给水管网的供水水质是公众目前十分关注的问题,在出厂水质合格的情况下,偶有管网水会出现浊度、色度和细菌含量等指标超标的现象。管网中微生物的再生长会对人体健康造成潜在威胁,控制管网内微生物的再生长一般可通过保证一定的消毒剂余量来实现。由于液氯消毒会生成具有致癌作用的三卤甲烷、卤乙酸等消毒副产物,而氯胺具有持续消毒能力、消毒副产物少等特点,并且对给水管壁生物膜的控制能力比氯好,近年来逐渐得到应用。随着氯胺消毒的大量应用,研究发现给水管网中伴随着硝化作用的发生,产生了一系列的水质问题,如pH和碱度的降低,异养菌数量、亚硝酸氮、硝酸氮浓度的增加等^{[1,2,3,4]1~4]}。相关研究分析认为这是由于氯胺的生成过程中加入了过量氨而且氯胺在水中会产生一定的分解,使氯胺消毒系统中存在一定浓度的氨并被水中的硝化细菌利用生成了亚硝酸盐和硝酸盐。为此,本研究选取了广东佛山某给水厂,研究水厂采用氯胺消毒与纯氯消毒交替运行对管网中不同水力停留时间水的总余氯、氨氮、硝酸盐氮和亚硝酸盐氮浓度变化的影响。

　　 某给水厂位于广东佛山,其供水服务区域为周边的城镇以及工业园,设计规模为30万m³/d,于2009年投入运行,水源水取自北江干流。

　　 该给水厂采用常规处理工艺,即原水通过一级取水泵站后进入给水厂机械混合池与混凝剂混合,流经竖流折板絮凝池,后进入平流沉淀池,沉淀出水进入V型滤池进行过滤,最后加氯胺消毒,其核心工艺流程如图1所示。

　　 目前,该给水厂实际产水量为20万~30万m³/d。为减少氯代副产物,降低嗅味物质的产生,进一步改善居民用水口感,于2009年12月开始采用氯胺替代液氯消毒。

　　 该给水厂水源水质符合《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)中Ⅱ类水,其中个别指标Ⅲ类,水质情况总体属于良好状况。出厂水水质见表1。

　　 试验检测指标主要有总余氯、氨氮、亚硝酸盐氮、pH等,总余氯采用3,3,5,5四甲基联苯胺比色法测定;氨氮采用UV2600紫外可见分光光度计纳氏试剂分光光度法测定;亚硝酸盐氮采用UV2600紫外可见分光光度计重氮偶合分光光度法测定;pH采用便携式TS-100PH计玻璃电极法测定。

　　 本试验根据配水管网水力停留时间的长短分A、B、C 3个组共9个管网监测点,其在管网中的具体位置如图2所示。

　　 A组水力停留时间最短,为0.5~5.22h;B组水力停留时间较短,为5~31.34h;C组水力停留时间最长,为34~255h。各监测点详细水力停留时间见表2。

　　 在2015年3月初,该给水厂由原来的氯胺消毒改为液氯消毒,4月初开始恢复为氯胺消毒。液氯消毒时出厂水的总余氯(游离余氯)控制在0.8~1.0 mg/L;氯胺消毒时出厂水总余氯亦控制在0.80~1.0mg/L、氨氮则控制在0.20~0.30mg/L。比较液氯消毒前后配水管网A、B、C 3组监测点总余氯、氨氮、亚硝酸盐氮、pH的变化。

　　 图3、图4、图5分别为A、B、C 3组监测点总余氯在由液氯消毒切换为氯胺消毒的9周内的变化曲线。

　　 通过图3可知,A组监测点在使用液氯消毒时,各监测点的总余氯保持在0.25~0.7mg/L,且A1、A2、A3监测点总余氯的大小直接与水力停留时间呈正相关,水力停留时间越长、则总余氯含量越小。在切换为氯胺消毒后,各监测点的总余氯整体上是先增大后减小,这可能是由于在使用液氯消毒时将管网管壁上的生物膜活性及数量抑制到一定程度,在保持出厂水总余氯不变的情况下切换使用氯胺消毒后可减小观望中氯的消耗速度,故而相较于液氯消毒时A各监测点的总余氯均有所提升,A1、A2、A3分别由0.7 mg/L、0.4 mg/L、0.25 mg/L增加至0.8mg/L、0.7 mg/L、0.5 mg/L。然而,随着使用氯胺消毒时间的增长,A组管网各监测点的总余氯总体上均呈现下降趋势,在第4周左右均恢复至使用液氯消毒时的水平,并且接下来的5周内会有轻微浮动,这可能是由于管网的管壁生物膜上的生物已经适应了氯胺消毒的改变并逐渐适应,保持一定的平衡,恢复到一个较为稳定的水准。

　　 通过图4可知,B组监测点在使用液氯消毒时,各监测点的总余氯保持在0.02~0.10mg/L,在切换为氯胺消毒后,B1、B2、B3的总余氯在第1周监测值分别由0.1mg/L、0.1mg/L、0.02mg/L增加至0.5mg/L、0.5mg/L、0.2 mg/L,并在使用氯胺消毒第2周左右时,出现较大幅度的下降,并在接下来的几周内出现总余氯的起伏变化。

　　 通过图5可知,C组各监测点的总余氯在切换为氯胺消毒后总余氯基本没有变化,仍然维持较低浓度,约为0.025mg/L,这主要是由于它们的理论水力停留时间过长,最高达255h,纯氯在到达该管网点前已经被水中有机物、水中细菌及管网管壁生物膜耗尽,使得总余氯非常低,以致切换为氯胺消毒后余氯量并无明显变化。

　　 因此,将该给水厂由液氯消毒切换为氯胺消毒,管网中各监测点的总余氯变化情况与水力停留时间相关。当监测点的水力停留时间低于30h时,总余氯会在切换后的第1周先升高,并在第2~4周左右降低至液氯消毒的水平,之后这些监测点的总余氯值则会在使用液氯消毒时的总余氯水平上下浮动;而当水力停留时间大于30h时,这些监测点的总余氯在由液氯消毒切换为氯胺消毒后,总余氯无明显变化。

　　 图6、图7、图8分别为A、B、C 3组监测点氨氮在由液氯消毒切换为氯胺消毒的9周内的变化曲线。通过图6~图8可以看出管网的氨氮的变化趋势与总余氯变化趋势并不呈现规律性,这主要是由氯胺投加比例不同所造成的。

　　 图9、图10、图11分别为A、B、C 3组监测点亚硝酸盐在由液氯消毒切换为氯胺消毒的9周内的变化曲线。综合图9~图11可以看出管网中各监测点的亚硝酸盐氮变化趋势与总余氯变化趋势并不呈现规律性,这主要是氨氮转化为亚硝酸盐氮速率不同所造成的。

　　 然而,综合图6~图11可看出管网中氨氮变化和亚硝酸盐变化存在一定规律,也即液氯消毒后,管网的氨氮相比有一定波动。管网初始的亚硝酸盐氮含量很低,然后随着氨氮的降低而逐渐升高,升高到某一浓度达到最高点后又下降。使用氯胺消毒时,出厂水中存在一定量的氨氮,氨氮以游离态或铵盐形式存在于水中,当水中存在硝化菌时,硝化菌会在有氧存在的条件下使氨氮氧化为亚硝酸盐氮,然后转变为硝酸盐氮:氨→NO₂^-→NO₃^-,其生物化学过程可表述如下:NH₄⁺+1.5O₂=NO₂^-+H₂O+2H⁺;NO₂^-+0.5O₂=NO₃^-。

　　 硝化菌是一种好氧细菌,属于自营性微生物,它有2种菌属,分别为亚硝酸菌属和硝酸菌属,这2种菌属的作用分别是将氨转化为NO₂^-以及将NO₂^-转化为NO₃^-。这2种菌属维持合成代谢的氮源分别为氨和NO₂^-。而在液氯消毒过程中,硝化菌缺少足够氮源而导致生长缓慢甚至失活,即液氯抑制了硝化菌的生长,使管网中硝化菌含量达到最低水平。当切换为氯胺消毒时,初始由于缺少硝化菌的作用,使得氨氮转化为亚硝酸盐氮和效率降低,以致水中氨氮含量高而亚硝酸盐氮含量低。随着硝化菌的生长,氨氮转化效率增加,水中氨氮含量减小,亚硝酸盐氮含量增大,而亚硝酸盐氮在硝酸菌属的作用下转化为硝酸盐氮,这是管网水中亚硝酸盐氮呈现先增加后减小趋势的原因。

　　 本试验研究发现pH的变化对管网硝化作用的影响并不显著。以管网监测点B2和B3为例,从图12可以看出,2个监测点的pH变化无明显变化规律,B2监测点pH维持在7.24~7.49,B3监测点pH则维持在7.49~7.90。然而,通过图13可知,pH在7.24~7.90,对硝化作用的影响无显著影响,无明显变化规律。

　　 由于pH主要是受到原水水质及管道的材质和滞留时间影响,故采用液氯消毒或是氯胺消毒对管网水中pH并无显著影响。

　　 根据图9~图11可知较长的水力停留时间会增加硝化作用发生的机会,促进硝化细菌的附着生长。水中亚硝酸盐由出厂水原有的亚硝酸盐氮和氯胺在管网中不完全硝化反应产生的亚硝酸盐氮两部分组成,而出厂水中亚硝酸盐浓度很低,则说明管网中新增亚硝酸盐主要由不完全硝化反应产生。出厂水本身的亚硝酸盐浓度较低,在管网内经过一定停留时间后,会发生硝化反应产生亚硝酸盐,使水中亚硝酸盐浓度升高,之后亚硝酸盐和氯发生反应,随着停留时间的增长,亚硝酸盐逐渐消耗,浓度降低。这与已有研究结果相吻合,Wolfe等^[5]研究发现当供水蓄水池中的水力停留时间由3.3d增加至4.5d时,硝化作用明显加强;而陈忠林等^[6]对南方某市的配水系统中亚硝酸盐的调查表明,管网中亚硝酸盐浓度随水停留时间呈先增加后减少的趋势。

　　 因此,为控制管网中的亚硝酸盐浓度,需要控制管网中水力停留时间或是严格控制氨氮的浓度。

　　 通过分析某给水厂交替使用液氯消毒和氯胺消毒生产试验后管网中不同水力停留时间监测点的总余氯、氨氮、亚硝酸盐氮、pH等的变化趋势,可以得出以下结论:

　　 (1)本试验验证了纯氯消毒可以有效抑制管网管壁生物膜的生物活性,在出厂水由液氯消毒切换为氯胺消毒后可以提高管网中的总余氯,但其效果维持时间长短与水力停留时间有关。当监测点的水力停留时间低于30h时,总余氯会在切换后的第1周先升高,并在第2~4周降低至液氯消毒的水平,之后这些监测点的总余氯则会在使用液氯消毒时的总余氯水平上下浮动;而当水力停留时间大于30h时,这些监测点的总余氯在由液氯消毒切换为氯胺消毒后,总余氯无明显变化。

　　 (2)试验结果表明出厂水余氯相同的条件下,氨氮浓度越高,硝化作用也越明显,随着作用时间的增长,管网中的亚硝酸盐氮呈现先增加后减少,为控制硝化作用,需要控制管网中水力停留时间或是严格控制氨氮的浓度。由于实际生产过程中,管网中水的停留时间是与用水量及管径有关,故只能控制氯胺投加比,并将氯胺消毒与液氯消毒切换周期缩短,在液氯消毒4周后切换成2周的氯胺消毒,周而复始。

　　 (3)pH在7.24~7.90,对管网硝化作用的影响并不显著。

　　 综上所述,采用液氯消毒与氯胺消毒交替运行,可能是控制管网水硝化作用、抑制管道内生物膜活性的有效途径而且该措施具有操作简便、药耗节省,且能保障管网水质等优点,故本试验方法有一定的实用价值。