栏目导读
中国科技核心期刊《净水技术》关注我国供排水和工业水处理生产一线的实际问题，打造一线生产技术人员实战经验的分享平台。本栏目内容主要选自发表于《净水技术》“供排水企业运行及管理成果专栏”的原创论文或由《净水技术》情报资讯板块精选翻译的国外经典文献，供同行交流参考。
本期摘要
如果将供水系统看作为一个整体，充分了解水质在输配系统中是如何被影响的，是确保饮用水的关键。本文总结了输配系统中可能对水质产生影响的若干核心因素，帮助初入行的生产运行人员厘清思路，了解实用的概念和知识点。
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当原水（地表水或地下水）通过水厂的净化处理后，就必须要被输送到用户来进行日常的使用。当处理过的水从水厂到居民室内输配系统的入口过程中所产生的水质变化，水厂常规处理和深度处理过程就难以对之进行控制。
生产运行人员每天都必须处理各种各样的输配系统的问题，其中有许多问题的关注点是保证足够的压力和流量。其中有些问题涉及的领域可能在供水系统生产运行人员的控制范围内，有些可能在控制范围外，但生产运行人员必须了解这些问题，以便以足够的压力向每个用户提供足够的水量。
此外，供水企业提供安全的水，使满足用户和监管机构对水质的期望，这一点至关重要。输配过程和储水系统是防止水质污染的多重屏障中重要的组成部分，每个组成部分都必须进行优化，以便在将水输送给用户过程中防止污染，提供最大程度的保护。本文涵盖了一些可能影响输配系统水质的最常见因素。
当处理后的水离开水厂，在输配系统保持水质就是供水系统生产运行人员的首要任务。
水龄
生产运行人员可能面临的水质挑战之一是尽量减少输配系统中的水龄或称为停留时间。停留时间是指水从进入点到使用点之间在输配系统中停留的时间，水龄越短越好。
为了帮助减少停留时间，生产运行人员需要在可能的情况下对输配系统储水池的进水和排水周期保持一个基本的规律。高位水池一般在夜间用水量需求低的时候装满，在白天用水量高的的时候逐渐排空。这种“循环”可以保证水在水池中的停留时间不会长于必要的水平。例如，某个生产运行人员对某个高位水箱选择采取进水到90%容量并放空到30%容量的运行周期，并反复循环执行该策略。当确定了这样一个运行规则并执行，就能帮助确保该水池中的水不会停留时间过长而“陈旧”。偶尔的，运行人员也会选择实行“审读循环”的策略，让水池中的水存留的更少，以贮水背充分使用，而不是比平时停留更长的时间。具体如何确定水池进水和放空的策略，就取决于生产运行人员的经验，以及供水系统的需求了。
缩短停留时间的其他方法是通过冲洗管网的死水区，死水区是输配系统中管道不循环的部分，水可能长时间停留在那里而变得陈旧。许多供水系统可能已经有了冲洗管网死水区的计划，他们定期冲洗这些区域（如每周或每月）。如果目前供水系统还没有死水区的冲洗计划，那么进行冲洗可以改善水质，并可能减少用户投诉和可能的水质违规。冲洗可以通过安装自动冲洗装置或使用消火栓来完成（照片1）。
照片1. 一个定期的、系统化的、全系统的冲洗计划可以带来长期的水质改善
减少输配系统中的停留时间可以防止一系列潜在的水质问题，比如生物膜的形成、硝化反应、腐蚀和消毒副产物（DBPs）的生成。在使用氯胺作为终端消毒的系统中，较长的停留时间会促进硝化作用，并在系统中发生细菌再生现象，导致生物膜的产生。生物膜一般可以在系统中水已经变质或残留消毒剂减少的位置开始生长。生物膜为大肠杆菌和军团菌等致病菌的生长提供了环境，因为消毒剂无法有效地到接触到它们。此外，生物膜会对消毒剂造成额外的消耗，可以迅速减少消毒剂的残留量。而且，因为生物膜是有机物质（细菌），它可以与氯化物反应，生成消毒副产物，如三卤甲烷（THMs）。
过长的停留时间同样可能增加腐蚀的机会。二氧化碳会被溶解在水中进入输配系统，形成碳酸。这会降低水的pH值，如果还有足够长的停留时间，就会导致输配系统中管道和水池内部的腐蚀。此外，腐蚀的过程会氧化系统中的铁形成铁锈，增加被用户称之为“红水”的机会。“陈旧”的水也会增加各种嗅和味的可能，导致用户的投诉。这些问题在随后的章节里会更详细地讨论。
生物膜
可以安全饮用的水并不是完全无菌的，也不是化学上绝对纯净的。它可能含有微生物以及有机和无机溶质。这些溶质，特别是自然的有机物，为异养细菌提供了营养和能量，这些细菌最初以单个细胞或悬浮在出厂水中的细胞团的形式进入输配系统，被称为浮游生物。在浮游状态下，当营养水平足够低和/或有足够的消毒剂残留时，输配系统不会被异养细菌认为是个好地方。具有这种抑制微生物生长的条件，水可以被称为生物稳定，这是用户希望得到的状态，基本上可以延长水的“保质期”。
生产运行人员可以生产出更少受水龄、生物膜形成、硝化作用、腐蚀和消毒副产物形成潜力影响的水。
输配系统中的浮游细胞可能粘附在管壁等表面。粘附在表面上的细胞将进入一个新的环境，这个环境通常比它们在水中生存的环境更有利。生物膜最终可能会在拥有一个复杂微生物群落的表面中形成，包括涉及多种类型的细菌和细胞排泄的大量物质，这些物质被称为胞外聚合物质。生物膜的结构可能是复杂的形式，以便为细胞提供保护，抵御消毒剂，保留营养物质，并促进菌落的生长，最终可能释放出浮游细胞，在输配系统的更下游表面增殖（图1）。生物膜是细菌的天然家园，浮游状态则是细菌对外散布的一种手段。如果允许大量的颗粒物质在管道和储存设施的底部沉淀，那么可供形成生物膜的表面积就会大大增加。
图1. 管道横截面中的生物膜形成
管网内的沉积物为生物膜的形成和生长提供了一个良好的环境，这将会导致对大量消毒剂的消耗。
硝化作用
游离氨（NH3）在地表水中天然地存在，但浓度很低。它在水处理中与氯（Cl2）一起使用会生成氯胺。氯胺比Cl2更持久，也不像Cl2那样有生成消毒副产物的风险，但它也有自己的一些潜在的问题，必须加以监测。使用氯胺作为消毒剂的供水系统会随着水龄的延长和硝化作用的发生而变得有问题。
硝化作用是NH3被氧化的过程。氯胺随着时间的推移而降解，NH3水平会随着降解的发生而上升。NH3可作为某些微生物的食物来源，随着硝化作用的进行，导致水质的整体恶化。当微生物代谢NH3时（图2），会产生亚硝酸盐（NO2-），然后进一步代谢并转化为硝酸盐（NO3-）。硝酸盐不容易降解，可以在输配系统中堆积，造成水质问题和有害的健康影响（如蓝婴综合症）。用户的接入处的硝酸盐-N的最大污染物水平（MCL）是10毫克/升，但目前在输配系统中没有进行限制。
图2. 氮循环
硝化作用的表现包括残余氯的损失和亚硝酸盐和/或硝酸盐浓度的增加。
输配系统应定期监测硝化事件的早期预警表现。应监测的水质参数如pH值、温度、碱度、氯胺、NH3、NO2-和NO3-，以便在发生硝化反应时采取行动。发生某种程度的硝化反应可以从以下常见指标的即时数据变化趋势中看出：如pH值下降；温度升高；氯和氯胺的浓度下降；NH3、NO2-和/或NO3-增加（表1）。各种价态的氮中的任何一种浓度增加都可以表明系统中该特定区域中发生了硝化反应。
表1. 表征消化反应的因素
硝化反应过程中水质的变化
硝化反应可以通过定期的监测，以及对低用水量/高水龄的地区进行冲洗来控制，例如用户入住率低的地区和/或管网的死水区。在基础设施老化的地区，硝化反应也可能成为问题，因为有沉积物结垢的旧管道提供了更大的表面积，增加了形成生物膜的可能性。因为异养菌平板计数（HPCs）能够帮助估计水样中的细菌数量，因此通过异养菌平板计数来监测异养菌也是有帮助的。人们普遍认为，当异样菌的浓度较低时，水质较好。
在德克萨斯州，德克萨斯州环境质量委员会于2015年开始强制施行硝化反应行动计划（NAPs），以帮助控制使用氯胺的公共供水系统（PWS）中的硝化问题。每个公共供水系统被要求监测用户接入点和输配系统中有代表性的采样点；许多供水系统使用修订的总大肠菌群规则点作为其NAPs监测点，触发黄色“警报”和红色“报警”用于表明何时以及根据样本结果必须采取何种行动（例如，主管通知、纠正行动等）。NAPs作为一个早期预警系统，可用于监测和缓解输配系统中硝化反应造成的水质恶化。
腐蚀
腐蚀是一个自然发生的过程，通过电化学反应（生锈）使金属、金属合金和混凝土等材料钝化。由于腐蚀通常产生的化合物的物理化学性质较差，如抗拉强度、抗压强度、弹性和耐化学性等，因此，腐蚀是基础设施（包括输配系统）发生结构和机械故障的主要原因之一。与金属和其他无机材料不同，塑料是由有机物制成的，通常不会发生电化学反应。相反的，塑料经常会通过直接接触溶剂和其他腐蚀性化学品和/或光化学（紫外线）过程而被降解。
腐蚀可由许多因素引起，包括氧气、水分（水）、酸度、碱度和电流。输配系统输送水，通常被埋在地下，那里也有土壤水分存在。此外，输送的水的水质也会影响到输配系统的腐蚀。所有这些因素使腐蚀成为输配系统生产运行人员的一个长期挑战。由于腐蚀是一个相对缓慢的过程，而且往往开始于平常看不见或无法触及的地方，所以定期监测和日常预防性维护是至关重要的。
这篇综述文章应使运营者意识到他们在水处理和向用户提供安全、感官好的产品方面，会起到关键性质的因素。
除了结构和机械性故障，如泄漏、主管道断裂、阀门和水泵故障外，输配管道内部的腐蚀（即内部腐蚀）也会造成一些健康、感官和运营中的问题，包括以下内容：
金属物质的泄露，比如铜、铁、铅和锌
较低的余氯浓度
微生物的再生，生物膜的形成，以及潜在的大肠杆菌阳性
潜在的硝化反应
有颜色的水
浑浊度
金属味
导致发生管道沉积以及压力问题
腐蚀有几种类型，包括 均匀腐蚀、点状腐蚀、电化腐蚀 和 微生物影响的腐蚀 。应避免两种类型的金属或合金直接接触，以防止电化腐蚀。微生物活动，如硝化作用和硫酸盐还原，也会影响腐蚀的程度。控制管道内生物膜的形成对于防止微生物造成的腐蚀至关重要。
图3. 管道横截面腐蚀的化学反应示意图
钢、铸铁和球墨铸铁管，以及铜和不锈钢管都会发生腐蚀。
1.从左起，阳极氧化/还原作用导致管道中的点蚀，因为管道中的铁元素（Fe）溶解到腐蚀性的水中，铁离子（溶解的铁[Fe2+]）被释放到水中。
2.铁元素还原后释放的电子（e-）与溶解的氧气（O2）和水（H2O）反应，在阴极/氧化反应过程中产生氢氧根离子（OH-）。
3.氢氧根离子（OH-）被释放到水体中，与溶解的亚铁离子（Fe2+）反应，形成氢氧化铁（II）（Fe（OH）2）。
4. Fe(OH)2发生脱水，产生不同数量的H2O，铁锈（氧化铁[Fe2O3]）从水体中沉淀出来，附着在水管上。如前文所述，铁锈增加了管道的比表面积，增加了生物膜的形成潜力。
水的腐蚀性可以用几个参数来评估，如朗格莱尔饱和度指数（LSI）、雷兹纳稳定性指数、侵蚀性指数和碳酸钙沉淀潜力。LSI是最广泛使用的指数值之一，可以通过以下公式计算。
LSI=pH–pHs [1]
其中pHs是饱和pH值，可通过以下方式计算：
pHs=(9.3+A+B)–(C+D) [2]
其中，A=（log10溶解性总固体-1）/10，
B=-13.12×log10（摄氏温度+273）+34.55，
C=log10[碳酸钙（以Ca2+计）]-0.4，
D=log10[碱度（以CaCO3计）]。
LSI如为负值表示水有腐蚀性，如为正值表示水有成垢性。应避免严重的腐蚀倾向（LSI<-0.5）和结垢倾向（LSI>0.5）的情况。硬水通常是碳酸钙（CaCO3）的过度饱和，并导致过度结垢，这会减少管道和设备的内径，增加管网压力甚至导致它们失效。轻微结垢的水（LSI>0且<0.5）是可取的，因为它在输配系统中会形成一层保护性的CaCO3涂层。如果出厂水具有腐蚀性，可以使用pH值调整和/或使用腐蚀抑制剂，如磷酸锌和硅酸盐来控制腐蚀性。表2显示了影响腐蚀的参数以及水质如何随着腐蚀潜力的增加而恶化。
表2. 腐蚀的因素
腐蚀过程中水质的变化
补氯以及消毒副产物
为了防止输配系统中微生物的重新生长，以及防止大肠菌群样品检测的阳性，需要保持适当的消毒剂残留，无论是游离氯、氯胺，还是二氧化氯。消毒剂余量会随着水在管道、中间水库和水池水箱中的老化而衰减。保持适当的消毒剂余量有时是个挑战，特别是在气候温暖的月份。在使用氯胺作为二级消毒的地方，氯胺衰变释放的氨可能导致硝化作用、嗅和味的问题，并导致大肠菌群样品检测阳性。有几个物理化学参数会影响消毒剂残留物的稳定性，包括pH值、温度、碱度、硫化氢（H2S）、亚硝酸盐、溴化物和溶解性有机碳（DOC）。如果不能保持稳定的消毒剂残留量，就需要补氯。
与提高氯胺相比，提高游离氯的余量是相对简单的。然而，额外的氯化消毒副产物，如三卤甲烷和卤乙酸，可能会因为增加了额外的游离氯而生成。因此需要仔细考虑，以防止它们在输配系统中超过最大污染物限值（MCL），特别是如果出水中的溶解性有机碳浓度很高的情况（即消毒副产物的生成势会很高）。
提高氯胺残留量更具挑战性，因为生产运行人员需要考虑几个不同的因素，包括待提高的水中的游离氨、一氯胺和总氯的浓度。游离氯与氨氮的进料比例通常设定为5:1。重要的是要在补氯后保持较低的游离氨水平，以防止形成二氯胺和三氯胺，否则可能会导致用户因嗅和味而投诉。同时，应避免折点加氯。如果存在过量的游离氨，硝化的机会就会增加。补氯后应使用分析仪连续监测游离氨、一氯胺和总氯的实际浓度，因为有几个因素可能会影响实际的氯胺余量，包括水温、氯的下降（如果使用次氯酸钠）以及化学进料泵的变化。
对于生产运行人员来说，正确监测消毒剂余量并调整使用补氯用的储罐中的氯胺化学品进料是至关重要的，因为当不同水平的氯胺残余物混合在一起时，折点曲线的化学平衡会发生变化。当补氯用于混合两种使用不同消毒剂的成品水的系统时，这一点尤其重要。混合后，随着游离氨浓度的降低，氯与氨氮的比例会增加，最终导致无意的折点和所需的一氯胺减少。
交叉连接和倒流
现在已经公认的是，输配系统中最大的风险是由于交叉连接和倒流事件导致的污染物进入。尽管输配系统必须以规定的压力和流量输送出厂水供用户使用，一旦供应到用户的水决不允许再回流到输配系统中去。不幸的是，在各种规模的供水系统中，已经记录了一长串已知的类似的污染事件，甚至更多的未知的污染事件也可能已经悄然发生。
交叉连接和倒流会影响水质，并使公众暴露在微生物和化学污染的危险中。可立即采取的纠正措施包括审查公用事业部门对管线交叉连接的控制计划中的测试和检查记录及程序，然后隔离和冲洗。调查倒流事件可能会受益于定位用户投诉来源，并使用容易测量的水质参数来定位污染源。
理解输配水系统中的水质
通过了解水质如何受到输配系统中各种因素的影响，生产运行人员可以最终向用户提供降低水龄、减少生物膜形成、减少硝化、腐蚀和消毒副产物生成可能性的水。这篇概述文章应使生产运行人员意识到他们在水处理和向用户提供安全、感官好的水中的关键作用。
来源：原文出自AWWA的J Opflow，原文标题《Operators Need to Know Basics of Distribution System Water Quality》。
作者：Hunter Adams,Steve Ash,Keisuke Ikehata,Laith Furatian,Mark Southard
翻译：由上海《净水技术》杂志社执行主编阮辰旼翻译，汇编于，欢迎订阅。
排版：《净水技术》编辑 李滨妤
审核：《净水技术》社长/执行主编 阮辰旼
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