供水管道冲洗消毒技术策略研究

戚雷强

（上海市自来水奉贤有限公司，上海 201400）

1.研究背景

随着生活水平的不断提高，人们对饮用水水质的要求也更加严格。新GB5749-2006《生活饮用水卫生标准》中，规定的水质检测项目由原有的35项增加至106项，这是有史以来对我国饮用水水质提出的最细致最严格的要求[1]，并且将“龙头水”作为水质评价点，对管网的清洁度提出了更高要求。上海市于2018年10月1日实施的新生活饮用水水质标准，在GB5749-2006《生活饮用水卫生标准》106项的基础上增加至111项，其中浑浊度由不超过1NTU提升至不超过0.5NTU等，重点关注饮用水的水质情况。深圳市也提出到2025年实现公共场所直饮水全覆盖的目标。因此如何有效保障供水龙头水质成为大家广泛关注的焦点，需要对龙头水质进行相关分析，掌握龙头水质的真实情况，努力提高龙头水质。为了减少水质恶化，应该从多方面入手找出合适的方法。有效的管道冲洗消毒可以去除管道中的沉淀物质和生物环，减少水变色、味道和气味问题，还可以清除管道结垢，显著提高管道的输送能力，降低输送成本[2]。

2.新建管道冲洗消毒

2.1 技术问题

2.1.1冲洗流速低

对于新建管道，《给水排水管道工程施工及验收规程》（GB50268-2008）9.1.10条中有强制性条文规定：新建的给水管道必须经过冲洗、消毒后才能并网使用[3]。冲洗管道中需要保持一定的冲洗流速，否则难以将管内的杂物冲洗掉。 《城镇供水管道水力冲洗技术规范》（DB31/T926-2015）中规定，管道冲洗流速不小于1.2m/s[4]。冲洗流速是影响管道冲洗效果的关键因素，冲洗流速越高，对管道内壁的冲刷效果越好，但在实际冲洗的工程应用中，当出现始端流量小、冲洗管段较长、水头损失较大、穿越特殊障碍的情况时难以满足规定的冲洗流速要求，造成冲洗效果降低，只能采取提高冲洗水量的措施，造成水资源的浪费[5]。

2.1.2 消毒效率低

水质安全是饮用水安全保障的重要因素，供水管道需要在投入使用前进行消毒处理。供水管道中含有很多微生物[6～7]，其中至少95%的微生物附着在管壁上，出现显著的有机物生物降解和硝化作用，会大大加快余氯的消耗速度，造成供水末端余氯量过低，威胁用户的用水安全[8]。通过管道冲洗，一部分生物膜在水力冲刷下脱落，可以有效控制硝化作用和有机物的降解作用。当管道冲洗不到位时，一部分微生物仍然附着在管壁上，会造成含氯消毒液的浪费，降低消毒效率。

2.2 解决方案

2.2.1 采用气水冲洗法解决小流量管道冲洗和多起伏复杂管道冲洗难题

气水冲洗法是一种新型的管道冲洗技术，具有冲击力大、耗水量低、冲洗效果好等优点。但在大口径多起伏的管道中，流动情况十分复杂。当管道口径变大，其他条件一定时，管道内冲洗流速减小，下降管段中气体向下运动能力减弱。由于下降管段中气体密度较小，产生重位压降，从而造成管道水头损失急剧增加，增大了冲洗难度。在气水冲洗过程中通过调节相关水力参数，可以实现对大口径、多起伏管道的冲洗[9]。

上海市浦星公路新排DN800给水管道由于无法满足南桥东社区的用水需求及安全要求，需要进行冲洗。此管道涉及多根桥管、拖管，最大高差约为20m，属于大口径多起伏大高差管道，采用常规冲洗法难以满足规定的管道冲洗流速且耗水量大，将单相水冲洗与气水冲洗进行比较分析，综合考虑后选择气水冲洗法，冲洗流程如图1所示。管道冲洗分三段进行，根据冲洗过程中的设备监测数据，调整控制空气流量，水流量和气、水流量间歇比等，冲洗过程中的控制参数如表1所示。

图1 气水冲洗流程示意图

表1 冲洗过程控制参数

通过气水冲洗法解决了大高差多起伏管道冲洗难题，与传统方法相比节约冲洗水量70%以上。冲洗过程中某天各时刻管道浊度变化如图2所示，表2展示了冲洗结束及经过一段时间后管网出口的各项水质监测数据，均满足规定的水质要求。

图2 冲洗过程管网水浊度变化

表2 管网出口水质情况

2.2.2 气水冲洗后消毒剂减量

供水管道中普遍存在着多种微生物，由于输送距离较长，消毒剂在输送到建筑小区时含量较低，管壁会产生一定厚度的生长环，降低供水的微生物安全性。为了实现对供水管道的消毒，保障供水的安全卫生，有多种消毒工艺可供选择。

管道经过气水冲洗后，附着在管内的一部分生物环等剥离脱落，随后被水流冲走，可以降低后续消毒剂的用量，消毒剂抑制微生物的生长繁殖，使得供水管道满足所灭活微生物的CT值，保证管道的微生物安全性。北京市市郊某大型企业内部的给水管道口径为DN400,管内生长环厚度达100mm，通过气水冲洗去除管道内部的生长环，历时15h后水质达标，保障了后续安全供水[12]。

3.在役管道计划冲洗

3.1 市政管道冲洗计划

已经投入使用的市政管道，随着使用时间的延长，管道内部会发生不同程度的锈蚀，内壁有结垢附着，降低了市政管道的供水能力，需要对管道进行冲洗。制定冲洗计划时需要注意，冲洗过程中不能中断供水服务，影响用户的正常用水。根据市政管道所处的地形情况、阀门的装设情况、管网实际情况等制定合适的冲洗方案，一般管道内的冲洗水流方向与原供水方向相反，冲洗流速不得小于规定流速1.2m/s，采用市政水压冲洗管道，冲洗后去除的管道沉积物等通过排污口排出。

东莞市塘厦镇自来水公司对使用中的DN800市政给水管道进行冲洗，根据管道的实际情况和施工条件，通过方案比选选择了单向流冲洗法，并增设了排泥口、排气阀，制定冲洗计划后进行管道冲洗，达到了预期效果[14]。

3.2 夏季三定冲洗

由于在供水过程中管道内消毒剂浓度逐渐降低，加上管网末端流速很慢、滞留时间长、流动性差，管道内的积垢在水流冲洗下脱落然后停滞在管网末端，在管网末梢容易造成微生物的大量繁殖，有时会出现红水、黄水、浑水等现象，造成水质变臭，色度增高，影响人们身体健康，具有极大的健康隐患。Regana等人[15]的研究表明，在夏季即使管网中存在一定浓度的消毒剂，仍然会发生硝化作用，造成异养菌的大量繁殖。在夏季有利于微生物生长的环境条件下，微生物生长繁殖速度加快，为了去除管壁上的生物环，管道冲洗显得尤为重要。通过三定冲洗可以去除附着在管壁上的微生物，更新管道内长期滞留存水，保证管道的安全卫生。

4.不同口径管道冲洗策略

4.1 气水冲洗法冲洗市政管道

4.1.1 气水冲洗法基本原理

冲洗口径较大（DN400以上）的管道，采用传统的冲洗方法会造成水量的浪费，且难以达到规定的流速要求。针对大口径的市政管道，可以采用气水冲洗法。气水冲洗法的基本原理为利用空压机向供水管道内输送高压气体，在管道内形成气水混合物，利用空气的可压缩性使水和气的混合流体在管道中形成强烈的紊动，高速流动的混合流体使得水流与管壁间的切应力增大，从而将结垢和沉积物剥离冲走，提高了冲洗效果[16]。涉及到的理论基础有（1）“水平管二相流理论”，一定压力与流量的压缩空气间歇通入管道形成“段塞流”，对管壁沉积物的去除起主要作用；（2）三相流理论：水、气、渣三相混合，使流体质量增大，作用于管壁附着物；（3）脉冲理论：能量骤聚骤散；（4）水锤理论：气水混合后利用空气的可压缩性形成水锤，冲击震荡管壁附着物[17]。

气水冲洗法与传统冲洗法相比，能够节约水量、减少冲洗时间，具有良好的经济效益；而且对上游来水条件要求低，可以实现“小管冲大管”的可能；在大口径或较大高差、高低起伏、非开挖管道等复杂管道的冲洗中采用气水冲洗法，可以取得良好的冲洗效果。目前气水冲洗法在工程中得到了推广和应用。

4.1.2 气水冲洗法的工程应用及经济效益分析

在上海市北青公路DN1000给水管排管工程中，采用气水冲洗法冲洗新建市政给水管道，冲洗分成2段，使用流量计测量水质混浊程度，测试后发现可以有效降低浑浊度，获得良好的冲洗效果，且在冲洗过程中没有影响用户的正常用水[18]。上海南汇DN500的供水管道冲洗工程中，前期采用传统冲洗时浊度不再下降，无法达到验收要求，后期进行气水冲洗，冲洗耗时1h，所需用水量仅为443.6m3，满足验收的浊度要求，而采用前期的传统冲洗法所需水量远远大于气水冲洗，且浊度没有达到验收要求[19]。天津市某水厂A至水厂B之间有DN800钢管（有混凝土内衬）原水管道，该管道在役使用多年，内壁存在的各种杂质对用户用水造成不利影响，需要进行管道冲洗。由于管道距离长且途径市区，进行管道冲洗具有一定困难，需要保证管道不受损，将管道分为三个工作段实施气水冲洗，冲洗结束后管道中原有的沉积物、附着物、微生物等杂质均被冲洗掉，管道冲洗效果十分理想，与传统冲洗法相比节约水量11.9%，冲洗时间仅为传统冲洗法所需时间的1/3[20]。在工程中冲洗过程的浊度变化、冲洗时间、冲洗水量等相关数据如表3所示。

表3 冲洗过程相关数据

4.2 小区管道冲洗

针对小区管道，可采用冰水混合物冲洗。冰水混合物两相流同时具备液体的流动性和固体的特性，可以适应管道各种形状的变化，通过摩擦剪切作用可以有效去除管道内部的结垢和生物膜等，增强管道的流通能力，保证供水的有效性，同时在冲洗过程中添加消毒剂对管道进行消毒，提高供水过程的安全性与稳定性。并且冰对人体无害。研究发现，当含冰率高的冰水混合物在管道中通过时，会出现独特的“活塞状”流动，在不与管道内介质混合的情况下提高了冰水混合物在管道内的流通能力，从而推动其前方的流体，并且使这些流体与冰水混合物之后的流体分离开[21]。发明的冰水混合物同步清洗和消毒方法，向管道中注入冰水混合物并不断搅拌保持均匀，同时投加0.3mg/L～1.0mg/L次氯酸钠、次氯酸钙、氯胺等消毒剂进行消毒，最终可以实现沉积物和生物膜的去除，冲洗效果好，操作简单，提高了管道的供水能力。SUEZ公司研制的AQL500全自动碎冰清管机可以连续运行，为采用冰浆清洁工艺管道生产线的最高效的即用型技术，能够显著减少废水量、耗水量和能源使用，可以实现70%～90%的纯净产品回收率，减少冲洗时间，提高了冲洗效率。

4.3 室内管道冲洗

柠檬酸为一种弱酸，不具备毒性，对金属等的腐蚀性较小，除锈效果非常显著。水垢的主要成分为碳酸盐，在高温条件下，柠檬酸会与水垢发生化学反应，酸碱中和，达到良好的去除水垢效果。室内管道常出现较硬水质和高杂质的问题，采用一般的化学冲洗剂较难达到理想的去污效果，通过食品级柠檬酸将水质进行软化处理，通过水流周波水震荡的方法冲洗管道，可以将管道内沉积许久的水垢剥离脱落，使管道保持清洁和畅通[22]。采用柠檬酸化学冲洗方法可以有效去除管道中的油污、锈垢、焊渣等物质，增加管道的输送能力。

赵欣等[23]发明的一种供水管道清洗复合剂，由柠檬酸等配制而成，能够清除管道内壁的污垢和沉积物，去除重金属离子，具有良好的杀菌效果，抑制微生物生长繁殖。还可以使清洗过的金属管道表面形成致密的化学钝化膜，有效减慢污垢再次积蓄的速度。柠檬酸易溶于水，冲洗后不会残留在管道中，通过柠檬酸冲洗管道可以显著延长管道的使用寿命，提高管道的供水安全性。

5.结论与建议

供水管道冲洗消毒是供水系统的重要一个环节，关系到供水的安全性与有效性。由于各种技术原因限制，目前管道冲洗中常常会出现冲洗流速不够、消毒效率低等问题，针对不同情况的供水管道，需要比较冲洗方案，选择合适的冲洗消毒技术。通过管道的冲洗消毒，可以有效改善水质，增加管道的输送能力，延长使用寿命，具有广阔的应用前景。