农村供水管网供水二次污染原因及防治措施
发布时间:2024-03-26 10:44:55 来源:熵澜水务研究 作者:本站编辑 浏览次数:

摘要: 防治农村供水管网供水二次污染,保障用水户的饮水安全,是农村供水的重要环节,对于巩固脱贫攻坚成果,推进乡村振兴战略具有重要意义。文章主要从供水水质、供水管材、二次供水设施以及消毒副产物等方面系统论述了农村供水管网供水二次污染的形成原因,并提出了相应的防治措施。


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      防治农村供水管网供水二次污染,保障用水户的饮水安全,是农村供水的重要环节,对于巩固脱贫攻坚成果,推进乡村振兴战略具有重要意义。文章主要从供水水质、供水管材、二次供水设施以及消毒副产物等方面系统论述了农村供水管网供水二次污染的形成原因,并提出了相应的防治措施

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一、引言

       随着我国脱贫攻坚战任务的全面完成与乡村振兴战略的全面推进,我国农村供水工程的建设规模不断变大,供水集中化程度不断提高,供水管网的供水能力和管网长度也有了质的飞越,随之农村居民对水质的关注度也越来越高。《生活饮用水卫生 标准》( GB 5749—2006) 对农村供水水质有明确要求,虽然供水单位对原水经过严格的处理,各项水质指标均已达标,但是输送过程中,由于出厂水在管网系统中进行着复杂的物理、化学和生物反应,导致水质出现劣化,造成供水管网水质的二次污染。由此可以看出,供水管网的二次污染问题在我国农村地区非常普遍,并且可以预见随着工程建设年限的增加会越来越严重,供水管网二次污染防治工作也是“十四五”时期开展农村供水保障的一项重要内容。因此剖析农村供水管网水质二次污染的形成原因,并采取针对性措施防治管网二次污染的产生对于保障 农村供水的水质安全具有重要意义。

二、农村供水管网供水二次污染成因

      供水管网供水二次污染的本质是污染物在管网水中的移动转化,它是物理、生物和化学综合作用的结果,大致可划分为以下几种成因。 

2.1 出厂水质对管网水质的影响
      许多学者经过研究普遍认为水质稳定性是影响管网供水二次污染的重要原因。水质稳定性包括化学稳定性和生物稳定性,水质的化学性质不稳定会造成管道腐蚀结垢,生物性不稳定会导致微生物过度生长。
      在我国多用基于 CaCO₃ 溶解平衡的饱和指数 IL( 又称朗格利尔指数) 和稳定指数 IR( 又称雷兹纳指数) 来判断水质的化学稳定性。当 IL = 0 时,水既不结垢也不具有腐蚀性,化学性质稳定; 当 IL > 0时,水中的碳酸盐处于过饱和态,易结垢; 当 IL <0 时,水中的碳酸盐未达到饱和,水中的二氧化碳过量易侵蚀金属管壁表面。当 IR >7 时,水具有腐蚀趋势,并且随着 IR 值增大腐蚀性增强; 当 6<IR <7时,水的化学性质基本稳定; 当 IR < 6 时,水具有结垢倾向,并且随着 IR 值减少结垢会愈发严重。然而饱和指数 IL 在使用中存在着一定局限性,一是当两个 IL 值一样时,水质稳定性无法比较。二是当 IL 值在零附近时,可能得出和实际情况相反的结果。稳定指数 IR 可以解决饱和指数 IL 存在的不足,因此二者常共同使用来判别水质的化学稳定性。根据《生活饮用水卫生标准》( GB 5749 -2006) 规定,集中式水厂的出厂水 pH 值应介于 6. 5~ 8. 5,在此之间水质化学稳定性基本稳定,小型集中式供水工程由于 pH 值、浊度、总硬度等相关指标的标准放宽,使得供水水质的化学稳定性降低。除此之外,农村供水单位对于水质管理相对薄弱,更增加了因供水水质不稳定而导致的水质二次污染风险。
       水质生物性不稳定不但会导致微生物过度繁殖,而且会加速管道腐蚀结垢,产生的腐蚀物又会为微生物的繁殖创造生长环境,从而导致输送过程水质二次污染的恶性循环。管网水质微生物污染存在的两个条件是: ( 1) 微生物的残余; ( 2) 有机物的超标。在一些农村供水工程中由于管理者盲目节省经营成本不添加消毒剂或对于消毒剂使用特性认 识不足导致的消毒剂选择不适合等消毒问题的存在,为管网微生物繁殖创造了生存环境。生物稳定性主要用可同化有机碳( AOC) 来判别,它是指总 有机碳( TOC) 中可以被细菌直接使用合成细胞体的有机物,添加消毒剂可以抑制水中微生物的生长, 但 AOC 存在下细菌还是会有一定程度的繁殖, 在农村水厂中 AOC 存在的原因主要包括: ( 1) 水厂处理工艺问题,在净化处理过程中有残余有机物进入供水管网; ( 2) 管网输送过程中外源污染物质进入供水管道。 

2.2 供水管材对水质的影响 
      供水管材本身分解的离析物会直接污染供水水质。针对管材对供水水质的影响,卫生部门颁发了《生活饮用水输配水设备及防护材料卫生安全评价规范》对供水材料的卫生安全提出了相关要求,以减少供水材料对水质的污染。但即使农村供水工程中使用的管材符合相应标准,随着使用年限的增加,仍然会出现因管材导致的水质问题。我国农村常用的金属管材主要有铸铁管和钢管。非金属管道包括塑料管(UPVC、PE 等) 、钢筋混凝土管和复合管等。近年来虽然塑料管道在农村供水工程中使用的越来越多,但金属管道仍占有一定比例,钢管的抗腐蚀性较差,管壁内外都需要做防腐处理。在农村供水中,钢管主要在承受压力大,以及地形条件限制时使用。铸铁管的耐腐蚀性远超于钢管,但随着使用年限的增加表面仍然会出现腐蚀、结垢从而影响水质安全。塑料管表面光滑,水力条件较好,不易产生沉淀,但随着使用年限的增加会分解出有机分子,析出量虽然较少,但对人体危害却不容忽视。钢筋混凝土管在长时间的冲刷、浸泡下,会使得表面结构变得松散脱落,影响供水水质。衬里管道随着使用年限的增加,内衬材料老化并在水力的冲刷下局部脱落从而出现黑渣,造成水质的二次污染。 

2.3二次供水设施对水质的影响 
      农村的二次供水设施,如蓄水池、水箱卫生条件较差,易造成水质二次污染隐患。首先是设计施工,许多蓄水池建设初期,由于设计储量过大,使得水在蓄水池中存留时间过长,研究表明,随着饮用水存留时间的增长,水质会逐渐变差。当存留时间超过 24 h 后,伴有异味水质严重变差,不宜直接饮用,并且因为水中余氯含量随时间的衰减,会促使微生物繁殖,使得水质再次被污染。一些蓄水池的通气孔未采用弯管型设计,增加了水质二次污染的风险。另外部分蓄水池未按标准施工验收,导致蓄水池使用中出现破裂渗漏等质量问题,不但造成水量的流失,而且存在外源污染物质渗入现象造成水质二次污染。其次,材质选择不当。一些蓄水池的水泥材料表面未采用防腐材料涂抹,使得溶出物污染水质。最后,运行管理不到位。由于缺乏管理,许多蓄水池常年不进行清洗,污染物在其中累积造成二次污染。另外一些蓄水池池口敞开,导致污染物进入从而污染水体。 

2.4消毒副产物对水质的影响
      农村供水中常用的消毒方法有氯消毒、二氧化氯消毒和氯胺消毒。在出厂水中添加消毒剂可以抑制微生物的繁殖,但一些农村供水工程为盲目追消毒效果,在水中添加过量的消毒剂,消毒剂和水中的有机物反应生成消毒副产物。在利用氯消毒时,水中过量的余氯会和有机物生成三卤甲烷、卤乙酸等具有三致作用的消毒副产物。二氧化氯消毒的副产物虽然比氯消毒少,但仍会产生亚氯酸盐或氯酸盐等消毒副产物。相比于氯消毒,氯胺消毒产生的总卤乙酸和三卤甲烷的总量分别降低了69. 1%与 89%,减少了一种消毒副产物二溴一氯甲烷,但氯胺投加顺序和比例不正确仍然会产生三卤甲烷、卤乙酸等消毒副产物。因此,消毒措施不当仍会导致供水管网水质的二次污染。 

2.5其他因素对水质的影响 
      除上述主要成因外,其他诸如管道抢修、管道渗漏、污水的虹吸倒流等也会造成较为严重的污染问题。此外,用户端不卫生、用水时段变化和水力条件改变等原因也会引起水质的变化。
( 1) 管道抢修渗漏: 管道出现渗漏和破损抢修是供水管网中不可避免的事情,埋地管道在挖掘上层覆土时,在外力的扰动下破损管道周围的泥土进入到破损管道造成污染。另外,在管道抢修时通常会关闭周围阀门,当管道修好通水时,在管道水快速启闭的扰动下管道内沉积的杂质会被冲刷出管道造成供水管网供水二次污染。
( 2) 污水虹吸倒流: 供水管网不可避免会存在生活饮用水和非生活饮用水混合使用的情况,在这些交接部位,由于用水量相差过大出现负压,在没有设置防倒流装置时,非生活饮用水易从用水量小处的出水口倒吸进入管道。另外,由于农村管网多以树状延伸,一些支管易在输水管的虹吸作用下产生回流。
( 3) 用户端水污染: 用户端水龙头是供水终端,由于水龙头处在气、液、固多相界面交界处,因此也是腐蚀较为严重的部位,这也是造成供水二次污染的成因之一。
( 4) 用水时段变化: 每天早晚用水户用水较为集中,其他时段用水量相对较少,在用水量变化的水力扰动下,供水水质会发生变化。另外不同季节同样会有水质变化,夏季供水管网消毒剂衰减较快,容易滋生微生物影响供水水质。
( 5) 水力条件变化: 当某一管径中水的流速超过一定界限,水的流动状态就会从层流转为紊流状态,从而增大对管壁表面的冲刷,造成管壁沉积物和腐蚀物脱落从而导致水质恶化。

三、农村供水管网供水二次污染防治措施

       农村供水管网供水二次污染成因复杂,产生的末梢水水质相较出厂水水质恶化的问题也普遍存在。因此需要采取综合有效的防治措施才能降低供水在管网传输过程中产生的二次污染问题。

3.1加强供水水质管理,提高水质稳定性 
       浊度是最直观、最普遍的水质检测指标,它是多种指标的综合反映,被称为多功能指标,浊度的大小可间接体现水中杂质与溶解性物质的多少。研究证明,当浊度降至 0. 1 NTU时,可除去大部分有机物。我国《生活饮用水卫生规范》( GB5749—2006) 中浊度标准小于等于 1 NTU,由于农村供水工程检测水平相对较低,管理人员专业化水平较弱,可将浊度作为控制水质的重要参数,严格控制浊度值可提高水质稳定性降低二次污染风险。对于水质化学稳定性的调控,农村供水工程比较容易调控的是 pH 值,《生活饮用水卫生规范》( GB 5749—2006) 规定集中供水工程的出厂水 pH值应介于 6. 5 ~ 8. 5,农村常用的消毒剂和混凝剂为氯消毒剂和铝盐混凝剂,这些药剂导致出厂水的pH 值偏酸性,具有一定的侵蚀性。因此,有条件的农村水厂可利用添加石灰的方式调节 pH 值,从而保证水质的化学稳定性。余氯的衰减速度受管材类型、季节、管径大小等多种因素影响。在不同管材中,余氯衰减速率不同,余氯在铸铁管比塑料管的衰减速度快。夏季温度较高余氯衰减速度比冬季快。余氯在小管径比大管径中衰减速度要快。因此,出厂水的余氯量应考虑多种因素而定。在城乡供水一体化等长距离供水中,为保持管网中的持续消毒能力减少消毒副产物的产生,可在供水管网中二次加氯。另外,可依靠现代化监控手段,在管网中设置在线监测仪,根据监测结果对加氯量进行自动化调整。

3.2合理选用供水管材,降低污染可能 
      农村供水工程管材选用应依照以下原则。 
( 1) 安全可靠: 农村供水使用的管材应对身体无毒无害,长时间浸泡不出现有害物质,管材质量符合《生活饮用水输配水设备及防护材料卫生安全评价规范》,该标准是评判生活饮用水输送管材卫生安全性的参考依据。
( 2) 不易腐蚀结垢: 农村供水存在点多、线长、面广的特点,水在管道中停留时间较长,且 质稳定性相比城市供水水质稳定性较差,因此选用的管材表面应具有防腐措施,并且管道表面应光滑、水力条件好,使得污染物不易在表面附着,农村小管径供水管材宜选用塑料管。 
( 3) 使用寿命长: 为防止因渗漏、维修而导致外源污染物进入管网,造成管网供水二次污染,农村供水管材应选用维修量少、无需经常更换、具有较长使用年限的管材。 

3.3提高二次供水设施质量,加强设施管理 
      农村供水单位应依照当地实际用水量并结合《村镇供水工程技术规范》( SL 310—2019) 对二次供水设施进行设计和施工,可在蓄水池内设置导流板或导流墙,从而保持水的流动性,以减少死水区域。对于水泥砌筑的蓄水池表面应添加防腐材料,防止有害物质的渗出,在一些有条件的农村地区可使用新型不锈钢水箱替代原有混凝土水箱。另外应加强对二次供水设施的管理,定期对蓄水池进行冲洗,以防污染物在池中堆积溢散。蓄水池池口应加盖以防止外源污染物进入。若池中水存留时间较长,应补加消毒剂,抑制微生物的繁殖。 

3.4选择适宜消毒措施,减少微生物风险 
      为防止农村供水管网供水二次污染的产生,消毒剂的选择主要考虑是否有持续消毒能力,以及是否有消毒副产物产生。对于长距离的农村供水管网,应选用氯、氯胺、二氧化氯等有持续消毒能力的消毒剂进行消毒。当有机物含量较高时,宜使用氯胺和二氧化氯等消毒副产物少的消毒剂进行消毒。紫外线和臭氧等措施虽然无持续消毒能力,但产生的消毒副产物较少,对于短距离农村供水可使用紫外线、臭氧消毒或将它们和其他消毒方式联合使用。 

3.5建立水质安全监测体系,保障供水安全 
       通过管网水质监测可及时了解水在供水管网中水质变化情况,从而有针对性地对农村供水工程进行处理工艺改良以及管网维护和改造。应当改变当前管网水质监测不科学、时间间隔长的现状。可在管网中增设在线监测设备,从而能实时掌握管网水质变化情况,还可结合水质模型和管网水力学模型,为供水水质安全作出推演作用的污染风险预警。


四、结语

       随着乡村振兴战略的全面推进,农村居民对饮用水的要求将不局限于水量上,对水的质量也会有更高的要求。农村供水管网供水二次污染有效防治是提高用水户水质的一个重要环节,也是农村供水管理单位日常运行管理中的一个薄弱环节。农村供水单位应在不断改进水处理工艺提升出水厂水质的同时,加强供水管网二次污染成因剖析,完善二次污染防治措施,进一步提升农村供水保障水平,全方位保证农村居民喝上安全水、放心水、幸福水。



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