水力运行参数对给水管网水质的影响
摘要：用自制BAR（BiologicalAnnularReactor）反应器来模拟给水管道，研究了管道流速、水力停留时间和温度对水质的影响。结果表明：平均流速越大或者水力停留时间越长，管网水中总有机碳TOC、氨氮NH3-N和余氯越少，浊度越大，生物膜的细菌数量越多，流速超过0.4m/s时管壁难以结膜，48h和72h的水的浊度明显超标，不适合饮用，水温在20-30℃时的水中细菌量大幅度增加。
关键词：水力运行参数；管网水质；BRA反应器
中图分类号：TK72文献标识码：A文章编号：
TheEffectofHydraulicOperationParametersonWaterQuality
CongLeWangGuoping
(ChinaNortheastArchitecturalDesign&ResearchInstituteCo.,LtdShenyang110004)
AbstractTosimulatewaterdistributionnetwork,weusehomemadeBAR（BiologicalAnnularReactor）reactortostudythevelocity,hydraulicstatingtimeandtemperatureontheeffectofwaterqualityinthepipe.Astheresultexplains：thebiggertheflowvelocityorthelongertheretentiontimeis,thelesstheTOC,NH3-Norchloraminesare,butwhenitisbiggerthan0.4meterspersecond,thebacterianumberissosmallthatitcannotgrowmembrane,whenitcomesto48hoursand72hours,itisnotsuitablefordrinking,20-30℃ispossibleforgermstogrow.
Keywordshydraulicoperationparameters,waterquality,BARreactor
随着生活水平的逐步提高，人们对饮用水水质的要求也越来越高，在大量研究水处理工艺的同时，管网水质研究也开始逐渐受到重视。目前对给水管网水质影响因素的研究大都着重在管材及供水设施方面，而给水管网水力运行参数对水质的影响在近年的管网水质研究中甚少，但又是对饮用水安全极其重要的，本文利用自制的反应器，即BiologicalAnnularReactor，简称BAR反应器，来模拟实际给水管道[1]，通过改变该反应器的电机转速、进出水流速和水浴温度，来模拟实际管道的流速、水力停留时间（简称HRT）和水温这三个水力参数，揭示给水管网对水质影响的规律。
1实验装置与方案
1.1实验水质
研究采用市政学院暖通楼自来水管末端水龙头出水作为实验用的原水，饮用水标准[2]与原水水质的基本指标状况如下：
表1水质指标列表
浊度TOCNH3-NPH余氯
标准指标≤1NTU1.0-4.0mg/L≤0.5mg/L6.5-8.5≥0.05mg/L
原水指标0.45NTU0.391mg/L0.568mg/L7.710.19mg/L
1.2实验装置、运行和取样方法
BAR反应器模拟城市给水管网示意如图1，实验台系统图2。
图1BAR反应器示意图图2实验台流程系统图
反应器主要由反应罐、转子、载片、电机和进出水口组成，反应器转子上挂有载片来提供生物膜附着生长的表面，反应罐外部缠绕有保温用的铜管用做水浴，保证反应器内流体处于一定的温度环境。反应罐直径210mm，高为180mm，转子内径110mm，高150mm，进出水口直径5mm，水浴进出水口直径8mm。转子在电机的驱动下旋转，随着转子的旋转，载片与水体的交界面间产生剪切力，可模拟管网中的水力条件，剪切力大小可通过调节电机转速控制。该反应罐内的水流采取非循环式用来模拟给水管网中流体的水力停留时间。实验开始前，整个反应器要用无水乙醇消毒灭菌。本实验台由两套反应器组成，如图2，实验时两套反应器在不同的工况下同时进行，每套反应器由两个回路组成，进水管11与排水管12组成一个非循环回路，模拟给水管网内水质，该循环由蠕动泵5来提供动力，调整蠕动泵流量可以模拟给水管网内水力停留时间，调整电机6的转速来模拟管壁切应力；管13、14组成另外一个回路在反应器外围循环，用做水浴，使管网内部流体保证一定的环境温度，该循环由潜水泵4来提供动力。
实验过程中检测水样的各项指标包括：浊度、总有机碳TOC、氨氮NH3-N、PH和余氯以及载片上生物膜的细菌总数。细菌总数的测定采用平板平涂法直接计数[3]，详细的培养方法请参照实验指导。实验台实物图如下：
图3实验台实物图
1.3反应器与实际管道的参数相关性
反应器转速与实际管道平均流速的关系，将反应器化简成两同轴圆筒环隙间的流动模型，外筒静止不动，内筒以的速度转动时，推导半径为处的切应力分布如下(≤≤)：
切向剪切力表达式为：
(1)
轴向剪切力的表达式：
(2)
实际反应器载片壁面处的剪切力是轴向与切向的合成，即：
(3)
已知管道的均匀流方程式为：
(4)
由这两个式子就可以得到反应器转速与实际管道的流速之间的关系，即：
(5)
调整反应器的蠕动泵流速可以改变反应器的进水流速度，由于本试验台是开式非循环用水系统，故定义全部更换反应罐内流体所需要的时间为水力停留时间。
反应罐的体积V：
若取水力停留时间为t（h），可得蠕动泵流速为v：
(6)
式（6）即为反应器进口流速与实际管道水力停留时间的关系式。忽略水浴铜管向反应罐内流体传热的热损失，反应器的水浴温度可以直接视为管道的环境温度。
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