城市供水管网余氯影响因素研究

韦运明， 吕 竹， 黄昭铭

(柳州市自来水有限责任公司，广西柳州545006)

消毒是目前常规水处理工艺流程中的最后一道安全保障工序，合理有效的消毒对用户获得安全可靠的饮用水具有重要意义。氯消毒是目前国内应用范围最广的消毒手段，其不仅需要满足出厂水的含氯要求，还需满足管网中的余氯要求，以解决自来水在管道输送中产生的二次污染的问题。柳州市供水管网总长度为1 350 km，柳江水源满足《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)地表水Ⅲ类以上水质标准，部分河段达到Ⅱ类水质标准。为保证出厂水余氯达到0.3 mg/L，管网末梢余氯达到0.03 mg/L的标准[1]，现采用的出厂水余氯为0.5～0.55 mg/L。在目前设计规模30×104m3/d的柳东新区水厂投入使用后，全市最高日供水量已超过80×104m3/d。为保证用户得到符合饮用水标准的自来水，在柳州市供水系统中保障管网余氯达标，成为一个必须长期研究的课题。

1 出厂水余氯影响分析

在不考虑其他因素的影响下，分析管网余氯和出厂水余氯的关系。所设置的监测点分别是：1#城中友谊路来宾驻柳办事处、2#广西科技大学、3#柳东交警大队、4#柳空医院、5#柳南地区高中、6#五菱医院、7#职教园二职校。这7个监测点分布于柳州的各个片区，数据较为全面。

根据2020年1月至2021年12月的各水厂出厂水余氯，将其进行加权平均以模拟管网中的平均出厂水余氯值，如图1所示。

图1 出厂水余氯变化Fig.1 Change of residual chlorine in treated water

同时分析7个监测点2020年1月至2021年12月的余氯变化，如图2所示。

图2 监测点余氯变化Fig.2 Variation of residual chlorine of monitoring sites

由图1、图2得出7个监测点的月平均余氯从2021年以来整体呈波动下降的趋势，出厂水余氯的降低直接影响了管网中的余氯走向[2]，但由于管网条件复杂，各个监测点都表现出局部不同的影响情况。与2020年相比，2021年各个月份监测点余氯的同比变化情况见表1。

表1 2021年监测点余氯的变化Tab.1 Change of residual chlorine at monitoring sites in 2021 mg·L-1

在忽略测量误差和特殊情况的条件下，各监测点管网余氯同比下降了5%～70%。柳州市自来水有限责任公司于2021年实施出厂水余氯新规定后，出厂水余氯由0.6～0.65 mg/L下降至0.5～0.55 mg/L，其整体走向符合管网余氯值的月平均走向。

2 其他因素影响分析

管网余氯直接受出厂水余氯以及是否进行管网二次投氯影响，余氯太低无法满足抑制细菌生长的要求，余氯过高则会影响使用感受并增多对人体有害的消毒副产物[3]。但管网中的余氯还受其他许多因素的影响，主要有以下三方面：水力工况(主要指流速及水力停留时间)、管道属性(如管材、管长)和水质(如温度、浊度)。

2.1 水力工况

水力工况对于管网余氯的影响主要体现在流速上，它使余氯在管网中的停留时间发生变化，从而影响余氯的消耗量。由于管道分布错综复杂，管内水力条件瞬息万变，想要获得相应的流速分布十分困难，故通过2020年1月至2021年12月的生产供水量来近似模拟整体的流速变化情况，如图3所示。7—9月均为用水高峰期，管网中水的停留时间相对较短，因此余氯含量相对于用水量少的月份要高。2月的用水量在这两年中都是最低，2021年整体供水量相对于2020年提升较为明显。

图3 2020年和2021年月供水量的变化Fig.3 Variation of monthly water supply in 2020 and 2021

选取了7个监测点中的5个进行对比分析，如图4所示。

图4 部分监测点的余氯 Fig.4 Residual chlorine of some monitoring sites

由于职教园二职校监测点和柳南地区高中监测点的流量受暑假因素影响较大，故对两者进行单独对比，如图5所示。

图5 部分监测点的余氯Fig.5 Residual chlorine of some monitoring sites

为保证不受温度和出厂水余氯降低对管网余氯的影响，选取2020年和2021年1月的余氯数据进行同比分析，其平均温度分别为13、11℃，平均出厂水余氯分别为0.65、0.61 mg/L。

从表2可以得出，当用户用水量上升时，由于水力停留时间缩短，管网余氯随之上升，两者成正相关关系。

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

2.2 管道属性

7个监测点中有6个点的供水管道均是球墨铸铁管，剩余1个点的供水主管是水泥管。球墨铸铁管具有防腐性能优异、密封效果好的特点，余氯衰减速率最小[4]，故从管道长度的影响进一步研究管网余氯的变化情况。

为了保证结果受其他因素的影响，选用条件相似、管道长度不同的4#和6#监测点进行分析。通过管网地理信息系统(GIS)，测量得出两者和柳州市供水量占比约50%的柳西水厂间的管道长度分别为4 998和3 266 m，这2个监测点处2020年管网余氯对比如图6所示。

图6 4#和6#监测点余氯Fig.6 Residual chlorine at monitoring points 4# and 6#

自2019年以来，由于柳东新区水厂的投入使用，位于柳东新区职教园的二职校由原本的管网末梢变为距离水厂较近的点。通过对比分析该点2018年和2019年的管网余氯情况(见图7)，得出管长对余氯的影响。

图7 某监测点2018年与2019年余氯对比Fig.7 Comparison of residual chlorine between 2018 and 2019 at a monitoring site

所选取的这两个案例都基本符合越靠近管网末梢管网余氯越低的规律，因此合理控制出厂水余氯和中途站加氯，能在保证管网末梢饮用水安全的前提下降低生产成本、提高生产效率。

2.3 水质

水质对水中余氯的影响主要表现为水温和浊度两方面，由于各厂各月份的出厂水浊度都控制在1 NTU以内，故只分析温度变化带来的影响。

水温对自来水中余氯有多种影响方式，水温会影响水中细菌和病毒的繁殖速率、耗氯速率，还会影响余氯的生化反应速率。随着水温的升高，细菌和病毒的生长繁殖大大加快[5]，代谢产物增加，消毒所需的氯量也相应显著增大。

图8[6]中，L、Q、S为离水厂距离不同、流速不同的3个模拟取样点， 7—8月管网中的水温(平均温度为28.8℃)高于9—10月(平均温度为22.3℃)，然而9—11月管网水的细菌菌落总数却很高。这可能是由于受细菌细胞壁的保护作用，温度对细菌的生长产生了延缓效应，所以细菌在9—11月达到最大值。在其他月份内的水温相对较低(平均温度为13.6℃)，管网中细菌存在水平也有较为明显的降低。这表明当水温较低时，水体中细菌和病毒的生长繁殖较慢，新陈代谢活动较慢，随着水温升高，细菌和病毒的总数大大增加，即温度与细菌菌落总数呈正相关关系。

图8 温度对管网菌落总数的影响Fig.8 Effect of temperature on the total number of colonies in the pipe network

水温对管网余氯的影响还表现在对于余氯的挥发和损耗上。从图9所示的余氯衰减曲线[7]可以看出，在10，15，24和30℃不同季节温度下，出厂水余氯的衰减速度都是先快后慢，余氯衰减系数大小排列为：K30℃>K24℃>K15℃>K10℃。

图9 余氯衰减规律Fig.9 Attenuation law of residual chlorine

各温度下的余氯衰减速率都随着温度的升高而加快，也再次证明温度是影响水中余氯衰减的重要因素，且二者成正相关关系。 2020年和2021年各个月份的月平均气温均呈倒V分布，如图10所示。

图10 月平均气温的变化Fig.10 Change of monthly average temperature

与图4中各测点余氯的变化相一致，管网余氯在运输过程中的挥发程度受温度影响较大，温度越高，相应的管网水余氯越低。因此，根据出厂水在管网中水力停留时间的长短，可适当依据季节温度调整出厂水加氯量，优化生产效果。即在冬季低温条件下，控制初始投加量，节约加氯成本；在夏季高温条件下，适当增大投加量或者中途站补氯，以保障用水安全。

3 结论

① 管网余氯总体上受出厂水余氯直接影响，在输送到用户的过程中同时受多方面因素的影响，如水力停留时间、水质情况、管材情况等，其中影响较大的是水温和水力停留时间。温度上升时，管网余氯随之下降。水龄越长，余氯值越低。

② 气温改变影响水温，进而对余氯产生影响，主要表现在细菌增殖和余氯衰减两方面。为应对夏季高温带来的管网余氯降低，可以采取提高出厂水余氯或增设中途加氯站的措施来保证用户的用水安全，相反在温度较低的月份可以减少加氯量来提高生产效益，减少运营成本。

③ 在浊度较低(<1 NTU)、水温稳定的情况下，余氯的主要影响因素为管材。管材内壁腐蚀及脱落程度直接影响余氯。球墨铸铁管和经过内壁防腐的钢管是市政管道较为常用且理想的管材类型。在新建、改造供水管道时，优先使用上述两种管材对控制管网余氯水平，保障管网末梢水质有着重要意义。