管道环氧树脂喷涂修复对供水管网水质安全的影响研究 78页

'管道环氧树脂喷涂修复对供水管网水质安全的影响研究(申请清华大学工学硕士学位论文)培养单位：环境学院学科：环境科学与工程研究生：李明明指导教师:刘书明副研究员二○一五年五月 EffectofEpoxyLiningonWaterSafetyinUrbanWaterDistributionSystemThesisSubmittedtoTsinghuaUniversityinpartialfulfillmentoftherequirementforthedegreeofMasterofScienceinEnvironmentalScienceandEngineeringbyLIMingmingThesisSupervisor:AssociateProfessorLiuShumingMay,2015 摘要摘要城市供水对保证工业生产和市民的健康生活有着重要的作用，而供水管网的“老龄化”给城市供水带来了新的挑战。特别是铺设铸铁管的供水管道，在服役一段时间后会出现管内腐蚀结垢、供水压力降低，有时候还会出现“黄水”和“红水”。因此，对供水管线进行更新改造日益受到人们的重视。喷涂修复工艺采用环氧树脂涂料，利用内旋风技术，首先带动石英砂打磨管线内壁，起到除锈效果，然后将环氧树脂涂料均匀地涂在管线内壁，在涂料干燥后形成内衬保护层，保护膜光滑致密、保护性能好、使用寿命长。本文以研究旧铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管三种不同管材的溶出特性和环氧树脂喷涂修复技术对供水管网水质和水压的影响为目的。在实验室内分别研究了浸泡时间长短、pH、温度、初始余氯浓度和不同源水对不同管段水质的影响。生活小区喷涂实验则在喷涂前后分别对水质水压监测点进行测量，然后分析这种喷涂技术对生活小区管网水质和水压的实际影响。通过研究发现：环氧树脂内衬铸铁管相比于旧铸铁管和水泥砂浆内衬铸铁管而言，表现出了一定的优越性。如可以减小管网水余氯消耗、降低浊度和维持pH值稳定、减少Fe和Mn的溶出。但是这种管材在使用的过程中会析出有机物，对供水造成潜在威胁。此外，在居住小区现场喷涂后，小区供水管网的节点压力平均提高0.46m，可以改善水力条件，降低供水能耗。喷涂后1周TOC值降低为喷涂前的60%，Fe含量减小为原来的8%。对于余氯，喷涂改造后观察到其含量有减小的趋势，喷涂后1周余氯值为喷涂前的86%。对于浊度、pH、Mn、Cr、Pb和Cu等指标，在喷涂前后并没有发生显著的变化。关键词：供水管网；环氧树脂喷涂；溶出特性；水质；水压I AbstractAbstractUrbanwaterdistributionsystems(WDS)playanimportantroleinsupportingindustrialdevelopmentandprovidingcitizenswithsafedrinkingwater.However,pipeagingleadstonewchallengesinurbanwatersupplymanagement.Incastironpipelines,rustwillbegeneratedinthepipes’interiorandWDSnodepressurewilldecreaseafterseveralyears.Sothepipelinerehabilitationisbeingpaidincreasingattentionto,nowadays.Thematerialusedintheepoxyliningtechniqueisepoxyresin.Itremovesrustontheinnersurfaceofpipeswithsilicasandandspraysepoxyresinintotheinnersurfaceofpipes.Thenewlininglayershowsbetterprotectionperformanceandanincreasedpipelifeexpectancy.Theobjectivesweretoresearchthedissolutioncharacteristicsofthreedifferentpipe--anoldcastironpipe,acementmortarliningpipeandanepoxyliningcastironpipe--andtounderstandtheeffectofepoxyliningonwaterqualityandnodepressureinthedistributionsystem.Watercontacttime,pH,temperature,chlorineconcentrationandwatersourceweretakenintoaccount.DataonwaterqualityandnodepressureinawaterdistributionsystemincommunityXwerecollectedandanalyzedwithregardtotheinfluenceofepoxyliningonthewaterpipelinesystem.Itcouldbeshownthattheepoxyliningcastironpipehadadvantagesovertheothertwopipetypes:Itsturbiditywassignificantlylower,itspHstable,anditschlorineconsumptionandthedissolutionofFeandMnwerereduced.However,itwasfoundthattheconcentrationoforganicmatterwasincreasedintheepoxyliningcastironpipe.Inaddition,thenodepressureheadinthepreviouslymentionedwaterdistributionsystemwasincreasedby0.46monaverageaftertheepoxyliningtechniquewasapplied.Therefore,thistechniquecouldimprovehydraulicconditionsinthepipesystemandreduceitsenergyconsumption.TheconcentrationoforganicmatterandFewasreducedto60%and8%,respectively,inoneweekaftertheepoxyliningwasapplied.Theconcentrationofchlorinealsodecreasedto86%aftertheepoxylining.Moreover,itwasalsoobservedthattherewasnoremarkablechangeinturbidity,pH,Mn,Cr,PbandCuconcentrations.Keywords:waterdistributionsystem;epoxylining;dissolutioncharacteristics;waterquality;waterpressureII 目录目录第1章引言.................................................11.1研究背景...................................................11.1.1城市供水管网系统水质安全问题...........................11.1.2传统开挖修复方法.......................................21.1.3非开挖更新修复方法.....................................21.2环氧树脂喷涂修复技术......................................41.2.1基本概念...............................................41.2.2施工方法...............................................51.2.3环氧树脂喷涂修复在城市供水管网中的应用研究现状.........61.2.4目前研究中存在的问题...................................91.3研究目的及内容............................................101.3.1研究目的..............................................101.3.2研究内容..............................................101.4技术路线..................................................10第2章实验部分............................................122.1实验主要试剂与仪器设备....................................122.1.1主要试剂..............................................122.1.2主要仪器..............................................122.2实验室喷涂试验............................................122.2.1实验管材..............................................122.2.2浸泡实验方法..........................................132.3现场喷涂试验..............................................152.3.1实验小区..............................................152.3.2小区压力与水质监测点的选取............................162.4实验分析方法..............................................172.4.1余氯、浊度和pH值的测定方法...........................172.4.2有机物的测定方法......................................182.4.3金属离子指标的测定方法................................18第3章旧铸铁管、水泥砂浆和环氧树脂内衬铸铁对水质的影响.....193.1三种不同实验管材的表征....................................19III 目录3.1.1三种不同实验管材扫描电镜（SEM）表征...................193.1.2三种不同实验管材X射线能谱（EDS）表征.................213.2不同时间条件下水质的变化情况..............................233.2.1不同时间条件下余氯、浊度和pH值的变化.................233.2.2不同时间条件下有机物的变化............................263.2.3不同时间条件下金属离子的变化..........................273.3不同初始pH值条件下水质的变化情况.........................303.3.1不同初始pH值条件下余氯、浊度和pH值的变化............323.3.2不同初始pH值条件下有机物的变化.......................343.3.3不同初始pH值条件下金属离子的变化.....................343.4不同温度条件下水质的变化情况..............................363.4.1不同温度条件下余氯、浊度和pH值的变化.................373.4.2不同温度条件下有机物的变化............................383.4.3不同温度条件下金属离子的变化..........................393.5不同初始余氯条件下水质的变化情况..........................403.5.1不同初始余氯条件下余氯、浊度和pH值的变化.............413.5.2不同初始余氯条件下有机物的变化........................423.5.3不同初始余氯条件下金属离子的变化......................433.6不同源水条件下水质的变化情况..............................453.6.1不同源水条件下余氯、浊度和pH值的变化.................453.6.2不同源水条件下有机物的变化............................463.6.3不同源水条件下金属离子的变化..........................463.7本章小结..................................................48第4章环氧树脂喷涂修复对小区供水管网系统的影响研究........494.1环氧树脂喷涂修复对小区供水管网节点压力的影响研究..........494.1.1喷涂小区进水口节点压力的变化情况......................494.1.2喷涂前后小区供水管网节点压力的变化情况................504.2环氧树脂喷涂修复对小区供水管网水质的影响研究..............524.2.1喷涂小区进水口水质的变化情况..........................524.2.2喷涂前后小区管网内余氯、浊度和pH的变化情况...........564.2.3喷涂前后小区管网内有机物的变化情况....................574.2.4喷涂前后小区管网内金属离子的变化情况..................584.3环氧树脂喷涂修复技术在实际应用中的改进....................614.4本章小结..................................................62IV 目录第5章结论与建议..........................................635.1结论......................................................635.2建议......................................................64参考文献.....................................................65致谢......................................................69声明......................................................70个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果..................71V 第1章引言1引言1.1研究背景1.1.1城市供水管网系统水质安全问题伴随着城镇化的不断发展，越来越多的公民将会居住在城市中，这会导致整个城市的需水总量不断增加，对饮用水的水质要求也会越来越高，给城市供水带3来新的挑战。北京人均水资源占有量仅仅约为300m，低于国际公认的标准3[1]1000m。城市供水管网在整个供水系统中占有重要地位，是保证供水安全的重要环节，同时也会影响供水公司的经济效益和社会效益。八十年代之前的供水管材主要有自应力钢筋混凝土管、灰口铸铁管和石棉管，这以后采用的供水管材有球墨铸铁管、聚乙烯管和内壁有涂层的金属复合管。城市供水管网系统在服务一定时间后，会因为自身老化而对供水造成一定的危害。据研究统计，金属管和混凝土管的平均寿命约为100年，而塑料类管道的平[2]均寿命约为其一半。（1）水量方面：城市供水管网的腐蚀老化会造成漏失和爆管，不仅浪费水资源，而且还会对市民的生活带来不便。世界城市供水管线的平均漏损率为17%；[3]而在中国，这个漏损率高达25%。2002年西安市供水管网因为管道老化水资源3[4]漏失量约为840.6万m。老化的管线在受到外界环境改变时极容易发生爆管。[5]2006年，邵阳市自来水公司共发生1523次管道漏水和爆管。城市供水管网发[4]生腐蚀后，缩小了过水断面，增加了粗糙系数，影响其输配水能力。（2）水压方面：随着城市的不断扩张，老城区内也进行了相应的拆迁建设，用水量不断提升，但由于老城区铺设的供水管线时间较早，管径较小，致使管网[5]内水头损失过大。输水能力不足和供水压力偏低，制约了城市的进一步发展。另一方面，老化的供水铸铁管会在管道内部形成腐蚀瘤，减少过水断面，加大管网内水头损失过大，导致部分地区供水压力偏低。（3）水质方面：较早铺设的供水管线，在经过一定时间后，金属管道内都会产生一定的锈蚀，影响供水水质。大多数自来水厂的出水水质都符合国家生活[6]饮用水卫生标准《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006），但是经过城市供水管网后水质出现恶化，导致用户龙头出水浑浊、色度、铁含量和细菌总数等指标[7,8,9]超标等现象，影响人们正常生活。当供水管线内流速发生急剧变化时候，也会造成锈蚀成分脱落，形成“黄水”。2003年3月，绍兴市某供水管道发生爆管，[11]管内流速骤升，流态紊乱，在全市范围内产生了大面积“黄水”。管道有时候1 第1章引言[12]还会出现“红水”。供水系统腐蚀的发生涉及到水质的腐蚀性、管材的耐腐[13,14]蚀性能和水流动状态等多种因素，控制“红水”的方法目前主要有调整水质，[15][16]采用耐蚀管材，投加缓蚀剂等。牛璋彬研究表明管材是影响管道铁释放量[17]的一个重要因素，有内衬铸铁管是无内衬铸铁管中铁释放量的一半。加速管材[18]改造工程，使用内衬球墨铸铁管、PE等管材，可有效降低“红水”发生的概率。鉴于供水管网老化所带来的影响，因此需要对管网进行更新修复。如何经济有效地对城市供水管道进行更新改造，是目前城市面临的一个重要问题。1.1.2传统开挖修复方法对于城市比较老旧的供水管道而言，传统的更新改造方法就是开挖法。所谓开挖法：即沿着供水管线进行开挖，然后进行管道的修复，最后再回填沟槽。这种做法的优点是：(1)重换管道后使用时间长；(2)不影响通过流量，没有过水断面损失。缺点是：(1)开挖施工过程中会给附近环境造成一定的不利影响；(2)开挖施工成本较高；(3)施工速度较慢。这种修复方法适用于对交通影响较小的场地。1.1.3非开挖更新修复方法早在20世纪70年代，非开挖管线修复技术就已经开始应用在日本、美国和英国等国家。它首先兴起于石油、天然气行业，之后逐步应用在城市供水管线的[19]更新改造中，至今已经出现了许多知名的修复产品生产厂家和工程承包商。非开挖管线修复技术可以分为整体修复和局部修复，整体修复指的是对某段管线整体进行修复。如爆（碎）管法、折叠变形法、穿插法、缩径法和喷涂法等。局部修复指的是只对管道的损害点进行修复。如补丁法、机器人法和注浆法等。（1）爆（碎）管法：这种做法是将一种碎管设备放入到旧管中，将旧管线沿途破碎并将其压入到周围的土壤中，之后再将新的管线拖入其中。该方法的优点是：(1)施工周期短；(2)一次安装的长度长；(3)避免了过水断面减少的缺点。但是这种方法也存在一些局限：(1)碎管设备的震动可能会对周围的其他管线和[4]设施造成影响；(2)旧管碎片也会对新插入的管线造成一定程度的影响等。（2）穿插法：该方法是指在旧管线中穿插入新的管线，然后在新旧管线之间进行注浆稳固，通常所采用的新管线是聚乙烯（PE）管。这种方法适应于圆形断面的管道，适用直径75~900mm，适用于有富裕供水能力的给水管道。这种方法的优点是：(1)工艺简单，易学易做；(2)一次性修复的距离比较长；(3)对周围的环境和交通影响比较小；(4)成本低，寿命长。但是这种方法也存在一些局限：(1)过水断面损失大；(2)新旧管线之间的缝隙小，注浆困难；(3)新内衬管不能通[20]过管网连接点，需要单独处理；(4)新管在穿插过程中可能会有所划伤等。2 第1章引言（3）折叠变形法：这种方法使用聚乙烯（PE）或者聚氯乙烯（PVC）等塑料管作为新内衬管，施工前将其加热并折叠成U型或C型，减少新内衬管的截面面积，减少被拉入时候与旧管道间的摩擦阻力。用卷扬机将内衬管穿插进旧管后再利用加压或加热的方式使其恢复原型，与旧管线紧密结合,达到防腐和延长使用寿命的目的。该方法适用于的直径范围为100~1200mm。这种方法的优点是：(1)新旧管线紧密结合，无需对空隙注浆，管线过流断面损失小；(2)施工占用场地小；(3)管线连续无接缝；(4)对旧管线清洗要求低且施工周期短；(5)寿命较长且经济性较好。但是这种方法也有一些局限性：(1)施工时可能引起结构性破坏；[21](2)不适用于变形管道和非圆形管道。（4）缩径法：这种方法是指通过机械设备压缩内衬塑料管线管径，然后将其送入旧管道内，最后对其进行加热或加压操作，使其恢复原型并与旧管线紧密结合。这种方法的适用修复管径为75~1200mm，适用高密度聚乙烯管（HDPE）和聚乙烯管（PE）。这种方法的优点是：(1)新旧管线之间结合紧密；(2)修复后断面损失小；(3)可长距离修复；(4)对大曲率半径的弯管也适合。但是这种方法也有一定的局限性：(1)如果旧管线存在结构性破坏，这将导致施工困难；(2)对于变形管线和非圆形管线不适合；(3)对于主管线与支管线的结点处，需要单独开[2]挖处理。（5）翻转内衬法：这种方法是利用水压或气压将软管反贴在需要更新改造的旧供水管道内，然后对树脂进行固化，使旧管道变为具有防腐内衬层的新管道。这种修复方法应用范围广，适用于不同材质的管线和不同输送介质及不同几何形状的管线，适用管径约为50~2500mm。这种方法的优点是：(1)管线过流断面损失小；(2)开挖量小且施工速度快；(3)适用于几乎任何断面形状的管线；(4)修复费用低；(5)使用寿命长，可达到30~60年；(6)可提高管线的承压能力约3%~5%；(7)内衬管线内壁光滑，能增加约10%的流量。但是这种方法也有一定的局限性：(1)对旧管线内清洗要求较高；(2)在内衬管不能与旧管线贴合的地方容易形成起泡；(3)对工人的技术要求高，需要使用特殊的施工设备；(4)翻转内衬管可能导[2,22]致凹陷。（6）喷涂法：这种方法通常是在旧供水管道内喷涂一层有机膜以达到防腐的修复方法。根据使用的材料，可分为水泥砂浆喷涂法、环氧树脂喷涂法和聚酯树脂喷涂法等。其中水泥砂浆喷涂适用管径为100~4500mm，环氧树脂喷涂适用管径为75~600mm，聚酯树脂喷涂适用管径75~1600mm。这种修复方法的优点是：(1)施工速度快；(2)适应于不同的管径和弯曲度；(3)过流断面损失小；(4)不存在支管的连接问题；(5)经济性好。但是喷涂法也存在一定的不足：旧管线需要保持一定的结构完整性，这样才能进行喷涂修复。3 第1章引言（7）机器人法：这种方法使用遥控的机器人装置来进行修复的方法。如打开管道的支管口和切割管道的凸出物等。机器人装置一般配有各种施工工具，有时还包括照明系统和闭路电视摄像系统等。磨削机器人用来清除管道内侵入物，也能研磨裂缝，为修复材料的填充提供良好表面。填充机器人能向磨削过的裂缝里填充环氧砂浆，并能抹平填充材料表面，形成光滑内壁。机器人修复技术适用管径范围是200mm~750mm，较小型号机器人的典型应用管径范围是200mm~400mm，而较大型号的机器人适应用于直径大于300mm的管道。（8）注浆法：这种方法是在压力的作用下将浆液注入到管道的裂隙区从而达到防渗目的的一种修复方法。其优点是施工所采用的设备和材料费用低，缺点是施工周期长，施工质量不容易控制。城市供水管网在运行一段时间后会产生一些问题，影响城市供水的水量、水压和水质安全。因此，需要有步骤的对城市供水管网进行更新改造。管线非开挖修复技术由于能够减少施工对周围交通和环境的不便影响，所以渐渐受到人们的亲睐。环氧树脂喷涂修复技术就是非开挖修复技术的一种，由于其能经济有效地修复老旧供水管线，因此在国内外有着广泛的应用。1.2环氧树脂喷涂修复技术1.2.1基本概念环氧树脂是一种有机高分子化合物，其分子中通常含有两个或两个以上环氧基团。环氧树脂是一种热固性的树脂，具有优异的性能和成本低廉的优点，因此[23]被广泛应用在不同领域内。图1.1环氧树脂结构式环氧树脂喷涂修复工艺采用环氧树脂涂料，利用内旋风技术，首先带动石英砂打磨管线内壁，起到除锈效果，然后将环氧树脂涂料均匀地涂衬在管线内壁，在涂料固化后形成内衬保护层，保护膜光滑致密、性能好和寿命长。图1.2显示了环氧树脂喷涂前后旧铸铁管内表面的变化情况。4 第1章引言图1.2管道喷涂前后对比图1.3环氧树脂喷涂前除锈示意图待喷涂管道内的风动现象一般存在三种情况：低速时呈现出曲线波浪式运动形态，中速时呈现出旋转运动形态，高速时呈现出直线运动形态。该环氧树脂喷涂工艺利用旋转推进的气流来夹带石英砂从而进行滚动摩擦，进而清除旧管线内[45]的锈垢，最后用气流将环氧树脂涂料均匀地粘结在供水管道的内壁上。采用的石英砂质量小且带棱角，硬度也低于金属管，因此摩擦时对管壁损伤比较小。采用环氧树脂喷涂修复这种非开挖技术可以提升供水压力、提高供水水质和延长管线的使用寿命。因此，有着广泛的应用市场。1.2.2施工方法环氧树脂喷涂法的施工过程有以下几个步骤：（1）定位截管：关闭供水管线阀门，排放水量。根据现场施工的具体条件，尽量选择在管道弯头或三通处截断管线，一次喷涂的距离最好控制在100m以内。（2）管线干燥：向管线内部送入60°C的热风用以干燥管线，当管线末端温度达到30°C时候，可认为完成干燥工作。（3）管线除锈：采用的除锈方式因管线内径不同而不同，当管线内径Ф≤150mm时候，采用高压旋风气体推送石英砂磨料方式来去除管线内部锈瘤和锈垢。当管线内径150<Ф≤300mm时候，一般采用机械除锈，利用卷扬机牵引刮管器、钢丝绒在管内来回拖拉。5 第1章引言（4）清洗干燥管线：向管线内送入高压旋转气体以清除管内残余杂质，连续向管内输送60℃~80℃热风1小时，干燥管线，为后续喷涂涂料做准备。（5）环氧树脂喷涂：在喷涂前根据管道的管径和管长计算出所需环氧树脂涂料的重量，然后将环氧树脂涂料按照使用说明搅拌均匀，经熟化后倒入涂料机内。当管径Ф≤150mm时采用气体喷涂，将环氧树脂涂料注入到涂料机内，并与空压机和待喷管用软管相连，打开阀门开始喷涂，当涂料从另一端溢出时候，可确认管壁已全部完成喷涂。当管径150<Ф≤300mm时候采用离心喷涂，将离心喷涂车与气动液压泵、涂料桶等相关设备用压力管相连，调整涂料管压力，控制喷嘴流量，适当调整喷涂车的运行速度（0.13~0.16m/s），以保证环氧树脂喷涂层的喷涂质量。（6）管线水压试验和冲洗消毒：环氧树脂喷涂完工后，需要首先接通管线进行水压试验，以检测管线是否有渗漏存在。之后进行冲洗消毒，具体操作需要参照《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB50268-2008）。（7）恢复供水：恢复路面和供水。1.2.3环氧树脂喷涂修复在城市供水管网中的应用研究现状供水管道环氧树脂喷涂技术出现在20世纪70年代末，1985年，英国第一次官方认可了环氧树脂喷涂修复技术。1989年，世界上第一个供水管道环氧树脂喷涂修复标准由英国发布，这时环氧树脂和其他聚合物的喷涂在英国已经完全[24]取代了水泥砂浆喷涂了。1995年，Conroy等人研究发现环氧树脂喷涂技术已[25]经在英国、日本、瑞典和德国得到良好应用，而当时在美国的应用还较少。相比而言，环氧树脂喷涂技术在美国发展较为缓慢，其环氧树脂喷涂标准[24]ANSI/AWWAC620-07在2008年才获得批准，比英国晚了近20年。而在中国，第一次正式采用环氧树脂喷涂技术来修复供水管道是在2003年的上海，目前在[26]北京和常州等地也有一些应用。Deb研究表明供水管网的环氧树脂喷涂修复的[27]生命周期为40~60年。自从环氧树脂材料被用于供水管道喷涂修复后，国内外就针对这一领域展开了一些研究，主要可归纳为以下四个方面。（1）结构性方面按照结构性可将管道修复分为三个等级，非结构性修复，半结构性修复和结构性修复。一般认为环氧树脂和水泥砂浆喷涂一样，不能给主管道提供结构支持[28]。其实与水泥砂浆内衬比起来，环氧树脂内衬有更大的结构性潜能，具有一定[24]的抗张和抗弯强度，而不需要纤维加固。表1.1显示了环氧树脂涂层在不需主管道帮助下要保障管网压力的最小喷涂厚度。虽然环氧树脂涂层可以为管道提供6 第1章引言一定的结构性帮助，但是却很难用这个强度来增加管道的承压能力或者阻止管道爆裂。因为铸铁管的承压强度是喷涂层的20~50倍，喷涂层基本不承受压力；如果主管道爆裂时喷涂层与主管道不分离，很有可能也会同时断裂，起不到管道爆[24]裂后维持输水的作用。表1.1：不同管径及压力下的最小喷涂厚度不同管道压力下所需的最小喷涂厚度主管管径0.3MPa0.5Mpa150mm1.8mm2.8mm200mm2.3mm3.6mm300mm3.3mm5.3mm400mm4.6mm7.1mm此外，环氧树脂喷涂膜可以覆盖管道的小洞和裂缝，表1.2列举了不同喷涂厚度和管道压力下所能覆盖的最大裂缝尺寸，在这种情况下，喷涂层可以承受压力约为11.4年。覆盖裂缝不仅可以减少漏损，节约水资源，并且还可以降低管道将来发生破损的概率。因为漏损可以导致管道垫衬材料的流失，在外界负载变[24]化时容易导致管道的弯曲，严重时发生爆管。表1.2：不同喷涂厚度和管道压力下所能覆盖的最大裂缝尺寸喷涂厚度管道压力最大裂缝尺寸3mm340kPa60mm3mm550kPa50mm5mm340kPa100mm5mm550kPa150mm用于喷涂的环氧树脂在耐久性、坚固度、延展性和强度特性方面都有一些差[24]异，这主要与使用的具体材料和加工过程有关。Kinloch和Taylor分析了添加有机粘土，当硅酸盐的比重达到30%时环氧树脂物理、形态学和机械性能的改变[29]情况，发现断裂值和拉伸弹性模量都会增加。最近研究表明，使用纳米和微米[30]颗粒可以提高聚合物的结构特性，纳米环氧树脂显示了更好的优越性。Zhao和Hoa研究了含有微米和纳米颗粒的环氧树脂的韧性，结果表明混合程度对复合材料的韧性强弱很重要，较差的混合情况导致在颗粒周围的应力强度增加，而断裂韧性减弱，混合比的研究结果显示10%的比例是最佳的。关于颗粒大小，研7 第1章引言[31]究表明颗粒周围的应力浓度随颗粒尺寸减小，在尺寸0.95um时候达到最小值。喷涂后的粘附力，Deb发现环氧树脂内衬比聚氨酯内衬其粘附力更强，但粘附力[26]随时间和温度的增高而降低。而Oram等研究发现聚氨酯涂层的粘附力要比环[32]氧树脂涂层高。（2）水力方面表1.3：环氧树脂喷涂修复前后DN200铸铁管水头损失比较水头损失(m)修复前流速(m/s)流量(L/s)修复前修复后0.1030.090.070.50162.011.291.00317.894.501.504717.649.422.006331.2515.962.507948.7324.073.009470.0833.73Lamont研究表明铸铁管服务30年后，内部发生锈蚀结垢，供水管道供水能[33]力将下降70%。一种简单的修复方法是穿插法，即将一个小管径的管道插入已经存在的管道中，但这种技术的最大缺陷是输水能力的损失。即便是新管道相对[24]于旧管道十分的光滑，供水能力损失也将达到25%~50%。成梁对DN200铸铁管进行环氧树脂喷涂修复，并测量了前后管道的内径、粗糙度和水头损失，发现修复后的管道为198mm，接近原来管径；粗糙度由1.00mm减小为0.01mm；其[34]水头损失更是大大减少，如表3所示。可见环氧树脂喷涂修复在改善水力方面有很大的优势。（3）水质方面环氧树脂喷涂可以较好的改善管道内的水质，研究表明喷涂后的饮用水在浊[35]度、TOC、Mn和Pb等金属的含量上都有明显的降低。Clement等人发现老旧和未内衬的铸铁管中往往有较多的大肠杆菌，而环氧树脂内衬的管道中则较低，[36]说明内衬的铸铁管可以减少细菌的滋生。但是，环氧树脂喷涂修复在改善水质的同时，也会给水质带来一定程度的影响。主要表现为物质的析出。Alben等人发现析出物一般来自作为环氧树脂载体[37]的溶剂，在固化时不容易固化。已经发现挥发性有机物（VOC）会从喷涂膜中析出，其中一些还有致癌作用，喷涂膜物质的析出还会加剧饮用水的味觉和嗅觉8 第1章引言[24]问题。Alben等还研究了环氧树脂30天内的析出机制，结果显示有TOC产生，最初的析出速率40~187ug/(L·day)，30天后析出的速率降低至8~37ug/(L·day)，随着时间的增加呈指数下降。研究也显示了TOC的析出速率高度依赖固化过程，即较长的固化时间可以减少析出速率和提供更稳定的喷涂层。不同的环氧树脂做[38,39]静水浸泡30天，其苯、甲苯、二甲苯和TOC的含量变化也很明显。Swtchwill等研究了5种不同的树脂材料的析出规律，喷涂后固化24h，然后浸泡在水中72[40]小时，结果表明有大量的TOC，浓度值从34~345mg/L。Heim和Dietrich进行了一个扩展实验，研究环氧树脂喷涂修复后水中嗅和味的变化。在管道中浸泡72~96小时后，水中有“塑料”味，VOCs检测结果表明里面有许多化合物，包[41]括双酚A，但是氯味没有被检测到。环氧树脂喷涂的管道还析出了TOC和三氯[38]甲烷。Rigal和Danjou发现在1~24小时内从环氧树脂内衬管道析出的有机物有明显的变化，与水接触1小时后，通过GC/MS检测到了345ug/L苯甲醇，12ug/L丁二醇缩水甘油醚，386ug/L丁二醇二缩水甘油醚和72ug/L二氨基二苯甲烷。这[42]些检测到的物质在24小时后都低于检测浓度了。Bea等人指出从环氧树脂内衬管中析出EDCs和BPA，结果显示，在三个不同测试条件下有较高温度的析出BPA的速率也较大。与此同时，许多学者也研究了非金属管材的金属和有机物溶出情况，并提出了相关的模型，这对于研究环氧树脂喷涂后的有机物和金属溶出[46-57]有参考价值。（4）现场环氧树脂喷涂施工方面在进行环氧树脂喷涂修复施工的过程中，喷涂层有时候会出现一些问题。如(1)喷涂层出现空白、不连贯和厚薄不均；(2)喷涂层出现气泡；(3)喷涂层出现脱落；(4)喷涂层未完全固化。有着几年喷涂修复经验的专家指出，许多问题是由于喷涂前管道清洗不彻底而造成的，也有一些为喷涂设备出现故障造成的。因此[43]在施工过程中要规范操作过程，特别是保障喷涂前管道要清洗干净。目前环氧树脂喷涂技术对管道结构的修复还不是很理想，如要保障一定的结构性修复，则需要喷涂一定厚度的喷涂膜，而喷涂较厚的环氧树脂膜一方面会增加工程的造价，另一方面也对施工技术提出了较高的要求，如果施工后较厚的喷涂膜不能完全固化，会造成喷涂膜物质析出，影响后期的供水水质。因此一方面可以对环氧树脂进行改性，如采用纳米技术来增加其抗弯和抗张强度来增加其结构性修复功效，另一方面也可改良施工工艺使得缩短固化时间来减少喷涂膜物质的析出。1.2.4目前研究中存在的问题随着环氧树脂喷涂修复技术的不断应用，在这个领域的研究也越来越多，不9 第1章引言仅仅在结构性方面，还包括水力、水质和施工方面。然而，在已有的研究中还存在一些问题和不足：（1）研究多集中在环氧树脂涂料用于水箱等容器和非供水管线内表面喷涂的研究，而对于城市供水领域环氧树脂内衬管线的研究相对来说较少。对于环氧树脂内衬管线的研究也多集中在单一的实验室浸泡实验，对于现场居住小区环氧树脂喷涂前后水质和水力的研究较少，并且没有发现将实验室浸泡实验和现场居住小区喷涂实验有机结合的研究。（2）目前的研究报道少有将旧铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管进行系统影响因素对比试验的研究。而且在检测指标方面，也偏向于常规指标和有机物，对于三种不同管材金属离子的析出问题少有研究并进行对比。（3）此外，对于旧铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管而言，关于其溶出机制的研究和总结也比较少。1.3研究目的及内容1.3.1研究目的环氧树脂喷涂修复是一种城市供水管道非开挖修复技术，逐渐应用在国内不同的城市供水系统中。但是采用环氧树脂喷涂修复技术后，这种内衬了环氧树脂的管道本身有机物和金属离子的释放情况以及对饮用水的影响情况还不是特别清楚。因此需要研究一下在实验室和现场条件下环氧树脂内衬铸铁管对水质和水压的影响情况，以便更加清楚全面认识环氧树脂喷涂修复技术的优缺点。1.3.2研究内容本文的研究内容包括：（1）通过实验室浸泡实验，系统研究浸泡时间、温度、pH、初始余氯浓度和源水种类等因素对铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管内水质的影响，从而认识三种管材的溶出特性。测量指标包括浊度、余氯、pH、TOC、Fe、Mn、Cu、Pb和Cr。（2）选定某生活小区作为环氧树脂喷涂试点，在小区供水管网内选择4个水质监测点和5个压力监测点。在喷涂前和喷涂后分别对水质监测点和水压监测点进行检测。然后分析环氧树脂喷涂改造对生活小区供水管网水质和节点压力的影响。10 第1章引言1.4技术路线在本文的研究中将采取图1.4所示的技术路线，由实验室试验和现场试验两部分组成，从而对环氧树脂喷涂技术进行系统和全面的研究。图1.4研究技术路线图11 第2章实验部分2实验部分2.1实验主要试剂与仪器设备2.1.1主要试剂无水氯化钙（优级纯，天津光复科技），无水碳酸氢钠（优级纯，天津光复科技），次氯酸钠溶液（优级纯，天津光复科技），氢氧化钠（优级纯，天津光复科技），铑元素标准溶液（国家钢铁材料测试中心），铟元素标准溶液（国家钢铁材料测试中心），浓度为1000ug/mL的铁、锰、铅、铬和铜金属标准标准贮备溶液（国家钢铁材料测试中心钢铁研究总院）。ICP-MS校正标准品（MultiElementStandardXXI，德国默克（上海）公司），质量分数36%的盐酸（优级纯，天津光复科技），质量分数65%的浓硝酸（优级纯，西陇化工），超纯水（18.2MΩ·cm，MilliporeDirect-Q3超纯水系列制备）。2.1.2主要仪器梅特勒-托利多L-IC系列天平（梅特勒-托利多中国（上海）公司），密理博MilliporeDirect-Q3超纯水系统（密理博中国公司），电热恒温鼓风干燥箱DGX-9143BC-1（上海福玛实验设备公司），SPX/MJX系列生化/霉菌培养箱（上海和呈仪器制造公司），便携式余氯仪II（PocketcolorimeterTMII，美国哈希公司），便携式浊度仪2100Q（美国哈希公司），酸度计PHS-3BW（上海般特仪器公司），TOC-Vwp（津岛国际贸易（上海）公司），XSeries2ICP-MS（美国热电集团），ZEISS扫描电镜（德国MERLINVPCompact）。此外，还需要烧杯、量筒、移液枪、玻璃棒、称量纸、滤纸、滴瓶、洗耳球、若干容量瓶等。2.2实验室喷涂试验2.2.1实验管材选取旧铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管作为实验管段，三种管材均有北京市自来水集团禹通市政工程有限公司提供。其中，旧铸铁管是从地下服役的供水管道中直接挖掘出来，水泥砂浆内衬铸铁管为新管，而环氧树脂内衬铸铁管为旧铸铁管除锈后喷涂一层环氧树脂保护膜。三种管段详情见图2.1和表2.1。12 第2章实验部分图2.1三种实验管材，(a)旧铸铁管，(b)水泥砂浆内衬铸铁管，(c)环氧树脂内衬铸铁管表2.1三种实验管段尺寸规格编号管材外径(mm)壁厚(mm)长度(cm)1旧铸铁管12010302水泥砂浆内衬铸铁管12010303环氧树脂内衬铸铁管12010302.2.2浸泡实验方法图2.2描述了浸泡实验的基本流程，首先要对实验管段进行预处理，然后配置浸泡水溶液并将浸泡水置于管段内，然后将实验管段置于恒温箱中放置一定的时间，之后取样并将样品过滤处理，最后送样检测其各项水质指标。图2.2浸泡实验流程图13 第2章实验部分表2.2不同影响因素实验的条件编号影响因素实验实验条件数值时间0、6、12、18、24、30、48和72hours温度25℃不同浸泡时间条件下水1pH8质的变化情况余氯2.0mg/L源水去离子水时间24hours温度25℃不同初始pH值条件下2pH2、4、6、8和10水质的变化情况余氯2.0mg/L源水去离子水时间24hours温度25℃和45℃不同温度条件下水质的3pH8变化情况余氯2.0mg/L源水去离子水时间24hours温度25℃不同初始余氯条件下水4pH8质的变化情况余氯0、1、2和4mg/L源水去离子水时间24hours温度25℃不同源水条件下水质的5pH8变化情况余氯2.0mg/L源水去离子水和自来水样品预处理实验需要的旧铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管在使用之14 第2章实验部分前，需要检查管段的结构是否完整，两端切口处是否平整。如果切口不平整，需要更换管段，防治后续密封切口时不严密而造成浸泡液溢出，影响实验结果。然后将所选的三种不同的实验管段置于自来水下缓慢冲洗30分钟时间，之后用去离子水缓慢冲洗实验管段内表面3次。此外，在每次进行实验之前，都需要用新鲜配置的浸泡液润洗实验管段内表面3次，然后充满浸泡液，截取管段的开口处[44]用包有聚四氟乙烯薄膜的橡皮塞紧紧塞住。浸泡液配置根据《生活饮用水输配水设备及防护材料的安全性评价标准》（GB/T17219-1998）配置实验用浸泡液。称取4.44g的无水氯化钙并将其溶于1L超纯水中，得到0.04mol/L钙硬度贮备液；称取3.36g的无水碳酸氢钠并将其溶于1L超纯水中，得到0.04mol/L碳酸氢钠缓冲液；取7.6mL次氯酸钠，用纯水稀释到250mL，得到0.025mol/L氯贮备液。然后取一定体积的氯贮备液、25mL钙硬度贮备液和25mL碳酸氢钠缓冲液，用纯水稀释至1L。从而得到硬度为100mg/L、有效氯为2mg/L和pH值为8的浸泡液。表2.2列出了不同影响因素实验的具体条件，在按照各自的条件进行实验时都需要做空白对照实验：将浸泡液置于干净的细口棕色瓶中，与装有该种浸泡液的实验管段置于相同的实验条件下进行实验。2.3现场喷涂试验2.3.1实验小区图2.3北京某生活小区供水管网分布图为了研究环氧树脂喷涂修复对实际供水管网的影响，选择了北京某生活小区进行现场实验。该居住小区的供水管网分布情况如图2.3所示：占地面积约为2345,000m，日供水量约700m，铺设供水管线总长度约1,800m，管道管材为普通铸铁管，管径范围为{100，150，200}mm，管龄约为20年。该生活小区供水15 第2章实验部分水厂为北京市第三自来水厂，该水厂水源为地下水，在2014年11月份使用了部分南水北调来水。居住小区对应的喷涂管段和时间详情见表2.3。喷涂从2013年10月24日开始，一直持续到10月31日，历时8天。期间除了10月27日周日休息外，每天都会完成一定的喷涂任务。这个喷涂过程可以划分为三个阶段，第一阶段为喷涂前阶段，时间是10月23日；第二阶段为喷涂中阶段，时间是从10月24日到10月31日；第三阶段是喷涂后阶段，时间是从11月1日到11月5日。表2.3喷涂小区喷涂管段和对应时间编号日期喷涂管段编号日期喷涂管段110月23日810月30日b-h-i-j-k-l,m-n210月24日m-r-s-t910月31日r-u-v-w310月25日b-c-g,v-x-y1011月1日410月26日a-b1111月2日510月27日1211月3日610月28日c-d-e-f,o-p-q1311月4日710月29日i-m-o1411月5日2.3.2小区压力与水质监测点的选取环氧树脂喷涂改造后，需要研究这种修复方法对供水管网的压力和水质带来的影响，因此需要在合适的地方进行压力和水质监测，表2.4列出了压力监测点和水质监测点的具体地点。表2.4压力和水质监测点监测类型地点进水口ABCDEF压力监测点√√√√√水质监测点√√√√选取的居住小区压力监测点为进水口、B、C、E和F点，之所以选取这些点是因为这5个点可以较全面的覆盖小区压力。此外，由于选用的压力计只能安装在消火栓上，见图2.4，因此所选的地方也会受到一些限制。对于每一个压力监测点，其监测时段和数据采集频率不是完全一样。对于小区进水口，压力监测时间段从2014年3月1日到2014年4月30日，共计2个月时间，其数据收集频16 第2章实验部分率为1个数据/小时；而对于压力监测点B、C、E和F而言，监测时段分为两个阶段，第一个阶段是从2013年9月23日到2013年10月23日，第二个阶段是2013年12月27日到2014年2月20日，其数据收集频率为1个数据/15分钟。图2.4压力计及安装地点选取的居住小区水质监测点为进水口、A、D和E点。小区环氧树脂喷涂改造前即开始对进水口、A、D和E点进行取样分析，取样时间为每天下午17:00左右。检测指标包括饮用水余氯、浊度、pH、有机物含量（TOC表征）、Fe、Mn、Pb、Cr和Cu等金属。具体按照《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）和《生活饮用水标准检验方法水样的采集与保存》（GB/T5750.2-2006）执行。2.4实验分析方法2.4.1余氯、浊度和pH值的测定方法（1）余氯TM利用便携式余氯测定装置（HACHPocketColorimeterII）来测定水样中余氯浓度。有两个量程可以选择，分别是低量程（0.02~2.00mg/L）和高量程（0.1~8.0mg/L）。（2）浊度利用便携式浊度测定仪（HACH2100Q）对水样的浊度值进行测试。其测定方法较为简单，即校验完毕后将待测液放入检测瓶中，直接读取数字即可。（3）pH值利用酸度计（上海般特仪器，PHS-3BW）对水样的pH值进行测试。测试时，先用纯水后用待测液润洗pH电极和温度棒，然后放入待测液中稳定一段时间，直到读数稳定。该酸度计的测量范围为0.00~14.00，精度为±0.01pH。17 第2章实验部分2.4.2有机物的测定方法利用津岛国际贸易（上海）公司的TOC分析仪TOC-Vwp来对水样中的有机物含量进行分析。需要指出的是在这个实验当中，直接测定的是NPOC（Non-purgeableorganiccarbon）。对于一般的自来水和纯水，由于里面所含的挥发性有机物较少，因此可将NPOC等同于TOC。2.4.3金属离子指标的测定方法利用电感耦合等离子体质谱仪（ICP-MS）来对水样中的金属含量进行分析，其可测量ug/L（ppb）级别的浓度。其测量步骤为：①配置标准溶液：取适量的金属标准溶液（1000ug/L）,用（1+99）的硝酸将其稀释至0ppb，1ppb，10ppb，30ppb，80ppb和100ppb；②配置内标溶液：选用铟（In）和铑（Rh）为内标元素，配置浓度10ppb的内标溶液；③开机稳定仪器，编辑测试方法后进行测定。18 第3章不同实验条件下环氧树脂内衬铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和铸铁管内水质的变化3旧铸铁管、水泥砂浆和环氧树脂内衬铸铁对水质的影响3.1三种不同实验管材的表征3.1.1三种不同实验管材扫描电镜（SEM）表征用扫描电镜分别分析旧铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管的表面结构和化学组成。其中对于旧铸铁管而言，由于长时间的服役而造成了管道内表面锈蚀结垢非常严重，因此对其内表面的表层和内层都进行了分析，三种管段的扫描电镜图详见图3.1~3.4所示。由扫描电镜图可以观察到：对于旧铸铁管而言，其表层结构较为光滑致密，而内层表面可以发现许多颗粒物状存在，结构较为疏松。这是因为在内层和外层中铁的成分是不一样的，外层主要是铁的氧化物，内层主要是铁的羟基水化物。对于水泥砂浆内层铸铁管，观察到当放大倍数为40倍时候，表面较为光滑，然而随着放大倍数的提高，可以逐渐发现其表面其实也存在颗粒状物质，且有空隙存在。对于环氧树脂内衬铸铁管，其表面则较为平滑和致密，存在较少的空隙。图3.1旧铸铁管铁锈表层SEM图（依次放大40倍、400倍、4000倍和10000倍）19 第3章不同实验条件下环氧树脂内衬铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和铸铁管内水质的变化图3.2旧铸铁管铁锈内层SEM图（依次放大40倍、400倍、4000倍和10000倍）图3.3水泥砂浆内衬铸铁管表层SEM图（依次放大40倍、400倍、4000倍和10000倍）20 第3章不同实验条件下环氧树脂内衬铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和铸铁管内水质的变化图3.4环氧树脂内衬铸铁管表层SEM图（依次放大40倍、400倍、4000倍和10000倍）3.1.2三种不同实验管材X射线能谱（EDS）表征图3.5环氧树脂内衬铸铁管EDS图图3.6水泥砂浆内衬铸铁管EDS图图3.7旧铸铁管管垢外层EDS图21 第3章不同实验条件下环氧树脂内衬铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和铸铁管内水质的变化图3.8旧铸铁管管垢内层EDS图图3.9三种管材内表面化学元素重量百分比图3.10三种管材内表面化学元素原子百分比图3.5~图3.9分别表示环氧树脂内衬铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管、旧铸铁管管垢表层和旧铸铁管管垢内层的X射线能谱（EDS）图。将图中信息整理综合后得到图3.9和3.10，反应了旧铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管所含的化学元素。元素重量百分比和原子百分比这两个指标的变化情况基本22 第3章不同实验条件下环氧树脂内衬铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和铸铁管内水质的变化一致。对于旧铸铁管而言，其内外层铁锈中都含有较多的铁和氧。对于水泥砂浆内衬铸铁管而言，则含有钙、氧、碳和硅，这主要与水泥的主要成分是硅酸盐有关系。对于环氧树脂内衬铸铁管，其含有较多的碳和氧，这是由于环氧树脂本身是一种高分子有机物，因此含有较多的碳和氧。3.2不同时间条件下水质的变化情况在不同浸泡时间条件下研究旧铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管内水质的变化。选取的时间段分别为0h、6h、12h、18h、24h、30h、48h和72h。为了精确地研究余氯衰减，选取的时间段分别为0h、5min、10min、30min、1h、2h、4h、6h、10h、16h、24h、48h和72h。检测指标为余氯、浊度、pH、TOC、Fe、Mn、Pb、Cr和Cu。根据《生活饮用水输配水设备及防护材料卫生安全评价规范》（GB/T17219-1998），浸泡时间段为24h时测试指标的检验结果必须符合表3.1中规定。表3.1浸泡试验基本项目的卫生要求项目卫生要求项目卫生要求浑浊度增加量≤0.2度（NTU）Mn增加量≤0.02mg/LpH改变量≤0.5Pb增加量≤0.001mg/L总有机碳（TOC）增加量≤1mgLCr增加量≤0.005mg/LFe增加量≤0.06mg/LCu增加量≤0.2mg/L3.2.1不同时间条件下余氯、浊度和pH值的变化图3.11三种管段水样余氯随时间变化情况23 第3章不同实验条件下环氧树脂内衬铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和铸铁管内水质的变化在供水管网中保持一定的余氯浓度，可以抑制病原微生物的生长，有利于保证饮用水的安全。由图3.11可知：在三种管段的余氯衰减实验中，铸铁管中余氯衰减最快，在4小时内余氯浓度从2mg/L衰减到接近于0mg/L；其次是水泥砂浆内衬铸铁管，余氯衰减用了10个小时左右时间；而对于环氧树脂内衬的铸铁管，则需要将近3天的时间才可以将余氯浓度从2mg/L衰减到0mg/L。由于浸泡液是由CaCl2、NaHCO3和NaClO溶液配置而成，三种物质都是强电解质，在溶液中可以完全电离，因此有（3-1）、（3-2）、（3-3）和（3-4）反应的--发生，此外对于HCO3和ClO来说，还会发生（3-5）和（3-6）的水解反应。因2++---2-此，浸泡溶液中会有Ca、Na、HCO3、Cl、ClO、CO3、H2CO3和HClO存在，-其中HClO和ClO的多少会反应出余氯的大小。电离反应(3-1)(3-2)(3-3)(3-4)水解反应(3-5)(3-6)浸泡液中的NaClO，不仅是一种消毒剂，而且还是一种氧化剂。其衰减不仅受自身因素影响，而且还与供水管网内还原性物质有关。对于旧铸铁管而言，在管道内表面存在因腐蚀而产生的铁垢复合物，里面会2+--含有Fe等还原性离子。前期这部分还原性离子会被ClO氧化，从而消耗ClO。-后期ClO可能穿过腐蚀层而接触到管壁内层的Fe，也可发生氧化还原反应，进而-消耗ClO，其反应过程如（3-7）、（3-8）和（3-9）所示。此外，在旧铸铁管道内-水样中检测到了有机物的存在，有机物中的不饱和键也可以与ClO发生反应。因-此，ClO的浓度减小，余氯浓度降低。(3-7)(3-8)(3-9)24 第3章不同实验条件下环氧树脂内衬铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和铸铁管内水质的变化对于水泥砂浆内衬铸铁管而言，其内衬层主要材质为硅酸盐，含有硅酸二钙2+-和硅酸三钙等。从水泥砂浆内衬层中会析出Ca，并与ClO反应生成Ca(ClO)2，反应如（3-10）所示。Ca(ClO)2溶解度比NaClO低，导致水样中检测到的余氯数-值低。Ca(ClO)2还会与浸泡液中的CO2发生反应，如（3-11）所示，也会导致ClO的减少。此外，在水泥砂浆内衬铸铁管中也检测到了有机物的存在，有机物中的--不饱和键可以和ClO发生反应，造成ClO的消耗。综合三种因素，因此余氯浓度降低。(3-10)(3-11)对于环氧树脂内衬铸铁管而言，余氯消耗表现环氧树脂内层铸铁管中析出的--有机物与余氯的反应。有机物中的不饱和键容易与ClO发生反应，造成ClO的消耗，余氯浓度降低。(3-12)式中：C—t时刻的余氯浓度，mg/Lρ—初始氯浓度，mg/L-1v—主体水的余氯衰减系数，h余氯衰减一阶模型是目前应用比较广泛的一种模型，如公式（3-12）所示。由此可以推算旧铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管的余氯衰减-1-1-1系数分别为0.633d、0.269d和0.043d。因此可知，随着时间的递增，三种管段中余氯浓度都逐渐下降。环氧树脂内衬铸铁管中余氯的衰减最慢，可较长时间维持一定的余氯浓度，有利于保障水质的安全。表3.2三种管段水样浊度和pH值随时间的变化情况指标管段时间0h6h16h18h24h30h48h72h旧铸铁管0.038.473.696.4115.0100.0—111.0浊度(NTU)水泥砂浆0.00.80.10.10.10.10.30.2环氧树脂0.00.20.90.60.10.10.20.1旧铸铁管8.26.56.86.96.86.66.66.4pH水泥砂浆8.28.98.29.39.69.38.28.2环氧树脂8.28.28.18.38.28.27.67.925 第3章不同实验条件下环氧树脂内衬铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和铸铁管内水质的变化如表3.2所示：在三种管段的浊度变化过程中，水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管的浊度值随着时间的累积基本不发生变化，都小于1NTU，而旧铸铁管内水样的浊度值随着时间累积逐渐增大，最后稳定在110NTU左右。旧铸铁管中浊度飙升的原因是由于管中的大量铁的腐蚀产物释放到水中。因此，水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管具有更好的保持饮用水低浊度的作用。(3-13)(3-14)(3-15)(3-16)(3-17)(3-18)在三种管段的pH值测定实验中，旧铸铁管pH值在第6h就出现了降低，之2+3+后一直保持稳定，维持在6.5附近。这是因为铁锈中的Fe和Fe发生了从（3-13）+[58,59,60]到（3-18）的反应，生成了H，导致pH值降低。水泥砂浆内衬铸铁管的pH值一开始就出现上升，然后有所下降，最后也保持稳定在8.2左右。这是因-为管内水泥砂浆层中的Ca(OH)2析出到水中，导致OH增加，碱性增强。对于环氧树脂内衬铸铁管，其pH值保持和初始值一致，维持在8左右，接近初始条件。+-这说明环氧树脂涂层内无影响H或OH的离子析出。因此，环氧树脂内衬铸铁管有利于维持供水水质的pH稳定。3.2.2不同时间条件下有机物的变化由图3.12可以看出，三种不同管段都有有机物的释放，且随着时间的积累其释放的量也越来越多。总体看来，72h内三种管段释放有机物的量从小到大依次是水泥砂浆内衬铸铁管<环氧树脂内衬铸铁管<旧铸铁管，其在72h的TOC浓度依次是3.2mg/L、4.4mg/L和4.5mg/L。对于旧铸铁管和水泥砂浆内衬铸铁管而言，其在72h内有机物的释放速率先快，然后逐渐减慢。旧铸铁管中有机物的析出在48h时就基本达到稳定，而水泥砂浆内衬管则还没有稳定。对于环氧树脂内衬铸铁管，其有机物的析出量呈直线增加。但是从增加趋势上看，当三种管段有机物达到析出平衡时，推断三种管材由小到大依次是：旧铸铁管<水泥砂浆内衬铸铁管<环氧树脂内衬铸铁管。旧铸铁管中可能是来自管内“生长环”中的微生物和截留水中的有机物，水泥砂浆内衬铸铁管中可能来自管内附着的有机物。对26 第3章不同实验条件下环氧树脂内衬铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和铸铁管内水质的变化于环氧树脂内衬铸铁管而言，其原因可能是采取的有机喷涂材料析出到水体，从而致使TOC值的升高。需要说明的是，本实验采用的环氧树脂内衬铸铁管是在喷涂1个月后进行的，在这么长的时间内树脂涂层已经进行了充分的固化，但是还是可以检测到有机物的析出。推测如果是在管道喷涂后马上进行浸泡实验，由于固化时间有限，检测出来的有机物浓度会更高。如需进一步了解有机物是何种物质，还需要做更深的研究和检测。图3.12三种管段水样TOC随时间的变化情况因此，在一定的时间累积内，三种管材有机物的析出会逐渐增多。环氧树脂内衬铸铁管相比于旧铸铁管而言，会增加管网水中的有机物浓度。这一方面可以为微生物的生长提供营养，滋生微生物；另一方面也会和余氯发生反应，生长消毒副产物，不利用保证饮用水的水质安全。3.2.3不同时间条件下金属离子的变化图3.13三种管段水样Fe含量随时间的变化情况由图3.13可以看出，在管段Fe的释放方面，旧铸铁管远远大于水泥砂浆内27 第3章不同实验条件下环氧树脂内衬铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和铸铁管内水质的变化衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管。在72h时间点，旧铸铁管内水样中Fe的浓度是291mg/L，而在水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管中依次是0.36mg/L和0.37mg/L。对于旧铸铁管而言，其水样中Fe的含量随着时间增加逐渐增加，在前6h内已经超过饮用水卫生标准规定的300ug/L，在72h时Fe的含量约是300mg/L，基本达到平衡。这是因为在旧铸铁管内存在许多铁锈，在与水的接触过程中会有Fe释放并溶解到管网水中，并且这个释放是有一个过程的，当释放到一定程度时候达到平衡。对于环氧树脂内衬铸铁管而言，其管内Fe的释放量较小。这是因为在环氧树脂喷涂改造的过程中，会首先去除旧铸铁管中的铁锈部分，然后喷涂一层环氧树脂涂层。这层有机膜隔绝了管道内铁锈与饮用水的直接接触，大大减小了Fe的释放量。因此，使用环氧树脂内衬铸铁管与水泥砂浆内衬铸铁管，有利于降低管网水内Fe浓度，同时也减少了由于供水水质或水力条件急变而引起的“红水”事件。图3.14三种管段水样Mn含量随时间的变化情况由图3.14可知，对于不同的管段，其Mn的释放量变化情况与金属Fe相近。在时间点72h，旧铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管中水样的Mn含量依次是13.5mg/L、0mg/L和0mg/L。可以看出后两种管道基本上没有金属Mn的释放。对于旧铸铁管而言，其水样中Mn的含量随着时间的增加而逐渐增加，在前6h内已经超过了饮用水卫生标准中规定的0.1mg/L。在72h时Mn的浓度约是13.5mg/L，基本达到平衡。对于环氧树脂内衬铸铁管而言，其管内Mn的释放量较小，其中的原因是因为环氧树脂喷涂改造，在除锈后又增加了一层有机膜，隔绝了管道内铁锈与管网水的直接接触，从而减小了金属Mn的释放。因此，使用环氧树脂内衬铸铁管与水泥砂浆内衬铸铁管，可以有效降低Mn向水体中的释放，保证水质安全。由表3.3可知，旧铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管在浸28 第3章不同实验条件下环氧树脂内衬铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和铸铁管内水质的变化泡实验的过程中，都有金属Cu、Pb和Cr的释放，但是释放量较小。对于金属Cu而言，三种管段中都有Cu的释放，且随着时间的增加其对应管段中Cu浓度逐渐增加。在72h处，旧铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管中Cu含量较为接近，分别是2.6ug/L和2.7ug/L，而水泥砂浆内衬铸铁管中Cu的释放量较多，接近于4.7ug/L。但与饮用水标准规定的1000ug/L相比而言，三种管段释放的Cu的量都较少。因此，环氧树脂内衬铸铁管并不能减少Cu释放量，但是其释放量相比于饮用水标准来说非常小，影响轻微。对于金属Pb而言，三种管段都有Pb释放现象存在，对于旧铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管而言，在4h时候就基本已经达到平衡，后续的68h时间内其含量基本没有发生改变。而对于水泥砂浆内衬铸铁管而言，在4h处Pb浓度达到最大值，然后在接下来的68h内其含量逐渐降低。因此，环氧树脂内衬铸铁管在减少饮用水中Pb含量方面并不能发挥效益，反而会轻微增加Pb的释放。对于金属Cr而言，旧铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管中Cr的释放量都比较小，在72h时分别接近于5ug/L和4ug/L，远低于饮用水标准规定的50ug/L。而对于水泥砂浆内衬铸铁管而言，其管内水样中Cr浓度随着时间的增加逐渐升高，在72h时候已经达到87ug/L，超过了饮用水规定的标准。因此，环氧树脂内衬铸铁管在减少管道水样中Cr含量方面有一定的效果，但不是特别明显。表3.3三种管段水样Cu、Pb和Cr随时间的变化情况指标(ug/L)管段时间06121824304872旧铸铁管0.01.31.01.31.61.62.22.6Cu水泥砂浆0.01.0—1.21.41.22.14.7环氧树脂0.01.11.61.52.01.62.32.7旧铸铁管0.00.20.20.20.20.30.20.3Pb水泥砂浆0.00.3—0.20.20.20.10.1环氧树脂0.00.20.20.20.20.20.20.3旧铸铁管0.01.41.41.41.61.61.45.1Cr水泥砂浆0.015.2—23.220.823.9—87.7环氧树脂0.01.41.21.41.81.61.34.029 第3章不同实验条件下环氧树脂内衬铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和铸铁管内水质的变化表3.424小时浸泡试验水质指标检验三种供水管道指标标准旧铸铁管水泥砂浆环氧树脂浑浊度增加量≤0.2度（NTU）×√√pH改变量≤0.5××√总有机碳（TOC）增加量≤1mgL×××Fe增加量≤0.06mg/L×××Mn增加量≤0.02mg/L×√√Pb增加量≤0.001mg/L√√√Cr增加量≤0.005mg/L√×√Cu增加量≤0.2mg/L√√√此次浸泡实验持续72h，取其中24h后的数据与表3.1中浸泡试验基本项目的卫生要求进行对比，可以得出三种不同管材是否满足规定要求。如表3.4所示，可以看出具有内衬层的铸铁管比没有内衬层的铸铁管的效果要好。环氧树脂内衬铸铁管相比于旧铸铁管而言，在浑浊度、pH、Fe和Mn等指标方面有所改善。环氧树脂内衬铸铁管中Fe也不满足标准规定，这是由于这种实验管段是由一根整体的管子截断而来，在使用切割机切割的过程中有铁屑遗留在环氧树脂内衬铸铁管表层，因此造成检测到的Fe超标。综上所述：环氧树脂内衬铸铁管相比于水泥砂浆内衬铸铁管和旧铸铁管而言，具有一定的优越性。可以减小管内水体余氯的消耗速度，减少浊度值，维持pH的相对稳定；在金属离子释放方面，可以大大减少Fe和Mn的释放，从而减少了“红水”的发生风险；在金属Cr、Cu和Pb方面没有明显的减小效果。然而这种管材也存在一些弊端，如会增加管网水中的有机物浓度，增加的有机物含量可以为微生物的繁殖生长提供营养物质，还可以与消毒剂反应（余氯）生成消毒副产物，是供水安全的一个潜在威胁。3.3不同初始pH值条件下水质的变化情况在不同浸泡液初始pH值条件下研究旧铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管内水质的变化。选取的pH值分别为2、4、6、8和10。检测指标为余氯、浊度、pH、TOC、Fe、Mn、Pb、Cr和Cu。30 第3章不同实验条件下环氧树脂内衬铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和铸铁管内水质的变化浸泡液中常见离子在不同pH条件下的分布图如下所示：[61]图3.15在25℃条件下不同pH值时水中碳酸的存在形态由图3.15可知不同pH值时水中碳酸的存在形态，当pH由4增加到8时，--溶液中主要存在H2CO3和HCO3，且H2CO3的浓度慢慢地降低，而HCO3的浓度慢-2--慢地升高；当pH由8增加到12时，溶液中主要存在HCO3和CO3，且HCO3的2-浓度逐渐降低，而CO3的浓度逐渐升高。[61]图3.16在25℃条件下不同pH值时水中次氯酸的存在形态由图3.16可知不同pH值时水中次氯酸的存在形态，当pH由0增加到5时，-溶液中主要存在HClO；当pH由5增加到9时，溶液中主要存在HClO和ClO，-且HClO的浓度逐渐降低，而ClO的浓度逐渐升高；当pH由9增加到14时，溶-液中主要存在ClO。3+由图3.17可知不同pH条件下不同金属的沉淀状态，对于Fe，在pH为23+时候开始沉淀，在pH为3时候基本完全沉淀；对于Al，在pH为3.5时开始沉2+淀，在pH为5时候基本完全沉淀；对于Cu，在pH为4.8时候开始沉淀，在2+pH为6.8时候基本完全沉淀；对于Fe，在pH为7时候开始沉淀，在pH为92+时候基本完全沉淀；对于Ni，在pH为7.5时候开始沉淀，在pH为9.5时候基·本完全沉淀，对于Mg，在pH为9.3时候开始沉淀，在pH为11.2时候基本沉淀完全。31 第3章不同实验条件下环氧树脂内衬铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和铸铁管内水质的变化[61]图3.17不同pH值条件下不同金属的存在状态综上可知，对于由NaHCO3、CaCl2和NaClO配置的实验浸泡水，其在不同pH值条件下溶液中的离子主要形态如表3.5所示。表3.524小时浸泡试验水质指标检验pH值浸泡液离子主要形态2++-2Ca、Na、Cl、Cl2、H2CO32++-4Ca、Na、Cl、Cl2、HClO、H2CO32++--6Ca、Na、Cl、HClO、HCO3、H2CO32++---8Ca、Na、Cl、ClO、HClO、HCO32++---2-10Ca、Na、Cl、ClO、HCO3、CO33.3.1不同初始pH值条件下余氯、浊度和pH值的变化图3.18三种管段不同pH值条件下余氯的变化情况32 第3章不同实验条件下环氧树脂内衬铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和铸铁管内水质的变化由图3.18可知，三种管段在不同浸泡液pH条件下数据差距不是特别大，但还是存在一定的变化趋势。对于旧铸铁管而言，不管浸泡液初始pH值如何，其余氯浓度基本都保持不变，维持在0.03mg/L左右。这是因为旧铸铁管中的余氯衰减过快而导致的结果。对于水泥砂浆内衬铸铁管而言，随着pH值的升高，其+余氯值先降低然后增加。在酸性时候余氯较高，这是因为溶液中H加速了Ca(ClO)2-的水解，增大了Ca(ClO)2的溶解度，使得溶液中的HClO和ClO较多，余氯值较高。随着pH值的增加，这种促进水解的作用越来越弱，因此余氯值降低。在碱性时候余氯值较高，这是因为在碱性溶液中含有较少的CO2，使得Ca(ClO)2的分解减少。而对于环氧树脂内衬铸铁管而言，其余氯浓度随着pH值升高有逐渐变大的趋势。实际过程中，供水管网水质的pH一般在6.5~8.5，在这个范围内环氧树脂内衬铸铁管的余氯浓度比旧铸铁管高。因此，环氧树脂内衬铸铁管在不同pH条件下都表现出比旧铸铁管更小的余氯消耗能力，且随着pH的增加，这种余氯衰减量的差值越来越大。表3.6三种管段不同pH值条件下浊度和pH值的变化情况指标管段pH246810旧铸铁管232.0212.084.2232.0213.0浊度(NTU)水泥砂浆0.20.20.10.20.1环氧树脂0.20.10.20.13.1旧铸铁管6.16.16.56.96.6pH水泥砂浆7.67.07.58.57.9环氧树脂2.14.87.38.28.1由表3.6可知，对于浊度指标而言，水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管的浊度值与浸泡液初始pH条件关系不大，都接近于0NTU。而对于旧铸铁管而言，当浸泡液为过酸性和过碱性时候，其浊度值都大于200NTU，这是因为+过酸时溶液中有较多的H，加速了铁的氧化物的溶解，导致浊度升高。而在过-2+3+碱时溶液中有较多的OH，促进Fe和Fe的水解并形成成沉淀，导致浊度升高。因此，在不同供水pH时候，环氧树脂内衬铸铁管和水泥砂浆内衬铸铁管具有更好的保持管网水低浊度的能力。对于pH指标，水泥砂浆内衬铸铁管和旧铸铁管的pH值与初始pH条件无关，旧铸铁管都保持在6左右，而水泥砂浆内衬铸铁管则维持在8左右。这是因为在+铸铁管中会发生（3-13）~（3-18）的反应，生成了H，导致pH值降低。而水泥砂浆内衬铸铁管中可以析出较多的Ca(OH)2，显碱性。对于环氧树脂内衬铸铁管33 第3章不同实验条件下环氧树脂内衬铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和铸铁管内水质的变化而言，浸泡实验结束后，其pH值与初始pH值较为接近，可以看出这种管材具有较好的维持原pH稳定的能力。因此，环氧树脂内衬铸铁管具有更好的维持pH稳定的能力，这也有利于水质的稳定。3.3.2不同初始pH值条件下有机物的变化图3.19三种管段不同pH值条件下TOC的变化情况由图3.19可知，对于旧铸铁管和水泥砂浆内衬铸铁管而言，其TOC的变化与浸泡液初始的pH关系不大，其TOC值依次维持在1.7mg/L和1.5mg/L左右。对于环氧树脂内衬铸铁管，其TOC值变化趋势也较为平缓，在pH为6时TOC值较低，而在过酸性和碱性时候TOC值较高。这是因为过酸和过碱性环境都会加+-速环氧树脂涂层有机物的溶出，两种情况H和OH都可以与环氧树脂发生反应，使得其溶解。因此，不同的pH对环氧树脂内衬铸铁管析出有机物有较大的影响，过酸过碱的情况下都会导致其有机物释放量增加。3.3.3不同初始pH值条件下金属离子的变化图3.20三种管段不同pH值条件下Fe的变化情况34 第3章不同实验条件下环氧树脂内衬铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和铸铁管内水质的变化由图3.20可知，对于水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管而言，随着pH值的改变，其释放Fe的数量基本保持不变。对于旧铸铁管而言，其水样中Fe的浓度随着pH的改变而改变，当pH为2时，旧铸铁管Fe释放量比较多，这+是因为此时浸泡液含有较多的H，加速了铁锈的溶解，使得水样中Fe的含量比较多；而当pH逐渐升高时候，Fe的含量先急剧降低，然后再缓慢上升。因此，不同pH对旧铸铁管中Fe的释放影响较大，水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管在不同pH条件下Fe的释放量都很小，利于水质的稳定。由图3.21可知，对于水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管而言，随着pH值的改变，其释放Mn的数量基本保持不变。对于旧铸铁管而言，其水样中Mn的浓度随着pH的改变而发生改变，当pH为2时，旧铸铁管Mn释放量比较多。然后随着pH值的升高，其释放Mn的数量首先急剧减小，然后有轻微的增加。这是因为在过酸性条件下，金属管道结构部分有较多的溶解，同时也导致了Mn含量的升高。因此，不同pH对旧铸铁管中Mn的释放影响较大，水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管在不同pH条件下Mn的释放量都很小，利于水质的稳定。图3.21三种管段不同pH值条件下Mn的变化情况由表3.7可知，旧铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管在不同pH浸泡液实验中，都有金属Cu、Pb和Cr的释放，但是这些金属的释放量比较小。对于金属Cu而言，旧铸铁管和水泥砂浆内衬铸铁管管内水样Cu的含量变化趋势不是特别大，随着浸泡液pH的增加其Cu含量基本保持不变。而对于环氧树脂内衬铸铁管，可以发现，随着浸泡液pH的增加其Cu的释放量逐渐降低。在正常供水水质变化范围内，即6.5~8.5范围内，Cu的释放量与旧铸铁管相当。因此，环氧树脂内衬铸铁管在减少金属Cu释放量方面没有明显效用。35 第3章不同实验条件下环氧树脂内衬铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和铸铁管内水质的变化对于金属Pb而言，旧铸铁管和水泥砂浆内衬铸铁管管内水样Pb的含量变化趋势不是特别大，随着浸泡液pH的增加其Pb含量基本保持不变。而对于环氧树脂内衬铸铁管，可以发现随着浸泡液pH的增加其Pb的释放量逐渐降低，在正常供水水质变化范围内，即6.5~8.5范围内，Pb的释放量与旧铸铁管相当。因此，环氧树脂内衬铸铁管在减少金属Pb释放量方面没有明显效用。对于金属Cr而言，旧铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管内水样的Cr浓度基本一致，且随着pH的改变其Cr浓度基本保持不变。而对于水泥砂浆内衬铸铁管而言，在过酸和过碱条件下，金属Cr的释放量较多，在pH为6时候Cr的释放量较少。因此，环氧树脂内衬铸铁管在减少Cr释放量方面没有明显的效用。表3.7三种管段不同pH值条件下Cu、Pb和Cr的变化情况指标(ug/L)管段pH246810旧铸铁管1.51.11.41.71.9Cu水泥砂浆1.52.91.51.43.1环氧树脂9.76.52.51.91.6旧铸铁管0.20.20.20.20.2Pb水泥砂浆0.10.10.20.20.1环氧树脂0.90.40.20.20.2旧铸铁管1.31.51.31.61.6Cr水泥砂浆37.6—1.636.475.8环氧树脂3.21.81.21.61.8综上所述：通过研究不同初始pH条件下三种管材水质指标的变化可以发现：在不同pH变化条件下，环氧树脂内衬铸铁管具有减小余氯消耗、降低浊度，维持水样pH值稳定的优点；同时还可以降低因pH发生改变而引起的Fe和Mn释放量增加的风险；然而对于金属Cr、Pb和Cu而言，喷涂改造前后没有明显地改变。此外，环氧树脂喷涂后在不同pH条件下也会造成有机物的析出，给饮用水安全带来一定影响。3.4不同温度条件下水质的变化情况在不同实验温度条件下研究旧铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管内水质的变化。选取的温度分别为25℃和45℃。检测指标为余氯、浊度、pH、TOC、Fe、Mn、Pb、Cr和Cu。36 第3章不同实验条件下环氧树脂内衬铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和铸铁管内水质的变化3.4.1不同温度条件下余氯、浊度和pH值的变化图3.22三种管段不同温度条件下余氯的变化情况由图3.22可知，对于旧铸铁管而言，不管温度条件是25℃还是45℃，其余氯浓度基本都保持不变，维持在0.03mg/L左右。这是因为旧铸铁管内余氯的衰减太快，在浸泡实验中选取的浸泡时间24h对于旧铸铁管来说太长，没有体现出温度对旧铸铁管管内余氯衰减的影响。对于水泥砂浆内衬铸铁管，25℃和45℃条件下的余氯值分别为0.08mg/L和0.03mg/L。对于环氧树脂内衬铸铁管而言，25℃和45℃条件下的余氯值分别为0.35mg/L和0.24mg/L。可以看出随着温度的升高余氯的衰减也会更快。这是因为温度的提高会加速物理和化学反应过程，包括Ca(ClO)2与CO2的反应速率、管道有机物的析出速率和余氯与有机物的反应速率。因此，温度的升高会导致余氯的加速衰减，在三种管材中，环氧树脂内衬铸铁管呈现出较低的余氯消耗量。表3.8三种管段不同温度条件下浊度和pH值的变化情况温度25℃45℃指标旧铸铁管水泥砂浆环氧树脂旧铸铁管水泥砂浆环氧树脂浊度（NTU）65.40.10.1121.00.10.2pH值7.19.58.56.711.08.2由表3.8可知，对于水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管而言，无论温度是25℃还是45℃，其管网水的浊度值都约为0.1NTU，说明了温度对这两种管材浊度变化没有影响。而对于旧铸铁管而言，25℃时管网水浊度为65.4NTU，而在45℃时为121NTU，可以看出温度高的时候浊度值高。这是因为在高温情况下，加速了旧铸铁管中的腐蚀产物向管网水中的释放。37 第3章不同实验条件下环氧树脂内衬铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和铸铁管内水质的变化对于pH指标的变化，环氧树脂内衬铸铁管中水样的pH值变化不是特别明+-显，与浸泡液初始pH初始值8相差不多。这是因为这种管材没有影响H或OH的物质析出。对于旧铸铁管，在25℃和45℃条件下其pH值分别为7.1和6.7，2+3+在高温条件下呈现更高的酸性。这是因为高温促进了铁锈中的Fe和Fe水解反+应，生成更多的H，导致pH值更低。对于水泥砂浆内衬铸铁管而言，在25℃和45℃条件下其pH值分别为9.5和11，在高温条件下表现出了更高的碱性。这-是因为高温加速了Ca(OH)2从水泥砂浆内衬层的析出速率，增大了浸泡液中OH的浓度。因此，在不同的温度条件下，环氧树脂内衬铸铁管并没有较大地影响管网水的浊度值和pH值。说明了这种管材具有维持水质稳定的优良性能。3.4.2不同温度条件下有机物的变化图3.23三种管段不同温度条件下TOC的变化情况由图3.23可知，对于旧铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管三种管段，在45℃的条件下其TOC值较大，分别比25℃条件下TOC值高出了296%、35%和98%。说明在高温情况下管段内表面有更多的有机物释放到管网水中。对于环氧树脂内衬铸铁管，25℃实验条件下TOC值为3.6mg/L，45℃条件下TOC的值为7.1mg/L，有机物析出多出了近100%。因此，温度是影响不同管材析出有机物的一个重要因素，随着温度的升高，有机物的析出量也会相应增加。38 第3章不同实验条件下环氧树脂内衬铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和铸铁管内水质的变化3.4.3不同温度条件下金属离子的变化图3.24三种管段不同温度条件下Fe的变化情况由图3.24可知，对于水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管而言，在25℃条件下两种管材中的Fe含量分别为0.04mg/L和0.08mg/L，而在45℃条件下两种管材中的Fe含量分别为0.03mg/L和0.1mg/L，分别增加了-0.01mg/L和0.02mg/L，可以看出温度对这两种管材Fe的溶出量影响很小。而对于旧铸铁管而言，25℃时候金属Fe的含量是0.7mg/L，45℃时候Fe的含量是1.4mg/L。这是因为温度的提高加速了旧铸铁管中Fe的腐蚀产物向管网水中释放。因此，温度对旧铸铁管中Fe的释放有影响，但对有内衬涂层的铸铁管中Fe的释放影响较小。图3.25三种管段不同温度条件下Mn的变化情况由图3.25可知，对于旧铸铁管而言，25℃时金属Mn的含量是3.8mg/L，45℃时Mn的含量是13.5mg/L，增加了255%。这是因为温度的提高加速了旧铸铁管中的腐蚀产物向管网水中的释放，在腐蚀产物中包含有Mn。对于水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬管而言，25℃和45℃条件下其金属Mn的含量约为0mg/L。由此可知，不同温度对有内衬涂层的铸铁管中Mn的溶出变化影响较小。因此，39 第3章不同实验条件下环氧树脂内衬铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和铸铁管内水质的变化温度对旧铸铁管Mn的释放有影响，但不会影响有内衬涂层的铸铁管中Mn的释放情况。表3.9三种管段不同温度条件下Cu、Pb和Cr的变化情况温度25℃45℃指标(ug/L)旧铸铁管水泥砂浆环氧树脂旧铸铁管水泥砂浆环氧树脂Cu4.75.63.08.26.43.5Pb0.10.10.00.00.00.0Cr10.5602.73.715.6501.63.8由表3.9可知，旧铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管在不同温度实验条件下，都有金属Cu、Pb和Cr的释放。对于旧铸铁管而言，45℃条件下其对应的Cu、Pb和Cr金属的释放量都有所增加。这是因为温度的提高增加了管道内金属往管网水中的释放。对于水泥砂浆内衬铸铁管而言，温度的提高并没有完全提高其金属的释放，45℃条件下Cu的释放增加了0.8ug/L，而金属Cr的释放则减少了101.1ug/L。对于环氧树脂内衬铸铁管而言，温度的改变对其金属Cu、Pb和Cr的释放基本上没有影响。这是因为喷涂的环氧树脂有机膜隔绝了原旧铸铁管的内表面和管网水。因此，对于环氧树脂内衬铸铁管而言，即便周围温度发生了改变，也不会影响管段的Cu、Pb和Cr释放情况。综上所述：通过研究不同温度条件下三种管材水质指标的变化可以发现，在不同温度条件下，环氧树脂内衬铸铁管具有维持管网水浊度、pH、Fe、Mn、Cu、Pb和Cr指标稳定的优点。同时也发现，随着温度的增加，余氯消耗将增加，有机物的析出也将增加。3.5不同初始余氯条件下水质的变化情况在不同浸泡液初始余氯浓度条件下研究旧铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管内水质的变化。选取的初始余氯浓度值分别为0、1、2和4mg/L。检测指标为余氯、浊度、pH、TOC、Fe、Mn、Pb、Cr和Cu。40 第3章不同实验条件下环氧树脂内衬铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和铸铁管内水质的变化3.5.1不同初始余氯条件下余氯、浊度和pH值的变化图3.26三种管段不同初始余氯条件下余氯的变化情况由图3.26可知，对于旧铸铁管，当浸泡液初始余氯值由0mg/L增加到4mg/L时，进行浸泡实验24h后，余氯值都接近于0mg/L，说明旧铸铁管消耗余氯的能力非常强。对于水泥砂浆内衬铸铁管，在初始氯为0mg/L、1mg/L、2mg/L和4mg/L时，实验后对应的余氯值分别为0mg/L、0.05mg/L、0.03mg/L和0.2mg/L，而对于环氧树脂内衬铸铁管，实验后对应的余氯值分别为0mg/L、0.08mg/L、0.11mg/L和0.9mg/L。实验后管网水的余氯值随着初始余氯浓度的增加而增加，且环氧树脂内衬铸铁管具有较小的余氯消耗能力，如在初始余氯为4mg/L时，环氧树脂内衬铸铁管的余氯值比旧铸铁管高0.9mg/L，比水泥砂浆内衬铸铁管高0.7mg/L。因此，随着初始余氯值的提高，三种管段水样的余氯值也不断提高，且在不同余氯初始浓度条件下，环氧树脂内衬铸铁管相比于旧铸铁管和水泥砂浆内衬铸铁管都可以表现出较低的余氯衰减速度。表3.10三种管段不同初始余氯条件下浊度和pH值的变化情况指标管段余氯0mg/L1mg/L2mg/L4mg/L旧铸铁管143.0111.0—127.0浊度（NTU）水泥砂浆0.20.10.20.1环氧树脂0.50.10.20.4旧铸铁管6.46.56.96.6pH水泥砂浆7.88.48.48.7环氧树脂8.08.28.28.241 第3章不同实验条件下环氧树脂内衬铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和铸铁管内水质的变化由表3.10可知，对于水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管而言，无论浸泡液初始余氯值发生怎样的改变，其水样浊度值都非常低，接近于0NTU。而对于旧铸铁管而言，其浊度值维持在130NTU附近。因此，浸泡液初始余氯值浓度的改变不会影响三种管材管网水的浊度变化，水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管可以保持管网水较低的浊度值。对于pH的变化，随着初始余氯值的改变，三种管段其管内水样的pH值基本不发生变化，说明浸泡液的初始余氯浓度不影响三种管材水样的pH变化。3.5.2不同初始余氯条件下有机物的变化图3.27三种管段不同初始余氯条件下有机物的变化情况由图3.27可知，对于旧铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管来说，在初始余氯浓度为0~4mg/L之间变化时，其水样TOC降低的趋势不是特别明显。其中环氧树脂内衬铸铁管在初始余氯为4mg/L时TOC仅比0mg/L点减少0.1mg/L。说明这两种管网内余氯的衰减与有机物关系不大，印证了余氯在旧铸铁管中衰减主要是与2+Fe和Fe进行氧化还原反应的推测，同时也与前面关于环氧树脂内衬管中余氯消耗机理的陈述略不符合。究其原因，前面检测到这种管材的Fe溶出存在超标现象，可能是由于在切割环氧树脂内衬铸铁管时，有部分铁屑遗留在管内表面，铁与余氯进行了氧化还原反应从而造成余氯降低而有机物浓度没有明显降低。后续又增加了初始余氯浓度为8mg/L的实验，发现环氧树脂内衬铸铁管中TOC值降为0.85mg/L，比其4mg/L时候的1.73mg/L减少了51%，证明了环氧树脂内衬铸铁管中余氯衰减与管道析出的有机物有关系。而对于水泥砂浆内衬铸铁管而言，随着初始余氯浓度的增加，其管内水样的TOC逐渐降低，这是因为在水泥砂浆内衬铸铁管中会附着一些有机物，而增加的余氯氧化了更多的有机物的缘故。因此，浸泡液初始余氯浓度会对三种不同管材内有机物浓度造成影响，相比而言对水泥砂浆内衬铸铁管的影响最大。42 第3章不同实验条件下环氧树脂内衬铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和铸铁管内水质的变化3.5.3不同初始余氯条件下金属离子的变化图3.28三种管段不同初始余氯条件下Fe的变化情况由图3.28可知，对于水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管，在不同初始余氯条件下，其Fe的释放量近似于等于0ug/L。对于旧铸铁管而言，随着浸泡液初始余氯值的增加，金属Fe的释放量首先降低，然后增加，在余氯浓度为2mg/L处最小。因此，不同初始余氯浓度对旧铸铁管中Fe的释放有影响，对水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管基本没有影响。图3.29三种管段不同初始余氯条件下Mn的变化情况由图3.29可知，对于水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管，在不同初始余氯条件下，其Mn的释放量非常小，且保持稳定。对于旧铸铁管而言，随着浸泡液初始余氯值的增加，其Mn的释放量逐渐降低。因此，不同初始余氯浓度对水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管中Mn的释放没有大的影响，而对旧铸铁管有影响。43 第3章不同实验条件下环氧树脂内衬铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和铸铁管内水质的变化表3.11三种管段不同初始余氯条件下Cu、Pb和Cr的变化情况指标(ug/L)管段余氯0124旧铸铁管1.91.50.12.1Cu水泥砂浆3.31.60.51.3环氧树脂4.01.62.11.6旧铸铁管0.20.30.00.2Pb水泥砂浆0.10.20.20.7环氧树脂0.20.20.00.2旧铸铁管1.31.5-0.81.3Cr水泥砂浆37.6—-0.11.6环氧树脂3.21.8-0.21.2由表3.11可知，旧铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管在不同温度实验条件下，都有金属Cu、Pb和Cr的释放。对于金属Cu，在旧铸铁管和水泥砂浆内衬铸铁管中，随着浸泡液初始余氯值的增加，其管内Cu的含量首先降低，然后再升高。而对于环氧树脂内衬铸铁管而言，其管内水样的Cu首先降低然后维持一定的稳定。但是，Cu浓度变化都比较小，因此可以说初始余氯浓度的变化对三种管材Cu的释放基本没有影响。对于金属Pb，对于三种不同管材而言，随着浸泡液初始余氯浓度的增加，水泥砂浆内衬铸铁管管内Pb的含量逐渐增加，而对于旧铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管，管内Pb含量先降低然后升高，但是其变化幅度都比较小。因此，初始余氯浓度的变化对三种管材Pb的释放基本没有影响。对于金属Cr，在不同初始余氯的条件下，对于旧铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管而言，其管内Cr含量变化不是特别明显，都保持较低的水平。而对于水泥砂浆内衬铸铁管，随着初始余氯浓度的增加，其Cr释放先降低后保持稳定，但是其变化幅度都比较小。因此，初始余氯浓度的变化对三种管材Cr的释放基本没有影响。综上所述：在不同余氯初始浓度条件下，三种不同管材内水样的各项指标变化还是有一定差异的。比较发现，环氧树脂内衬铸铁管具有减小余氯消耗、降低浊度，维持水样pH值稳定的优点；减小Fe和Mn释放量的增加；然而对于金属Cr和Pb而言，改造前后没有明显地改变。此外，环氧树脂喷涂后会造成有机物的析出，给饮用水安全带来一定影响。44 第3章不同实验条件下环氧树脂内衬铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和铸铁管内水质的变化3.6不同源水条件下水质的变化情况在不同源水配置浸泡液条件下研究旧铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管内水质的变化。选取配置浸泡液的源水分别为自来水和去离子水。检测指标为余氯、浊度、pH、TOC、Fe、Mn、Pb、Cr和Cu。3.6.1不同源水条件下余氯、浊度和pH值的变化图3.30三种管段不同源水条件下余氯的变化情况由图3.30可知，对于同一种源水，旧铸铁管和水泥砂浆内衬铸铁管消耗的余氯量较大，而环氧树脂内衬铸铁管消耗的余氯量较小。对于旧铸铁管而言，两种不同源水的余氯消耗没有区别，对于水泥砂浆内衬铸铁管，使用去离子水作为浸泡水时余氯消耗较小，但是两种源水的差别不是特别大。对于环氧树脂内衬铸铁管而言，采用自来水作为浸泡水时消耗的余氯量较少。这是因为自来水本身含有一定的余氯值，采用自来水配置的浸泡液的总余氯值要比采用去离子水配置的浸泡液高。因此，环氧树脂内衬铸铁管在不同源水浸泡液情况下都比旧铸铁管的余氯消耗能力弱，采用自来水作为源水配置浸泡液时余氯衰减较小。表3.12三种管段不同源水条件下浊度和pH值的变化情况源水自来水去离子水指标旧铸铁管水泥砂浆环氧树脂旧铸铁管水泥砂浆环氧树脂浊度（NTU）199.00.10.7199.00.20.2pH值6.68.18.16.68.08由表3.12可知，水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管内水样的浊度值较低，而旧铸铁管管内水样的浊度值较高。不同源水的浸泡液对管内的浊度基本上没有影响。因此，在不同源水配置的浸泡液进行实验时，三种管材浊度变化45 第3章不同实验条件下环氧树脂内衬铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和铸铁管内水质的变化不是特别大，环氧树脂内衬铸铁管相比于旧铸铁管而言表现出了较好的低浊度特性。对于pH而言，对于同一种管材的两种不同源水浸泡液，采用去离子水的实验组pH相对来说略低。因此，采用不同源水配置浸泡液会对浸泡实验的pH造成影响，采用去离子水实验时pH略低，但影响轻微。3.6.2不同源水条件下有机物的变化图3.31三种管段不同源水条件下TOC的变化情况由图3.31可知，对于旧铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管而言，采用自来水进行浸泡实验时其TOC值都比采用去离子水进行浸泡时高。这是因为自来水中本身含有有机物，因此造成检测出来的TOC值偏高。因此，源水种类对三种管材内水样的有机物含量是有影响的，采用自来水进行实验时其TOC值偏高。3.6.3不同源水条件下金属离子的变化图3.32三种管段不同源水条件下Fe的变化情况由图3.32可知，对于水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管，其在不同源水配置的浸泡液条件下Fe的释放量较少，其中环氧树脂内衬铸铁管在自来46 第3章不同实验条件下环氧树脂内衬铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和铸铁管内水质的变化水和去离子水两种情况下Fe的浓度分别是0.46ug/L和0.40ug/L。而旧铸铁管中Fe的释放量显示比较多，此外发现自来水浸泡条件下其Fe的释放量比较高。因此，采用不同源水进行浸泡实验时对旧铸铁管中Fe的释放有影响，而对另外两种管材影响较小，环氧树脂内衬铸铁管都比旧铸铁管的Fe的释放量少。图3.33三种管段不同源水条件下Mn的变化情况由图3.33可知，对于水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管，其在不同源水配置的浸泡液条件下Mn的释放量较少，基本为0ug/L，而在旧铸铁管中Mn的释放量较多。因此，采用不同源水进行浸泡实验时对旧铸铁管中Mn的释放有影响，而对另外两种管材影响较小，环氧树脂内衬铸铁管都比旧铸铁管Mn的释放量少。表3.13三种管段不同源水条件下Cu、Pb和Cr的变化情况源水自来水去离子水指标(ug/L)旧铸铁管水泥砂浆环氧树脂旧铸铁管水泥砂浆环氧树脂Cu2.33.52.51.41.31.6Pb0.20.20.20.20.20.2Cr2.25.64.71.72.41.3由表3.13可知，在不同源水条件下都可以检测到金属Cu、Pb和Cr的溶出，但是含量较低。对于旧铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管，在使用自来水配置浸泡液时候，其金属的含量要比采用去离子水时大。推测这是由于自来水中本身含有这些金属，源水中的金属加上从三种管段里面释放的金属，所以总的数值稍高。对于环氧树脂内衬铸铁管，虽然在自来水浸泡条件下金属Cu、Pb和Cr的析出量会增加，但是增加量不是特别大。综上所述：通过研究不同源水浸泡条件下三种管材内水质指标的变化可以发47 第3章不同实验条件下环氧树脂内衬铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和铸铁管内水质的变化现，源水的不同会影响管段内的水质情况。对于环氧树脂内衬铸铁管而言，在自来水浸泡条件下，管网水检测到更高的余氯、TOC、Fe、Cu、Pb和Cr，而pH基本保持不变，Mn有略微的下降。3.7本章小结本章研究了旧铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管三种管段在不同浸泡时间、pH、温度、初始余氯浓度和源水等影响因素下对管网水水质的影响。小结如下：（1）通过72h的浸泡实验计算出旧铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树-1-1-1脂内衬铸铁管的余氯衰减系数，分别是0.633d、0.269d和0.043d。环氧树脂内衬铸铁管在不同pH、温度、初始余氯浓度和源水条件下都表现出较低的余氯衰减速率，说明这种管材具有余氯消耗小的优点。（2）环氧树脂内衬铸铁管在不同的影响因素实验中都表现出了较多的有机物析出，这是由于喷涂的一层环氧树脂有机膜所导致的。有机物的溶出一方面能够给供水管网中的微生物提供营养，从而增加微生物风险；另一方面也会与管网中的消毒剂（氯）发生反应，加大生成消毒副产物的机率，影响供水水质。（3）相比于旧铸铁管，水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管的Fe和Mn的释放量大大减小。环氧树脂内衬铸铁管中的有机涂层有效地隔绝了管段金属层与管网水的直接接触。这一方面可以减小管网水的Fe和Mn的含量，还可以有效减少由于供水管网水质水力条件发生巨变而引起的“红水”事件。（4）对于管网水的浊度和pH值，可以发现环氧树脂内衬铸铁管与旧铸铁管相比而言具有较好的优越性。在不同的影响因素实验中，环氧树脂内衬铸铁管都可以保持较低的浊度值，其pH值也基本维持在初始条件下。（5）对于管网水的Cu、Pb和Cr而言，其在三种管段中检测出来的值都比较小，低于《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）。相比于旧铸铁管而言，环氧树脂内衬铸铁管并没有表现出明显的优势。48 第4章环氧树脂喷涂修复对小区供水管网系统供水的影响研究4环氧树脂喷涂修复对小区供水管网系统的影响研究4.1环氧树脂喷涂修复对小区供水管网节点压力的影响研究在居民小区供水管网内选择五个水压监测点，分别为进水口、B、C、E和F点，详见图2.3。在喷涂前和喷涂后分别对这些压力监测点进行监测并收集数据，具体分析如下。4.1.1喷涂小区进水口节点压力的变化情况图4.1生活小区进水口供水压力的变化情况在生活小区进水口监测点安装压力计，监测2014年3月和4月两个月小区进水口的压力数据，数据采集频率为1个/小时。将3、4月份采集的数据进行处理，计算得到对应的每小时月平均压力值，然后比较3月份和4月份每小时月平均压力值的差异情况。由图4.1发现3、4月份小区进水口压力基本保持不变，说明小区进水口来水压力比较稳定，进而可以推算，在小区进行环氧树脂喷涂前后，进水口压力亦保持不变。这也为进一步分析小区内B、C、E和F点压力值变化奠定基础，排除了来水压力变化的因素。(4-1)式中：p—压强，Kpa3ρ—密度，kg/mv—速度，m/s2g—重力加速度，m/sh—高度，m49 第4章环氧树脂喷涂修复对小区供水管网系统供水的影响研究C—常数(4-2)3式中：Q—流量，m/hD—直径，m图4.1中压力变化趋势较为明显，0h时刻压力较高，然后降低再缓慢升高，并在5h~6h内压力达到最高，然后又降低并在12h时刻压力降到最低。这是因为供水管网在夜间进行了调压，降低压力从而减小管网的水资源漏失。之后压力逐渐升高，直到凌晨。根据伯努利方程（4-1）和流量流速关系（4-2）可知道，在供水管道内，压力与流量有负相关关系，因此可以得知该小区在晚上20h到次日6h流量较低，这个时候用户用水量较低，在1h~4h期间压力较低是因为夜间将供水压力调低，减小漏失率。而在12h时候，流量较大，说明用户用水量大，这也符合居民用水情况。4.1.2喷涂前后小区供水管网节点压力的变化情况图4.2监测点B喷涂前后供水压力的变化情况图4.3监测点C喷涂前后供水压力的变化情况50 第4章环氧树脂喷涂修复对小区供水管网系统供水的影响研究图4.4监测点E喷涂前后供水压力的变化情况图4.5监测点F喷涂前后供水压力的变化情况对于圆管满流，沿程水头损失一般采用下述达西—韦伯（Darcy-Weisbach）公式计算：(4-3)式中：D—管段直径，m2g—重力加速度，m/sλ—沿程阻力系数图4.2~4.5分别显示了小区内B、C、E和F监测点喷涂前后压力的变化情况。由图中信息很容易得到监测点压力值喷涂后较喷涂前压力值高，其中B点压力水头平均升高约0.45m，C点压力水头平均升高约0.56m，E点压力水头平均升高约0.28m，F点压力水头平均升高约0.54m，整体看来，小区节点压力平均升高0.46m。从而可以推断整个小区管网的平均压力在完成环氧树脂喷涂后都有所升51 第4章环氧树脂喷涂修复对小区供水管网系统供水的影响研究高。这是因为在环氧树脂喷涂改造的过程中，管网中的锈蚀部分被除去，使得管道摩阻系数减小，并且增大了管道的过水断面面积，降低了供水的流速，从而减小了管道沿程水头损失，所以管网节点的压力值会得到普遍提升，这在一定程度上也可以降低泵站的供水能耗，从而降低供水成本。此外还可以发现，喷涂前后4个压力监测点压力值的变化趋势是一致的，说明虽然环氧树脂喷涂改造可以提高供水管网的压力值，但是不会影响节点压力值的变化趋势。综上所述：生活小区在进行环氧树脂喷涂改造后，可以提高管网的整体供水压力，改善供水条件。4.2环氧树脂喷涂修复对小区供水管网水质的影响研究在居民小区供水管网内选择四个水质监测点，分别为进水口、A、D和E点，详见图2.3。在喷涂前和喷涂后分别对这些水质监测点进行取样检测，检测指标包括余氯、浊度、pH、TOC、Fe、Mn、Pb、Cr和Cu。需要说明的是，在居住小区进水口水质监测点喷涂前和喷涂中数据检测时候，当时并没有收集到这部分数据，而是在喷涂后又进行了补测。一般情况下，居住小区供水管网的来水水质较为稳定，用不同时段的数据互相替代没有大的影响。但是在后续的分析中可以发现小区进水口的这部分替换水质数据是存在一定的不合理之处的，具体分析如下。4.2.1喷涂小区进水口水质的变化情况对喷涂生活小区进水口水质进行检测，检测指标为浊度、余氯、pH、TOC、Fe、Mn、Cu、Pb和Cr。检测时间分为两个阶段，阶段一是喷涂前，检测时间为6天；阶段二为喷涂后1年，检测时间为3天。需要指出的是在阶段二检测前，供给该生活小区的北京第三自来水厂使用了部分南水北调水源，因此来水水质情况可能会发生变化。将得到的水质数据然后按照公式（4-1）、（4-2）和（4-3）分别计算其平均值、标准差和变异系数，如表1所示。计算平均值是为了观察水质指标的变化平均值。而计算标准差和变异系数，则是为了观察其数据的离散分布情况。平均值计算公式：(4-4)式中：—平均值52 第4章环氧树脂喷涂修复对小区供水管网系统供水的影响研究N—数据个数—第i个数据标准差计算公式：(4-5)变异系数：(4-6)通过阶段一6天的观察，可以发现：来水浊度平均为0.46NTU、余氯0.29mg/L、pH值7.61、TOC值1.12mg/L、Mn含量2.58ug/L、Cu含量5.13ug/L、Pb含量0.38ug/L和Cr含量4.27ug/L，这些值都可以满足国家《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006），但是对于Fe来说，其浓度为359.41ug/L，超过了饮用水卫生标准。通过比较变异系数，可以发现：对于喷涂小区管网内饮用水的余氯浓度，其变异系数分别达到了42.92%，说明变化幅度较大，各水质数据离散程度较大。在供水管网系统中保持一定的余氯浓度，可以有效地抑制微生物的生长，维持水质稳定。但是如果余氯浓度过高，就会与饮用水中的有机物发生反应，生成具有致癌作用的消毒副产物。按照饮用水标准规定：“余氯值在出厂处浓度应不小于0.3mg/L，在管网末端不应该小于0.05mg/L。”喷涂小区进水口余氯平均值在0.46mg/L，变化幅度较为明显。这个小区的进水余氯值较高，一方面可以有效抑制管网中微生物的增长，另一方面也会增加生成消毒副产物的风险。小区进水的浊度值平均值为0.29NTU，低于饮用水卫生标准的1NTU，来水浊度达标。喷涂小区来水的pH值变化范围为7.5~7.7，变化不明显，符合标准中的6.5~8.5范围，因此pH值变化亦达标。在《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）的106项规定中，虽然没有包括TOC这个指标，但是在标准的资料性参考指标中有参考限值指标是5mg/L。喷涂小区来水的TOC平均值为1.12mg/L，满足标准要求。城市供水管网在服役多年后，有时候会出现“黄水”现象，这主要是因为管道内金属（如Fe和Mn）释放而造成的。一般发生在供水条件发生变化时，如供水压力骤增骤减、水源切换等时候，这将打破原有水质和腐蚀产物之间的平衡，从而破坏了管垢外部致密的保护层，导致管垢内层的疏松物质向管网水中释放金属，进而引起水质的恶化。另外，还有一些金属会对人体造成伤害，如过量摄入铜会对人体的肾、肝、消化系统和大脑等部位造成影响。根据饮用水标准，金属Fe、Mn、Cu、Pb和Cr的限值浓度分别为300ug/L、100ug/L、200ug/L、10ug/L53 第4章环氧树脂喷涂修复对小区供水管网系统供水的影响研究表4.1喷涂小区进水口水质信息喷涂时小区来水一年后小区来水指标次数123456平均值标准差变异系数123平均值标准差变异系数余氯0.640.460.570.40.490.390.460.0818.29%0.420.480.410.440.048.67%(≥0.05mg/L)浊度0.270.240.430.170.20.350.290.1242.92%0.270.140.170.190.0735.21%(≤1NTU)pH7.557.597.557.677.597.647.610.050.70%7.737.757.687.720.040.47%(6.5≤pH≤8.5)TOC0.540.481.111.141.111.121.120.011.26%1.141.191.181.170.032.26%(≤5mg/L)Fe304.53283.00340.5308.6375.6412.93359.4144.9712.51%302.8302.8237.37280.9937.7813.44%(≤300ug/L)Mn1.792.662.822.631.932.922.580.4517.34%1.921.921.651.830.168.52%(≤100ug/L)Cu4.945.445.045.335.334.835.130.244.75%1.951.951.611.840.2010.69%(≤1000ug/L)Pb0.220.430.330.380.440.380.380.0511.76%0.250.250.150.220.0626.65%(≤10ug/L)Cr3.492.213.593.534.865.14.270.8319.35%4.224.224.664.370.255.82%(≤50ug/L)54 第4章环氧树脂喷涂修复对小区供水管网系统供水的影响研究和50ug/L。对于金属Fe来说，其来水浓度平均值为325.8ug/L，超过了标准；而对于金属Mn、Cu、Pb和Cr来说，其来水浓度平均值均低于标准规范。通过阶段二3天的观察，可以发现多数水质指标基本没有发生变化，如余氯、浊度、pH、TOC和Cr。另外，也有一些水质指标发生了较大的变化，如Fe和Cu。表4.2不同时段喷涂小区进水水质信息对比余氯浊度TOCFeMnCuPbCr指标pH(mg/L)(NTU)(mg/L)(ug/L)(ug/L)(ug/L)(ug/L)(ug/L)喷涂时0.460.297.611.12359.412.585.130.384.27一年后0.440.197.721.17280.991.831.840.224.37平均值0.450.257.661.14325.802.263.720.314.31标准差0.070.110.070.0356.950.521.770.100.60变异系数14.4%43.7%0.9%2.8%17.5%22.9%47.7%32.1%14.0%图4.6各测量指标与饮用水卫生标准的比较为了反映喷涂小区来水水质情况与国家《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006）的相对接近程度，此处定义了相近度概念：比较喷涂小区来水水质各指标值与国家饮用水卫生标准的标准值，取较小值占较大值的比重，即为两个数据的相近度。由此可以得出：当相近度较高时，表明来水水质指标在饮用水卫生标准附近取值，也暗示这个指标存在风险；当相近度较低时，表明水质指标远低于或远大于卫生标准，而是否满足标准还需要进一步确定。经过计算可以得到相近度结果，如图4.6所示。可以看出：对于pH值和金属Fe来说，其来水水质与饮用水卫生标准较为接近，来水的水质变化易造成水质不达标情况存在。对于浊度、余氯和TOC等指标，其相近度表现中等。而对55 第4章环氧树脂喷涂修复对小区供水管网系统供水的影响研究于金属Mn、Cu、Pb和Cr来说，其含量远低于国家饮用水相应规范，因此来水的水质变化不容易造成水质超标。4.2.2喷涂前后小区管网内余氯、浊度和pH的变化情况图4.7喷涂前后余氯的变化情况图4.7显示了喷涂前后小区进水口和三个监测点余氯值的测量结果，可以发现A、D和E三点的余氯值在整体上有减小的趋势。在喷涂中和喷涂1周后余氯的降低可以解释为新喷涂的环氧树脂涂层有有机物析出到饮用水中，这部分有机物可以和余氯进行反应，因此造成了管网中余氯值的降低。另外，在喷涂前需要进行管道除锈，除锈后尽管进行清洗，但是还会残余一些铁屑在管道内壁，也会消耗一部分余氯。而对于喷涂后1年的余氯值而言，进水口、A、D和E四个点的余氯值相比于喷涂前的余氯值分别减少了7%、34%、19%和6%。因此，对旧铸铁管进行环氧树脂喷涂改造，在一定时间内会加大管网余氯的消耗，造成余氯值的降低。图4.8喷涂前后浊度的变化情况56 第4章环氧树脂喷涂修复对小区供水管网系统供水的影响研究图4.8显示了喷涂前后小区进水口和三个监测点浊度的测量结果，可以发现三点的浊度值在喷涂中时有所升高，然后喷涂后浊度值降低。这是因为在喷涂施工过程中，用高压空气将石英砂砾打入旧供水管道中，石英砂砾与管内表面腐蚀管垢碰撞并将其进行清除，这个过程中会存在未清除干净的金属溶入到管网水中，引起浊度值的升高。随着喷涂施工的结束，浊度慢慢降低。1年后A、D和E三点的浊度值要低于喷涂前的浊度值，分别降低了4%、44%和39%。说明环氧树脂喷涂这种修复工艺具有良好的效果。图4.9喷涂前后pH的变化情况图4.9显示了喷涂前后生活小区进水口和三个监测点pH的测量结果。可以发现在喷涂的过程中，喷涂小区内水质监测点的pH值变化不是特别明显。但是喷涂后1年的数据表明，4个监测点的pH值都增加了，进水口、A、D和E四点分别增加了0.11、0.12、0.14和0.2。这主要是由于来水水质发生变化而引起的。经过调查，在这1年期间，附近自来水厂的水源发生了部分变化，使用了部分南水北调水，因此造成了pH值升高的结果。因此，对铸铁管进行环氧树脂喷涂改造不会影响管网水pH的改变。4.2.3喷涂前后小区管网内有机物的变化情况图4.10显示了喷涂前后小区进水口和三个监测点TOC的测量结果，可以发现小区三点监测点的TOC值变化比较明显。在喷涂前进水口、A、D和E四个监测点的TOC值约在1.0mg/L，而在喷涂的过程中发现A、D和E三个监测点的TOC值都有所上升，特别是D监测点，其喷涂过程中的平均浓度可以达到2.8mg/L。这是因为在对旧铸铁管进行环氧树脂喷涂改造的过程中，会在旧铸铁管的内壁喷涂一层新的环氧树脂涂层，这部分涂层在与管网水接触的过程中会析出有机物，造成TOC值的升高。观察发现A、D和E三个监测点TOC值升高的程度是不一样的，这主要是与监测点的具体位置有关系。在喷涂完成后，通常需要预留一定的57 第4章环氧树脂喷涂修复对小区供水管网系统供水的影响研究固化时间来固化环氧树脂涂层，如果固化时间较小，那么涂层有机物的析出量就会相应的增加。在喷涂后1周的时间内，可以发现小区管网内监测点的TOC值降低至0.6mg/L，低于喷涂前的水平，说明对旧铸铁管进行环氧树脂喷涂改造有利于改善饮用水水质。但是1年后其对应的TOC值又升高至1mg/L左右，由于来水TOC值没有发生特别大的变化，因此推测这有可能是因为经过1年的变化，在环氧树脂内衬铸铁管内形成了新的生长环，附着有微生物和有机物，造成了水质TOC升高。图4.10喷涂前后TOC的变化情况4.2.4喷涂前后小区管网内金属离子的变化情况图4.11喷涂前后Fe的变化情况图4.11显示了喷涂前后小区进水口和三个监测点Fe的测量结果，可以发现在喷涂前、喷涂中、喷涂后1周和喷涂后1年的时间，三点的平均Fe浓度约为187ug/L、120ug/L、15ug/L和258ug/L。对旧铸铁管进行环氧树脂喷涂改造，可以明显看出改造过程中和改造后1周内Fe浓度有所下降。这是因为在喷涂改造58 第4章环氧树脂喷涂修复对小区供水管网系统供水的影响研究的过程中，对旧铸铁管的内壁进行了除锈，铁的腐蚀产物都被清洗处理了，此外还在其内壁表面涂上了环氧树脂涂层，有效地降低了Fe向管网水中的释放。喷涂后一周其管内Fe的浓度只有喷涂前Fe浓度的8%，大大减小了Fe的溶出。然而，一年后再次测量管网水中Fe的含量时候，发现含量又上升到较高的水平。这是因为附近的供水自来水厂的水源水进行了调整，使用了部分南水北调水源，导致来水水质发生变化。但是还是可以得出结论：对旧铸铁管进行环氧树脂喷涂改造可以降低饮用水的Fe含量。图4.12喷涂前后Mn的变化情况图4.13喷涂前后Pb的变化情况图4.12和图4.13分别是生活小区喷涂前后Mn和Pb的变化情况。对于金属Mn和Pb来说，喷涂前后其浓度变化不是特别大。然而在喷涂的过程中，其浓度却是出现了短暂的上升，然后又降低并趋于稳定。这是因为在喷涂过程需要除锈，这个施工过程可能会导致部分金属溶入管网水中，造成浓度上升。同样对于另外两个监测点D和E，它们的Mn和Pb变化也同理。因此可以得出一个结论：59 第4章环氧树脂喷涂修复对小区供水管网系统供水的影响研究对旧铸铁管进行环氧树脂喷涂改造后对管网水中Mn和Pb的含量变化影响不大。图4.14喷涂前后Cr的变化情况图4.15喷涂前后Cu的变化情况图4.14和4.15分别是生活小区喷涂前后Cr和Cu的变化情况。对于金属Cr和Cu来说，可以发现在喷涂前后的过程中，其浓度相比于饮用水卫生标准而言较小且基本保持不变，说明对旧铸铁管进行环氧树脂喷涂改造对金属Cr和Cu的释放影响较小。综上所述：对居住小区进行环氧树脂喷涂改造后，整体看来可以改善供水水质情况。如喷涂后1周TOC值降低为喷涂前的60%，Fe含量减小为原来的8%。对于余氯，喷涂改造后观察到其浓度有减小的趋势，喷涂后1周余氯值为喷涂前的86%。对于其它指标，如浊度、pH、Mn、Cr、Pb和Cu，在喷涂前后并没有发生显著的变化。60 第4章环氧树脂喷涂修复对小区供水管网系统供水的影响研究4.3环氧树脂喷涂修复技术在实际应用中的改进结合本文对环氧树脂喷涂技术的研究，发现这种技术有较好的实用效能和应用潜能，但是在开展实验室实验和现场小区喷涂的实验的过程中，也发现了存在一些问题，列举如下：(1)喷涂后存在有机物析出问题；(2)施工操作多处存在不规范行为；(3)现场喷涂后恢复供水前冲洗不彻底；(4)恢复供水后没有进行水质检测。针对这些问题也提出了一些建议，总结归纳如下：（1）环氧树脂喷涂技术方面研究发现环氧树脂喷涂后析出有机物是一个重大的安全隐患，原因之一是因为新喷涂的环氧树脂涂衬膜需要一定的时间才可以固化。因此，建议进一步研制无毒且固化时间较短的涂衬材料，这将有利于降低喷涂后有机物的析出。（2）环氧树脂喷涂施工方面在参与现场喷涂施工工作的过程中，发现现场施工人员多处存在操作不规范，因此建议：(1)系统培训员工由于环氧树脂喷涂修复是一种有技术含量的修复方法，因此对施工人员的要求也比较高。建议对上岗的工作人员首先进行环氧树脂喷涂修复技术的学习和培训。培训内容需要包括环氧树脂喷涂修复的技术介绍和施工中应该注意的问题。此外，还需要对现场管理者进行项目管理和质量控制的相关培训。(2)施工过程和质量控制要严格按照操作规范进行施工，不可为达到工期要求而简化施工步骤。目前施工后在恢复供水前管网冲洗的时间是3~5分钟，建议冲洗时间增加至15分钟。此外，目前现场的施工管理还不够科学，建议引进XX管理办法。(3)完善环氧树脂喷涂修复现场操作手册目前在现场环氧树脂喷涂施工处只有简单的施工操作指南，需要进一步完善该指南。特别要添加施工中的重要操作工序和注意事项。（3）城市供水安全保障方面采用环氧树脂喷涂修复来改造居住小区供水管网的一个重要目的是为了减少用户处“黄水”和“红水”的存在。但是用户处出现供水水质不达标可能有两个原因造成，其一是由小区供水管网引起的，其二是由小区外的市政管网引起的。在居住生活小区进行环氧树脂喷涂改造可减少小区管网引起的水质问题。当小区来水不达标时候，用户处还是会受到影响。因此，从城市供水安全保障方面整体61 第4章环氧树脂喷涂修复对小区供水管网系统供水的影响研究考虑时，不仅仅要有步骤有计划地在居住小区内部推进管网改造，而且也要考虑如何改善市政供水管网状况。4.4本章小结本章研究了真实生活小区喷涂改造前后供水管网节点压力和水质的变化情况，目的是了解环氧树脂喷涂改造技术在实际工程中的实际效果。小结如下：（1）在水力方面，对居住小区进行环氧树脂喷涂改造后，可以整体提高供水管网的供水压力，改善水力条件。本小区喷涂后管网节点压力平均升高0.46m，这在一定程度上也可以降低供水的能耗，节约电能。虽然可以整体提高管网供水压力，但是不会影响节点压力的变化趋势。（2）在水质方面，对居住小区进行环氧树脂喷涂改造后，整体看来可以改善供水水质情况。如喷涂后1周TOC值降低为喷涂前的60%，Fe含量减小为原来的8%。对于余氯，喷涂改造后观察到其浓度有减小的趋势，喷涂后1周余氯值为喷涂前的86%。对于其它指标，如浊度、pH、Mn、Cr、Pb和Cu，在喷涂前后并没有发生显著的变化。（3）喷涂后1年再次对居住小区进水和三个监测点进行水质检测，发现水质情况发生了变化。有些水质指标与喷涂前相比明显有所升高，如TOC上升了14%，Fe浓度上升了37%。经过调查，这是因为在这期间，负责该生活小区供水的北京第三自来水厂切换了部分水源，采用了部分南水北调水源。因此，造成了生活小区来水和管网水水质指标的变化。（4）另外，对小区进行环氧树脂喷涂改造后并不能完全保证小区的供水安全。小区的供水水质安全与小区内部和外部管网系统都有关系。小区来水水质若不达标，也会影响居住小区的供水水质安全。因此，要整体综合考虑小区内供水管线和小区外市政供水管线的更新改造。62 第5章结论与建议5结论与建议5.1结论本文以研究环氧树脂喷涂修复技术对供水管网水质和水力条件的影响为目的。研究内容分为实验室实验和居住小区现场喷涂实验。在实验室实验中，系统研究旧铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管三种不同管道在不同浸泡时间、温度、pH、初始余氯浓度和源水等因素下对管网水质的影响。在居住小区现场喷涂实验中，选定某生活小区作为环氧树脂喷涂试点，然后分析喷涂前后小区管网水质和压力的变化情况。结论如下：（1）通过72h的浸泡实验计算出旧铸铁管、水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树-1-1-1脂内衬铸铁管的余氯衰减系数，分别是0.633d、0.269d和0.043d。环氧树脂内衬铸铁管在不同pH、温度、初始余氯浓度和源水条件下都表现出较低的余氯衰减速率，说明这种管材具有余氯消耗小的优点。（2）相比于旧铸铁管，水泥砂浆内衬铸铁管和环氧树脂内衬铸铁管的Fe和Mn的释放量大大减小。环氧树脂内衬铸铁管中的涂层有效地隔绝了管段金属层与管网水的接触。这一方面可以减小管网水中的Fe和Mn的含量，还可以有效减少由于供水管网水质水力条件发生巨变而引起的“红水”事件。（3）环氧树脂内衬铸铁管在不同的影响因素实验中都表现出了较多的有机物析出，这是由于喷涂的一层环氧树脂有机膜所导致的。有机物的溶出一方面能够给供水管网中生存的微生物提供营养，增加微生物风险；另一方面也会与管网水中的消毒剂（氯）发生反应，生成消毒副产物，影响供水水质。在本实验中只是检测到了有机物的析出，但是对有机物的具体种类并没有进一步的检测，而一些其他学者开展了这部分的研究，检测到了丁二醇缩水甘油醚等物质。（4）在水力方面，对居住小区进行环氧树脂喷涂改造后，可以整体提高供水管网的供水压力，改善水力条件。本小区喷涂后管网节点压力水头平均升高0.46m，这在一定程度上也可以降低供水的能耗，节约电能。环氧树脂喷涂改造虽然可以整体提高管网供水压力，但是不会影响节点压力的变化趋势。在本实验中，由于数据的限制并没有对管道摩阻进行分析计算，而一些其他学者有研究粗糙度和水头损失变化的，如粗糙度由1.00mm减少为0.01mm，修复后水头损失降低。（5）在水质方面，对居住小区进行环氧树脂喷涂改造后，整体看来可以改善供水水质情况。如喷涂后1周TOC值降低为喷涂前的60%，Fe含量减小为原63 第5章结论与建议来的8%。对于余氯，喷涂改造后观察到其含量有减小的趋势，喷涂后1周余氯值为喷涂前的86%。对于其它指标，如浊度、pH、Mn、Cr、Pb和Cu，在喷涂前后并没有发生显著的变化。这在其他学者的研究中是未见的。（6）另外，对小区进行环氧树脂喷涂改造后并不能完全保证小区的供水安全。小区的供水水质安全与小区内部和外部管网系统都有关系。小区来水水质若不达标，也会影响居住小区的供水水质安全。5.2建议本文通过研究环氧树脂喷涂技术对供水管网水质和水力条件的影响，分析了这种技术的优点以及存在的问题。对进一步研究与优化环氧树脂喷涂改造技术，提出如下建议：（1）关于环氧树脂喷涂实验研究方面在环氧树脂内衬铸铁管内水样中检测到了有机物的存在，推测这是环氧树脂涂层中的有机物析出造成的，但是不清楚是哪一种有机物。因此，建议下一步的研究需要检测有机物的成分。在小区现场喷涂过程中，由于选取的小区面积有限，不能充分研究环氧树脂喷涂改造技术对供水管网的水质的影响。因此，建议下一步的现场实验需要选取更大一些的喷涂小区或者区域。目前在实验室内采取的都是静态浸泡实验，也可以尝试建立封闭管网系统，研究动态实验条件下三种不同管材对水质的影响。此外，还可以进一步探讨三种不同管材溶出物溶出机理，尝试建立数学模型。（2）关于现场环氧树脂喷涂施工方面环氧树脂内衬铸铁管中的涂层可以向管网水中析出有机物，发生喷涂膜析出的主要原因是喷涂膜未经过完全固化即投入使用，因此规范环氧树脂喷涂施工过程十分重要，需预留足够的固化时间。此外，喷涂前要将主管道充分清洗彻底。64 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致谢致谢四年的时光转眼已经飞逝，依然记得第一次来到清华园见到刘书明老师时候的场景。在接下来的四年时间里，也无时无刻不受教于刘老师，从学习到科研，从为人到处事。我要感谢刘老师第一次接收我来清华课题组交换学习，要感谢刘老师第一次指导我如何使用Epanet软件，要感谢刘老师第一次教导我如何撰写中文文章，要感谢刘老师在我科研不顺利时努力帮我找回信心，要感谢刘老师支持我参加中法项目，让我一步步具有了更为宽阔的国际视野。要感谢的地方实在太多了，难以一一列举，唯有铭记于心，并将老师的教导和期望化为以后奋斗的动力，希望不辜负刘老师的培养。此外，课题项目的顺利开展也离不开北京自来水集团的支持，在此表示衷心的感谢。还要感谢环境学院403办公室的全体成员的帮助和支持。从你们身上我学习到了很多，你们是我永远的朋友和财富。最后要感谢我的家人，谢谢你们无私的奉献和鼓励，我爱你们。本课题承蒙国家水专项资助，特此致谢。69 声明声明本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，独立进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人享有著作权的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集体，均已在文中以明确方式标明。签名：日期：70 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果个人简历1987年6月21日出生于河南省平顶山市。2007年9月考入四川大学建筑与环境学院给水排水工程专业，2011年7月本科毕业并获得工学学士学位。2011年9月免试进入清华大学环境学院攻读环境科学与工程硕士至今。2013年9月进入法国巴黎矿业大学攻读国际环境管理专业，2014年12月硕士毕业并获得管理学硕士学位。发表的学术论文[1]LiM,LiuS,ZhangL,etal.Non-dominatedsortinggeneticalgorithms-basedonmulti-objectiveoptimizationmodelinthewaterdistributionsystem.ProcediaEngineering,2012,37:309-313.[2]LiM,LiuS,SmithK,etal.Thevariationofresidualchlorineandmigrationoforganiccompoundsfromepoxy-linedpipes.JounralofEnvironmentalSciences.(underreview)[3]李明明,刘书明,郑少博,等.环氧树脂喷涂修复对供水管网水质的影响研究.中国给水排水.2015,31(11):1-3.[4]刘书明,李明明,王欢欢,等.基于非支配排序遗传算法的给水管网多目标优化设计.中国给水排水.(录用)[5]李明明,赵云鹏,刘书明,等.国内外供水管网环氧树脂喷涂修复的研究现状.中国给水排水.(录用)[6]李明明,刘阔,刘书明,等.环氧树脂喷涂修复对供水管网节点压力的影响研究.中国给水排水.(录用)研究成果[1]李明明,刘书明,常田,等.城市供水管网非开挖修复案例分析数据库.(软件著作权申请中)71'