随着我国城镇化的发展, 高层和超高层建筑不断增加, 必须采用二次供水系统来满足这些建筑的供水压力要求^[1]。在二次供水系统中, 每天各个小时的用水量都有非常大幅度的变化, 例如住宅建筑的生活用水多数集中在早、中、晚的时间段, 其余时间用水量很少, 甚至出现几乎不用水的时段。在这种情况下, 二次供水系统管道内的生活用水经常会出现水力停留时间过长、余氯量过低、微生物滋生等水质安全问题。对于高层与超高层建筑的二次供水系统来说, 由于设置了转输水箱, 生活用水在管道和转输水箱中的水力停留时间会更长, 更容易出现余氯量、微生物等指标超标的二次污染问题。

　　 余氯含量是反映饮用水生物安全性的重要指标, 其衰减规律受到诸多因素的影响^[2]。在二次管道供水系统中, 余氯的衰减规律会受到水中有机物、无机物等多种因素的影响^[3]。有关出厂水余氯的衰减影响因素研究结果表明^{[1,2,4,5,6,7,8]}, 进水余氯量越低、TOC含量和水温越高, 则余氯衰减越快;邵艳秋等^[9]指出, 水温对余氯衰减的影响最大, 其次是TOC, 进水余氯的影响最小。在市政供水管网中, 对余氯衰减规律开展了大量研究^[10], 提出了余氯衰减一级模型、二级模型、氯与其他反应物的二级模型、n级 (n在1~2之间) 限制性一级模型及平行一级模型等, 其中一级模型应用最为广泛, 能够比较准确地模拟出厂水的余氯衰减特性^[5]。二次供水系统是市政供水管网的末端, 具有水力停留时间长、余氯含量低、水质易受二次污染、影响因素多等特点, 各种水质指标也与出厂水有一定差异;余氯量是关系到二次供水生物安全性的关键性指标, 研究二次供水系统的余氯衰减规律和特性是非常必要的。

　　 本文研究了二次供水的主要水质指标随水力停留时间的变化规律, 验证了余氯衰减的动力学模型, 考察了补氯量、水温、TOC浓度对二次供水系统余氯衰减的影响, 以期为二次供水系统的水质生物安全性保障提供参考。

　　 本试验的水样取自北京市某大学实验楼二次供水系统的自来水龙头出水。采集水样时, 先打开水龙头放水5min以上直至出水水质稳定, 水样的主要水质指标如下:余氯 (0.24±0.02) mg/L;浊度 (0.141±0.03) NTU;pH (7.8±0.1) ;TDS (0.40±0.02) mg/L;TOC (2.732±0.227) ;COD_Mn (1.052±0.179) mg/L;细菌总数低于100CFU/mL。

　　 为了模拟二次供水系统中的水箱和高层建筑的转输水箱等储水设施, 采用防腐耐酸碱PE塑料桶作为储水装置, 装满水后保持水温在 (25±1) ℃。在二次供水储水装置中, 每隔2h取样并检测其水质。取样时, 先放水30s再取水样, 水样的采集和保存严格按照《生活饮用水标准检验方法—水样的采集与保存》 (GB/T 5750—2006) 有关规定。

　　 余氯衰减一级动力学公式如式 (1) 所示:

　　 式中C_t———t时刻的余氯质量浓度, mg/L;

　　 C₀———初始时刻余氯质量浓度, mg/L;

　　 k_b———水中余氯随时间衰减速率, h^-1;

　　 t———时间, h。

　　 本试验采用烧杯试验进行余氯衰减的研究, 确定余氯衰减速率k_b值, 具体试验步骤如下:

　　 (1) 所有的玻璃仪器经过特殊的处理方法以保证它们不耗氯, 具体处理方法如下:在蒸馏水中加入浓缩次氯酸钠溶液, 使氯浓度为10mg/L, 用该溶液装满清洗干净的玻璃仪器并放置24h, 然后倒空, 用蒸馏水彻底清洗, 自然风干。

　　 (2) 用1个2.5 L的棕色瓶装满水样, 静置15min以确保均质, 测定水样的余氯量值C₀。

　　 (3) 将水样倒入500mL的棕色玻璃瓶, 并用玻璃塞封口。

　　 (4) 所有的瓶子都存放在恒温箱中, 恒温箱设置成试验所需的温度。

　　 (5) 以一定的时间间隔测定棕色玻璃瓶中水样的余氯量。

　　 (6) 计算余氯衰减速率并进行优化, 使模拟值与观测值的方差和最小。

　　 余氯采用深圳清时捷 (Q-CL501) 便携式余氯仪测定 (精度0.01mg/L) ;TOC采用德国Elementar总有机碳分析仪 (vario TOC) 测定 (精度0.001mg/L) , 温度、pH和TDS采用哈纳多参数仪 (HI9813-6) 测定 (精度0.1℃、0.1、0.1mg/L) , 浊度采用哈希台式浊度仪 (2100N) 测定 (精度0.001NTU) 。

　　 二次供水的余氯、浊度、pH、TDS、TOC、COD_Mn和细菌总数随水力停留时间的变化情况如表1所示。由表1可知, 随着水力停留时间的延长, 余氯量、TOC含量和COD_Mn含量都有所降低, 浊度和细菌总数不断升高, pH和TDS基本没有变化。在现有的水质条件下, 停留时间超过4h时余氯含量已经降到0.05mg/L以下, 低于《生活饮用水卫生标准》 (GB 5749—2006) 的规定值。可以看出, 当余氯量低于0.05 mg/L后, 细菌开始繁殖, 而且细菌总数随余氯量的减少而不断增多, 且有超标的风险。

　　 对水箱中的余氯量随时间的变化进行模拟, 水箱中的余氯衰减符合一级动力学模型 (R²=0.976) , 关系式如式 (2) 所示, 余氯量与水力停留时间存在指数关系, 随着停留时间的延长, 余氯的衰减速率逐渐减小。

　　 在二次供水的余氯含量降低至小于或等于0.05mg/L时, 投加不同量的次氯酸钠, 模拟二次供水的补氯过程, 水样的TOC含量为2.27mg/L, pH为7.9mg/L;补氯后的余氯量分别为0.24 mg/L、0.16mg/L和0.09mg/L时, 得到不同水力停留时间下的余氯含量衰减数值, 对数据进行曲线回归分析得到的余氯衰减曲线如图1所示。补氯后, 余氯衰减速率与补氯量的相关性如图2所示。

　　 由图1可知, 拟合曲线的相关系数 (R²) 都在0.97以上。补氯量越高, R²越大, 余氯衰减速率k_b越小, 补氯量较高时余氯衰减规律更接近一级动力学模型, 余氯衰减速率较小, 补氯量较低时余氯衰减速率较大。

　　 与水箱中市政自来水进水的余氯衰减速率相比, 进水为0.1mg/L的自来水2h余氯的衰减量为30%, 补氯后, 补氯量为0.24mg/L、0.16mg/L和0.19mg/L的自来水在1.5h内的衰减量分别为33.3%、37.5%以及44.4%, 补氯后余氯的衰减速率明显增大, 大于市政自来水中余氯的自然衰减速率。由于余氯在衰减到0.05mg/L后细菌滋生, 补氯后, 余氯与细菌发生反应, 氯的消耗速率加快。

　　 由图2可知, k_b与1/C₀之间存在很好的线性关系, 在本试验水质条件下的表达式如式 (3) 和式 (4) 所示:

　　 不同水质条件下的k_b与1/C₀之间的线性关系可以用以下经验公式表达, 见式 (4) :

　　 式中的参数a和b可由试验确定。

　　 在余氯量为0.16 mg/L、pH 7.9和水温25℃的条件下, 研究了TOC含量对余氯衰减的影响, 结果如图3所示。余氯衰减速率k_b与TOC含量值的相关性分析如图4所示。

　　 由图3可以看出, 当TOC含量分别为3.948mg/L、2.703 mg/L和1.454 mg/L时, 相应的余氯衰减速率k_b值分别为2.888 7h^-1、2.188 6h^-1和0.146 78h^-1, 表明TOC含量值越高, 余氯衰减速率越大, 余氯衰减越快。有机物对余氯的衰减产生的显著影响, 一方面是有机物可以与余氯发生氧化反应, 另一方面有机物会促进细菌生长, 这些作用都会消耗更多的余氯。从图4可以看出, 余氯衰减速率与TOC含量存在极佳的正相关性。TOC含量在二次供水系统中会随着停留时间的延长逐渐降低, 因此, 在不同的补氯点或时间点进行补氯时, 需要考虑TOC含量的变化对余氯衰减的影响。

　　 二次供水水温对余氯含量的影响如图5、图6所示。可以看出, 水温为4℃、12℃、25℃和37℃时, 余氯的衰减速率分别为0.098 57mg/ (L·h) 、0.118 59mg/ (L·h) 、0.176 2 mg/ (L·h) 、0.257 12 mg/ (L·h) ;随着水温的升高, 余氯衰减速率逐渐增大, 这与黄赛琴^[11]和曹正仁^[6]的研究一致, 表明水温升高, 杀菌速率加快, 余氯与水中有机物反应速率加快, 余氯的分解速率也加快, 使余氯的衰减速率加快。可以看出, 水温越高, 拟合曲线的R²值越大, 水温与余氯衰减的相关性越强。

　　 温度对化学反应速率的影响一般可用Arrhenius方程来描述, 如式 (5) 所示:

　　 式中k———余氯衰减速率, h^-1;

　　 A———前指因子;

　　 E———活化能, J/mol;

　　 R———气体常数, J/ (mol·K) ;

　　 θ———反应温度, K。

　　 依据Arrhenius方程的形式, 根据上述试验得到水温与余氯衰减速率 (k_b) 值影响的曲线, 如图6所示。曲线的R²=0.993, 拟合度良好, 式 (5) 可以表示水温对二次供水余氯衰减速率的影响。将试验数据代入式 (5) , 可求得E=21 803.13J, A=1 201.29, 由此得到余氯量为0.14mg/L时, 不同温度下二次供水余氯衰减速率的经验公式如式 (6) 所示:

　　 根据式 (6) 可得不同水温下二次供水的余氯衰减速率。

　　 补氯后余氯的衰减受多种因素的影响, 在得出单因素对余氯衰减的影响结果的基础上, 研究补氯量、TOC含量以及温度3个因素的交互作用对余氯衰减的影响。利用Box-Behnken Design中心组合试验原理, 设计3个因素交互作用试验, 每个因素取3个水平, 共进行17次因素试验, 依据响应面分析法得到三维曲面图, 试验的参数设计如表2所示。

　　 根据Design Expert试验设计软件中的BoxBehnken Design中心组合试验结果进行方差和回归分析, 对试验获得的k_b响应值进行回归, 建立二次回归模型, 并通过手动优化得到模型的二次回归方程见式 (7) :

　　 得到基于实际影响因素的回归方程见式 (8) :

　　 式中C_Cl———补氯量, mg/L;

　　 θ———水温, ℃;

　　 ρ_TOC———TOC含量, mg/L。

　　 方差分析的结果见表3。

　　 由表3可知, 失拟项不显著, 而模型的P值<0.000 1, 表明模型与试验数据高度显著。同时软件分析的复相关系数R的R²为97.22%, 校正后的R²_Adj为95.06%, 这表明该模型拟合度良好, 试验误差小, 利用该模型对数据进行拟合是合适的, 可以用此模型对余氯的衰减进行分析和预测。在所取的因素水平范围内, 各因素对结果的影响排序为水温>补氯量>TOC含量;3个影响因素中, 补氯量X与水温Y之间的交互作用不显著, 而补氯量X和水温Y与TOC含量Z之间的交互作用比较显著, 由YZ和XZ交互项所作的响应面见图7。

　　 由图7可以看出, 补氯量和TOC含量以及水温和TOC含量的响应面等高线分布比较均匀, TOC含量对k_b的影响呈正相关关系, 补氯量和水温对k_b的影响曲面较卷曲, 说明补氯量与水温对k_b的影响并非简单的线性关系, 这与之前的单因素分析结果相一致。

　　 水温对余氯衰减的影响最为显著, 在补氯时, 要充分考虑季节温度对余氯衰减的影响。夏季时, 水温高, 余氯衰减速率快, 同时用水量较大, 自来水在二次供水系统中的停留时间相对较短;而冬季时, 水温低, 余氯衰减速率慢, 但用水量较小, 自来水在二次供水系统中的停留时间相对较长。因此, 系统在进行补氯时, 需要综合考虑季节因素即水温与补氯量对余氯衰减的综合影响。

　　 在高层与超高层建筑二次供水系统中经常采用转输供水方式, 会设置单个或多个转输水箱, 转输水箱增加了二次供水在整个输配水系统中的水力停留时间。转输水箱容积是按转输水泵5~10min的流量, 而转输水泵的流量是按照最高日最高时进行设计的, 但最高日最高时用水量在全年中出现的概率非常小, 仅约为0.01%, 其他时段的用水量所占比例则高得多, 例如低于平均日平均时用水量的时段在全年用水中出现的概率约为50%。可见在绝大多数时间内, 二次供水在转输水箱中的水力停留时间会更长, 造成余氯在输配水管道和转输水箱中的衰减情况更加严重。对于水力停留时间过长的二次供水系统, 应考虑在余氯过低管段或转输水箱处设置补氯点。

　　 典型的高层与超高层建筑生活给水系统如图8所示, 《建筑给水排水设计规范》 (GB 50015—2003, 2009年版) 3.7.8条规定, 生活给水用中途转输水箱转输调节容积宜取5~10min转输水泵的流量。转输水箱的主要作用是作为上区加压水泵的吸水井, 为3~5min上区提升水泵水量, 还有是作为下区转输水泵的调节容积, 为5~10 min下区转输水泵水量;中间转输水箱还需考虑本区用水的调节容积, 一般按最高日最大时供水量的50%设计, 两部分叠加计算为中间转输水箱的容积。因此, 在最高日最高时用水量条件下, 转输水箱中生活用水的停留时间不小于30min, 住宅小时变化系数k_h≥2.0, 则最高日平均时用水量条件下转输水箱的停留时间大于1h;日变化系数k_d≥2.0, 则平均日平均时用水量条件下, 转输水箱的停留时间大于2h。

　　 补氯后转输供水系统内的余氯衰减规律可用一级动力学模型 (1) 进行计算和设计;若存在多个转输水箱, 则需要根据补氯量大小及衰减速率计算出二次供水末端最不利点的余氯量能否达到标准, 是否需要在上级转输水箱设置补氯点或提高上级补氯点的补氯量。补氯前后二次供水系统中余氯含量示意如图9所示, 市政供水的进水余氯量为C₀, 经过一定楼层和转输水箱后, 余氯降低到接近或达到0.05mg/L时的n层转输水箱进行补氯, 补氯量为C₁;在随后的转输供水过程中, 余氯的衰减和补充都是依据这种规律。

　　 综上所述, 对于高层或超高层建筑, 若转输水箱进水余氯量比较低, 以至于二次供水在水箱和后续输配水管道中停留至末端用户出水时余氯不合格, 则应在转输水箱处设置补氯点;补氯后二次供水系统中的余氯衰减速率受补氯量、水温以及TOC含量等因素的影响, 补氯量可根据这些因素来确定, 补氯后余氯的衰减速率可依据式 (8) 进行计算和设计, 确保供水末端的出水余氯量合格。因此在对二次供水的转输供水方式进行设计时, 有必要根据水质、转输水箱数量和水力停留时间等参数对余氯的衰减程度进行更充分地计算, 确定和优化转输供水过程中的补氯点和补氯量, 对于新建高层建筑提供更优化的补氯点设计方案, 对于已有建筑提供更合理的补氯量数据。

　　 (1) 对水箱中二次供水水质变化的监测结果表明, 0.10mg/L余氯量的进水在水力停留时间达到4h后即出现余氯不达标和微生物滋生问题, 水力停留时间在8~10h期间细菌总数已经超标, 并且出现浊度升高、有机物含量下降的现象, 水箱二次供水水质的生物安全性无法得到有效保障。

　　 (2) 二次供水系统中余氯的衰减规律符合一级动力学模型, 余氯衰减速率受补氯量、TOC含量和水温的影响。补氯后的余氯衰减速率相比补氯前明显增大;补氯后, 补氯量较高时, 余氯衰减速率较小;补氯量较低时, 余氯衰减速率较大。TOC含量和水温越高, 余氯衰减速率越大, 余氯衰减速率和TOC含量呈显著的正相关性, 与补氯量呈显著的负相关性。

　　 (3) 试验进行方差和回归分析结果表明, 对余氯衰减影响程度依次为水温>补氯量>TOC, 补氯量和水温与TOC含量之间的交互作用对余氯衰减的影响较显著, 补氯量与水温之间的交互作用对余氯衰减的影响不显著。因此在进行补氯时, 补氯量的大小必须重点考虑季节因素即水温对余氯衰减的影响。

　　 (4) 高层与超高层建筑的转输供水二次供水系统中, 补氯点的设置和优化需考虑二次供水水质、补氯量、余氯衰减速率、水温、有机物含量等因素, 可采用建立的余氯衰减模型等进行预测和计算, 确定和优化转输供水过程中的补氯点和补氯量, 对新建高层建筑提供更优化的补氯点设计方案, 对已有建筑提供更合理的补氯量数据和补氯点布置。