农村供水系统不同贮水材质水质变化特性分析

何自立，赵晓华，杨建国，何 宇

(西北农林科技大学a.水利与建筑工程学院;b.旱区农业水土工程教育部重点实验室，陕西 杨凌 712100)

1 研究背景

供水系统中，水体对供水系统材质的腐蚀以及供水系统本身对水体的污染同时存在，不同材质对水体的主要理化指标也存在显著影响［1－3］。徐洪福等［4］研究表明不同材质中氯的衰减速率不同;赵文君等［5］研究发现不同材质水窖储存的雨水其水质有较大差异;史玉坤［6］研究表明，玻璃钢容器影响着饮用水中的氨氮含量和化学需氧量(Chemical Oxygen Demand，COD);傅金祥［7］认为抗氧化涂层会增加水中苯类、挥发性酚类及金属物质的种类;张向谊等［8］以环状生物膜挂片反应器模拟实际管网研究细菌生长规律，认为聚乙烯塑料(PE)是防止微生物在供水管壁生长较为理想的管材。

农村供水系统管线长、用水量小，水在调节池中停留时间较长，调节池材质对水体水质指标产生直接影响，是影响供水系统水质的重要因素。本文在充分调研的基础上选取工程中常用的混凝土、瓷砖、塑料和不锈钢4种材质做内壁构建模拟调节池，分别在不同环境条件下，研究各贮水材质调节池中余氯、pH、电导率和溶解氧(Dissolved Oxygen，DO)随贮存水时间的变化，明确不同材质调节池对水质的影响及其随环境因素变化的时间效应，以期为农村供水系统规划设计及运行管理提供一定参考。

2 材料与方法

2.1 供试调节池

选择西部地区农村集中供水工程中不同内壁材质的混凝土、瓷砖、塑料以及不锈钢调节池(长×宽×高:100 cm×100 cm×120 cm)作为研究对象。混凝土调节池壁厚为5 cm，其中:水泥选用抗渗性能较好的矿渣硅酸盐水泥;细骨料选用细度模数为2.5、含泥量约1.5%的中粗砂;粗骨料选用3级配，含泥量约0.6%的碎石。混凝土调节池浇筑好后标准养护30 d。瓷砖内壁的调节池采用水灰比为0.42的素水泥做粘合剂，将抛光砖贴于混凝土水池内壁，瓷砖间缝隙为1 mm。塑料调节池选用壁厚为2 mm的PE塑料水槽。不锈钢调节池选用食品级SU304材质2 mm厚的不锈钢板，采用氩弧焊焊接成形。为避免环境对供试调节池中的水造成二次污染，配套相同材质的容器盖。

2.2 供试水样采集

供试水样于2012年3月至8月3个阶段取自户外不同材质调节池中，不同取样阶段水样的日平均温度约为5，15℃和25℃，取样深度均为60 cm。不同材质调节池开始储存水1 h之内采集水样取样时间定为0 h，此后 2，5，10，20，30，40，50，60，70 和80 h各取样1次，每次重复取样3份。

2.3 试验参数的测定

余氯含量采用四甲基联苯胺法(ML810智能便携式余氯测量仪，上海米联电子科技有限公司制造);pH值、电导率和溶解氧采用pH/ORP/电导率/溶解氧多参数测量仪(SX736型，上海三信仪表厂制造)测定，其中pH值分辨率为0.01(玻璃电极法)，电导率分辨率为1μs/cm(电极法)，溶解氧分辨率为0.01 mg/L(电极法)。

3 结果与分析

3.1 余氯衰减变化特征

水体中余氯衰减变化特征如图1所示，从图中可以看出不同材质调节池中，余氯变化趋势较为一致，均是随着水停留时间的增长总体呈显著减小，且前期衰减速率较快，后期渐渐减小。不同温度条件下各调节池中余氯衰减速率随温度升高均呈现增加趋势。

图1 不同温度下各材质调节池水体余氯含量变化Fig.1 Variation of residual chlorine content in different regulation tanks at different temperatures

余氯在水中的衰减规律一般为单指数衰减，若反应为一级，则可用以下方程表示:

式中:k为余氯衰减系数，C为氯在某一时刻的浓度，C0为氯的初始浓度(mg/L)，t为时间(h)。

由分析计算得出不同材质调节池在不同温度下的余氯衰减系数如表1所示:其中在混凝土、瓷砖、塑料和不锈钢4种材质的调节池中，余氯的衰减系数k值均随温度的升高而增加;同一温度下，余氯衰减系数排列顺序均为混凝土、塑料、瓷砖、不锈钢，说明混凝土容器中余氯衰减最快，其次依次为塑料和瓷砖，不锈钢容器中贮存水余氯衰减最慢。

表1 不同温度下各材质调节池水体中余氯的衰减系数Table 1 Attenuation coefficient of residual chlorine in different regulation tanks at different temperatures

同一材质不同温度条件下，余氯衰减系数随温度的升高而增大。余氯衰减速率随温度变化关系，在温度变化不是很大情况下采用阿仑尼乌斯公式表示为

式中:k为余氯衰减系数;R为摩尔气体常量;T为热力学温度;Ea为表观活化能;A为指前因子。

分析计算得出不同材质中阿仑尼乌斯公式待定系数如表2所示，不同的反应具有不同的活化能(Ea)，其中大小依次为不锈钢、瓷砖、塑料和混凝土，且活化能越大，衰减速率k值越小;不同反应Ea越大，衰减速率k随温度的变化率越大(表1)。不锈钢材质水体中余氯的衰减系数k随温度的变化影响较大，而混凝土材质水体中余氯衰减系数k受温度的变化影响较弱。

表2 阿仑尼乌斯公式中的待定系数Table 2 Undetermined coefficient of Arrhenius formula

氯作为强氧化剂，其在配水管网中的衰减过程受许多因素影响。本试验通过不同温度下不同材质调节池对以上4种参数随时间变化的效应进行分析，结果表明不同温度下，各材质调节池中余氯会随着水停留时间的增长均呈逐渐减小趋势，余氯衰减速率随温度升高均呈现上升趋势。混凝土容器中余氯衰减最快，其次为塑料和瓷砖，不锈钢容器中水中余氯衰减最慢。以上分析表明引起余氯衰减差异的主要原因可能与不同材质调节池的溶出物有关。对于混凝土调节池，其内壁粗糙易形成生物膜使细菌数量增加;且其表面存在CaO和Ca(OH)2等可溶于水的化合物中并和水中的氯化物相互反应，以上因素均可能导致较大的余氯消耗。

3.2 水体中pH值变化特征

不同材质调节池中，pH值变化趋势随储存水时间的增加存在上升趋势(图2)，不同材质容器的pH值变化存在差异。混凝土及瓷砖材质蓄水池pH值存在明显上升趋势，而不锈钢材质其pH值存在一定上升趋势。塑料材质蓄水池pH值未发生显著变化。瓷砖和混凝土材质容器中由于其能析出Ca(OH)2等碱性物质，导致pH随着时间的持续有较大的上升，而不锈钢材质轻微的腐蚀导致水体pH值上升，即发生氧化还原反应使H+离子浓度有明显的下降，而塑料的pH较稳定，其小幅度的上升是由于水质中次氯酸的消耗而导致。

图2 不同温度下各材质调节池水体p H值变化Fig.2 Variation of p H value in different regulation tanks at different temperatures

不同材质容器中pH随着温度的上升而均呈现下降趋势。应用热力学函数与化学平衡原理推导出中性水体pH值与热力学温度(T)之间成线性关系，其两者之间可以近似表示为

其中T为热力学温度。pH值的变化对水体中多个生化过程产生重要影响。首先水体中多种病原微生物活性对于pH值变化较为敏感，其次pH值对饮用水中的消毒剂的氧化作用产生显著影响，同时某些消毒副产物(如溴酸盐)的分解与转化也与水体pH值密切相关，而且pH值的变化将直接影响管道腐蚀、溶解性盐类的析出等。

3.3 水体中电导率变化特征

不同材质的调节池中水体的电导率随储存水时间总体呈现增长趋势(图3)。其中混凝土瓷砖及不锈钢材质调节池电导率在初始阶段随时间的变化上升较快，而在后期随时间的变化较为平稳。塑料材质调节池电导率随时间的变化较为平稳。不同材质容器中电导率随着温度的上升而均呈现上升趋势。且电导率随温度变化呈线性变化关系，温度每升高1℃，电导率增加约2%。电导率的大小取决于溶液中所含离子的种类、总浓度以及溶液的温度、黏度等因素，其反应水中离子成分的总浓度。不同材质容器由于理化性能不同导致水体电导率存在一定差异。混凝土调节池长期浸泡的条件下，存在微量金属元素 Fe，Mn，Cu，Zn，Pb，As，Hg，Cr，Cd 溶出现象，引起电导率上升。虽然塑料材质调节池电导率未发生显著变化，但塑料材质若选用不当会在水体中大量溶出甲苯、乙苯、二甲苯、甲乙苯等苯系物及三氯乙烯等化合物，且其挥发溶解周期较长，对人体存在较大潜在危害。不锈钢材质调节池长期浸泡后会有铅、铬、镍、砷等物质不同程度溶出，其中以镍离子的溶出最为显著。同时饮用水中加氯后，加速了氯离子与容器内壁的反映速率，引起水体电导率上升。

图3 不同温度下各材质调节池水体电导率变化Fig.3 Variation of conductivity in different regulation tanks at different temperatures

3.4 水体中溶解氧的变化特征

溶解氧是指溶解于水中分子状态的氧，是水体中各种理化反应强弱程度的直接体现，也是反映水体中藻类或微生物密度的重要指标。不同材质调节池中溶解氧值随时间的变化存在一定差异(图4)。其中混凝土及不锈钢材质调节池溶解氧随时间的变化较为平稳，而瓷砖及塑料材质调节池溶解氧随时间的变化有升高的趋势。同时，不同材质调节池水样溶解氧值随温度存在明显变化:温度升高，水中的溶解氧降低。

图4 不同温度下各材质调节池水体溶解氧变化Fig.4 Variation of dissolved in different regulation tanks at different temperatures

不同材质调节池对溶解氧的变化作用存在差异，体现在不同材质调节池与水体相互作用过程中所产生的理化反应的程度不同，混凝土及不锈钢材质中溶解氧的变化较为平稳，其水体的受耗氧和富氧作用2方面影响达到平衡。而塑料及瓷砖材质蓄水池中随着时间增长，溶解于水中的氧气量逐渐增大，其作用过程中富氧作用更为显著。总体上各材质调节池溶解氧随时间变化较为平缓，无显著变化趋势，表明在该试验条件下以上各种材质中水体有机物质含量及其分解作用较为缓慢。

4 结论与讨论

以上分析成果表明不同材质调节池由于其理化性质的差异对于水体水质产生不同影响。温度及水体存放时间对水体余氯的衰减过程存在显著影响，一定温度下不同材质调节池中贮存水余氯衰减系数由大到小依次为混凝土、塑料、瓷砖、不锈钢，且随着温度的升高余氯的衰减速率加快。余氯指标与水体的各微生物特征指标紧密相关，因此为了保证水体的消毒性能应避免选用混凝土或塑料调节池，并保证调节池具有良好的隔热保温能力。

混凝土及瓷砖内壁调节池pH值随储存时间增加上升较为明显，不锈钢材质与塑料材质未发生显著变化。除塑料材质外其他材质蓄水池电导率在初始阶段随时间的变化上升较快，而在后期随时间的变化趋势较为稳定。混凝土及不锈钢材质调节池溶解氧随时间的变化较为平稳，而瓷砖及塑料材质调节池溶解氧随时间的变化有升高的趋势。现有试验条件下不锈钢及塑料材质具有较为优良的性能，但在使用中应优先选用食品卫生级不锈钢或UPVC材料，并注意避光保温等措施。若选用混凝土调水池，可加装薄不锈钢板衬里以防止混凝土与水直接接触，若条件限制无法满足，应尽量对混凝土内壁加贴瓷砖进行防护。

另外，在运行管理中，应根据不同地区，不同季节生活及农业生产用水的变化特性，合理调节储水量大小，既满足用水量，又避免水停留时间过长引起水体余氯大量衰减。本文虽然对不同材质调节池中水体的变化特征进行了初步的分析研究，但由于各种材质其理化特性存在较大差异，其与水体和消毒剂之间的相互作用及其时间效应较为复杂，对于不同过程之间的作用机理仍需要进一步探究。

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