供水管网中余氯衰减机理及模型研究-张迷迷 3页

'ShandongIndustrialTechnology第10期山东工业技术2013年供水管网中余氯衰减机理及模型研究张迷迷（神华宁夏煤业集团红柳煤矿，宁夏灵武751400）【摘要】国内外相关学者对余氯衰减机理及衰减模型进行了大量的研究，发现余氯消耗主要发生在主体水以及管壁表面。余氯在主体水中主要和水中的有机、无机物反应：水中的无机物主要与余氯发生化学和电化学反应，水中有机物与余氯发生的反应比较复杂，主要和水中NOM的组分有关。管壁表面余氯主要与存在的细菌膜和腐蚀瘤进行反应，其反应机理比较复杂，其影响因素较多。此外，余氯在主体水中的主要衰减模型有经验模型、一级动力学衰减模型、二级组合动力学衰减模型、n级模型(19时，OCl-接近100%。生产实践表明[4]：pH值越低，相同主要物质，但在一些水源中亲水性组分对DBPs的生成也不容忽视。条件下，消毒效果越好，虽然低pH值有利于提高氯的杀生效果，但却加BunyaritPanyapinyopol[9]的实验数据得出，HPIB在DBPs的生成过程等快了冷却水系统金属的腐蚀速度。为此，选择用氯作杀生剂时pH值控中起重要作用；MarhabaTF[10]和JinfengLu[11]等的研究表明HPIA对制在6.5～7.5为宜。THMs[12]对Suwannee河流进行研究，虽然的贡献最大；CroueJP等此外，当地表水源中含有一定的氨氮(NH3-N)时，HOCI会与其反HPIA的DOC含量较小（0.23mg/L），但是HAAs的生成潜能最大。Huang应生成各种氯胺。Jafvert等详细研究了氯与氨在水溶液中的一系列反等[13]的研究表明，在疏水性组分所占比例较小的水源中，亲水性有机物作者简介：张迷迷（1985—），学士，助理工程师，主要从事煤矿基础建设安装工程设计、造价、验收和结算工作。24山东工业技术ShandongIndustrialTechnology ShandongIndustrialTechnology2013年山东工业技术第10期对余氯消耗起着很重要的作用。因而对于不同的水源，要采用不同处理表1主体水中主要余氯衰减模型汇总技术有针对性地去除不同类别的NOM组分，从而更好地控制余氯衰减及DBPs的生成。1.2.2余氯在水中与无机物反应在旧金属管道中，管壁的腐蚀可能在余氯的消耗上起了很大的作用。氯在水中发生“歧化”反应，当pH值小于7.5时，次氯酸（HOCl）是占优势的物种。因为普通自来水的pH值在6.5至7.5之间，所以在阴极发生还原反应的是次氯酸（HOCl）。对于余氯所导致的腐蚀，其反应方程式为：6HClO+5Fe=3FeCl2+2Fe（OH）30E=1.14（V）（6）25其中FeCl2是一种腐蚀生成物，它能够发生水解反应，其反应方程式为：FeCl+2HO=Fe+-（7）22（OH）2↓2H+2Cl所生成的氢离子和氯离子刺激了铁的溶解，腐蚀过程随时间而加速进行，整个腐蚀过程具有一种“自催化”的性质。在腐蚀过程中，余氯由于余氯衰减模型的参数都随着初始氯浓度或二次加氯量变化，的浓度随温度和电动势的变化而变化，电动势值与管材、管道的年代导致模型的预测结果不稳定，因此，有研究者采用经验法来建立氯衰及管壁表面的粗糙系数有关。对于某一确定的管道，电动势值是一个减模型：Dugan等[16]提出一种饱和度模型，在改模型中，氯的筛检速率定值。因此余氯在腐蚀过程中的消耗量可以用式（8）表示：取决于总有机碳（TOC）和初始氯浓度之比；Koechling等[17]认为氯的衰k/T［HClO］1cW==10（k=8398.73△E）（8）[18]rrc减与水中紫外线吸收（UVA）和溶解性有机碳（DOC）有关Hallam等hh建立了一个经验关系式，包括二次加氯次数、TOC、初始氯浓度、温度此外，次氯酸还能与锰、硫化物和氮等发生氧化还原反应，其化学这4个参数与主体水氯衰减系数k；钟丹[19]等提出一种实用可靠的氯反应方程式如下[14]：Mn2++HOCl→Mn4++Cl-+OH-（9）衰减半经验数学模型，即速率系数可变模型，该模型以动力学速率方S2++HOCl→S+Cl-+OH-（10）程为主，在任意初始氯浓度和二次加氯条件下，均可使用同一组模型2-参数计算余氯浓度。S+3HOCl→SO+3Cl-+3OH-（11）42.2管壁中余氯衰减模型NH3+HOCl圮NH2Cl+H2O（12）给水管网管壁表面存在细菌膜（bioflim）和腐蚀瘤（tubercles），它们NH2Cl+HOCl圮NHCl2+H2O（13）能有效地消耗余氯。在给水管网中，这种消耗有可能在整个余氯消耗NHCl2+HOCl圮NCl3+H2O（14）中占有较大的比例。管壁水余氯衰减模型发展于1978年Jonhson提出由式（9）可知，在余氯的作用下，当出厂水含锰较高时，二价锰离的主体水一级反应动力学模型，包括零级模型和一级衰减模型[20]。子在管网中慢慢被氧化，生成黑色的二氧化锰，析出的二氧化锰微粒吸附在管壁上形成粒膜状泥渣。式(10)、(11)表明，硫化物向硫酸盐的3结论与展望转化有两步，首先硫化物与次氯酸反应氧化成单质硫，然后单质硫再余氯衰减主要发生在主体水以及管壁表面：主体水中余氯主要和氧化成硫酸根。氯与氮的反应式见式(12)~(14)，水体中的氮主要来自水中的有机、无机物反应，余氯与水中无机物主要化学和电化学反应，腐殖质、工厂排污等因素的污染，氨氮、亚硝酸盐氮和硝酸盐氮间存在与有机物的反应比较复杂，主要和水中NOM的组分有关；管壁表面余着氮的循环。当水体中的余氯消失后，氨氮被氧化成亚硝酸盐氮。氯主要与存在的细菌膜和腐蚀瘤进行反应，其反应机理比较复杂，其1.2.3管壁表面与细菌膜反应及质量传递过程引起的余氯消耗影响因素较多。因此，对于余氯衰减机理以及影响因素研究应该作为管道的腐蚀为微生物形成了一个保护环境，而不受游离氯的影以后研究的重要方向。响。一旦管道内长了这些锈蚀，在低流速区、闭塞处和死水端，生物膜余氯在主体水中的衰减模型种类较多，而余氯在管壁表面的衰减就会生长，锈垢作为吸附点可以防止水流的冲击，由于锈垢密集的外模型一般为零级模型和一级衰减模型。对于主体水的余氯衰减模型，表面阻碍了氧向金属表面的扩散，一旦锈垢的内核缺氧，大肠杆菌和大部分为经验公式或者由多次实验结果拟合而成，因此由于使用不同硫细菌等缺氧、厌氧型微生物就可以寄居于此。而且锈垢中铁的氧化的水质进行实验，其衰减模型也各不相同，因此对于主体水中余氯衰物很容易从水中吸附天然有机物（NOM），并在锈垢表面积累，异养微减模型，应该结合余氯衰减机理进行更深层次的研究。生物就可以利用天然有机物进行细胞生成。氯在管壁上与细菌膜反应所消耗余氯的化学反应，可用下式表【参考文献】示[15]：［1］王振栋,供水管网水质影响分析与对策[J].水利科技,2006(3):40-42.HOCl+Enzyme=[Enzyme…HOCl]→产物（17）［2］严煦世,范瑾初,给水工程.4版[M].中国建筑工业出版社,1999.余氯的消耗速率可以表示为：［3］马小杰,杨健,吴敏,等.市政水处理消毒技术现状与进展[J].北方环境,2004,29d［HOCl］(5):65-67.=-k·［HOCl］·（Enzyme）（18）dt［4］冯逸仙,杨世纯.反渗透水处理[J].中国电力出版,1997,46.由于管网中能扩散到管壁上余氯浓度很小，所以可以合理的认为［5］JafvertCT,ValentineRL.Reactionschemeforthechlorinationofammoniacal[Enzyme]远大于[OCl]，即可把[Enzyme]作为常数。定义Kw为余氯在管water.EnvironmentalScineceTechnology[J].1992,26(3):577-586.壁上的衰减速率常数，Kw=K[Enzyme]，则式(18)是一个准一级反应。［6］MarhabaTF,VanD.Thevariationofmassanddisinfectionbyproductsformationpotentialofdissolvedorganicmatterfractionalongaconventionalsurfacewater2余氯衰减模型treatmentplant[J].JournalofHazardousMaterials,2000,74(3):133-147.［7］MarhabaTF,VanD.Thevariationofmassanddisinfectionbyproductsformation国内外的研究结果表明管网中余氯的衰减主要由两部分组成：一potentialofdissolvedorganicmatterfractionalongaconventionalsurfacewater部分是氯在主体水中与有机物以及一些还原性无机离子反应引起的treatmentplant[J].JournalofHazardousMaterials,2000,74(3):133-147.衰减，即主体水衰减，该部分的衰减系数计为kb；另一部分是由于氯与［8］JALeenheer.Comprehensiveapproachtopreparativeisolationandfractionation管壁上的生物膜、腐蚀产物或者管材本身反应引起的衰减，称为管壁ofdissolvedorganiccarbonfromnaturalwatersandwastewaters[J].Environmental衰减，该部分的衰减系数计为kw。管网中余氯总的衰减为kb+kw。ScienceandTechnology,1981,15(5):578-587.2.1主体水余氯衰减模型［9］BunyaritPanyapinyopol,TahaFMarhaba,VorapotKanokkantapong,etal.主体水余氯衰减模型主要包括经验模型、一级动力学衰减模型、CharacterizationofprecursorstotrihalomethanesformationinBangkoksource二级组合动力学衰减模型、n级模型(1