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配水管網水質污染改進方法探討

文檔作者：劉娜文檔來源：天津市華水自來水建設有限公司		點擊數：	更新時間： 2025年03月04日
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2017.suppl
收稿日期：2017—05—01
作者簡介：劉娜（1985—），女，碩士，工程師，主要從事工程技術方案
編寫工作。
配水管網水質污染改進方法探討
劉娜
（天津市華水自來水建設有限公司,天津300132）
摘要：針對輸水管道對水質的二次污染原因，對供水水質的影響因素進行分析研究，找出影響供水水質的因素，提
出通過優化管網管材、利用碳砂濾池和超濾膜技術來改善飲用水水質的方法。
關鍵詞：配水管網；管網優化；碳砂濾池；超濾膜
中圖分類號：TU991.33 文獻標識碼：A 文章編號：1004-7328（2017）suppl-0059-03
1 管材選用
對于飲用水來說，選好配水管道管材是保證飲
用水水質的重要因素之一，管材主要有不銹鋼管、銅
管、鋁塑復合管（PAP）、硬聚氯乙烯管（PVC）、交聯
聚乙烯管（PEX）等。目前，供水干管大部分為金屬
管道，如球墨鑄鐵管，已有少部分更換為硬聚氯乙烯
管（PVC）、聚丙烯PP管、交聯PE管等。管材的選擇
對提高我國飲用水的水質，減少給水管道造成的二
次污染意義重大。
不銹鋼管材在國外的供水管網中應用較為廣
泛，其材質主要為Ocr18Ni9（sus304）、Ocr17Ni12Mo2
（sus316）。不銹鋼給水管強度高、抗腐蝕性能強、韌
性好、抗振動沖擊和抗震性能優、低溫不變脆、輸水
過程中不產生對人體有害的金屬析出物，可確保輸
水水質的純凈。材料本身經久耐用、可再生利用，特
別是壁厚僅為0.6～0.2 mm的不銹鋼管具有質量輕
的特點。實踐證明，不銹鋼管材是施工安裝簡單、節
能和環保型的管材之一。不銹鋼給水管施工有焊接
式、活接式、卡壓式等多種連接方法[1]。
2 供水管網優化
管網優化的思想是在滿足城市居民供水水質、
水量、水壓的前提下，達到最經濟合理的費用成本[2]。
傳統的管網設計方法是先將管網中各個管段的流量
進行分配，然后根據界限流量表選擇管徑，根據選擇
的管徑再進行水力計算，計算各個節點的水壓，最后
得到水泵的揚程。這種算法會使各管段流量分配很
難做到準確。
近年來，隨著科學技術的發展，大多數的研究學
者在管網優化模型計算中考慮了多種影響因素，目
前采用的方法有權重法和Pareto法。實際中，一般
以最大管網可靠度和管網總費用年折算最小值作為
目標，進行管網的優化設計工作[2]。
供水管網是極其復雜的系統，在管網的布置走
向、泵站和蓄水池的數量和類型、管材管徑的選擇、
費用成本等方面，各個地區差異很大，所以很難確定
一種特定的優化軟件來對其進行計算。在一些地勢
不復雜、人口街區不密集的地區，可以用標準線性規
劃程序來解決管網的優化問題；在一些復雜、密集的
地區則需要使用另一些優化算法，如遺傳算法、模擬
退火算法、粒子群算法、混合蛙跳算法等；另有些地
區則需要幾種算法相結合，再根據具體情況，進行進
一步的修正[2]。
3 控制飲用水出廠水質技術
3.1 活性碳吸附工藝
飲用水處理對于活性碳的應用已有很長的歷
史。據記載，活性碳首次在水處理中的應用出現于
1925年的捷克斯洛伐克。20世紀50年代以后，水中
天然形成的或加氯后產生的異嗅和異味主要是用活
性碳去除。到1970年，法國的一些大型水廠引入粉
末活性碳（PAC）處理工藝，其對去除污水中大部分
有機物和某些無機物特別有效。因此，隨著活性碳
技術深入的研究，在20世紀60年代初，活性碳吸附
法技術處理生活中的飲用水和工業生產的廢水被歐
美一些國家開始大量使用，而日本在1963年已普遍
實現使用通過粉末活性碳（PAC）凈化后的飲用水。目
前，在給水處理應用中，水凈化深度處理和微污染水
處理的有效手段之一即為粉末活性碳（PAC）技術[3-4]。
DOI：10.3969/j.issn.1004-7328.2017.suppl.020
海 河 水 利 ·59·
萬方數據
2017年7月
粉末活性碳（PAC）最重要的功能是對去除嗅、味、
色、氯化有機物、農藥、天然及人工合成有機物等有
顯著的效果。
3.2 碳砂濾池
碳砂濾池主要是將普通的砂濾池改造為由石英
砂和活性碳雙層濾料這種新型濾料構成的濾池，這
種新型濾料的濾池通過利用石英砂的物理攔截作
用、活性碳對有機物的吸附作用以及其表面生物膜
的生物降解作用，提高凈水能力，去除水中的氨氮、
有機物和顆粒物，優化出廠水質，是一種深度水處理
技術，是一種快濾池。
碳砂濾池的特性描述如下：碳砂濾池基本可以
沿用凈水廠原有的快濾池結構進行改造，不用再增
加新的構筑物，對資金短缺和土地面積缺乏的水廠
是一種不錯的選擇。碳砂濾池的濾料層分為活性碳
層和石英砂層，前者高度一般為600 mm，作用是利
用巨大的比表面積和微孔對有機物進行吸附和攔
截；后者高度一般為300 mm[5]，作用是攔截顆粒物及
一些細菌。碳砂濾池中的活性碳顆粒表面粗糙，布
滿微孔，可以吸附水中的懸浮物和顆粒物，其上生物
膜的含量比普通快濾池中石英砂濾料的生物膜含量
高出3～8倍，同時水中的有機污染物同樣可以被活
性碳濾料所吸附。
碳砂濾池中的活性碳吸附與其它活性碳（如臭
氧）工藝及生物預處理工藝相比不一樣且成本要小
很多，區別是碳砂濾池的濾料層分為活性碳層和石
英砂層，是雙層濾料，該濾池要求較高的濾料級配，
防止發生反沖洗時石英砂和活性碳混合以及跑碳的
現象；再一個要求是較高的活性碳強度，且當水進入
濾池中渾濁度高、運作周期短時，需要多次進行反沖
洗。因此，要想保證碳砂濾池能夠穩定高效的運行
關鍵是要選好活性碳。選擇活性碳的關鍵是不僅要
考慮其常規特性如吸附性能和過濾性能，還要考慮
其過濾性、反沖洗性及磨損性。水中的污染物通過
碳砂濾池中濾料的吸附作用、截留作用、氧化作用達
到去除的效果。
3.3 膜處理技術
我國飲用水常規處理工藝中存在著一些不足之
處，只能將水中20%~30%的有機污染物進行去除。
而投加的消毒劑產生的消毒副產物對出水水質和人
體健康帶來了嚴重的威脅，雖然現有的消毒手段能
殺死水中微生物，但并沒有將飲用水中死亡的生物
體和蟲體完全去除。膜處理技術對這些微生物的去
除最有效，其中包括低壓膜處理（超濾）技術。超濾
技術是污染物質通過膜表面的微孔進行選擇性分
離，其中大分子被截留、小分子穿過膜。
4 碳砂濾池-超濾膜聯用在水處理中的效果
碳砂濾池和超濾膜技術在飲用水處理過程中的
處理效果遠遠高出國家飲用水衛生標準。由于活性
碳對去除有機物的能力比較強，而超濾膜對有機物
的去除能力較差，碳砂濾池的使用能彌補超濾膜在
有機物去除方面的缺陷，將碳砂濾池和超濾膜這二
者聯合用于飲用水處理中會大大提高飲用水的出廠
水質。
有關學者研究顯示，碳砂濾池組合超濾膜凈水
系統出水濁度和COD都遠遠低于國家飲用水衛生
標準，其實驗結果見表1。
下邊，對碳砂濾池-超濾膜聯用的經濟效果進
行評價。
4.1 碳砂濾池運行成本
碳砂濾池與普通砂濾池的運行方式大致相同，
其建筑結構也基本相同，成本相對于普通砂濾池來
說不會有太大變化。經過碳砂濾池處理的飲用水，
其出水中有害物質濃度比普通砂濾池要低。因此，
后續處理工藝的消毒劑用量在一定程度上會有所降
低，節約了一部分處理成本。
碳砂濾池的活性碳厚度為600 mm，石英砂厚度
為300 mm，活性碳裝填密度為0.42 t/m3、成本為
9 000 元/t，石英砂的裝填密度為1.75 t/m3、成本為
900元/t[6]。假設濾池的過濾面積為35 m2，則碳砂濾
池濾料的總成本為活性碳濾料成本和石英砂濾料成
本之和，即0.6×0.42×9 000×35＋0.3×1.75×900×
35=79 380＋16 537.5＝95 917.5（元）。
按照相同計算方法，在普通砂濾池濾料厚度和
碳砂濾池濾料厚度相同的情況下，普通砂濾池濾料
的成本為0.9×1.75×900×35=49 612.5（元）。
假設濾池濾料的使用周期均為3 a、濾池產水能
力為5 500 t/d，則碳砂濾池在運行上相對于普通砂
濾池增加的成本為（95 917.5-49 612.5）/5 500×365×
3=0.007 7（元/t）。
由以上計算結果可以得出，碳砂濾池在水處理
工藝中在經濟上是可行的。
表1 濁度及COD實驗結果
指標
原水
碳砂濾池
超濾膜
超濾膜組合碳砂濾池
碳砂濾池組合超濾膜
濁度/NTU
1.34
0.18
0.14
0.12
0.08
COD/（mg.L-1）
2.99
1.56
1.85
1.26
1.10
·60· 劉 娜：配水管網水質污染改進方法探討
萬方數據
2017.suppl
4.2 超濾膜運行成本
超濾膜的運行成本基于天津市楊柳青凈水廠超
濾膜裝置進行計算。該工程是天津市科技創新專項
資金項目“膜法飲用水處理技術研究及示范工程”的
重點工作內容，是天津市的示范項目。工程采用內
壓式超濾膜系統，總投資約590萬元，產水能力為
5 000 m3/d，占地面積約400 m2。一般地，超濾膜運行成
本主要包括動力費、人工費、清洗藥劑費、膜更換費等[7]。
4.2.1 動力費
動力費計算包括以下幾個步驟。
單位產水量的動力費計算公式為：
R=E×D （1）
式中：E 為單位產水量的用電量（kW·h/m3）；D 為電
費單價（元/ kW·h）。
單位產水量的用電量計算公式為：
E=E 總/V 凈（2）
式中：E 總為總用電量（kW·h）；V 凈為凈產水量（m3)。
總用電量計算公式為：
E 總=E 進+E 沖（3）
式中：E 進為進水泵用電量（kW·h）；E 沖為沖洗泵用電
量（kW·h）。
進水泵用電量計算公式為：
E 進=P1×T1 （4）
式中：P1為進水泵功率（kW）；T1為進水所需時間（h）。
沖洗泵用電量計算公式為：
E 沖=P2×T2 （5）
式中：P2為沖洗泵功率（kW）；T2為沖洗所需時間（h）。
凈產水量計算公式為：
V 凈=V 總-V 沖（6）
式中：V 總為總產水量（m3）；V 沖為沖洗水量（m3）。
離心泵功率的計算公式為：
P=ρgHQ/1 000η （7）
式中：ρ為水的比重（kg/m3）；g 為常數，取9.8；H 為水
泵揚程（m）；Q為流量（m3/h）；η為水泵效率。
超濾膜裝置的進水水泵揚程約0.08 MPa，反沖
洗水泵進水量為35 m3/h、揚程為0.25 MPa，水泵效
率按75%計算，天津工業用電電費約0.8元/ kW·h。
經計算，其單位產水量動力費結果見表2。
運行時間
/min
60
原水量
/m3
200
反沖洗水量
/m3
7.0
凈產水量
/m3
193
進水泵用電量
/ kW·h
20.9
反沖洗泵用電量
/ kW·h
2.3
總用電量
/ kW·h
23.2
單位產水量用電量
/ kW·h
0.116
單位產水量動力費
/元
0.092 8
表2 單位產水量動力費計算結果
4.2.2 更換費、清洗藥劑費、人工費
由于超濾膜的市場份額逐年擴大，所以超濾膜
價格呈現了逐年下降的趨勢，超濾膜的更換費按
0.045元/t計算。
楊柳青凈水廠的超濾膜采用EFM 化學清洗
法，使用NaClO作為清洗藥劑，清洗周期為7 d，藥
劑使用濃度為200 ppm，經計算得出藥劑費約為
0.001元/t。
楊柳青凈水廠的超濾膜裝置基本實現自動化
控制，由于易于操作，節省了用人成本，按每人每月
1 000元計算，人工費為0.006 7元/t。
經合計，超濾膜更換費、清洗藥劑費、人工費之
和為0.052 7元/t，加上單位產水量動力費用0.092 8
元/t，則超濾膜裝置運行的總費用為0.145 5元/t。
4.3 碳砂濾池-超濾膜聯用的整體制水成本
天津市楊柳青凈水廠超濾膜裝置的總投資約為
590萬元，產水能力為5 000 m3/d，按照超濾膜的使用
壽命10 a來計算，該凈水廠的基建投資在合理使用
年限內生產成本約為0.323 3元/t，則超濾膜裝置的
整體制水成本約為0.47元/t。經合計，碳砂濾池-超
濾膜聯用的整體制水成本為0.486元/t。
隨著社會科技的發展和超濾膜技術應用不斷的
完善，超濾膜價格也會有一定程度的降低，其裝置操
作的自動化程度也在不斷地提高，因此超濾膜在水
處理工程中的成本還會大大地降低。
參考文獻
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