极易发生微生物腐蚀形成生物膜，具有一定的凝聚黏附性，易于使水中悬浮物、致浊物沉积，形成沉积物。

（4）水力运行状态。当供水管网水力运行状态发生改变，如检修阀门、更换管道或当流速突然增大时，污染物就会从管道内壁脱落而进入水中，从而影响水质，当腐蚀较严重时易出现水质事故。

综上所述，管壁污染物是水中金属和杂质电化学腐蚀、钙盐和镁盐化学沉淀、水中悬浮物物理沉积及水中细菌等微生物腐蚀造成的，是管网与水质发生的一系列物理腐蚀、化学腐蚀、电化学腐蚀、微生物腐蚀等综合作用的结果。

1.3 管网污染的预防和根治

供水管道内壁出现污染物后，会逐渐降低管道的供水能力，污染供水水质，破坏管道的机械强度，造成较大的危害。为尽可能减小管道污染物的危害性，要对其进行预防和根治。

（1）从预防角度讲，加强供水设施、供水管道的日常管理和定期维护，选择材质好、可靠的管件、管材。

（2）从根治角度讲，可更换新的管道，或对旧有管道进行管道冲洗。

2 气水脉冲清洗管网污染技术实验

2.1 基本情况

本试验选在武清区大碱厂，选择大碱厂供水站一段500 m 分干管，管材为PP 高压聚丙烯管，管径DN80，管壁厚度4 mm，管道承压为0.8 MPA，试验压力为0.2～0.6 MPA。该处地下水源水具有典型性，色度较高，源水色度值为40，出厂水色度值为18，管网使用年限为8年。

2.2 冲洗原理

水在圆形管道中的流态有层流和紊流两种，给水管网内水流一般都是紊流。气水脉冲冲洗给水管道就是利用空气的可压缩性，在计算机和电磁阀的控制下，使高压空气以一定的频率进入给水管道内，在管内形成间断的气水流，随着空气的压缩和扩张，使管内的紊流加剧，水流的剪切应力增大，在剪切应力的作用下，管壁上的沉积物和附着物被冲下，并随着高速水气流间断地排出给水管。

2.3 冲洗过程

（1）首先，该段管线停止供水，进行加气点安装和排污管线连接（排污管采用50 mm耐压胶管，每根长度10 m，连接端均安装50 mm法兰）。

（2）为避免因排气不畅而发生爆管事故，需要先用清水单独冲洗，待排水通畅后，再进行气水脉冲冲洗。开始单独冲水时，出口压力控制在0.1～0.2 MPA。

（3）启动气脉冲发生器和空气压缩机，调整气脉冲发生器，气压在初期阶段控制在0.2 MPA，然后逐渐调整至0.35～0.6 MPA。经过10 min 加气后在排污口处形成脉冲波式排水，出现喷砂效果，管线内结垢物、沉积物被逐渐冲刷脱落排出。整个冲洗过程耗时1 h 45 min，具体冲洗过程见表1。

表1 气水脉冲冲洗过程描述

2.4 冲洗效果

（1）冲洗前后水质情况。污染管网冲洗前后的水质指标对比，见表2。

表2 受污染管网冲洗前后水质对比

由表2可知，受污染管网冲洗后，各项水质指标有了大幅度的改善，菌落总数降低了73.5%，色度降低了50%，浑浊度降低了77%，肉眼可见物全部清除。可见，采用气水脉冲方法冲洗污染管网，使水质得到明显改善，减轻了水质的二次污染。

（2）冲洗前后管壁厚度。使用游标卡尺测量冲洗前后管壁的厚度，进行对比。该管线投产时间8年，腐蚀严重。

表3 受污染管网冲洗前后管壁厚度对比

由表3可知，冲洗前的管壁平均厚度达4.9 mm，冲洗后管壁平均厚度仅为4.1 mm。从冲洗前后壁厚度的变化可知，管壁四周附着的污染物最外层一圈生物膜可以冲洗下来，壁厚明显变薄，过水断面明显增加，但管壁被化学腐蚀后最里层附着的黄色黏性极强钝化物很难被冲洗下来，即使用钢丝球施加外力擦洗也很难彻底去除。这种黄色钝化物主要是管壁在当地色度较高地下水体的化学和电化学腐蚀作用下形成的。

由上述冲洗过程和效果可知，气水脉冲冲洗技术仅能去除水中致浊物、悬浮物等沉积物、管壁上的钙镁盐等水垢物和微生物膜，管壁本身所遭受的化学与电化学腐蚀物很难复原。但是，即便管壁无法由发黄状况恢复到出厂状况，该项技术对水质的改善效果还是很明显的。

3 结论

气水脉冲冲洗技术具有操作简单、不破坏管网系统、不使用任何化学药剂、冲洗效果好等优点，可以有效地清除供水管线内部的沉积物、水垢物和生物膜，可以减轻管网水质的二次污染，在天津市农村集中供水工程管网清洗工作中是一项值得推广的技术措施。

[1]郑亮，刘先银.机械和高压水射流管路清洗方法的比较[J].清洗世界，2004，21（5）：49-53.

[2]孙天金，周拾庆，张霞，等.清管器在小口径注水管线清洗中的应用[J].清洗世界，2006，22（4）：10-14.

[3]宋安坤.大庆供水管网气水脉冲技术研究[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2007.