南水北调原水水源对北京供水管网水质的影响及控制技术 77页

'硕士学位论文南水北调原水水源对北京供水管网水质的影响及控制技术THESOUTHTONORTHWATERDIVERSIONPROJECTWATERSOURCEOFRAWWATERIMPACTONBEIJINGWATERSUPPLYNETWORKANDCONTROLTECHNOLOGY郑少博哈尔滨工业大学2015年10月 国内图书分类号：TU991.33学校代码10213国际图书分类号：628.11.08密级：公开工程硕士学位论文南水北调工程原水水源对北京供水管网水质的影响及控制技术研究硕士研究生：郑少博导师：袁一星教授申请学位：工程硕士学科：环境工程所在单位：禹通市政工程有限公司答辩日期：2015年10月授予学位单位：哈尔滨工业大学 ClassifiedIndex:TU991.33U.D.C:628.11.08DissertationfortheMasterDegreeinEngineeringTHESOUTHTONORTHWATERDIVERSIONPROJECTWATERSOURCEOFRAWWATERIMPACTONBEIJINGWATERSUPPLYNETWORKANDCONTROLTECHNOLOGYCandidate：ZhengShaoBoSupervisor：Prof.YuanYiXingAcademicDegreeAppliedfor：MasterofEngineeringSpeciality：EnvironmentalengineeringAffiliation：YuTongMunicipalEngineeringCo.Ltd.DateofDefence：October,2015Degree‐Conferring‐Institution：HarbinInstituteofTechnology 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文摘要随着城市规模的扩张，城市人口的集聚增长，水资源成为制约城市发展的关键因素。为缓解北方水资源紧缺，国家实施了南水北调。南水北调工程通水后，北京市供水可靠性进一步增强，水源类型更加多样，但水源变化所带来的水质突发事件的风险依然很大。能否保证水源水质安全，做好各类水质突发事件的应急处置，成为水质控制中的最大风险。本文通过对北京市管网系统与供水水质现状进行分析，研究水源更换过程中管网“黄水”产生机制、产生原因、影响因素与控制技术，提出控制“黄水”的管道喷涂技术与中途加氯控制方法。本文研究了北京市在南水北调更换原水供水条件下管网“黄水”的产生机制：从区域分布看，在接受南水北调水源的管网区域内，黄水并非均匀分布，而是存在明显的区域性特征。水对铁质金属的腐蚀速率与LR值呈正相关关系。管垢结构成分的差异或是因其接触的水质不同造成的。从SEM-EDX谱图中可以清楚得看到瘤状垢典型的分层结构，中空瘤状垢和具有不同形态的铁氧化物。样品能谱分析结果结合该样品的XRD定量分析结果，铁氧化物常见微观形态可以比较准确地判断出是何铁氧化物。北京管网系统中地表水硫酸根浓度比地下水的高很多，并且通地表水管垢腐蚀程度高，垢层非常厚，腐蚀垢层内部的厌氧状态也非常适合硫酸盐还原菌的生存。所以通地表水管段管垢样品中硫元素的含量最高，且以S0形态为主；多在通地下水管段管垢样品中检测出以硫化物形态存在的硫元素。通过构建了管网模拟系统以及AR反应器，利用北京市第九水厂出厂水作为试验原水，进行管网腐蚀的模拟试验，同时结合北京市实际给水管网腐蚀现状，进行管网腐蚀研究。利用丹江口管网试验基地，研究了丹江口水源水质对北京市不同区域管网腐蚀产物的释放情况。管网系统铁的释放量总体趋势是逐渐降低的，通过水库水水质指标与北京水源水质指标的对比发现，这与进水水质的高PH值和低碱度、低硫酸根、低氯离子、高溶解氧有关。但是试验的第二阶段和第三阶段分别通过增加水质硫酸根和氯离子浓度的方案，管网并没有出现“黄水”现象。这证明了管网一旦趋于稳定其耐拉森指数变化的能力大大提高。通过管垢变化和水质变化对比后发现，Siderite(FeCO)模型(将腐蚀瘤内反应分为三级)可以部分解释管网内腐蚀产物的形成过程及管网进水水质变化时管网水质变化规律。研究结果表明，温度升高，管网的腐蚀速率也随之升高，且均在夏季达到最大值。而且，管网中的铁的析出受到PH的影响较大，在过酸或过碱的情况下，管网中的铁的浓度上升得很快。同时其析出的速率也同样受到管网中的运行管理方-I- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文式的影响，间歇式通水所造成的汽水两相界面交替的情况会进一步加快管网中的腐蚀速率。对管网腐蚀速率的控制从而控制管网中的“黄水”的控制是可行的，通过调节管网中的PH或投加磷酸盐是控制“黄水”的有效手段，提高PH的浓度和输水中磷酸盐的浓度能够很好的控制管网腐蚀层的细菌增长，从而控制“黄水”的生成。对管网腐蚀进行控制的措施管道喷涂技术对给水管网铁不稳定性具有一定的控制效果，可以应用于管网“水黄”控制中。在实际运用中进行了喷涂管材的浸泡水样的水质安全评价，考察喷涂材料对水质的影响情况对实际工程有着极高的实用意义。氯和二氧化氯两种消毒剂联合使用具有一定的耦合效果，相同消毒剂浓度条件下消毒效果持续性增强，对于降低“黄水”发生具有积极作用。关键词：南水北调；水源切换；黄水；管网腐蚀；内涂树脂技术-II- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文AbstractWiththeexpansionofurbanscaleandpopulationgrowth,waterresourceshavebecomethekeyfactorswhichrestrictthedevelopmentofthecity.TheSouth-to-NorthWaterDiversionProjectinChinaisthelargestofitskindeverundertaken.Theprojectinvolvesdrawingwaterfromsouthernriversandsupplyingittothedrynorth.Afterthismassiveschemefinised,watersupplyreliabilityofBeijingcitywillbeenhanced,andmorewatersourcetypes,butwatersourcechangemaybringwateremergencies,theriskisstillgreat.Thebiggestriskinwaterqualitycontroliswaterqualitysafetyandemergencydisposal.Inthispaper,itisanalyzedthattheBeijingcitywatersupplynetworksystemandthepresentsituationofwaterquality,and"yellowwater"inwaternetworkstudied.Theinternalcoatingresintechnologyandchlorinationboosteringmethodispresentedaccordingtothemechanism,causes,influencefactorsandcontroltechnologyof"yellowwater"control.Themechanismof"yellowwater"inpipenetworkisstudiedundertheconditionofwatersourceswitchedfortheSouth-to-NorthWaterDiversionProject:Theyellowdrinkingwaterisnotevenlydistributedinthenetworkarea,wheredrinkingwaterisfromthesouthtoNorthWaterDiversionProject.Itispresentedtheobviouscharacteristicsofregionaldistributionaccordingtoyellowwaterdistribution.ThecorrosionrateofironpipelineandLRvaluearepositivecorrelation.Thestructureandcompositionofpipescaleisassociatedwithwaterquality.FromtheSEX-EDX,itcanbeclearlyseethattherearedifferentformsofIronoxideinthenodularscaletypicalhierarchicalstructure,wecandeterminetheaccuratetypeoftheIronoxidethroughitsmicrostructurewhatwegetfromthesamplespectrumanalysisresultsincombinationwiththeXRDquantitativeanalysisresultsofthesamples.TheconcentrationofSO2-3inthesurfacewaterishigherthanthatinthegroundwater.Thatmadetheconsequencethatthecorrosiondegreeinsurfacewaterpipeishighandthescalelayerisverythick.Itwillbesuitableforthesurvivalofsulfatereducingbacteria.ThesulfurwillexistinsurfacewaterbytheformofSOpriorityandthatingroundwaterbytheelementalsulfur.ThewaternetworkmodelandARreactorisbuiltinthispaper.TherawwaterforpipelinecorrosionsimulationtestisfromtheninthwaterplantinBeijing.ThecorrosiontestoffieldpipelineinwatersupplynetworkinBeijingisalsoused.WhentheDanjiangkoureservoirwaterisused,thecorrosionproductsindifferentareasofwaternetworkinBeijingcityisstudiedusingtheDanjiangkounetworktestbase.Wecanseethattheconcentrationofironisreducedgradually.Throughcontractingthestandardofsurfacewaterandthereservoirwater,wecanfinethatitwillrelatetotheconcentrationofthePH,alkalinity,SO42-,Cl-andDOandthenetworktendtostabilizedwillmake-III- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文theLRamplitudeofvariationhigher.ThemodelofSideritecanbeusedtoanalysisnetworkintheformationprocessofthecorrosionproductsandpipenetworkwaterqualityinthewaterqualitychanges.Theresultsshowthat,thecorrosionrateofpipelinenetworkwillincreaseasthetemperaturegettinghigh.Itwillpeakinthesummer.TheconcentrationofironisaffectedbythePHwhichtoohighortoolowwillmaketherateofIronoxidecompoundsprecipitategetfaster.Itwillbeaffectedbytheoperationmanagementwayaswell.Thebatch-typewatersupplywillgetthecorrosionofironfasterthecontinuoussystem.Wecancontrolthe“yellowwater”inthenetworkbycontrollingthecorrosionofiron.ControllingthePHofwaterortakingsomephosphatewhichcanreducethequantityofbacterialinwatercanbeeffectoncontrollingthe“yellowwater”.pipelinesprayingtechnologyisinfavorofmaintainingironinstabilityinthewatersupplynetwork,andcanbeappliedto"yellowwater"controlinwaternetwork.Thecombineduseofchlorineandchlorinedioxidedisinfectanthasacertaincouplingeffect,anddisinfectioneffectiscontinuouslyenhancedinthesamedisinfectantconcentration.Ithasapositiveroletoreducetheoccurrenceof"yellowwater"inwaternetwork.Keywords:TheSouth-to-NorthWaterDiversionProject,watersourceswitching,yellowwater,pipelinecorrosion,internalcoatingresintechnology-IV- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文目录摘要..........................................................................................................................IAbstract.......................................................................................................................III第1章绪论................................................................................................................11.1水质与健康.......................................................................................................11.2水源切换对管网水质影响的研究现状...........................................................11.2.1“黄水”原因分析....................................................................................11.2.2水源切换条件下供水管网的“黄水”现象............................................21.2.3供水管网腐蚀与供水二次污染................................................................31.3管道清洗喷涂技术研究现状............................................................................41.4课题来源、主要研究内容及技术路线............................................................41.4.1选题背景及课题来源................................................................................41.4.2主要研究内容............................................................................................51.5本章小结............................................................................................................6第2章北京市供水水源及管网现状分析................................................................72.1北京市城市供水系统........................................................................................72.1.1城市供水总体情况....................................................................................72.1.2南水北调工程的必要性............................................................................82.1.3市区管网现状............................................................................................82.1.4市区供水厂现状......................................................................................112.1.5北京市城市供水系统存在的问题及分析..............................................112.2出厂水及管网水浊度变化分析......................................................................122.2.1浊度变化统计..........................................................................................122.2.2浊度变化规律及成因分析......................................................................132.3用户投诉调查分析..........................................................................................142.4本章小结..........................................................................................................16第3章北京市供水管网内腐蚀层的结构和组成特征分析..................................173.1管壁腐蚀产物样品来源及其通水水质特征..................................................173.2管壁腐蚀产物宏观形貌特征及分类..............................................................193.2.1管壁腐蚀产物中晶态物质组成分析......................................................203.3管壁腐蚀产物微观结构研究..........................................................................223.4本章小结..........................................................................................................23第4章南水北调原水的不同管材水质变化试验研究..........................................25-V- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文4.1试验方法..........................................................................................................254.1.1模拟系统设计..........................................................................................254.1.2管网试验装置建设..................................................................................254.1.3试验用水..................................................................................................264.1.4监测指标和监测方法..............................................................................264.1.5试验运行操作..........................................................................................274.2试验结果..........................................................................................................284.3管壁管垢的特征分析......................................................................................354.4本章小结..........................................................................................................37第5章水源更换后供水管网“黄水”产生机制分析..........................................385.1“黄水”发生的背景及其分布特征...............................................................385.2发生“黄水”的水质原因分析......................................................................385.2.1北京市主要水源水质条件......................................................................385.2.2管网水中总铁浓度与浊度的关系..........................................................395.3“黄水”产生与管道内壁管垢的关系...........................................................405.4“黄水”的发生与持续时间的关系.................................................................415.5水质对供水管道腐蚀的影响..........................................................................415.5.1温度对管网内部腐蚀的影响..................................................................415.5.2PH对供水管网水质变化的影响.............................................................425.5.3余氯对管网水质变化的影响...................................................................435.5.4供水管网系统运行方式与管网内部腐蚀..............................................435.5.5用水量对水质的影响..............................................................................445.6管网发生“黄水”的控制方法......................................................................445.6.1调节PH控制...........................................................................................445.6.2投加磷酸盐..............................................................................................455.7本章小结..........................................................................................................45第6章基于“黄水”控制的供水管道内涂树脂技术的研发..............................466.1供水管道内涂树脂技术..................................................................................466.1.1技术原理..................................................................................................466.1.2技术特点..................................................................................................476.1.3内涂树脂技术工艺图、装置..................................................................486.1.4经济、社会和生态环境效益比较..........................................................496.1.5经典案例..................................................................................................506.2內涂树脂技术对改善水质的试验与研究......................................................51-VI- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文6.2.1试剂与仪器..............................................................................................516.2.2实验小区..................................................................................................516.2.3水样的采集、保存与检测......................................................................526.2.4试验结果分析..........................................................................................526.3喷涂管材浸泡水样的水质安全评价..............................................................546.3.1原料的毒理性试验..................................................................................546.3.2内涂树脂的性能表征与评价..................................................................566.3.3管道喷涂前后用户水质跟踪监测..........................................................576.4本章小结..........................................................................................................58结论........................................................................................................................59参考文献....................................................................................................................61攻读学位期间发表的学术论文................................................................................64哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限................................................65致谢........................................................................................................................66个人简历....................................................................................................................67-VII- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第1章绪论1.1水质与健康为维持生命和新陈代谢，水不可或缺。在正常情况下，一个成年人每天需饮水2500ml。饮水水质的优劣直接关系到人体的健康程度及寿命的长短。世界卫生组织的一项调查发现，不良水质可引发多种疾病，人类疾病的80%都与水有一定关系。在安全饮用水之外，健康饮用水也在我们的探讨范围之内。何为健康饮用水？MartinFox指出健康饮用水须有一定硬度（理想值约为170mg/L），一定量的溶解性总固体(理想值为300mg/L)、PH值偏碱性(＞7.0)。1.2水源切换对管网水质影响的研究现状1.2.1“黄水”原因分析饮用水水源更换会导致大范围用户末端的水质恶化。对此，国外曾有多次报道，如40年代，美国南加利福尼亚地区就曾因地下水改为地表水而出现了严重的[1]“黄水”（yellowwater）。发生“黄水”时，管壁上的生物膜会随管道表面腐蚀锈层的脱落而进入水中，并引发异臭、异味。这一现象持续到管壁表面形成新的稳定表面层。美国佛罗里达州Tampa地区为了避免地下水源更换为地表水源时发生大面积管网水质恶化的情况，供水企业、USEPA、AWWA等部门对水源改变对管网水[2]质造成的可能影响进行了一系列研究与评价。研究结果发现，尽管经过强化混凝和臭氧－生物活性炭工艺深度处理后的水质完全符合水质标准，并且处理后水的PH值也调节到高于PHs，但经管网输配后仍发生了严重的“黄水”现象，在夏季表现尤为严重。美国Tucson市于1992年11月将地下水源改为Colorado河水，结果引起了服务区大量用户的抱怨与投诉，其中“黄水”是招致用户抱怨最多的因素。由于将地下水源更换为地表水源在世界各地均是不可避免的趋势，另一方面由其引发的问题往往影响覆盖面广，因此国外学者对主要水质指标的变化规律及作用机制进行了深入研究。Ainsworth等人系统总结了将新水源的引入对管网系统[3]平衡变化、腐蚀产物释放与水质变化的影响。他们认为管网系统管壁附着物质（腐蚀复合金属氧化物、管壁生物膜等）的脱落是造成水质指标（浊度、色度、臭味、微生物等）恶化的主要因素。通过研究Tucson市在水源更换过程中水质和管壁腐蚀层的变化，Price与Jefferson认为水质变化主要是因为输配系统中原已达1 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文[4]到平衡的沉积层遭到了破坏。[5]管垢中铁释放会引发“黄水”，这已得到不少学者的认可。在前人研究成果的基础上，针对铁释放现象，Sarin和Snoeyink提出了溶解氧影响模型。AlfredKuch和他的合作者Sontheimer发现，管网中流动阶段和停滞阶段的更替会引发铁[6]释放，据此他们提出了Kuch机理。研究与工程实践表明，在考察水源更换与不同水源混合对管网系统管壁与输-2-配过程水质的影响时，应系统分析余氯、碱度、Cl、SO4、铁、锰、氨氮、硝酸盐氮、亚硝酸盐氮、PH、溶解氧、浊度、臭味、溶解性有机碳、硬度、磷酸盐等0水质指标的变化以及管材管壁特征、管网系统水力状况等因素；此外还应对沉0降、管壁腐蚀、管壁生物膜生成等物理化学与生物化学反应过程进行系统分析。Price与Jefferson认为，调节PH值、投加磷酸盐抑制剂是降低与控制水源更换对[7]腐蚀产物释放与水质恶化的有效手段。Ainsworth等人认为，为了避免管壁原先沉积物和腐蚀产物与输配水之间的反应，应尽可能降低出厂水中混凝剂残留量，并提高铁、锰、藻类与有机物（溶解态与颗粒态）去除率。此外，Ainsworth等人0还提出了针对水源更换与混合过程的相关水质指标建议值与控制方案。1.2.2水源切换条件下供水管网的“黄水”现象为缓解北方水资源紧缺，国家实施了南水北调。目前，南水北调中线京石段应急工程已经完工，2008年10月1日北京市供水的部分水源切换为河北应急水源后，10月3日起，开始有居民反映出现“黄水”问题，至10月10日达到高峰。2014年以后当丹江口水库的原水输送至北京时，北京市将以丹江口水库水为水源。所以，北京市主要地表水厂在未来若干年内将面临水源的多次重大改变。长期以来，北京市输配水管网系统主要输送相对单一、较为稳定的水质，并在长时间输配过程中管壁形成了稳定的腐蚀层，输配水过程对水质的影响较小。随着多水源供水局面的形成，管网系统内水质将与原先水质明显不同并可能出现频繁变化的现象，从而可能导致原先稳定腐蚀层破坏与脱落释放，供水水质急剧恶化甚至出现大面积“黄水”的现象。针对南水北调水源进京后多水源联调所面临的问题，如何避免与控制由水源更换而带来的水质安全风险，目前仍无成熟的理论依据与实践经验可供参考。尽管前人提出过一些表征水的化学腐蚀性的指数，如Langelier饱和指数、碳酸钙沉淀势、SI饱和指数，但这些指数大都是基于碳酸钙平衡计算出的指数，用其衡量[8]水对管网金属腐蚀产物的释放时往往是失效的。另外，即使出厂水的生物稳定性较高，当进入管网后，由于消毒效果降低、管网腐蚀严重、管壁生物膜脱落等原因，也会造成用户端水质微生物学指标超标。2 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文1.2.3供水管网腐蚀与供水二次污染目前，我国大多数城市供水部门把水处理技术工艺革新和提高出厂水水质作为工作重点，而往往忽略了管网输配水过程中产生的水质问题。事实表明，即使水处理的技术和工艺如何先进，出厂的水质有多高，如果在输送过程中发生了水质变化，用户仍然不能得到满意的水质，甚至还会对人的生命健康造成威胁。在2003年IWA的年会报告中，美国科学家M.Edwards指出：21世纪给水管网的水[9]质变化也会逐渐成为人们研究的热点。管网水质稳定性是指自来水进入给水管网后应保持水质稳定，其所含化学成[10]分、微生物等各个水质指标不应发生变化。管网只应起到输配水的作用，在输配过程中不能改变自来水的水质。[11]很多国内城市对出厂水和管网水的水质进行了对比分析，结果显示铁、浊度、色度和细菌总数是管网水超标的主要指标，根据对部分自来水公司的统计发现：出厂水的平均浊度、平均色度、平均铁含量、平均细菌总数分别为1.3NTU、5.2度、0.09mg/L、6.6CFU/L，而管网水则相应增加至1.6NTU、6.7度、0.11mg/L、29.2CFU/L。管网水质发生变化的主要原因可分为如下几个方面：（1）是管网输配水过程中，自来水与输水管道发生了复杂的物理、化学和生物反应。因此针对不同水源出厂水使用合理的管材输配对水质的安全性非常重要[12]。铸铁管目前在国内城市地下已铺设的管道中占90%以上。腐蚀会影响输水能力，引起管漏，造成损失和水的失压。同时，饮用水中的有毒金属如铅和铬几乎[13]都是来源于腐蚀引起的溶出过程。腐蚀导致的铁、铜和锌等元素的释放虽然对人们健康的影响相对较小，但所产生的浊度、色度和金属异味会给人们带来感观的不悦和在洗涤时沾污衣物。（2）在输配过程中若水质生物稳定性不高，其进入管网后能够使微生物大量生长繁殖，从而对水质造成诸如加剧管道腐蚀、产生臭味、增加致病菌等不利影响。影响管网中生物膜生长主要有如下几方面因素：（1）供生物生长的营养物质；（2）管材；（3）消毒剂；（4）进入管网前水质中微生物；（5）水力条件。由于管网微生物是多方面因素同时作用，要对管网系统水质微生物的生长情况以及潜在生物稳定性风险进行完整的考察和对生物量发生变化进行解释就必须搞清楚管材与这几方面影响因素的相互作用。（3）针对管网水中微生物的安全性，最初人们认为通过投加消毒剂（氯）杀灭病原菌，但因出厂水中仍残存未被灭活的细菌，氯消毒后部分受伤细菌也会在[14]管网中重新生长。仅仅通过投加少量消毒剂并不能有效控制细菌的生长和快速[15]繁殖。3 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文（4）近年来的研究表明：细菌在管网中生长的主要促进因素即为饮用水中的有机营养物，如果饮用水中有机物含量较高，则水质生物稳定性较差，致病菌出[16]现的可能性也大。因此又提出新的控制途径，这是对饮用水微生物安全性保障认识的第二个阶段。1.3管道清洗喷涂技术研究现状管道结垢后，水质发生变化，水中余氯被有机物消耗殆尽，导致细菌的总数增加。旧管道内锈蚀的发生，降低了供水能力，导致管道内水质的指标变化，对当地生产、生活造成影响。因此，应该加强给水管道的科学管理，解决管道内的沉积锈蚀，目前针对管垢问题，常用的方法为：（1）管道内壁除垢方法：①高压射流法[17]此方法利用管道本身的附属设备进行除垢。使用的喷头直径很小，喷射出高速水流进行除垢，适合中、小型口径管道的清洗除垢。②气水脉冲法[18]采用气水脉冲冲洗技术对大口径给水管道进行除垢清洗。（2）管道衬里法对刮管除锈后的管道进行衬里，可使得旧管道原有输水能力得以恢复，并延长其使用寿命，否则通水后金属管道将会很快腐蚀。①水泥砂浆衬里因水泥与金属管壁接触可形成较高的PH值，水泥里衬具备物理性能保障及防腐的化学性能。②涂衬法针对老旧管网存在的问题，为提高饮用水质而进行的。③内衬软管法是非常有效的地下管线施工技术。实践表明，非开挖技术与新敷设管线工程费用相当，但前者大大减少了社会影响，尤其在一些不具备新敷设管线的地区甚至成为了施工的唯一选择。1.4课题来源、主要研究内容及技术路线1.4.1选题背景及课题来源北京是全国政治、文化、教育、国际交往的中心，是世界著名的国际大都市，人口密集，经济社会与城市建设发展迅速。北京地处水资源严重短缺的海河4 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文3流域，水资源在近年尤其短缺，每年可利用水资源量26亿m，水资源年均缺口约3[19]10亿m，供水形式极为严峻。北京市城区范围内目前现有供水厂10座，2013年实际供水能力约为310万3m/d。自来水配水管网已遍布中心城的大部分地区，配水管线总长度约为38800Km。2013年中心城自来水高日供水量为298万m/d。北京市城市供水水源中地下水占相当大比例，市区自来水系统中的地下水厂和市区自备井供水系统水源井开采量之和将近占到市区总用水量的60％。降雨量的减少和近四十年的持续开采使地下水得不到充分的补给，更加剧了地下水位的[20]急剧下降，不断引发地面下沉等水文地质问题。根据北京市自来水集团与政府主管部门对中心城区自来水需水量的预测，预3计2014年北京中心城区需水量为8.67亿m；高日自来水供水量预计2014年为3103万m。随着首都经济的发展，城市供水需求不断增长，现有自来水供水设施的供水能力将不能满足城市供水需求。为缓解北方水资源短缺，国家启动了南水北调，2014年底，南水北调中线工程完工。此项工程实现地表水、地下水和外调水的联合调配，建立起应对不同水源水质的处理技术和运行方案，对切实保证供水安全具有重要意义。本课题研究是在国家水体污染与治理科技重大专项课题“南水北调受水区饮用水安全保障共性技术研究与示范（2008ZX07424-003）”的资助下，配合南水北调工程，解决受水区因水源切换导致的管网水质改变、黄水现象频发等问题。同时提出的内喷涂技术可以推广应用在其他因水源切换导致的管网腐蚀、水质恶化等问题。1.4.2主要研究内容本文主要内容为：北京供水水源及管网现状分析；供水管网内腐蚀层的结构和组成特征分析；基于南水北调源水的不同管材试验研究；水源更换后供水管网“黄水”产生机制分析，通过对管网输配水过程中，自来水与输水管道发生了复杂的物理、化学和生物反应。因此针对不同水源出厂水使用合理的管材输配对水质的安全性的考察和在输配水过程中若水质生物稳定性不高，其进入管网后能够使微生物大量生长繁殖，从而对水质造成诸如加剧管道腐蚀、产生臭味、增加致病菌等不利影响。分析管网中生物膜生长主要有如下几方面因素：（1）供生物生长的营养物质；（2）管材；（3）消毒剂；（4）进入管网前水质中微生物；（5）水力条件等多方面因素同时作用，研究管网中“黄水”产生和处理的实际工程问题。5 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文确定研究课题：南水北调原水水源对北京供水管网水质的影响及控制技术对北京市供水现状进行分析南水北调工程概述制定研究计划管壁以南水北水源切换水质控制锈蚀调原水水后管网黄的管道内研究源的管材水机制研涂技术研锈蚀试验究究结论：对难随北调原水水源对北京供水管网水质的影响及控制技术进行总结图1-1研究技术路线1.5本章小结为了研究多水源条件下给水管网“黄水”的成因及控制方案，本研究的主要内容包括：（1）分析北京市管网系统与供水水质现状；（2）分析水源更换过程中管网“黄水”产生机制；（3）管网“黄水”产生原因、影响因素与控制技术研究（4）提出控制“黄水”的管道喷涂技术；（5）对喷涂管材进行水质安全性评价。6 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第2章北京市供水水源及管网现状分析2.1北京市城市供水系统2.1.1城市供水总体情况北京中心城面积约1085km2，自来水厂（北京现有城市自来水厂11座）和自来水管网共同组成了其自来水供水系统。南水北调北京配套工程主要包括：建设83公里的输水干线、总调蓄库容约为4000万方的调蓄工程、供水总规模约400万吨/天的新建、扩建和改造水厂工程等项目。北京市南水北调配套工程总体规划已经市政府批准发布配套工程与主体工程同步建成，确保外调水充分使用。根据干线工程计划，配套工程规划按以下三个阶段实施：第一阶段，2008年，完成团城湖至第九水厂工程（一期），第三水厂、田村山水厂改造。具备接纳河北调水3亿m3的能力。第二阶段，2013年年底，完成十座水厂的工程建设。2014年汛后，接纳长江水10亿m3/年。形成本地水与外调水联合调度的供水系统格局，形成水质保护和水质水量安全监测体系，提高北京城市发展水资源支撑力。第三阶段，2020年，建成十座水厂及联络工程、亦庄调节池、56公里配水管网，接纳长江水14亿m3/年。北京市新建及扩建供水厂14座，形成全市安全供水格局，如图2-1所示。图2-1北京市供水系统布置图7 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文2.1.2南水北调工程的必要性北京水资源主要来自平原地区地下水和官厅、密云两大水库。密云水库是首都城市生活供水的惟一地表水源，占北京市供水量的50%以上，剩余的水来自地下。官厅水库多年来也曾是北京城市生活及工业用水的主要来源。然而，在经济发展中由于缺乏充分的水环境保护措施，水库受到严重污染，且水库上游用水增加，入库水量逐年衰减，1997年，官厅水库不再作为饮用水水源。作为主要地表水源的密云水库、怀柔水库的水质整体上为II类水体。北京城区一个年度生活供水总量为10亿立方米。1999年以来，北京连续多年发生干旱，每年的降雨量只是正常年份的70%，密云水库蓄水量近几年基本上徘徊在7～10亿立方米，可利用水量仅有2～4亿立方米，不足部分只能靠开采地下水和挖库存进行补给。而随着地下水位的下降，城市地下水厂供水量也逐年衰减。此外由于南护城河、通惠河水质恶化，地下水水源补给区受到污染，加上地下水的超量开采，造成地下水水位严重下降，水源水质也出现了不同程度的恶化。部分市区地下水厂由于水源井的水质指标总硬度、硝酸盐、放射性等超标而停止使用，致使地下水厂的供水能力下降。据北京市水务局公布资料显示，北京水源水量缺口约5亿立方米/年，因此，南水北调的水量对解决北京市水源不足的问题至关重要。2.1.3市区管网现状供水管网系统通常是有多种管材构成的，常用管材可分为金属管材和非金属管材两大类。目前常用的金属管主要有：钢管、镀锌管、铸铁管等。作为建筑给水管的主要管材，防腐功能差。铸铁管有普通灰口铸铁管（刚性管）和球墨铸铁管（柔性管）。非金属管包括：混凝土管，复合管以及塑料管材。包括：硬聚氯乙[21]烯管(UPVC)、聚乙烯管(PE)、聚丙烯管(PP)、铝塑管等。不断发展的城市化建设，使得城市经济活动加强、人口急速增加，用水性质、用水量以及供水管道的口径、管材、管线长度等也都随之发生了改变。北京城区一个年度生活供水总量为10亿立方米。密云水库蓄水量近几年基本上徘徊在7～10亿立方米，可利用水量仅有2－4亿立方米，不足部分只能靠开采地下水和挖库存进行补给。至2013年底，北京自来水集团负责的地下供水管线总长度达8894016米，管径范围15mm～2600mm，供水服务面积709km2,管材以铸铁管线为主，见图2-2。8 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图2-2北京市区供水管网材质情况饼状图（单位：m）在市区，供水管网呈蜘蛛状遍布于各个角落。彼此相通的管线，在均衡地区服务压力的同时，缩小了市区水厂的供水半径，使其可以有效的对置互补供水，自来水管线的最大直径已达到DN2600mm[22]。图2-3北京市区供水管线总分布图表2-1北京管网分布总体特征管材总长度(m)铸铁2531046球墨铸铁4091584钢管1353388球墨铸铁X铸铁3336塑料管1360水泥管77549其他管573571目前北京市区供水管材以普通铸铁和球墨铸铁为主，占据管网总长度的9 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文74.05%，属于次干线管和支线。市区管材及口径具体情况如下：干线管（Φ800~2200），主要分布在城市环路和主干道，全长413.07公里，占总长6.24%，管材为钢管、普通铸铁管和预应力混凝土管；支线管(Φ75~150)主要分布在城市一般道路及小区道路，全长2251.81公里，占总长34.01%，管材为普通铸铁管和球墨铸铁管；次干线管（Φ200~600）主要分布在城市次干道，全长为2651.26公里，占总长40.04%，材质为普通铸铁管和球墨铸铁管；户线管(Φ15~50)全长为1305.53公里，占总长19.72%，材质为镀锌管和钢塑复合管。钢管相对腐蚀严重，铸铁管分为加内衬和不加内衬两种，内衬材料主要是水泥，水泥内衬会随着使用时间的增加而变得更光滑，水泥内衬管材的管径一般在75mm以上，目前北京市大约有1/3管材无内衬，另外镀锌管分为加内衬和不加内衬两种，内衬材料为高压喷涂的环氧树脂，一般管径为50、40、25mm，镀锌管在90年以后开始使用喷涂内衬技术，300mm以上管道生产均有水泥内衬，旧管道的改造方法为先高压冲洗去除管壁沉积物（主要是CaCO3等混合物），然后漩涡式喷涂环氧树脂材料[23]。根据管线使用的时间及长度统计如下：10年以内管线3822公里；10~30年内管线2636公里；30年以上管线2170公里。市区供水管网平均使用年限为19.46年（城市供水管材设计使用年限一般为50年），基本处于相对稳定的运行期。此外，根据北京市自来水公司管网管网管理分公司的统计资料显示：对5063处支线管及以上管线破损原因的分析，由于地基扰动、地面沉降及施工造成破损3256处，占破损总数的64.3％；由于管线材质老化及附件损坏造成管线破损1807处，占破损总数的35.7%。在役25年以上的管材中，管材的锈蚀、老化等问题较为严重的是导致水质恶化的直接原因。管道腐蚀主要与管道材料、管龄及水质等因素相关，一般以地表水为水源的自来水腐蚀性较强，例如田村水厂84年投产，10年后具其水厂不远的管道腐蚀已经相当严重；再如水源九厂管网输送系统复杂，且输送距离长短不一，最远输送能从清河延续到南城，为此北京市的实际管网腐蚀程度迥异，要搞清实际管网腐蚀具体情况及其所导致的水质二次污染问题就必须在保证对实际管网水质调研的基础上对其进行深入完整的实验室模拟研究，进而系统评价北京市管网输配水二次污染机制。根据供水人口设置固定数量和固定位置的管网水质检测采样点，采样点数量按供水人口每2万人设一个采样点计算，北京市管网采样点共设238个采样点，如图2-4所示，其中有12个管网末梢点。每一采样点每两周一次检测9项指标（微生物指标、余氯、浊度、感官性状指标），管网末梢水则每季度一次抽检（全分析）。10 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图2-4北京市区管网取水点图2.1.4市区供水厂现状现状城市自来水系统包括市自来水集团和石景山区自来水公司两个独立供水系统。属于北京市自来水集团的自来水厂共计11座。中心城自来水除向通州新城输送水量约1万m3/d外，还向大兴区供水。供水负荷主要分布在以旧城为核心的中心地区，十个边缘地区中的酒仙桥、丰台、清河、北苑的地区现由城市自来水管网供水，石景山、南苑、垡头、定福庄、东坝及西苑的部分地区也敷设了城市自来水管网，但部分地区是靠自备井来供水[24]。石景山区自来水公司仅有的杨庄水厂(5万m3/d)，以当地地下水为水源，通过地区管网向石景山地区供水。图2-5北京市主要供水厂分布示意图2.1.5北京市城市供水系统存在的问题及分析目前，北京市供水系统存在的主要问题如下：（1）资源形势及供水能力仍将是制约首都供水安全的主要矛盾11 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文近年集团供水一直保持供需紧平衡。市区年均增加约20万用户，日均供水量增加10～15万立方米。2014年夏最高达日供水量达310.4万立方米。同时，2020年底前完成现有6900眼自备井的关停置换，增加日用水需求60万立方米。（2）水源多样化、水质复杂化的形势将更为严峻北京供水系统历史上只有密云水库地表水和地下水两种水源。近年来，由于连续十几年干旱，导致北京水资源极度紧缺，密云水库水量不足，先后开辟了平谷应急水源、怀柔应急水源、拒马河水源、马池口水源等，2008年又引冀水入京，取用河北省黄壁庄、岗南、王快、安格庄四个水库水源。通过对南水北调水进行了大量工艺、管网适配性研究和应用工作，集团的供水安全系数得到进一步提升。但水源多样化问题依然存在，因水源变化所带来的水质突发事件的风险依然很大。能否保证水源水质安全，做好各类水质突发事件的应急处置，成为水质控制中的最大风险。由于水源的化学性指标和生物性指标差异较大，而且远距离输水具有多种不确定因素，对供水工艺和水质安全性有潜在的影响。缺乏应对多水源切换与不同水源混合的输配水系统水质稳定化方案。图2-6水源切换工程供水管网水质恶化示意图2.2出厂水及管网水浊度变化分析2.2.1浊度变化统计浊度是反映水质状况的一项重要指标。高浊度的水首先是给人一种感官上的不愉快，更为重要的是水中的悬浮物一般富集多种有害物质，通常情况下，浊度高的水多项水质指标都可能超标。本文分两部分内容，首先，通过统计了解各区域管线中水的浊度状况，其次，通过研究对超标区域进行高浊成因分析。12 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文2.2.1.1各水厂出厂水浊度统计分析本文对城区八个自来水厂的出厂水浊度进行了统计，数据资料的时间步长为一年。统计表如下表2-2所示。表2-2各出厂水浊度统计表出厂水一二三四五六七八九十十一十二浊度月月月月月月月月月月月月一厂0.470.270.410.470.230.110.140.190.140.190.120.2二厂0.230.160.20.330.210.480.10.110.170.170.180.18三厂0.260.170.260.320.140.10.140.120.170.170.200.18四厂0.150.150.230.350.170.160.280.130.160.140.270.14五厂0.140.150.370.40.090.210.140.190.30.190.240.13七厂0.190.190.260.240.20.280.280.210.10.110.300.31八厂0.130.210.20.210.270.10.140.20.110.130.130.22九厂0.250.240.390.420.170.130.160.180.170.150.320.25田村山0.40.290.270.60.380.170.50.250.130.130.430.28从表2-2可以看出，一、七、九厂以及田村山水厂出厂水的浊度相对较高，超过所有水厂各月浊度均值（0.21）的个数分别为5个、5个、6个和8个；八厂出厂水浊度相对较低，超过均值的个数为2个。对于浊度较高的水厂来说，一厂出厂水浊度在一、三、四月份偏高，七厂出厂水浊度十一、十二月份偏高，九厂出厂水浊度三、四、十一月份偏高，田村山水厂出厂水浊度一、四、十一偏高。2.2.1.2城区各检测点浊度统计分析本文对城区236个检测点的浊度数据进行了统计，每月的浊度数据为两组，分别为月初检测数据和月中检测数据，数据总计6133个。初步统计结果如表2-3所示。表2-3城区各检测点浊度统计浊度<=0.30.3<浊度<=0.50.5<浊度<=1浊度>1个数百分比个数百分比个数百分比个数百分比311950.8%198432.3%95115.5%791.3%从表2-3可以看出浊度小于等于0.3的数据占得百分比最大，为50.8%。而浊度大于1（超标），占到总数据的1.3%，超标个数为79个。2.2.2浊度变化规律及成因分析2.2.2.1变化规律内容少，增加水厂与管网分别分析从各监测点的浊度变化曲线可知，城区多数监测点的浊度季节变化规律为：1、2、3月份和8、9、10月份，浊度较高，而其它月份浊度较低。另外，上文统计出了城区内的几个高浊区，在这些区域，年内多数月份的浊度偏高。13 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文2.2.2.2成因分析（1）管道腐蚀城区内管网的材质大致分为：铸铁、钢和球墨铸铁等类型，以铸铁为主，新铺管材的材质以球墨铸铁为主。统计出的高浊区的管线基本上是旧管线，以铸铁为主，一些区域的管线经过长时间的使用，腐蚀严重。管壁腐蚀产物以及管垢的释放导致水中浊度的上升[25]，同时，腐蚀部位更容易造成细菌的生长，管壁生物膜的脱落也可造成水中浊度上升。例如，西直门附近、后海附近等区域，属于这种情况。（2）管道内细菌的生长自来水管道内细菌的增长会引起水浊度的增加。其一是管道内壁附着菌生物膜的脱落，可造成水中浊度的增加。其二是管道内悬浮菌的增长，可造成水中浊度的增加。（3）供水的季节性变化本文对全年各月份浊度大于0.5的数据个数进行了统计，见下表。从表中可知，12、1、2、3月份和8、9、10月浊度较高，大于0.5的数据个数分别占总数据个数的42.4%，61%，42.8%，50%，34.7%和45.8%。初步说明，在冬季供水较少，为间歇供水，管线腐蚀较快，水的浊度较高；在夏季处于供水高峰期，供水量大，但是温度较高，细菌生长较快，也可引起水的浊度增大。前者为腐蚀产物释放引起浊度的升高，后者为附着菌生物膜的脱落引起浊度的升高。表2-4各月浊度大于0.5NTU数据个数统计表时间1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月数据个数10014410137474959118821083979百分比（%）42.461.042.815.719.920.825.050.034.745.816.533.52.3用户投诉调查分析根据北京市自来水集团的用户投诉统计结果。有32%的用户抱怨口感差，水碱大；另32%的用户抱怨水混、水黄；此外36%的用户抱怨水有异味。其中“水碱大”即自来水中Ca、Mg离子含量较高，尤其在使用地下水源的南城地区尤为明显，该问题对居民身体健康无明显影响；水混、水黄及水有异味的问题主要在供水管道中产生，及由于管道内壁腐蚀及细菌滋生造成水质恶化。在冬季供水较少，为间歇供水，管线腐蚀较快，水的浊度较高；在夏季处于供水高峰期，供水量大，但是温度较高，细菌生长较快，也可引起水的浊度增大。14 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图2-7用户投诉统计结果根据市区用户末梢抽查结果（见表2-5）。从出厂水到用户的龙头水，存在水质下降的情况。尽管末端水的余氯量符合国家生活饮用水要求，但是，与出厂水（浑浊度为0.10~0.29NTU）比较，浑浊度有明显升高，个别情况下出现色度、铁超标，锌的含量高于出厂水。此外城区水质硬度的分布也有明显的差异，部分管网点的硬度指标高达360~370mg/L。表2-5北京市区管网水部分水质参数调查结果管网点项目123456789101112浑浊度NTU0.220.670.170.375.000.230.170.140.360.200.180.23水温℃171717181819161617161717余氯0.30.30.40.50.30.30.30.30.30.30.40.3色度<5<5<5<59<5<5<5<5<5<5<5PH值8.037.887.907.687.767.547.737.787.737.517.627.72氨氮mg/L0.14<0.020.06<0.020.05<0.020.17<0.02<0.02<0.020.28<0.02硝酸盐mgN/L2.91.44.52.44.7125.11.92.117.57.02.4总硬度mg/L174154198293199374209180161360224161钙mg/L112881281651252301351189520814295镁mg/L626670128741447462661528266总碱度）mg/L160130170230170280170160140240200140硫酸盐mg/L26.931.825.873.032.110228.39.329.573.931.429.6氟化物mg/L0.30.340.290.170.320.170.31<0.010.340.160.260.36锌<0.050.26<0.050.250.26<0.05<0.050.18<0.050.050.19<0.05总铁<0.050.23<0.05<0.050.310.06<0.05<0.050.120.12<0.05<0.05可见，北京市的管网水无可避免的面临着严重管网腐蚀带来的的二次污染问题。如何更有效的控制管网的内部腐蚀，减少管网水的二次污染，保证管网水的水质，是需要解决的难题。-XV- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文2.4本章小结（1）在役25年以上的管材中，管材的锈蚀、老化等问题较为严重的是导致水质恶化的直接原因。（2）保证对实际管网水质调研的基础上对其进行深入完整的实验室模拟研究，进而系统评价北京市管网输配水二次污染机制。（3）北京市的管网水无可避免的面临严重管网腐蚀带来的二次污染问题。16 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第3章北京市供水管网内腐蚀层的结构和组成特征分析3.1管壁腐蚀产物样品来源及其通水水质特征为了对供水管网内壁锈蚀产物进行分析，深入研究南水北调原水对管网水质安全的影响。在北京市供水管网12个典型区域内采集管龄为20～25年的无内衬普通铸铁管。这些管段的通水水源不尽相同，涉及6个供水厂，管段通水水源类型、水质状况和供水水厂的处理工艺如表3-1。表3-2为管段编号、通水水源以及对应水厂名称和名义管径。D、E、F、G管挖掘于地表水和地下水供水区域交汇处，结合现场取回水样的分析结果，判断其原输送地是地表水和地下水混合水源。与地表水水源出厂水相比，地下水水源出厂水具有较高的碱度，硬度和相对较低的消毒剂余量(如表3-1所示)。一般我们用拉森指数来表示水对铁质金属管道的腐蚀性，它能够反映出重碳酸根、氯离子和硫酸根离子之间的关系(公式3-1)。除了GWTP2水厂出厂水，地表水源出厂水(SW1-3)的硫酸根，氯离子浓度和拉森指数(LarsonRatio，简称LR)比GWTP1和GWTP3两个水厂出厂水的硫酸根，氯离子浓度和拉森指数高。一般来说，水的拉森指数越高，就表示该水对铁质管道的腐蚀性越强。水质化学因素、管网内的微生物与管道内的管垢稳定性均能影响管网内铁的释放过程。2[]2Cl[]SO4LR(3-1)[]HCO3氯离子、硫酸根和碳酸氢根离子的摩尔浓度用[Cl-]、[SO2--4]、[HCO3]来表示(Larsonetal.,1958)。通过监测实验的水质参数，可以得知地表水源出厂水溶解氧几乎均高于地下水源出厂水的溶解氧(DO)。影响水的氧化还原电位的因素与溶解氧和消毒剂浓度的高低密不可分。浓度越高，铁的腐蚀越快。水的硬度和碱度越高，水的缓冲能力也就越高，这样反而能够抑制腐蚀反应的速率。表3-1管段通水水源类型、水质状况和供水水厂的处理工艺SWTP1(九SWTP2SWTP3GWTP1GWTP2水厂名称GWTP3厂I、II期)(田村)(门城)(九厂III期)(三厂)水源类型地表水源1地表水源2地表水源3地下水源1地下水源2地下水源3PH7.747.847.887.707.467.6017 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文表3-1（续表）SWTP1(九SWTP2SWTP3GWTP1GWTP2水厂名称GWTP3厂I、II期)(田村)(门城)(九厂III期)(三厂)碱度(mg/L141.0155.0139.0165.5241.0198.6CaCO3)消毒剂余0.730.680.700.620.610.63量(mg/L)铝(mg/L)<0.018<0.018<0.985<0.039<0.016<0.005铁(mg/L)<0.05<0.09<0.06<0.05<0.06<0.05锰(mg/L)<0.002<0.002<0.001<0.002<0.002<0.001铜(mg/L)<0.001<0.002<0.001<0.001<0.001<0.001锌(mg/L)<0.05<0.07<0.05<0.05<0.05<0.05钾(mg/L)2.752.403.202.152.751.90钙(mg/L119116117133217133CaCO3)钠(mg/L)13.512.817.612.939.415镁(mg/L70.582.576.072.5136.583.0CaCO3)氯离子21.015.719.618.757.714.3(mg/L)硫酸根52.150.774.138.099.122.3(mg/L)拉森指数0.590.480.760.400.770.26铁盐前混铝混凝，机铝混凝，斜凝，沉淀，械加速澄清铝混凝，机前加氯，铝管沉淀池，后混凝，V池，煤砂滤械加速澄清混凝，斜板滤池，炭吸型砂滤，臭处理工艺池，臭氧接池，煤砂滤沉淀池，砂氯消毒附池，氯消氧，V型炭触池，炭吸池，炭吸附滤池，炭滤毒，管网二滤，氯消毒，附池，氯消池，氯消毒池，氯消毒次补氯补氨二次补氯补毒氨表3-2管段编号、通水水源以及对应水厂名称和名义管径管段编号对应水源水厂对应水源名义管径(mm)管-SW1SWTP1SW1100管-SW2SWTP2SW2100管-SW3SWTP3SW310018 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文表3-2（续表）管段编号对应水源水厂对应水源名义管径(mm)管A-GW1GWTP1GW1100管B-GW1GWTP1GW1100管A-GW3GWTP3GW3600管B-GW3GWTP3GW3100管C-GW3GWTP3GW3100管D-SW1/GW2SWTP1,GWTP2SW1和GW270管E-SW1/GW1SWTP1,GWTP1SW1和GW1100管F-SW1/GW1SWTP1,GWTP1SW1和GW1100管G-SW2/GW2SWTP2,GWTP2SW2和GW2803.2管壁腐蚀产物宏观形貌特征及分类基于在采集现场观察到的管段的特征，管壁腐蚀产物可以分为三种类型：0管垢类型I常出现于腐蚀程度相当高的管道内部，当该管壁腐蚀产物的形态呈现为堆积形式时就被称为“腐蚀瘤”(图3-1a)。密集地分布于管壁内以致于重合后形成的腐蚀垢层（类型I，见图3-1b)。瘤状垢由上表面较疏松层，坚硬壳层(HSL)和坚硬壳层下面的多孔疏松层(PCL)组成。由于不易被分离，所以只能分离开测试疏松多孔层(PCL)与这两层。多孔疏松内层垢(PCL)一般含水率较高，且有4种不同的颜色：(1)黑色物质；(2)黄色物质；(3)黄棕色物质；(4)黑色黄棕色纹理物质[25]。个别瘤状垢质地坚硬、单一，我们称之为“实心垢”(entiretubercle，简称ET)。根据现场的调查研究发现：管垢类型I多出现在通水水源为地表水的管段中。管垢类型II形态光滑平整，而且相当薄，为表面薄层垢(图3-1c)。管垢类型II多出现在通水水源为地下水的管段中。管垢类型III是一种中空瘤状垢(图3-1d)，简称“HT”(HollowTubercle)。中空瘤状垢在饮用水管网中少有发现，它只具有不足一毫米厚的坚硬圆壳，内部是空的。这种中空瘤状垢的形成可能是由于“垢下腐蚀”，Brennenstuhl认为微生物在中空瘤状垢的形成中起重要作用，尤其是硫酸盐还原菌和产甲烷菌(BrennenstuhlA.M.,etal.,1993)。硫酸盐还原菌将硫酸盐转化为硫化氢，产甲烷菌使得方解石沉积在管壁上封住空腔，创造了一个非常稳定的腔体，腐蚀反应在腔体内持续发生[26]。管垢形态III多分布于通水水源为地下水的管段中。19 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图3-1铸铁管内壁管垢形貌图(a)瘤状垢，(b)管-SW2，(c)管C-GW3，(d)管B-GW3上中空瘤状垢由上可知，对铁质管材的腐蚀性，地表水水源出厂水比地下水更强。3.2.1管壁腐蚀产物中晶态物质组成分析采集的69个管垢样品中的58个样品，磁铁矿（Fe3O4）和针铁矿（α-FeOOH）是主要的晶体铁氧化物，它们的含量总和平均值为70%（图3-2）。其他铁氧化物如：纤铁矿（γ-FeOOH）、菱铁矿（FeCO3）、绿锈（Fe6(OH)12CO3）、赤铁矿(Fe2O3）、四方纤铁矿（β-FeOOH）、羰基碳酸亚铁（Fe6(OH)12CO3·2H2O）和铁镍矾（Ni6Fe2+3(SO4)(OH)16·4H2O）等的含量随着其通水水质和水力条件的不同变化不一。其余的样品中有9个样品，晶态非铁氧化物含量很高，如：石英（SiO2）、方解石（CaCO3）、钠长石（(Na,Ca)Al(Si,Al)3O8）、微斜长石（K(AlSi3)O8）、石膏(CaSO4·2H2O）等，9个样品中它们占晶态物质的百分含量为51%～97%（图3-2所示）。最后还有2个样品，管-SW3-THS管垢样品和管-SW3-PCL管垢样品含有大量Fe6(OH)12CO3和Ni6Fe2+3(SO4)(OH)16·4H2O、Fe3O4和α-FeOOH总含量在两样品中只占到15%和4%。选取有代表性的样品XRD图。在所有的样品中仅有管-SW1-ET样品具有黄铁矿（FeS2），占铁氧化物含量的13%。管-SW3-PCL样品含有大量Ni6Fe2+3(SO4)(OH)16·4H2O（53%）和Fe6(OH)12CO3（41%）。结合EDX能谱分析结果和该样品XRD定量分析，通地下水和混合水源管垢样品所含的磁铁矿物，针铁矿物和非磁铁矿物的BET比表面的平均值，最大值，最小值和中位值来分析通地下水管垢样品的，并作出图形进行表示（见图3-2），其分析结果如下：20 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文120磁铁矿+针铁矿非铁矿物1008060402058samples9samples图3-2磁铁矿和针铁矿，非铁氧化物在管垢样品中含量的统计箱式图如前所述，管-SW3-PCL样品含有大量Ni6Fe2+3(SO4)(OH)16·4H2O（53%）和Fe6(OH)12CO3（41%）。管B1-GW3-TSL样品XRD图中35º出低而宽的谱峰代表无定形铁氧化物的谱峰，游离和无定形铁提取实验结果表明该样品中游离和无定形铁含量占总铁的97%。管B2-GW3-TSL样品中含有大量SiO2（49%）、(Na,Ca)Al(Si,Al)3O8（23%）、K(AlSi3)O8（8%）和Al2Si2O5(OH)4（20%）。管C-GW3-ET含有大量FeCO3（11%）和β-FeOOH（27%），管F-SW1/GW1-HSL具有很高含量Fe6(OH)12CO3（96%）。根据Lytle提出的供水管网腐蚀垢层中铁-硫形态转化的模型[27]：腐蚀垢层中三价铁被还原生成的亚铁离子极易与溶解性硫化物反应形成亚铁硫化物（FeS），亚铁硫化物老化在一定温度和氧化还原条件下最终转化为FeS（黄铁矿）（2LytleD.A.,etal.2005)。Berner提出的FeS与S0反应生成FeS2也可能是黄铁矿生成的原因(BernerR.A.,1970)。纤铁矿（γ-FeOOH）通常在低PH，低亚铁离子浓度和快速氧化条件下形成，它在腐蚀的初期阶段生成，将最终转化为磁铁矿（Fe3O4）。四方纤铁矿（β-FeOOH）主要存在于富含Cl-的环境中，且只能在PH<5时形成，因为OH-能够取代其中的Cl-而改变其物质结构。α-FeOOH和Fe3O4是比较稳定的腐蚀产物，而β-FeOOH和γ-FeOOH不稳定在一定条件下可转化为α-FeOOH或Fe3O4。根据环境条件，绿锈可以由零价铁氧化生成或者亚铁、三价铁复合氧化生成，继而GR(CO2--2-3)可以转化成针铁矿，磁铁矿或磁赤铁矿，GR(Cl)和GR(SO4)可以转化成纤铁矿、磁铁矿或磁赤铁矿，最终矿物形态取决于PH和氧化速率。镍铁钒是一种含有硫酸根离子，晶体结构与碳酸镁铁矿相同的Ni-Fe硫化物。类碳酸镁矿物合成实验表明CO2-2-3离子的结合能力强于SO4，所以镍铁钒的21 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文形成可能是由于环境中CO2-2-3离子含量低，SO4离子含量高所致。3.3管壁腐蚀产物微观结构研究通地下水和混合水源管垢样品BET比表面的平均值和中位值高于通地下水管垢样品的(图3-3)。SEM图中是具有不同形貌的三种类型的管垢(图3-4)。从图中可以观测到瘤状垢(类型I)的典型分层结构：最上端表面层(TSL)，相对致密的硬壳层(HSL)和硬壳层下面的多孔疏松内核层(PCL)。图中硬壳层的厚度大约为几百微米，硬壳层的厚度与管垢的大小，生长年龄，组成成分和水质状况有关。但是表面薄层垢(类型II)和中空瘤状垢(类型III)并不具有分层结构(图3-4c,d)。图3-4e-h分别是a和b瘤状垢中多孔疏松内核层的放大图，图3-4c表面薄层垢上一个区域放大图和d中空瘤状垢上簇状结构放大图(1000倍)。结合EDX能谱分析结果和该样品XRD定量分析结果：图3-4e中花型物质是绿锈，立方体形状的物质是磁铁矿；图3-4f中主要是球形的磁铁矿，针状的针铁矿和六角形的四方纤铁矿；图3-4c中大量的叶状物质和图3-4h中叶状物质是针铁矿或纤铁矿，但图3-4g(图3-4c局部放大区域)中堆积的多面体物质是磁铁矿。10080/g)26040BETsurfacearea(m200Mixedwatersource图3-3具有不同通水历史的铸铁管管垢BET比表面统计图管B2-GW3-TSL样品中含有大量SiO2（49%）、(Na,Ca)Al(Si,Al)3O8（23%）、K(AlSi3)O8（8%）和Al2Si2O5(OH)4（20%）。管C-GW3-ET含有大量FeCO3（11%）和β-FeOOH（27%），管F-SW1/GW1-HSL具有很高含量Fe6(OH)12CO3（96%）。22 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图3-4不同形态管垢SEM图(a)门城管垢横截面(×35),(b)马甸管垢横截面(×500),(c)呼家楼表面薄层内视图(×35),(d)呼家楼中空壳垢内视图(×35),(e)和(f)分别是(a)和(b)中多孔疏松层的局部放大图(×1000),(g)和(h)分别是(c)中局部放大图和(d)中花状物质的放大图(×1000)如前所述，铁硫地球化学特征在供水管网中有着很重要的作用。根据XRF和XRD分析结果，管壁腐蚀垢层中含有一定量的S，并且S具有自然硫(S0)和硫化物两种形态。硫元素平均含量在通地表水管段管垢中最高。S0在通地表水管段管垢内软层中含量较高，通地表水管段管垢仅有一个硬壳层样品中含有硫化物，通地下水管段管垢中也多在实心垢、中空壳垢或者硬壳层中能检测到硫化物。该结果与Lytle研究的具有不同通水历史管垢中硫元素含量结果有些差别[28]。由于供水管网中铁硫形态的转化与硫酸盐还原菌密切相关，而硫酸盐还原菌是厌氧菌，主要存在于腐蚀垢层内部。所以不难理解S0或硫化物含量在垢层内部较高。虽然地下水的消毒剂浓度和溶解氧浓度比地表水的低，氧化还原电位低，更利于硫酸盐还原菌的生命活动。然而北京管网系统中地表水硫酸根浓度比地下水的高很多，并且通地表水管垢腐蚀程度高，垢层非常厚，腐蚀垢层内部的厌氧状态也非常适合硫酸盐还原菌的生存。管壁上瘤状垢或实心垢都比较坚硬，一般需要锤子和刀具才能将其从管壁上分离。用工具将瘤状垢敲开，能闻到从垢层内部散发出的臭鸡蛋的气味，根据上面调查结果可以推断气体为H2S气体。管垢被分离下来后立即装在自封袋里封好，送至厌氧箱内研磨。然而大量的硫元素可能以H2S气体的形式在管垢采集和处理阶段逸散出去，而无法检测。所以只检测到少量沉积于垢层中的S0和硫化物。3.4本章小结(1)由于通水水源的水质差异，众多瘤状垢连生为厚且连续的腐蚀垢层，常23 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文出现在输送地表水水源的管壁内。薄腐蚀层(几毫米或不足一毫米)和由垢下腐蚀形成的中空瘤状垢多见于通地下水水源的管段上。(2)从SEM-EDX谱图中可以清楚得看到瘤状垢典型的分层结构，中空瘤状垢和具有不同形态的铁氧化物。样品能谱分析结果结合该样品的XRD定量分析结果，铁氧化物常见微观形态可以比较准确地判断出是何铁氧化物。(3)北京管网系统中地表水硫酸根浓度比地下水的高很多，并且通地表水管垢腐蚀程度高，垢层非常厚，腐蚀垢层内部的厌氧状态也非常适合硫酸盐还原菌的生存。所以通地表水管段管垢样品中硫元素的含量最高，且以S0形态为主；多在通地下水管段管垢样品中检测出以硫化物形态存在的硫元素(4)具有不同通水历史管垢样品化学成分组成，微观结构和元素组成特征的统计结果表明：除了在地下水管段中发现的中空瘤状垢，其它通地下水管段上管垢样品的M/G比例小于1，然而通地表水管段管垢样品的M/G比例大多数大于1。M/G比例可能是腐蚀程度和管垢生长成熟程度的标志。通地下水管段管垢腐蚀程度轻，含有较高含量不稳定铁氧化物，地下水管段管垢缺少具有坚硬致密外壳层的保护。24 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第4章南水北调原水的不同管材水质变化试验研究[29]丹江口水库是南水北调的中线水源地，将是北京市重要的水源。研究北京市现有管网对丹江口水库水源的适应性具有重要意义。为进行研究，试验从北京市四个不同的地区挖取了运行中的铸铁管道，在丹江口搭建了模拟管网试验系统，研究丹江口水源水质对北京市管网可能造成的影响，同时做出了控制管网水质的措施。4.1试验方法4.1.1模拟系统设计图4-1管网试验系统原理图4.1.2管网试验装置建设选取不同水厂供水范围内的四个典型区域，门城、翠微、马甸、央视新址，分别挖取管龄在20年以上的DN100的铸铁管(翠微管为DN80)各约30米，运输至丹江口试验基地，并搭建成管网试验装置。同一地区来源的管道构成一个独立的模拟管路系统，管道在室内采用折叠架构的形式进行铺设，并在管道中安装了流量计，计量泵等装置进行水量计量，通过离心泵进行水力回流，搅拌泵进行水力搅拌，并在各个管道转弯折叠处设置样品取样口进行水样的提取，沿途设置阀门，排水口等设施进行控制，整个实验共4套系统，水力循环使用，设置排水口若干，完成临时的管道实验模拟装置的搭设。实验设计图如图4-1所示，实际装置图如图4-2、图4-3所示。25 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图4-2从北京市的四个典型地区采集试验管道图4-3管道临时通水试验布置(上)以及搭建成的试验模拟装置4.1.3试验用水历史水源：取自门城、翠微、马甸、央视新址的管道分别对应于北京市门城水厂、田村水厂、第九水厂、第八水厂的供水区域。试验用水：试验用水取自试验基地汉江集团自备水厂的出厂水，水源为丹江口水库水。4.1.4监测指标和监测方法常规理化指标：PH值、浊度、色度、电导率、总溶解性固体(TDS)、溶解氧(DO)、总碱度、钙硬度、总硬度。消毒剂指标：余氯、总氯。金属离子指标：铁离子。阴离子：硫酸根、氯离子。26 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文管垢分析：每个系统设有五个十公分左右的管段，可以在整个试验周期中根据腐蚀控制情况采集管垢，对管段管壁腐蚀产物做SEM+EDX分析，XRD定量分析、XRF元素分析、比表面分析、总铁和无定形铁分析。表4-1监测指标及其方法水质指标分析方法分析仪器PHPH计溶解氧溶解氧仪HACHHQ40D便携式PH电导率溶解氧计电导率电导率分析仪TDS电导率分析仪浊度光散射浊度仪2100PTurbidimeter(USA,HachCo.)色度铂钴标准比色法具塞比色管总碱度酸碱指示剂滴定法钙硬度EDTA滴定法滴定管总硬度EDTA滴定法总氯DPD比色法HACHDR/2800可见分光光度计自由余氯DPD比色法4.1.5试验运行操作试验装置建成后，立即开始通水试验，水单向流动，不循环。第一个阶段：最初一个月(2011年5月17日至2011年6月16日)的运行方式为：每天每套管路系统以1m3/h左右的流量运行约16小时，然后关闭进水阀门，停滞8h。2011年6月17日至2011年12月5日，改为每天每套系统以1m3/h流量运行12小时，再以计量泵以37L/h的流量(翠微系统为22L/h)运行8小时。以计量泵运行时水在系统内的水力停留时间(HRT)约8小时，取样监测进出水水质指标；每隔10天，以14m3/h的流量，用离心泵冲洗管路系统，冲洗用水量1m3。第二个阶段：2011年12月6日至2012年2月14日，为探究硫酸盐对系统的影响阶段，此阶段观察了水质硫酸盐浓度分别为100mg/L、200mg/L、250mg/L时对输水管网系统的影响；运行方案为：晚上用离心泵以14m3/h的流量(翠微系统为10m3/h)打内循环流动运行12小时左右，经计算门城、央视、马甸系统内水流速为0.5m/s左右，翠微系统为0.55m/s左右；白天用计量泵以37L/h的流量(翠微系统为22L/h)单向流运行8h；早上和晚上各配换水一次。第三阶段：2012年3月1日至2012年3月31日，为探究氯离子对系统的影响阶段，此阶段观察了水质氯离子浓度分别为50mg/L、100mg/L时对输水管网系统的影响；运行方案和第二试验阶段一致。27 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文4.2试验结果第一试验阶段：试验装置运行期间监测的各管网系统进出水浊度、总铁浓度变化，分别如图4-4、4-5所示。图4-4四套管网试验装置第一试验阶段进出水浊度变化图4-5四套管网试验装置第一试验阶段进出水总铁浓度变化从图中可以发现以下几个现象：(1)央视管系统的出水浊度和总铁浓度大大高于其他几个系统；特别是在最初一个月内，其出水呈现明显的“黄水”现象，如图4-6。28 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图4-6从左到右：翠微、马甸、央视新址、门城(2)央视管系统的浊度和总铁随时间呈现逐渐降低的趋势；(3)经过两个月的运行后，除央视新址外，其他几个系统都基本趋于稳定；央视管的出水浊度降低到3NTU左右，总铁浓度降至0.6mg/L以下，明显的“黄水”现象消失，但水质仍较其他系统差。(4)除央视新址外，其他几个系统均无明显的“黄水”现象出现；其中，翠微管系统的出水浊度和总铁浓度较低，且最为稳定，而门城管和马甸管系统出水开始时有明显的波动，经过约40天后，趋于稳定。(5)系统经过三个月的运行后，四套系统全部趋于稳定；此时系统停止运行一个周，当系统再次启动后，门城、月季、翠微系统能迅速恢复稳定，而央视系统则是经过了十天左右才恢复稳定。待系统稳定后，再次停止运行两周左右，央视系统经过了一个月的时间其铁释放才下降到0.3mg/L以下，其他三套系统则立刻表现出了稳定的特征。综上所述，央视管系统内的铁释放的过程明显不同于其他几个系统，管壁上较大程度的腐蚀反应可能是造成央视管系统铁释放量较大的直接原因。其他水质指标具体分析如下：PH值如图4-7所示。在系统未稳定之前(8月1日左右)，各系统出水的PH值都低于进水，但央视管系统的出水PH要明显低于其他系统；而系统刚稳定后的一段时间内(8月1到8月20左右)，各稳定系统出水的PH值和进水相比较，没有明显的规律；8月20到9月11之间，则是进水的PH值都小于各系统出水；9月29到11月14期间，PH值则表现为进水大于央视系统而小于其他三套系统。溶解氧如图4-8所示。各系统出水的溶解氧都明显降低，但央视管系统的DO降低程度最大，其他几个系统DO的降低水平相近；随着时间的进行，各系统溶解氧降低的水平呈减小趋势。总碱度如图4-9所示，各系统出水的总碱度都有降低，但央视管系统的总碱度29 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文降低最大。另一方面进水的总碱度随时间也有明显变化的趋势，这主要是由于季节性降雨水库蓄水变化所导致的。总硬度和电导率的变化也呈现总碱度相同的现象。余氯如图4-10所示，可以看出系统在稳定前，出水余氯几乎消耗殆尽；系统稳定后才会有余氯剩余。图4-7四套管网试验装置第一试验阶段进出水PH值变化图4-8四套管网试验装置第一试验阶段进出水溶解氧变化30 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图4-9四套管网试验装置第一试验阶段进出水总碱度变化图4-10四套管网试验装置第一试验阶段进出水余氯浓度变化在2011年5月至12月监测期间，丹江口水库原水的PH较北京原水略高，其雨季水库蓄水较多时在7.9左右，其他季节在8.0以上；总碱度在90~120mg/L之间(以CaCO3计)；总硬度在110~145mg/L之间(以CaCO3计)；这样得出的Langelier饱和指数IL=0.2左右，分析判断为碳酸钙结垢性水质；而Ryznar稳定指数IR=8.2左右，分析判断为碳酸钙腐蚀性水质；但是由于水中氯化物含量一直在4~7mg/L之间波动，硫酸盐的含量相对也较低，在30~50mg/L之间波动，计算所得拉森指数LR=0.55左右；因此从这三个指数角度来判断，可以认为丹江口水库水为微腐蚀性水质。31 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第二试验阶段：这一试验阶段主要是探究丹江口水库中原水硫酸根浓度对管网系统中铁释放的影响。从这一阶段监测的各管网系统进出水浊度、总铁浓度变化的数据，如图4-11和4-12所示：(1)刚开始投加硫酸盐浓度至100mg/L时，门城系统出水的浊度和铁释放都较稳定时显著升高(铁释放量在0.3mg/L左右)，但是没有明显的“黄水”现象，经过一个星期左右就趋于稳定。其它三套系统则没有明显变化。结合之后的壁腐蚀产物XRD定量分析可以判断，管壁成份此时主要是以比较稳定的磁铁矿和针铁矿为主要成分，央视系统最为明显。(2)在之后硫酸根浓度增加到250mg/L时，四套系统均没有发现明显变化。PH值如图4-13所示，在这一阶段，四套系统出水的PH值均略大于进水PH值。溶解氧和总碱度、总硬度依旧表现出出水小于进水的情况；而由于是配高硫酸根浓度水进行的试验，电导率、TDS较高，因此没有表现出明显的变化规律。图4-11四套管网试验装置第二试验阶段进出水浊度变化32 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图4-12四套管网试验装置第二试验阶段进出水总铁浓度变化图4-13四套管网试验装置第二试验阶段进出水PH值变化33 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第三试验阶段：这一试验阶段主要是探究氯离子浓度对管网系统中铁离子释放的影响。从这一试验阶段监测的各管网系统进出水浊度、总铁浓度变化的数据来看，如图4-14和4-15，投加氯离子浓度至50mg/L和100mg/L时，四套系统出水的浊度和铁释放都较稳定，且没有明显的“黄水”现象。PH如图4-16，在这一试验阶段，四套系统出水的PH值和进水都没有明显的规律，但总体趋势是出水的PH值要大于进水，门城，马甸，翠微系统较为明显。溶解氧和总碱度、总硬度仍然表现出出水小于进水的现象；由于是配高氯离子浓度水进行的试验，电导率、TDS较高，故没有表现出明显的变化规律。由于系统在这一阶段始终保持稳定，因此剩余的余氯的量也相对较高。图4-14四套管网试验装置第三试验阶段进出水浊度变化图4-15四套管网试验装置第三试验阶段进出水总铁浓度变化34 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图4-16四套管网试验装置第三试验阶段进出水PH值变化4.3管壁管垢的特征分析2011年本试验采集了北京市花园楼小区、门城、央视新址、马甸月季园、和翠微中里的铸铁管，对其外观形态和管壁腐蚀产物的组成进行测定。且分别采集了花园楼小区、马甸月季园、郎家庄央视新址的水样进行相关指标的测定(表4-2)。表4-2原始管段采集地水质参数电导名称CaMgSiCl-SO2-4碱度PHLR率生态中心51.5719.315.0033.7156.94134.8383.57.600.83央视新址56.7322.8912.8824.3920.05187.03618.610.30花园楼小区48.0120.723.1225.9147.70130.03317.060.66八厂平均59.0023.6415.519.8121.47193.9418.57.180.25马甸月季园46.2518.562.3822.7317.05134.33188.430.37表4-3采集管段管壁腐蚀产物XRD定量分析结果(不同铁矿物占铁矿物总量的百分比)名称磁铁矿四方纤铁矿纤铁矿针铁矿绿锈菱铁矿紫铁矾门城(原始管2011.5.17)29%39%3%10%19%21%-门城内软层(丹江2011.9.16)7%-2%2%87%2%-门城硬壳垢(丹江2011.9.16)12%-3%10%75%--门城内软层(丹江2011.11.21)54%-5%15%18%8%-门城硬壳垢(丹江2011.11.21)47%-6%25%22%--门城内软层(丹江2012.2.21)15%44%-4%-4%33%35 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文表4-3（续表）名称磁铁矿四方纤铁矿纤铁矿针铁矿绿锈菱铁矿紫铁矾门城硬壳层(丹江2012.2.21)34%-4%20%30%-12%门城实心垢(丹江2012.2.21)42%16%4%32%-6%-央视新址(原始管2011.5.17)21%27%3%22%16%11%-央视新址(丹江2011.9.16)12%19%15%51%-3%-央视新址(丹江2011.11.21)13%16%6%55%-10%-央视新址(丹江2012.2.21)44%-5%52%---马甸(原始管2011.5.17)17%28%6%22%27%--马甸内软层(丹江2011.9.16)--1%-99%--马甸硬壳垢(丹江2011.9.16)2%-1%1%96%--马甸内软层(丹江2011.11.21)5%-7%5%59%--马甸硬壳层(丹江2011.11.21)28%-7%16%50%--马甸实心垢(丹江2011.11.21)22%-12%30%32%4%-马甸内软层(丹江2012.2.21)-69%1%-23%-7%马甸硬壳层(丹江2012.2.21)24%-5%12%59%--马甸实心垢(丹江2012.2.21)30%-5%24%40%--翠微中里2号管(原始管2011.5.17)16%-5%79%17%--翠微中里5号管(原始管2011.5.17)21%-4%75%---翠微表面层+小硬壳(丹江2011.9.16)11%12%6%52%-19%-翠微内软层(丹江2011.11.21)23%--52%-25%-翠微硬壳层(丹江2011.11.21)16%-9%61%6%8%-翠微实心垢(丹江2011.11.21)36%-8%44%9%3%-翠微硬壳层(丹江2012.2.21)6%12%1%50%-31%-翠微实心垢(丹江2012.2.21)30%--70%---注：2011.5.17日化验的管垢是管网运到湖北丹江口之前分析的；2011.9.16日和11.21日化验的管垢是第一个试验阶段中分析的；2012.2.21日化验的管垢是第二个试验阶段增加硫酸盐后分析的。（1）门城管：可以看出四方纤铁矿消失，菱铁矿含量降低；绿锈含量是先增加后降低；而稳定性较强的磁铁矿和针铁矿的含量是先降低后增加的，这就解释了此系统前期会出现黄水，经过一段时间后系统变得很稳定的原因。因此即便第二试验阶段和第三试验阶段分别增加高浓度硫酸根和氯离子等侵蚀性离子时，系统也没出现“黄水”现象。（2）央视管：结合系统进出水水质的变化，可以判断央视新址管网的管壁上存在着原有旧铁垢成份的溶解和新铁垢的形成生长，同时伴有碱垢的变化，铁垢进水中的溶解氧、PH、碱度以及硬度的变化，不稳定态的四方纤铁矿、纤铁矿和菱铁矿不断变化，通过他们的过渡态作用，最后铁垢逐渐向稳定态的磁铁矿和针铁矿方向进行，也正是因为铁垢的演化造成了水中铁含量的增加，严重时产生36 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文“黄水”现象。（3）马甸管：试验开始后管垢成份几乎全部转化成过渡态的绿锈，然后部分绿锈成份又向磁铁矿、针铁矿转化，达到稳定状态，后期即使加入了高浓度硫酸根，管垢成份也变化不大。（4）翠微管：稳定性较强的磁铁矿和针铁矿的总含量在整个试验阶段中变化不大。4.4本章小结(1)丹江口水库水的PH值高于北京当地水源，总碱度和总硬度略低于北京当地地表水。该水源从PH值、碱度和硬度指标上来说，不属于高腐蚀性/侵蚀性的水质；(2)丹江口水库的氯化物和硫酸盐含量相对不高，拉森指数在0.5~0.6左右波动，从拉森指数角度来说，丹江口水库水的腐蚀性与北京当地地表水接近，但高于北京地下水；(3)丹江口水库水通入模拟管网系统后，只有原来输送地下水的央视新址管道系统有较为严重的“黄水”现象，翠微管道系统（原由田村水厂供水）相对最稳定，门城和马甸管路系统先有较为轻微的黄水，后水质恢复且一直保持稳定。这验证了管垢特征不同其对水源水质切换的适应性不同，通地下水的管网可能是水源切换时水质变化较敏感的区域。(4)从试验数据来看，管网系统铁的释放量总体趋势是逐渐降低的，通过水库水水质指标与北京水源水质指标的对比发现，这与进水水质的高PH值和低碱度、低硫酸根、低氯离子、高溶解氧有关。但是试验的第二阶段和第三阶段分别通过增加水质硫酸根和氯离子浓度的方案，管网并没有出现“黄水”现象。这证明了管网一旦趋于稳定其耐拉森指数变化的能力大大提高。(5)在持续通水的状况下，出现明显“黄水”的管路系统，其黄水也慢慢减弱，并最终保持稳定。这验证了管网自身对水源切换有自适应性。(6)水在管网系统中停滞一两周后，溶解氧降低至1~2mg/L之间，此时，水中的铁含量、PH和浊度均有明显上升，通过Kuch机理可以解释这一现象。(7)通过管垢变化和水质变化对比后发现，Siderite(FeCO)模型(将腐蚀瘤内反应分为三级)可以部分解释管网内腐蚀产物的形成过程及管网进水水质变化时管网水质变化规律。从定期所做的管垢分析成份来看，较稳定的磁铁矿和针铁矿占据了大部分成份，说明此四套管网系统已经趋于了稳定状态。37 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第5章水源更换后供水管网“黄水”产生机制分析5.1“黄水”发生的背景及其分布特征2008年9月底10月初，为替代作为当地饮用水水源的地下水，北京开始从河北水库调水。但仅在水源切换数日后，便出现了“黄水”问题。通过调查分析及模拟计算，黄水分布呈现以下特征：一是多出现在建筑年代较久（多为20年以上）的居民区；二是主干管网中水质达标，未出现明显黄水，而管网末端进入小区的支管和居民楼内的入户管则多会出现黄水（主要因为这些管道的材质多是镀锌钢管和无内称的铸铁管）。年代较新的小区因大多使用了防腐性好的新型管材而几乎未发生黄水。三是黄水有明显的区域分布特征，在原来供地下水的区域，黄水较为严重，而在原来供地表水的区域，则未出现明显的黄水现象。5.2发生“黄水”的水质原因分析5.2.1北京市主要水源水质条件表5-1显示了北京现有的水源水、地下水、应急水源及未来调水水源的简单化学指标。表5-1北京市主要水源水质条件应急水源应急水应急水应急水未来调现有水水源地（平谷）源（田村源（海源（怀水水源源山）淀）柔）PH7.988.088.197.878.097.89CODMn(mg/L)2.11.31.82.31.12.1氨氮(mg/L)<0.02<0.02<0.02<0.020.020.02总磷(mg/L)0.010.010.020.020.0210.007总氮(mg/L)3.8780.7650.8090.8861.221.060硫酸盐(mg/L)15496.574.861.234.145.2氯化物(mg/L)26.614.210.311.65.511.5碱度1201701751500.99150铁(mg/L)0.370.08<0.050.25<0.05<0.05锰(mg/L)<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001<0.001叶绿素a(ug/L)1.361.520.642.401.182.35藻类（万个/L）260.56121.6194.24216.3431.3185.76可见，与现有水源相比，除CODMn、氨氮、碱度、叶绿素a、藻类外，应急水源和未来调水水源的其余指标都相对较高。-38- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文3.02.52.01.5Larson指数1.00.50.0现有水源应急水源1应急水源2应急水源3应急水源4未来调水水源图5-1几个水库Larson指数可见，当前水源的Larson指数均大于0.2，虽有一定腐蚀，但得益于致密层，管壁较稳定；应急水源1的Larson指数比现有水源高3倍，势必会破坏原有保护膜；应急水源3、未来调水水源、现有水源水Larson指数接近，因此，不会严重影响管网腐蚀产物释放。5.2.2管网水中总铁浓度与浊度的关系建立监测“黄水”期间总铁浓度与浊度的关系曲线[30]。总铁浓度与管网水浊度直接相关。总铁浓度＞0.3mg/L，浊度为1.5NTU。这可以说明，管网黄水的直接原因是由于管壁上铁释放造成的。8.07.06.0y=5.9013x-0.2786R2=0.84575.0(NTU)4.0浊度3.02.01.00.000.20.40.60.811.2总铁(mg/L)图5-2北京市“黄水”期间管网水总铁浓度与浊度的关系曲线因为在受纳同一水源的其他地区未出现“黄水”，所以不能单纯以拉森指数作为判断水源更换后是否会出现黄水的依据，还要考虑管道对不同水源的耐受-39- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文性。5.3“黄水”产生与管道内壁管垢的关系拉森指数可以表明水对铁质金属腐蚀性的大小与水中主要阴离子含量的关系，但影响腐蚀的内在机理目前尚未完全探明。对使用时间久、管壁腐蚀层厚的铁质金属管道，管内壁与所输送水之间存在十分复杂的相互作用。在接受水源相同且管材相同的条件下，在原供地下水的区域，黄水较严重，而原输送地表水的地区则未出现黄水或是黄水不严重。可见，在与地表水、地下水不同的长期接触中，金属管道形成的腐蚀管垢层的特性显著不同：地表水条件下形成的腐蚀层保护较好，而地下水条件形成的腐蚀层则保护性较差。取样发现，无论是镀锌管还是铸铁管，如发生黄水，其内壁腐蚀物都比较疏松（图5-3a，b）；在未发生黄水的条件下，镀锌管内壁腐蚀层较厚且坚硬（图5-3c），铸铁管管壁的腐蚀产物呈瘤状分布，尽管瘤状物内部的铁氧化物较为疏松，但其外表面存在坚硬致密的管垢层（图5-3d）。（a）（b）（c）（d）图5-3发生过“黄水”的镀锌管（a）、铸铁管（b）和没有发生过黄水的镀锌管（c）、铸铁管（d）表面管垢情况。为鉴定截取管段中采集的腐蚀垢层样品的主要成分，特对其做X射线衍射，并依据谱图上峰的相对大小来定性判断各成分含量的差别。分析表明：因管材及输水时间不同，铁质管材与水接触所形成的腐蚀产物成分也有较大差别。铁的腐蚀产物主要有γ-Fe2O3，α-FeOOH，β-FeOOH，Fe3O4，FeCO3；使用年代较短的镀锌管中则有ZnO,Zn5(CO3)2(OH)6,长期输送地下水的管道中还有CaCO3。对比发生过黄水和没有发生过黄水的管道腐蚀层成分（铸铁管的表面致密层），发现除-40- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文γ-Fe2O3普遍存在外，发生过黄水的铸铁管道中Fe3O4和α-FeOOH的含量相对较少；而没有发生黄水的铸铁管道中Fe3O4和α-FeOOH含量相对较多。因此可以判断，构成管壁致密保护层的主要成分为Fe3O4和α-FeOOH。前面提到，主要是原输送地下水的区域易出现黄水，而原输送地表水的供水区则未出现黄水。可见，管道输送的水质差异与管垢结构成分差异不无关系。究其原因，地下水的碱度和硬度远大于地表水，而其有机物的含量和溶解氧的含量通常要小于地表水。但腐蚀管垢层的形成与地表水和地下水的水质特征差异之间的关系目前尚未完全清楚。5.4“黄水”的发生与持续时间的关系2008年，在水源大比例更换后的2～3天内，北京局部就发生了较为严重的黄水问题。可见水源更换到发生黄水的时间一般较快。黄水发生后，相关部门及时调整了新旧水源的比例，降低新水源的比例（新旧水源比例降至2：8）。随后，黄水减少。反映了黄水发生区域水浊度随时间的变化趋势。因黄水是由铁的不溶性氧化物或氢氧化物造成的，所以其浊度和色度都和总铁的含量成正比，浊度也可作为间接反应水中总铁的浓度的参考指标。可见，水源比例调整后的最初1月内，水浊度下降较明显，之后下降趋势放缓，两个月后基本趋于稳定，明显的黄水基本消失。此外，北京此次远距离调水的水源来自两个不同地区的水库。从第一个水库调水发生了黄水问题，于是降低了该水库的水源比例。从第二个水库调水前，先试验研究了该水源可能对管网造成的影响，发现其与本地地表水源相近，对现有管网影响较小，拉森指数也较低。所以在调水后未出现黄水问题。5.5水质对供水管道腐蚀的影响影响参数包括：（1）温度；（2）PH；（3）溶解氧；（4）硬度、溶解性无机碳；（5）余氯；（6）总溶解性固体；（7）硅酸盐、磷酸盐；（8）Cl-、硫酸盐；（9）铁、锰、锌等。本文将重点研究温度、PH、DO及余氯等水质指标对供水管网腐蚀的影响。5.5.1温度对管网内部腐蚀的影响通过管网腐蚀管段的腐蚀速率测试，我们分析了水温对腐蚀的影响，如下图所示：-41- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文0.740DN32(系统A)35DN40(系统A)0.6DN32(系统B)300.5DN40(系统B)25(mm/y)0.4温度20)0.315℃(0.2腐蚀速率10温度0.1500123456789101112时间(月)图5-4温度对腐蚀速率的影响可见，温度与腐蚀速率呈正比，其最大值均出现在6、7月。5.5.2PH对供水管网水质变化的影响观察PH对管网内部腐蚀的影响，对管网模拟系统A的PH值进行调节：调节模拟管网A中水质的PH值，使PH等于“6、7、8、9”，系统A静置运行；观测系统A内总铁等水质参数随时间的变化情况。试验得出的总铁的关系分别如图5-5所示。3pH=62.5pH=72pH=81.5pH=91总铁浓度(mg/L)0.5002410182634465872时间(小时)图5-5PH对管网模拟系统A总铁浓度关系图由图5-5可见，当管网模拟系统A的PH=6时，72小时内系统中的总铁浓度上升最快，为2.6mg/L；当PH增大时，系统内的总铁浓度上升梯度减慢；PH=9时，72小时系统A总铁浓度上升最慢，为0.95mg/L。因此可以判断，可以通过提高PH控制模拟系统的腐蚀。-42- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文5.5.3余氯对管网水质变化的影响2.5起始氯＝0mg/L2起始氯＝0.3mg/L起始氯＝1mg/L1.5起始氯＝2mg/L1总铁(mg/L)0.5002412202836486072时间(小时)图5-6不同起始氯浓度下管网模拟系统B内总铁随时间变化曲线70起始氯＝0mg/L60起始氯＝0.3mg/L50起始氯＝1mg/L40起始氯＝2mg/L色度302010002412202836486072时间(小时)图5-7不同起始氯浓度下管网模拟系统B内色度随时间变化曲线由图5-6，图5-7可见，在起始氯浓度不同的条件下，随着时间的延长，系统B内的浊度、色度、总铁均呈上升趋势；起始氯浓度越低，总铁、色度上升越慢。可知，起始氯浓度为2.0mg/L时，管网模拟系统B的色度在28小时内即达到最高值60，起始氯浓度为1.0mg/L时，管网模拟系统B的色度在36小时内达到最高值60，起始氯浓度为0.3mg/L时，管网模拟系统B的色度在48小时内达到最高值60，起始氯浓度为0mg/L时,管网模拟系统B的色度达到最高值60所需时间则为60小时。起始氯越高，对系统水质色度的影响越大。由于余氯是强氧化剂，会加速氧化管壁的铁剂腐蚀产物，即会有更多的铁反应产物进入到系统的水体中，所以起始氯水平越高，色度升高得越快。5.5.4供水管网系统运行方式与管网内部腐蚀城市供水管网中，支管水流状态受用户用水影响。5.5.4.1试验方法为了模拟管网中的支管的水流状态，管网模拟系统A的运行方式为间歇运-43- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文行，每天运行3个周期（每周期连续运行2小时，停滞运行6小时）。通过对系统A与B腐蚀速率的比较，观察模拟系统腐蚀是否受运行方式影响。5.5.4.2分析与结论由图可见，管网模拟系统A的腐蚀速率相对于系统B的腐蚀速率相对要低。0.7DN32(系统A)0.6DN40(系统A)0.5DN32(系统B)DN40(系统B)0.40.30.2腐蚀速率(mm/y)0.10123456789101112时间(月)图5-8运行方式对管网模拟系统腐蚀影响曲线图5.5.5用水量对水质的影响检测表明，水质会随着水在管道中滞留时间的延长而变差。表5-2显示了停留时间对水龙头出水水质的影响，可见，延长自来水在管网中的停留时间，各项指标值迅速增加。表5-2不同停留时间对水龙头水质的影响停留时间（h）0122448色度6103050浊度（NTU）1.82.45.511.8余氯（mg/L）0.310.0500细菌总数（CFU/ml）61587230总大肠菌群（CFU/100ml）<1<1715总铁（mg/L）0.140.290.471.32锰（mg/L）<0.050.070.130.19锌（mg/L）<0.050.060.080.10总有机碳（mg/L）1.41.51.82.35.6管网发生“黄水”的控制方法5.6.1调节PH控制调节PH值（分别设定为8.5、9、9.5、10），静态运行模拟系统。监测PH、色度、浊度、总铁、溶解氧随时间的变化情况。-44- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文实验发现，色度、浊度、总铁、溶解氧会随着PH上升发生明显的变化，且当PH值在9.5~10的范围内效果较好。1.61.4pH=8.51.2pH=9.01pH=9.50.8pH=10.00.60.4总铁浓度(mg/L)0.2002410182634465872Time(hour)图5-9PH对管网模拟系统宗铁浓度影响图5.6.2投加磷酸盐本试验以Na3PO4为缓蚀剂，并将管网模拟系统内的磷酸盐浓度（以磷酸盐计）控制在0、0.2、0.4、1.0mg/L，使系统静置，运行72小时，监测系统的总铁、浊度、色度及溶解氧情况。1.61.4磷酸盐＝0mg/L1.2磷酸盐＝0.1mg/L1磷酸盐＝0.4mg/L0.8磷酸盐＝1.0mg/L0.6总铁(mg/L)0.40.2002412202836486072Time(hour)图5-10浓度不同的磷酸盐对系统总铁浓度的影响曲线可见，磷酸盐能对铁离子浓度上升有抑制作用，总铁浓度上升梯度与磷酸盐浓度成反比。因磷酸盐会导致水体的富营养化，故不适宜向水中投加过量。5.7本章小结（1）温度升高，腐蚀速率也随之升高，且均在夏季达到最大值。（2）在72小时内，PH=6，总铁浓度上升速度最快（为2.6mg/L）；PH=9，总铁浓度上升最慢（为0.95mg/L）。在间歇运行系统中，腐蚀更快。（3）调节PH或投加磷酸盐对管网腐蚀进行控制的措施是可行的。PH在8.5-10时，PH越高，控制效果越好，且控制在9.5-10之间最好；磷酸盐浓度在0~1mg/L时，浓度越高，控制效果越好，且控制在0.4ppm最为适宜。-45- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文第6章基于“黄水”控制的供水管道内涂树脂技术的研发6.1供水管道内涂树脂技术21世纪初期，北京市自来水集团引进了上水管道内涂树脂技术解决城市管道老化、锈蚀严重问题，该技术能对埋于地下、墙内管道内壁的锈垢予以清除，并在内壁涂树脂且不会破坏墙面、路面、建筑装潢。该技术采用空气动力学原理[31]，以物理方法对管道内锈垢进行清除，它解决了传统工艺（如化学法、振动法、机械法等）不能同时在管道内壁进行涂膜的问题[32]，也避免了化学清洗液对管道的腐蚀破坏及液体排放可能造成的环境污染；克服了振动法除垢不彻底的缺陷；解决了机械法无法对小口径管道作业的问题。该技术喷涂采用的环氧树脂涂料与管道内壁附着力强、涂层固化后光滑、致密、保护性好、使用寿命长。该技术实施分为两个阶段[33]：首先对管道内壁除锈，而后对其进行喷涂。由空压机提供高压空气，在管道内形成旋风式气流，带动石英砂打磨管道内壁，从而起到除锈效果；用旋风式气流将专用环氧树脂涂料均匀的涂在管内壁，涂料干燥后形成内衬保护层。图6-1显示了管道喷涂前后对比情况。图6-1管道喷涂前后对比6.1.1技术原理[34]管道内涂树脂技术采用空气动力学原理，使用物理方法对管道内的锈垢予[35][36]以清除。此项技术使得传统除锈工艺所使用的化学法、振动法、机械法得以改善。內涂树脂工艺的优点不仅在于除垢、除锈彻底，而且在于其避免了化学法的化学性清洗液对管道的腐蚀破坏及排放对环境产生的不良影响；同时解决了传[37]统机械除锈法不能对小口径管道作业的问题。实验证明，除锈涂膜技术采用旋转运动的气流夹带沙粒滚动摩擦的原理对管道内的锈垢予以清除，再用空气推进树脂涂料，使涂料在旋转离心力作用下均匀-46- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文[38]的粘结在管道内壁。沙粒对管壁损伤很小，并且可清除管道内壁细小的凹凸部分的残留物，为下一环节涂树脂提供了条件。实验证明，采用本技术修复的一些老旧上水管道能使输水能力迅速恢复，提高出水量，使管道内壁水垢、水锈不再滋生，延长管道使用寿命，具有显著的社会效益和经济效益，在北京已广泛应用。该技术主要适用于DN13mm~200mm口径的上水管道。由于城市旧工房、办[39]公楼、宾馆等室内给水管道基本上均采用镀锌管（俗称白铁管），长时间使用后，其内壁会形成严重的水垢、水锈，严重影响居民用水畅通及饮水卫生，还会造成通水能力下降，增加能耗。以前对此问题的解决方法十分有限，必须要重新更换新管道，但势必会破坏原有的建筑装潢和防水结构，导致更新费用十分巨大，同时，施工停水时间过长也会影响用户正常生活，产生不良的社会影响。如[40]今，管道內涂树脂技术便可以改变这种状况。6.1.2技术特点（1）对已使用的供水管道，不需要破坏建筑装潢和防水结构，只需将管道两端断开，便可对新旧管道内的水垢、水锈予以清除并涂膜[41]。图6-2西马小区同一管道除锈及涂膜后现场对比（2）能短时间内对水黄进行彻底排除、提高水质、增加管道输水能力，改善用户用水状况[42]。图6-3清洗前后水质改善情况（北京永泰小区）（3）可节省因更新管道造成的路面、建筑装潢损坏所产生的各种拆迁补偿费用。-47- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文（4）施工时间短，对用户的影响小，以一栋居民楼为例，停水时间只需6~8小时，即一天即可完成作业，尤其是对饭店、宾馆、酒楼无需长期全面停业施工，社会成本较低。（5）化学法、振动法、机械法在清除民用小口径锈垢后不能涂膜保护管壁，水垢经过一段时间后会反复出现，该技术可以在很长时间内彻底清除锈垢。图6-4喷涂前后管道内壁情况对比（6）能够修复难以寻找到的管道针眼渗漏水问题。（7）节能降耗。（8）该工艺采用食品级环氧树脂，无毒无害。图6-5喷涂技术选用的涂料6.1.3内涂树脂技术工艺图、装置内涂树脂涂现场施工及使用,内喷涂施工工艺流程如图6-6所示：-48- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文施工可行性论证编制施工提供临时及调查组织设计供水站点断水、拆除阀门、水表、管内确定截管位置、开截断管子除锈挖工作坑检测管壁除管内喷涂液体环氧清洗管壁、干燥锈质量Sa2级树脂防腐涂料试压、检查环氧树复原冲洗消毒脂涂层质量路面修复图6-6喷涂施工流程图6.1.4经济、社会和生态环境效益比较（1）直接成本分析包括：①规划，设计以及管理费用②施工费用③拆改移费用（2）间接成本分析包括：①对路面、地下管线损坏及人员伤亡的补偿；②对市民生活、商业、工业活动的干扰；③环境污染经分析：（1）內涂树脂技术只是开挖作业坑并在坑内截管操作与恢复。（2）內涂树脂技术可帮助节省居民住宅楼更新管道产生的费用。（3）內涂树脂技术同样可帮助省去对宾馆、酒楼等高级楼、堂、馆、所进行管道更新所产生的费用。（4）本项技术得到了广泛支持、认可，也有良好的社会效益，与传统施工改造相比较，其技术大大降低了施工成本。-49- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文表6-1北京某小区上水管线改造两种工艺投资对比表开挖修复喷涂修复项目备注施工费（元/拆改移费施工费（元/拆改移费米）（元）米）（元）拆改移费DN100x100米管线20006240038014040用只考虑路面改造工程恢复费用6.1.5经典案例北京市自来水集团采用內涂树脂技术顺利完成了对中南海北区及国务院内的上水管线改造任务，有效防止了南水进京后可能会造成的水质影响。经过紧张施工，圆满完成了上水管线喷涂、工作坑挖掘及各类管线附属设备更换。工程得到了中南海行政司、北京市政府、北京市水务局各级政府领导的高度认可。-50- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文图6-7国务院办公厅行政司对采用內涂树脂技术的认可材料6.2內涂树脂技术对改善水质的试验与研究6.2.1试剂与仪器主要试剂有质量分数65%的浓硝酸，Mn和Pb的标准贮备液（1000ug/L）。主要仪器有HACH2100Q浊度仪，BANTEPHS-3BW型号PH仪，HACHPocketColorimeterTMⅡ余氯仪，Barnstead高纯水仪，SHIMADZUTOCvwp仪，ThermoXSeriesⅡICP-Ms仪等。6.2.2实验小区选择某小区作为环氧树脂喷涂修复工程的试验地点，小区供水管网分布如图6-10所示。小区共有面积约XXm2，日供水量XXm3，铺设管线总长度约XXm，-51- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文管材为球磨铸铁管，管龄约为20年，管径范围为{100，150，200}mm。图中进水口、A、B和C点分表表示水质检测取样点。图6-8某小区供水管网分布图6.2.3水样的采集、保存与检测小区环氧树脂喷涂改造前即开始对进水口、A、B和C点进行取样分析，取样时间为每天下午17:00左右。检测指标选择饮用水常规指标，如浊度、PH、余氯和有机物含量（TOC表征），另外根据球墨铸铁管的化学成分选择Mn和Pb指标进行分析。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）进行。对小区进水口水质进行检测，时间持续一周，得到小区来水水质数据，如表6-2所示：表6-2：某小区进水口水质数据平均值水质指标检测结果水质指标检测结果浊度0.27NTUTOC0.8mg/L余氯0.49mg/LMn2.45ug/LPH7.59Pb0.36ug/L6.2.4试验结果分析通过采样分析，得到该小区A、B和C三监测点浊度、PH值、余氯、TOC、Mn和Pb的水质数据，如表6-3所示。表6-3某小区供水管网喷涂改造前后A、B和C三点水质数据喷涂喷涂喷涂喷涂指标监测点喷涂前1小时后1天后3天后7天后A0.260.350.230.320.20浊度0.330.590.220.320.19B(≤1NTU)0.410.600.220.420.21CA7.487.407.477.517.41PH值7.447.487.447.497.50B(6.5≤PH≤8.5)C7.547.557.547.497.50-52- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文表6-3（续表）喷涂喷涂喷涂喷涂指标监测点喷涂前1小时后1天后3天后7天后A0.630.660.650.620.55余氯B0.470.580.690.70.49(≥0.05mg/L)C0.600.650.610.530.45A1.023.531.650.660.59TOCB1.095.303.721.040.52C0.941.951.210.560.51A1.892.2492.3662.1491.595MnB4.097.9322.4932.2551.764(≤100ug/L)C2.86928.235.5344.3661.784A0.2922.7120.3350.2520.259PbB0.141.6411.5270.620.05(≤10ug/L)C0.9392.7430.5240.4680.315在集中供水系统中，浊度是一个综合性运行指标。由表6-3中浊度数据可以看出，A、B和C三点浊度值喷涂1小时后都有所上升，分别增加了35%、76%和48%，然后浊度值逐渐降低并趋于稳定。喷涂1小时后要比喷涂前和喷涂后的浊度值高，初步分析为喷涂结束后管道有某些物质析出，从而引起浊度值升高；另外还可以看出喷涂改造后浊度整体水平比喷涂前低，如7天后浊度值比喷涂前分别降低了23%、42%和48%。由此表明环氧树脂喷涂修复可以降低供水浊度，进而提高供水水质。由表6-3中PH值数据可以明显看出，喷涂改造前后PH值基本没有变化，都维持在7.5左右，符合国家饮用水标准（6.5≤PH≤8.5），因此內涂树脂技术对供水PH值基本无影响。为了保证供水管网的供水水质，抑制细菌的再生，常在管网中保持一定的余氯浓度。由表6-3中余氯数据可以看出，在喷涂1小时后，余氯值相比喷涂前有所增加，A、B和C三点分别增加了5%、23%和8%，1天后分别增加了3%、45%和2%，初步分析是由于喷涂改造后管道内不存在锈蚀和结垢部分，减少了因管壁腐蚀而导致的余氯消耗，从而余氯值有所升高。在接下来的时间内，余氯浓度有所降低，初步分析是由于余氯与环氧树脂涂层表面发生反应造成的。整体看来，喷涂前后余氯浓度都维持在0.45~0.65mg/L之间，喷涂修复对供水管网余氯影响程度较小。-53- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文有机污染物是水中微生物生长繁殖的必要因素，因此在一定程度上可以用有机污染物反映供水管网水质生物稳定程度。由表6-3中TOC数据可以明显看出，喷涂1小时后A、B和C三点TOC含量有较大提高，分别提高了250%、430%和110%，随着时间的推移其含量逐渐降低，3天后已经稳定在0.70mg/L附近。其中B点在管网恢复供水1小时后TOC达到5.3mg/L，略微高于饮用水标准中的5.0mg/L，因此在小区喷涂改造后应建议先通过放水等措施冲洗管线。喷涂1小时后TOC值较高，说明在喷涂后恢复供水时段，管网中有较多的有机物。喷涂工艺采用的内衬材料是环氧树脂，是一种有机高分子化合物。在恢复供水阶段，喷涂层表层疏松附着物进入水中，从而提高了水中的TOC含量，但其浓度逐渐降低并趋于稳定。恢复供水7天后A、B和C三点TOC含量分别较喷涂前降低了42%、49和46%，由此可见喷涂改造对降低供水管网内有机污染物有明显的作用。供水管网采用的球磨铸铁管中含有锰和铅，锰离子在水中溶解氧和余氯的作用下，易被氧化为二氧化锰褐色沉淀物，附着于管到内壁形成“生长环”，从而对供水水质产生影响；而铅元素如果在体内积累，则会对内分泌和神经系统产生较大的影响。由表6-3中Mn和Pb的数据可以明显看出在喷涂1小时后，Mn浓度有明显提高，A、B和C三点分别提高了16%、98%和900%，之后浓度逐渐降低，7天后稳定在1.60ug/L附近；而Pb在喷涂1小时后，其浓度也突然大量提高，三点分别增加了830%、1070%和190%，之后浓度逐渐降低，7天后稳定在0.27ug/L附近。初步分析是由于除锈时破坏了管垢的保护层，在清洗时不彻底，有微量保护层被破坏的管垢附着在喷涂层上，导致恢复供水后Mn和Pb含量先升高而后下降并趋于稳定。喷涂7天后供水管网中A、B和C三点Mn含量较喷涂前分别降低了16%、58%和39%，Pb含量较喷涂前分别降低了14%、64%和67%，说明喷涂改造对降低供水管网内Mn和Pb含量有明显的作用。6.3喷涂管材浸泡水样的水质安全评价6.3.1原料的毒理性试验环氧树脂应用中不可回避的问题之一是固化剂毒性。因此，对其的研究也显得尤为重要。以固化剂毒物学数据的测试为重点研究对象，目标为半致死量LD50指标。另外，还有亚急性试验(需90天始得结果)和慢性毒性实验(需2a始得结果)的数据。6.3.1.1固化剂的毒性作用[43]固化剂的物理、化学性质，对毒性的影响很大。比如固化剂是液态还是固态，其毒性作用并不一样，固态易附在皮肤上，而液态则有蒸气压的存在。一般而言，固化剂的化学活性大，则其生物质活性也强，易引起毒害，似乎成为规律。-54- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文固化剂的毒性表现在以下几个方面。（1）急性毒性。一般采用LD50表示。胺类固化剂毒性是比较强的。大多数有机多胺对老鼠呼吸道刺激致死的LD50值约为蒸气浓度1000～12000ug/g，暴露时间4～6h。伯胺、仲胺的刺激性比叔胺强，而芳香胺毒性比脂肪胺大。如间苯二胺的毒性比二乙烯三胺毒性强十倍。吡啶、哌嗪能引起肝脏和肾脏的损伤，具有较大的全身毒性。酸酐类固化剂易引起皮炎，而经口毒性比较小。（2）对皮肤、黏膜的刺激作用。固化剂的毒害，更为重要的是体现在对皮肤和黏膜的刺激性上。因为胺是有机碱，能溶于水和脂肪，所以也能在皮肤的脂肪中溶解、浸透，引起皮炎。长时间的刺激，易导致泛发性强皮炎症，出现点状红斑，形成水泡，开裂甚至形成片状剥落，以致于组织坏死。由于胺类具有较大的挥发性，其蒸气刺激眼睛可引起结膜炎、流泪和角膜水肿。在高浓度范围或较高浓度下长期接触，也会对呼吸道有明显的刺激作用，会引起气管炎、支气管炎。酸酐类对皮肤的刺激性较弱，但它的粉尘对眼和鼻、喉等呼吸道的黏膜的刺激相当强，可引起支气管炎。（3）固化剂的过敏作用。所谓过敏，即某化合物一旦对人体的皮肤作用后，形成过敏体，在下一次或以后的多次反复接触中，并不因为接触程度如何，皮炎也会发生。出现这种情况后，应中断接触该种过敏化合物的工作。过敏作用的发生比较复杂，正在继续研丸如Ciba公司采用布丁试验，对动物进行研究。美国塑[44]料工业协会(SPI)推出了自己的标准。（4）固化剂的其他毒害作用。除了芳胺、杂环胺类固化剂对内脏的损害外，联苯芳香胺具有致癌性，目前已经禁止生产、使用。间苯二胺、二氨基二苯基砜[45]已为众多毒物学工作者证实没有致癌性，对以前的看法予以否定。6.3.1.2使用固化剂的安全操作（1）用毒性低的固化剂取代毒性大的。（2）有意识地划分开操作区域与非操作区域，并尽可能自动化、密闭化。（3）加强劳动保护，尽量避免固化剂与皮肤接触，可采用防护手套、服装等方法。（4）注意保持卫生。（5）注意保持外露皮肤清洁。。6.3.1.3其他相关化合物的毒性（1）环氧树脂(主要讨论双酚A型)的原料环氧氯丙烷：由于环氧基、氯取代基的存在，毒性颇大，在240ug/g的环境中4h即可使老鼠致死。Gage提出最大允许值MAC为5ug/g，另外对眼、鼻、咽刺激性也很大；双酚A：Borman提出LD50为2.4g／kg，所以认为工业有害性是很小的。-55- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文（2）双酚A型环氧树脂Epon815、820、828、1001、1007，以及间苯二酚缩水甘油醚类化合物，毒性都被证实是很低的，通常LD50值在10～30g／kg范围。Hine等人认为稀释剂单缩水甘油醚类化合物的毒性，主要表现在对皮肤的刺激上，经口毒性LD50值也是很低的。（3）环氧树脂固化物的毒性将固化的普通环氧树脂(在邻苯二甲酸二辛酯中，含量为50%～70%)混合于食物中(约占10%)，经口给老鼠吃26周时间，仅仅引起体重减少，未引起内部病状。而用未固化的Epon828树脂混合于食物中(占5%左右)，经26周喂食，老鼠死亡数增加。因此，可以认为固化完全的环氧树脂(双酚A型)是无毒的。6.3.2内涂树脂的性能表征与评价通过机械稳定性的测试来观察环氧树脂乳液是否分层。利用红外光谱分析使环氧树脂的结构改性。示差扫描量热（DSC）分析，称取样品4mg~10mg，装入坩埚并且密封好，再放入Perkin-ElmerDSC-2C型的示差扫描量热仪中进行测试。氮气流量为80ml/min，以10°C/min的速率升温，测试范围为0°C~120°C。透射电镜分析，用去离子水稀释环氧树脂乳液，之后用数控超声波清洗器使环氧树脂乳液中的乳胶粒子充分分散，再对其染色，最后观察粒子形态及大小。粒径的大小及分布，用去离子水将环氧树脂乳液稀释数倍，之后用英国制造的Nano-ZS90型Zeta电位仪测试环氧树脂乳液粒径的大小及分布。热失重分析（TGA），分别取8mg左右的环氧树脂E-44环氧树脂成膜物放入TGA-50型热失重仪中测试。气氛为液氮，气流量为20ml/min，测试范围为0°C~800°C，升温速率为10°C/min。由于国内涂料大多含有甲苯、二甲苯、正丁醇等溶剂，被成功用于生活饮用水领域的涂料不多见。国外涂料只找到美国SA1590涂料样品，主要性能对比见表6-4。表6-4涂料样品主要性能对比表涂料名称T-541S涂料SA1590涂料涂膜外观光亮白色光亮深蓝色涂料初步固化（涂膜不粘手）1.96时间，30℃，h涂料名称T-541S涂料SA1590涂料附着力（拉开法），MPa35.7未测涂膜柔韧性，mm11涂膜抗冲击,cm5050-56- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文表6-4（续表）涂料名称T-541S涂料SA1590涂料耐水性,60℃，2h光亮无微孔光亮有大量气孔符合GB/T17219《生符合GB/T17219《生活饮卫生性能活饮用水设备及防护材料用水设备及防护材料的安全性的安全性评价标准》评价标准》6.3.3管道喷涂前后用户水质跟踪监测2010年3月开始，对北京市马连洼地区（第九水厂三期供水）两个用户（梅园、菊园）两个取样点的三种出水水质进行了连续监测，本监测周期包括三个阶段，如下所示：第一阶段：2010年3月18日~2010年4月29日（梅园小区），2010年3月18日~2010年5月6日（菊园小区）。怀柔地下水作为第九水厂三期水源，供应马连洼地区。此阶段用户出水水质作为研究本底值。第二阶段：2010年4月30日-2010年6月5日（梅园小区），2010年5月7日~2010年6月5日（菊园小区）。怀柔地下水作为第九水厂三期水源，应用管道喷涂技术对梅园和菊园小区干管进行改造。第三阶段：2010年6月6日~2010年6月17日（梅园小区和菊园小区）。开始调用河北水库水作为第九水厂三期水源。管道内涂树脂技术对浊度、总铁降低效果见表6-5所示：表6-5管道内涂树脂技术对浊度、总铁降低效果取样点监测指标喷涂前喷涂后总铁(mg/L)0.040.01厨房浊度(NTU)0.270.24梅园总铁(mg/L)0.050.03卫生间浊度(NTU)0.340.38总铁(mg/L)0.160.06厨房浊度(NTU)1.010.66菊园总铁(mg/L)0.130.06卫生间浊度(NTU)0.770.63-57- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文菊园小区的小区干管存在问题，铁释放量大，造成正常水样的水质明显变差。经过对小区干管管道喷涂后，情况显著改善，表明管道喷涂对铁释放、浊度控制有一定效果。6.4本章小结（1）旧管道内涂树脂技术是近年研制开发的新技术，主要用以解决供水管道老化、锈蚀、垢化严重，该技术可对埋于地下、墙内管道内壁锈垢予以清除并内涂树脂，且不会破坏墙面、路面、建筑装潢。它采用空气动力学原理，以物理方法对管道内锈垢予以清除，优点明显：解决了传统方法不能在管道内壁涂膜的难题，避免了对管道的腐蚀破坏及环境污染；克服了除垢不彻底的缺陷；解决了不能对小口径管道作业的问题，是对传统清洗管道方法的重大革新。（2）进行了喷涂管材的浸泡水样的水质安全评价，考察喷涂材料对水质的影响情况。（3）生物毒性测试结果表明，此实验中，1#（加氯2.0ppm/25℃）和2#（加氯0.8ppm/5℃）的不加S9的实验数据呈阳性，表明其可能存在着遗传毒性效应。但由于生物试验本身的不确定性，要确定样品的遗传毒性效应大小还需要重复性的测试和进一步的化学分析；（4）GC/MS分析结果表明，经C18柱富积浓缩后进行全扫描分析发现基本没有出峰。（5）根据2010年调水后对喷涂前后的小区的水质监测可知，管道喷涂技术对给水管网水质稳定性具有一定的控制效果。-58- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文结论（1）本文研究了北京市在南水北调更换原水供水条件下管网“黄水”的产生机制：黄水呈现区域性特征。水对铁质金属的腐蚀速率与LR值呈正相关关系。管垢结构成分的差异可能与其形成过程中所接触的水质不同有关。。水对铁质金属的腐蚀速率与LR值呈正相关关系。管垢结构成分的差异或是因其接触的水质不同造成的。从SEM-EDX谱图中可以清楚得看到瘤状垢典型的分层结构，中空瘤状垢和具有不同形态的铁氧化物。样品能谱分析结果结合该样品的XRD定量分析结果，铁氧化物常见微观形态可以比较准确地判断出是何铁氧化物。北京管网系统中地表水硫酸根浓度比地下水的高很多，并且通地表水管垢腐蚀程度高，垢层非常厚，腐蚀垢层内部的厌氧状态也非常适合硫酸盐还原菌的生存。所以通地表水管段管垢样品中硫元素的含量最高，且以S0形态为主；多在通地下水管段管垢样品中检测出以硫化物形态存在的硫元素。（2）具有不同通水历史管垢样品化学成分组成，微观结构和元素组成特征的统计结果表明：除了在地下水管段中发现的中空瘤状垢，其它通地下水管段上管垢样品的M/G比例小于1，然而通地表水管段管垢样品的M/G比例大多数大于1。M/G比例可能是腐蚀程度和管垢生长成熟程度的标志。通地下水管段管垢腐蚀程度轻，含有较高含量不稳定铁氧化物，地下水管段管垢缺少具有坚硬致密外壳层的保护。在持续通水的状况下，出现明显“黄水”的管路系统，其黄水也慢慢减弱，并最终保持稳定。这验证了管网自身对水源切换有自适应性。水在管网系统中停滞一两周后，溶解氧降低至1到2mg/L之间，此时，水中的铁含量、PH和浊度均有明显上升，通过Kuch机理可以解释这一现象。（3）本文构建了管网模拟系统以及AR反应器，利用北京市第九水厂出厂水作为试验原水，进行管网腐蚀的模拟试验，同时结合北京市实际给水管网腐蚀现状，对北京市管网腐蚀进行了研究。研究了丹江口水源水质对北京市不同区域管网腐蚀产物的释放情况。管网系统铁的释放量总体趋势是逐渐降低的，通过水库水水质指标与北京水源水质指标的对比发现，这与进水水质的高PH值和低碱度、低硫酸根、低氯离子、高溶解氧有关。但是试验的第二阶段和第三阶段分别通过增加水质硫酸根和氯离子浓度的方案，管网并没有出现“黄水”现象。这证明了管网一旦趋于稳定其耐拉森指数变化的能力大大提高。通过管垢变化和水质变化对比后发现，Siderite(FeCO)模型(将腐蚀瘤内反应分为三级)可以部分解释管网内腐蚀产物的形成过程及管网进水水质变化时管网水质变化规律。（4）在丹江口建立试验管网试验基地，研究了丹江口水源水质对北京市不同区域管网腐蚀产物的释放情况。研究结果表明，温度升高，管网的腐蚀速率也随-59- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文之升高，且均在夏季达到最大值。而且，管网中的铁的析出受到PH的影响较大，在过酸或过碱的情况下，管网中的铁的浓度上升得很快。同时其析出的速率也同样受到管网中的运行管理方式的影响，间歇式通水所造成的汽水两相界面交替的情况会进一步加快管网中的腐蚀速率。对管网腐蚀速率的控制从而控制管网中的“黄水”的控制是可行的，通过调节管网中的PH或投加磷酸盐是控制“黄水”的有效手段，提高PH的浓度和输水中磷酸盐的浓度能够很好的控制管网腐蚀层的细菌增长，从而控制“黄水”的生成。（5）在72小时内，PH=6，总铁浓度上升速度最快（为2.6mg/L）；PH=9，总铁浓度上升最慢（为0.95mg/L）。在间歇运行系统中，腐蚀更快。调节PH或投加磷酸盐对管网腐蚀进行控制的措施是可行的。PH在8.5～10时，PH越高，控制效果越好，且控制在9.5～10之间最好；磷酸盐浓度在0～1mg/L时，浓度越高，控制效果越好，且控制在0.4ppm最为适宜。（6）本文研究了管道內涂树脂技术在“水黄”控制中的应用，并对內涂树脂管材浸泡水样进行安全性评价，结论如下：○1旧管道内涂树脂技术是近年研制的新技术，是针对城市管道老化、锈蚀、垢化严重在不破坏墙面、路面、建筑装潢便可清除埋于地下、墙内管道内壁锈垢并同时內涂树脂的新工艺。○2进行生物毒性测试结果表明，1#（加氯2.0ppm/25℃）和2#（加氯0.8ppm/5℃）的不加S9的实验数据呈阳性，表明其可能存在着遗传毒性效应。但由于生物试验本身的不确定性，要确定样品的遗传毒性效应大小还需要重复性的测试和进一步的化学分析。○3根据2010年调水后对喷涂前后的小区的水质监测可知，管道喷涂技术对给水管网铁不稳定性具有一定的控制效果。○4GC/MS分析结果表明，经C18柱富积浓缩后进行全扫描分析发现基本没有出峰。○5根据2010年调水后对喷涂前后的小区的水质监测可知，管道喷涂技术对给水管网水质稳定性具有一定的控制效果。-60- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文参考文献[1]汪光焘，肖绍雍，宋仁元，沈大年等．城市供水行业2000年技术进步发展规划[M]．中国建筑工业出版社，1993．[2]刘志琪，肖绍雍，宋仁元，沈大年等．城市供水行业2010年技术进步发展规划及2020年远景规划[M]．中国建筑工业出版社，2005．[3]ZbigniewLewandowski，WayneDickinsonandWhoncheeLee．Electrochemicalnteractionofbiofilmswithmetalsurfaces[J]．Wat.Sci.Tech．36（1）：295-302．[4]张向谊.典型水厂配水系统中的微生物特性研究：[D]．北京：清华大学，2005.[5]中华人民共和国建设部，GB5749-2005．生活饮用水卫生标准[M].北京：中国标准出版社，2005．[6]石桥多闻[日]．饮用水工程上事故与防治措施[M]．北京：建工出版社，1982．[7]T.ELarsonandR.MKing．Corrosionbywateratveryslowvelocity[J]．JournalofAWWA，46(2)：1-9．[8]许保玖．给水处理理论[M]．北京：中国建筑工业出版社，2000.10．[9]M.J.Pryor，M.CohenandF.Brown．Theinhibitionofironbysomeanodicinhibitors[J]．JournaloftheElectrochemicalSociety，100(5)：203-215．[10]Sontheimer,H.andKolle,W.etal.Thesideritemodeloftheformationofcorrosion-resistantscales[J].JournalofAWWA,1981,73(11)572-579[11]D.CGoldenandJ.BDixon．SilicateandPHosPHateinfluenceonkaolin-ironoxideinteraction[J]．SoilScienceSocietyofAmericanJournal，49：1568-1575．[12]PankajSarin，Ironreleasefromcorrosionscalesinoldiron/steeldrinkingwaterdistributionpipes[J]．B.Tech..BanarasHinduUniversity．1995[13]IFrateur，CDeslouis，L.Kiene，Ylevietc．Freechlorineconsumptioninducedbyironcorrosionindrinkingwaterdistributionsystems[J]．WaterReseach33(8)：1781-1790[14]吴荫顺．腐蚀实验方法与防腐蚀检测技术[M]．北京：化学工业出版社，1996[15]L.NPlummerandEBusenberg．Thesolubilitiesofcalcite、aragoniteandvateriteinCO2solutionbetween0and90℃,andanevaluationoftheaqueousmodelforthesystemCaCO3-CO2-H2O[J]．GeochimicaetCosmochimicaActa46：1011-1040-61- 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哈尔滨工业大学工程硕士学位论文攻读学位期间发表的学术论文无-64- 哈尔憤Ｔ业大学Ｔ程硕＋学位论丈哈尔滨工业大学学位论文原创性声明和使用权限学位论文原创性声明本人郑重声明：此处所提交的学位论文《南水北调原水水源对北京供水管网水质的影响及控制技术，，在哈尔滨工业大学攻读学位期间））是本人在导师指导下独立进行研究工作所取得的成果，且学位论文中除已标注引用文献的部分外不包含他人完成或已发表的研究成果。对本学位论文的研究工作做出重要贡献的个人｜。和集体，巧已在文中１；明确方式注明作者签名；日期：２０１５年１０月１５日学位论文使用权限学位论文是研究生在哈尔滨王业大学攻读学位期间完成的成果，知识产权归属哈尔演工业大学。学位论文的使用权限如下：（１）学校可臥采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生上交的学位论文，并向國家图书馆报送学位论文（２）学校可将学位论文部分或全部内容编入有；关数据库进行检索和提供相应阅览服务；（３）研究生毕业后发表与此学位论文研一究成果相关的学术论文和其他成果时，应征得导师同意，且第署名单位为哈尔滨工业大学。保密论文在保密期内遵守有关保密规定，解密后适用于此使用权限规定。本人知悉学位论文的使用权限，并将遵守有关规定。作者签名；日期；２０１５年１０月１５日导师签名：円期：２０１５年１０月１５円■－６５－ 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文致谢首先，感谢我的导师袁一星教授。袁老师为人朴实、和善，学识渊博，他对待科学态度严谨，开展研究精益求精，他的治学态度和良好作风深深地感染和激励了我。在整个研究生学习期间，他给与了我莫大的帮助，对我的学业要求严格、一丝不苟。其次，要感时文歆老师在开题阶段对课题设计的建议和指导。感谢赵志伟老师对我的帮助和指导。再次，感谢哈尔滨工业大学市政环境学院的各位领导、老师，让我学到了很多扎实的专业基础知识，能更好地与实际工作相结合。最后，谨向参加论文评审和论文答辩的专家教授们致谢！-66- 哈尔滨工业大学工程硕士学位论文个人简历1979年10月，出生于河北省衡水市。1998年9月至2002年7月，在哈尔滨工业大学学习并获得学士学位。2002年7月至2012年9月，于北京市自来水集团禹通市政工程有限公司参加工作。2012年9月至2015年10月，在哈尔滨工业大学市政环境工程学院学习。-67-'