城市供水管网铁释放通量模型及其应用谭浩强何文杰韩宏大等

给水排水　Ｖｏｌ．４０　Ｎｏ．９　２０１４９９　　　城市供水管网铁释放通量模型及其应用１，２　１，２　２　１　２　　２（１哈尔滨工业大学市政环境工程学院，哈尔滨　１５００９０；２天津市自来水集团有限公司，天津　３０００４０）　　摘要　采用一维移流扩散方程和物料平衡方法两种方式，分析建立了城市供水管网铁释放通量模型，该模型为零级动力学模型，型式简单，便于应用与校核，能与水力模型有机结合，从而可以在城市供水管网中推广应用。管道模拟系统的中试试验结果表明，该模型能准确预测城市供水管网的铁释放量。关键词　供水管网　铁释放　通量模型　　随着经济的发展和生活水平的不断提高，用户对饮用水的要求不再局限于水压和水量，水质安全问题已经引起人们越来越多的关注。管网铁释放及其引起的水质恶化已逐渐引起供水行业的重视［１～４］。基于现场试验数据，秉承模型型式简单，便于应用与校核的原则，本文进行了城市供水管网铁释放通量模型的分析研究，力求该模型在实际供水管网中得到应用推广。１　城市供水管网铁释放通量模型管网水力分析的准确性是实现水质模拟和预测的前提和基础，通过水力模型对管网水力工况的准确模拟，计算出各管段的流量、流速，才可能对水质模型进行研究［５］。目前，管网ＧＩＳ和ＳＣＡＤＡ系统已在国内许多大型水司得到应用，将两者进行优势集成，能够增强管网数据的表达能力，从而为准确分析管网水力工况提供保障［６］。１．１　模型建立水质模型的建立基于３个原则：①质量守恒；②水质在节点断面上完全、瞬间混合；③管网水质指标的动态反应（衰减或增加）遵循一定的反应动力学规律。由于管网内水力状态变化十分复杂，通常把足够小的扩展时间段内的管网水力和水质当作稳定状态，在每一个时间段的末尾，水力和水质发生改变，最后实现水力和水质的动态模拟。管网水中物质传输过程通常采用一维移流扩散方国家水体污染控制与治理科技重大专项（２０１２ＺＸ０７４０４－００２，２０１４ＺＸ０７４０６－００３）。程表示，同时，时刻保持物料平衡，因此，采用两种方式分别对城市供水管网铁释放通量模型进行推导。１．１．１　一维移流扩散方程推导管网水中物质的一维移流扩散方程如下：Ｃ（ｘ，ｔ）ｔ＋［ＵＣ（ｘ，ｔ）］ｘ＝Ｅ２　Ｃ（ｘ，ｔ）ｘ２＋Ｒ（Ｃ）（１）式中Ｃ（ｘ，ｔ）———供水管网在ｘ处ｔ时刻的铁浓度，ｍｇ／Ｌ；Ｕ———供水管网水体的流速，ｍ／ｓ；Ｅ———扩散系数；Ｒ（Ｃ）———管道中反应物的反应表达式，也称为物质的产生和衰减项，对非反应物其值为零。就管网中水流的运动情况而言，各管段中流速在ｔ时间内不变，随流传输项［ＵＣ（ｘ，ｔ）］ｘ远大于分子扩散项Ｅ２　Ｃ（ｘ，ｔ）ｘ２，通常分子扩散项可忽略不计。对于某一特定的管段，在足够小的扩展时间段内，其水流当作稳定状态，流速Ｕ可用该管段的平均速度ｕ代替，所以式（１）最终可以写成下面的形式：Ｃ（ｘ，ｔ）ｔ＋ｕ［Ｃ（ｘ，ｔ）］ｘ＝Ｒ（Ｃ）（２）ｕ＝ＱＡ（３）式中Ｑ———供水管道流量，ｍ３／ｈ；Ａ———供水管道内横截面积，ｍ２。对于Ｒ（Ｃ）的研究，多集中在余氯、消毒副产物１００　　给水排水　Ｖｏｌ．４０　Ｎｏ．９　２０１４和微生物等，关于铁释放，Ｓｎｏｅｙｉｎｋ和Ｊｅｎｋｉｎ［７］从物质溶解平衡角度提出了式（４），但是铁释放不仅受到化学平衡的影响，还受到微生物和水力条件的影响，因此文章提出了铁释放通量系数Ｋ，Ｒ（Ｃ）表达式如式（５）所示：Ｒ（Ｃ）＝ＫｆＳ（Ｃ＊－Ｃ）（４）Ｒ（Ｃ）＝ＫＳＶ（５）Ｓ＝πＤＬ（６）Ｖ＝πＤ２４Ｌ（７）式中Ｋｆ———速率常数，ｍ２／ｓ；Ｃ＊———铁的饱和浓度，ｍｇ／Ｌ；Ｃ———铁的实际浓度，ｍｇ／Ｌ；Ｋ———供水管道铁释放通量系数，ｍｇ／（ｍ２·ｈ）；Ｓ———供水管道内表面积，ｍ２；Ｖ———供水管道容积，ｍ３；Ｄ———供水管道直径，ｍ；Ｌ———供水管道长度，ｍ。由于在足够小的扩展时间段内的管网水力和水质可当作稳定状态，因此：Ｃ（ｘ，ｔ）ｔ＝０（８）［Ｃ（ｘ，ｔ）］ｘ＝ｄＣｄｘ（９）同时ｄｘ＝ｄｕｔ＝ｕｄｔ（１０）把式（５）～式（１０）代入式（２），得出：ｕｄＣｕｄｔ＝ＫπＤＬπＤ２４ＬｄＣ＝４　ＫＤｄｔ（１１）对式（１１）进行积分得：　∫ＣｔＣ０ｄＣ＝∫ｔｏ４　ＫＤｄｔＣｔ－Ｃ０＝４　Ｋ（ｔ－ｔ０）Ｄ（１２）式中Ｃｔ———ｔ时刻供水管道的铁浓度，ｍｇ／Ｌ；Ｃ０———初始时刻供水管道的铁浓度，ｍｇ／Ｌ；（ｔ－ｔ０）———水力停留时间，用Ｔ表示，ｈ。铁浓度增加量表示为：ΔＦｅ＝４　ＫＴＤ＝４　ＫＬｕＤ（１３）１．１．２　物料平衡方法推导城市地下供水管网是一个巨大的管式反应器，图１　管道物料平衡示意物料保持平衡，如图１所示。ＱＣｉｎ－ＱＣｏｕｔ＋ＫＳ＝０（１４）Ｃｏｕｔ－Ｃｉｎ＝ΔＣ＝ＫＳＱ（１５）ΔＣ＝ＫＳＱ＝ＫπＤＬｕπＤ２４（１６）ΔＦｅ＝ＫπＤＬｕπＤ２４＝４　ＫＬｕＤ＝４　ＫＴＤ（１７）式中Ｃｉｎ———供水管道进水铁浓度，ｍｇ／Ｌ；Ｃｏｕｔ———供水管道出水铁浓度，ｍｇ／Ｌ；ΔＦｅ———铁浓度增加量，ｍｇ／Ｌ。从式（１３）和式（１７）可以看出，铁浓度的增加存在零级动力学规律，不受水体中的铁浓度影响，而是由铁释放通量系数Ｋ、水力停留时间Ｔ和管径Ｄ决定。１．２　铁释放通量系数Ｋ的确定与修正通常从微观角度对Ｋ进行确定，见式（１８）；从宏观角度对Ｋ进行修正，见式（１９）或者式（２０）。供水管道铁释放通量系数Ｋ是管道属性、管网水质和水力条件（包括水力停留时间）的函数，需要根据相应管道、水质和水力情况来确定其数值大小，因此，式（１８）的函数表达式确定需要不同管道、水质和水力条件下的大量数据积累。为便于操作，可以根据铁或其相关水质指标（比如色度、浊度）的变化来修正，文献报道，水体中铁浓度增加ΔＦｅ与浊度ΔＴｕｒ存在正相关性［８］。Ｋ＝ｆ（ｐ，ｗ，ｘ）（１８）Ｋ＝ΔＦｅＱＳ（１９）Ｋ＝ΔＦｅ　Ｄ４Ｔ（２０）ΔＦｅ＝ａΔＴｕｒ＋ｂ（２１）式中ｆ（　）———函数；ｐ、ｗ、ｘ———分别为管道属性、水质条件和水力条件的自变量；ａ、ｂ———常数。给水排水　Ｖｏｌ．４０　Ｎｏ．９　２０１４１０１　　其他符号意义同上，直径Ｄ可以通过查询管网ＧＩＳ或者计算水力工况得出。供水管道铁释放通量系数Ｋ的修正根据铁增加量的实测值来进行。２　应用供水“最后一公里”水质安全保障已成为供水行业新的挑战。供水“最后一公里”是指在城市供水管网中出厂水经过居民小区（或商务区）、楼房建筑到达用户的最后一段里程。需要说明的是，“最后一公里”不是特指管网一公里的距离，而是一个距离泛指。特别是，供水“最后一公里”在夜间情况下，由于用水量下降，水体流速变小，水力停留时间变长，管网循环能力降低，易导致管道水体中铁浓度升高。２．１　试验概况试验装置为管道模拟系统，试验管段采集于北方某市，管材为铸铁管，管龄均大于２０ａ，管径为ＤＮ１００，通过控制流速，实现水体推流式流动，从而模拟供水管网“最后一公里”水体流速小，水力停留时间长，循环能力差的运行状态。在模拟计算之前，对现场中试数据进行聚类分析，采用夏季至秋初（７～９月上旬）和冬季至初春（１２月～次年３月上旬）的铁释放情况进行计算分析。不同时期的试验水质情况和管网运行工况分别见表１和表２。表１　水质状况水质指标夏季至秋初冬季至初春水温／℃２３．６～２７　　７～１２．２ｐＨ　７．８４～８．１３　８．１０～８．３９　溶解氧／ｍｇ／Ｌ　６．２８～７．５２　９．９７～１１．９６总碱度／ｍｇ／Ｌ　８６～１０８　９８～１２６总硬度／ｍｇ／Ｌ　１０９～１３６　１２３～１５９　硫酸根／ｍｇ／Ｌ　２２．８～２７．８　２５．１～２７．３　氯离子／ｍｇ／Ｌ　３．２６～４．５４　３．７８～６　　表２　运行工况项目时期流速／ｍ３／ｈ水力停留时间／ｈ工况１夏季至秋初３．７５　８工况２冬季至初春３．７５　８工况３冬季至初春１．２５　２４２．２　模拟计算与修正考虑到式（１８）的复杂性，从模型便于应用角度出发，在城市供水管网运行调度中，可直接采用式（１９）或者式（２０）对进行Ｋ修正计算。试验期间不同阶段的铁释放情况如图２所示，工况１：夏季至秋初阶段，在流速为３．７５ｍ／ｈ和水力停留时间为８ｈ下，铁释放增加量为（０．２７±０．０５）ｍｇ／Ｌ；工况２：冬季至初春阶段，在流速为３．７５ｍ／ｈ和水力停留时间为８ｈ下，铁释放增加量为（０．０９５±０．０２２）ｍｇ／Ｌ；工况３：冬季至初春阶段，在流速为１．２５ｍ／ｈ和水力停留时间为２４ｈ下，铁释放增加量为（０．２８±０．０２）ｍｇ／Ｌ。图２　不同工况下的铁释放情况采用式（２０）计算，工况１、工况２和工况３的Ｋ分别为０．８４４ｍｇ／（ｍ２·ｈ）、０．２９７ｍｇ／（ｍ２·ｈ）和０．２９２ｍｇ／（ｍ２·ｈ）。由计算结果可知，工况１的Ｋ值比工况２和工况３大很多，而工况２和工况３的Ｋ值基本相同。原因是，工况１的水体温度高，加速了铁腐蚀反应和管垢腐蚀产物与水体物质的反应，产生大量溶解性二价铁，同时，水体的ｐＨ、溶解氧和碱度较低，不利于二价铁沉淀和被氧化成三价铁，导致二价铁进入管网水体中，最终水体中铁浓度升高［９］；与工况１相比，工况２和工况３的水体温度低以及ｐＨ、溶解氧和碱度较高，这些水质条件都不利于铁释放到水体中；同时，有文献记载，低流速在一定范围内变化对铁释放影响不大，超出一定临界值之后，流速变大才会对铁释放造成影响［４］，并且工况２和工况３的雷诺数Ｒｅ分别为１０３和３４，均小于２　０００，水体流态为层流，水力条件对管道铁释放作用不大，因此，两者的Ｋ值差异不大，这也间接说明了供水管道铁释放通量模型对管网铁释放有准确的预测性。３　结论与建议文章建立了城市供水管网铁释放通量模型，同时，基于供水“最后一公里”水质安全保障的背景，该模型被应用到中试管道模拟系统中，对管道系统的铁释放预测有较高的准确性。由于管道模拟系统在管材方面的单一性和水力条件的局限性，文章只进１０２　　给水排水　Ｖｏｌ．４０　Ｎｏ．９　２０１４计算机技术微滤膜水处理冗余控制系统的应用　　（杭州市水务控股集团有限公司，杭州　３１０００９）　　摘要　杭州清泰水厂采用前臭氧—絮凝—沉淀—炭砂过滤—压力式中空纤维微滤膜处理工艺，供水能力为３０万ｍ３／ｄ。介绍了基于ＡＢ　ＣｏｎｔｒｏｌＬｏｇｉｘ　ＰＬＣ的冗余控制系统在该厂膜处理工艺中的应用，对冗余控制系统的系统架构、膜处理主要工艺流程、控制逻辑及其调试阶段的功能补充和完善进行了描述。关键词　膜处理工艺　冗余控制　ＰＬＣ　系统构架　控制逻辑１　项目背景杭州市清泰水厂始建于１９３０年６月，是浙江省第一座自来水厂，水厂原水取自钱塘江，目前制水工艺为前臭氧—絮凝—沉淀—炭砂过滤—膜处理，供水能力为３０万ｍ３／ｄ，主要担负杭州城东地区的供水。该厂膜处理工艺段采用压力式中空纤维微滤膜过滤系统，系统总净产水量为３０万ｍ３／ｄ（水温≥１５℃），其中两套完全相同的主过滤系统净产水量为２９．５万ｍ３／ｄ（水温≥１５℃），一套水回收系统负责主系统清洗水的回收过滤，净产水量为０．５万ｍ３／ｄ（水温≥１５℃）。２　膜处理冗余控制系统构成膜处理系统中，每套主过滤系统（以下简称１＃、２＃系统）各配置９套膜阀架，并独立配置辅助设备（包括反洗设备、化学清洗设备、完整性检测系统和ＰＬＣ监控系统等），水回收系统（以下简称３＃系统）配置２套膜阀架，并与１＃系统共用辅助设备，纳入１＃系统ＰＬＣ监控范围。与工艺配置相对应，整个膜处理控制系统由ＭＣＰ１和ＭＣＰ２（分别对应１＃、２＃系统）这两套独立的ＰＬＣ系统以及一台就地组态软件工作站组成。ＭＣＰ１和ＭＣＰ２均接入厂区光纤以太环网，厂区中控室可远程监控整套膜处理系统的运行。膜处理控制系统由三层网络及控制设备构成，第一层为信息层，包括就地组态软件工作站、膜架触摸屏和工业以太网交换机，采用基于ＩＥＥＥ８０２．３标准的１００Ｍｂｐｓ以太网环型网络拓扑结构；檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿檿第二层行了不同水质期和低流速下的模型应用研究，为了完善该模型，需要在现实城