供水管道沖洗消毒技術策略研究

戚雷強

（上海市自來水奉賢有限公司，上海 201400）

1.研究背景

隨著生活水平的不斷提高，人們對飲用水水質的要求也更加嚴格。新GB5749-2006《生活飲用水衛生標準》中，規定的水質檢測項目由原有的35項增加至106項，這是有史以來對我國飲用水水質提出的最細致最嚴格的要求[1]，并且將“龍頭水”作為水質評價點，對管網的清潔度提出了更高要求。上海市于2018年10月1日實施的新生活飲用水水質標準，在GB5749-2006《生活飲用水衛生標準》106項的基礎上增加至111項，其中渾濁度由不超過1NTU提升至不超過0.5NTU等，重點關注飲用水的水質情況。深圳市也提出到2025年實現公共場所直飲水全覆蓋的目標。因此如何有效保障供水龍頭水質成為大家廣泛關注的焦點，需要對龍頭水質進行相關分析，掌握龍頭水質的真實情況，努力提高龍頭水質。為了減少水質惡化，應該從多方面入手找出合適的方法。有效的管道沖洗消毒可以去除管道中的沉淀物質和生物環，減少水變色、味道和氣味問題，還可以清除管道結垢，顯著提高管道的輸送能力，降低輸送成本[2]。

2.新建管道沖洗消毒

2.1 技術問題

2.1.1沖洗流速低

對于新建管道，《給水排水管道工程施工及驗收規程》（GB50268-2008）9.1.10條中有強制性條文規定：新建的給水管道必須經過沖洗、消毒后才能并網使用[3]。沖洗管道中需要保持一定的沖洗流速，否則難以將管內的雜物沖洗掉。 《城鎮供水管道水力沖洗技術規范》（DB31/T926-2015）中規定，管道沖洗流速不小于1.2m/s[4]。沖洗流速是影響管道沖洗效果的關鍵因素，沖洗流速越高，對管道內壁的沖刷效果越好，但在實際沖洗的工程應用中，當出現始端流量小、沖洗管段較長、水頭損失較大、穿越特殊障礙的情況時難以滿足規定的沖洗流速要求，造成沖洗效果降低，只能采取提高沖洗水量的措施，造成水資源的浪費[5]。

2.1.2 消毒效率低

水質安全是飲用水安全保障的重要因素，供水管道需要在投入使用前進行消毒處理。供水管道中含有很多微生物[6～7]，其中至少95%的微生物附著在管壁上，出現顯著的有機物生物降解和硝化作用，會大大加快余氯的消耗速度，造成供水末端余氯量過低，威脅用戶的用水安全[8]。通過管道沖洗，一部分生物膜在水力沖刷下脫落，可以有效控制硝化作用和有機物的降解作用。當管道沖洗不到位時，一部分微生物仍然附著在管壁上，會造成含氯消毒液的浪費，降低消毒效率。

2.2 解決方案

2.2.1 采用氣水沖洗法解決小流量管道沖洗和多起伏復雜管道沖洗難題

氣水沖洗法是一種新型的管道沖洗技術，具有沖擊力大、耗水量低、沖洗效果好等優點。但在大口徑多起伏的管道中，流動情況十分復雜。當管道口徑變大，其他條件一定時，管道內沖洗流速減小，下降管段中氣體向下運動能力減弱。由于下降管段中氣體密度較小，產生重位壓降，從而造成管道水頭損失急劇增加，增大了沖洗難度。在氣水沖洗過程中通過調節相關水力參數，可以實現對大口徑、多起伏管道的沖洗[9]。

上海市浦星公路新排DN800給水管道由于無法滿足南橋東社區的用水需求及安全要求，需要進行沖洗。此管道涉及多根橋管、拖管，最大高差約為20m，屬于大口徑多起伏大高差管道，采用常規沖洗法難以滿足規定的管道沖洗流速且耗水量大，將單相水沖洗與氣水沖洗進行比較分析，綜合考慮后選擇氣水沖洗法，沖洗流程如圖1所示。管道沖洗分三段進行，根據沖洗過程中的設備監測數據，調整控制空氣流量，水流量和氣、水流量間歇比等，沖洗過程中的控制參數如表1所示。

圖1 氣水沖洗流程示意圖

表1 沖洗過程控制參數

通過氣水沖洗法解決了大高差多起伏管道沖洗難題，與傳統方法相比節約沖洗水量70%以上。沖洗過程中某天各時刻管道濁度變化如圖2所示，表2展示了沖洗結束及經過一段時間后管網出口的各項水質監測數據，均滿足規定的水質要求。

圖2 沖洗過程管網水濁度變化

表2 管網出口水質情況

2.2.2 氣水沖洗后消毒劑減量

供水管道中普遍存在著多種微生物，由于輸送距離較長，消毒劑在輸送到建筑小區時含量較低，管壁會產生一定厚度的生長環，降低供水的微生物安全性。為了實現對供水管道的消毒，保障供水的安全衛生，有多種消毒工藝可供選擇。

管道經過氣水沖洗后，附著在管內的一部分生物環等剝離脫落，隨后被水流沖走，可以降低后續消毒劑的用量，消毒劑抑制微生物的生長繁殖，使得供水管道滿足所滅活微生物的CT值，保證管道的微生物安全性。北京市市郊某大型企業內部的給水管道口徑為DN400,管內生長環厚度達100mm，通過氣水沖洗去除管道內部的生長環，歷時15h后水質達標，保障了后續安全供水[12]。

3.在役管道計劃沖洗

3.1 市政管道沖洗計劃

已經投入使用的市政管道，隨著使用時間的延長，管道內部會發生不同程度的銹蝕，內壁有結垢附著，降低了市政管道的供水能力，需要對管道進行沖洗。制定沖洗計劃時需要注意，沖洗過程中不能中斷供水服務，影響用戶的正常用水。根據市政管道所處的地形情況、閥門的裝設情況、管網實際情況等制定合適的沖洗方案，一般管道內的沖洗水流方向與原供水方向相反，沖洗流速不得小于規定流速1.2m/s，采用市政水壓沖洗管道，沖洗后去除的管道沉積物等通過排污口排出。

東莞市塘廈鎮自來水公司對使用中的DN800市政給水管道進行沖洗，根據管道的實際情況和施工條件，通過方案比選選擇了單向流沖洗法，并增設了排泥口、排氣閥，制定沖洗計劃后進行管道沖洗，達到了預期效果[14]。

3.2 夏季三定沖洗

由于在供水過程中管道內消毒劑濃度逐漸降低，加上管網末端流速很慢、滯留時間長、流動性差，管道內的積垢在水流沖洗下脫落然后停滯在管網末端，在管網末梢容易造成微生物的大量繁殖，有時會出現紅水、黃水、渾水等現象，造成水質變臭，色度增高，影響人們身體健康，具有極大的健康隱患。Regana等人[15]的研究表明，在夏季即使管網中存在一定濃度的消毒劑，仍然會發生硝化作用，造成異養菌的大量繁殖。在夏季有利于微生物生長的環境條件下，微生物生長繁殖速度加快，為了去除管壁上的生物環，管道沖洗顯得尤為重要。通過三定沖洗可以去除附著在管壁上的微生物，更新管道內長期滯留存水，保證管道的安全衛生。

4.不同口徑管道沖洗策略

4.1 氣水沖洗法沖洗市政管道

4.1.1 氣水沖洗法基本原理

沖洗口徑較大（DN400以上）的管道，采用傳統的沖洗方法會造成水量的浪費，且難以達到規定的流速要求。針對大口徑的市政管道，可以采用氣水沖洗法。氣水沖洗法的基本原理為利用空壓機向供水管道內輸送高壓氣體，在管道內形成氣水混合物，利用空氣的可壓縮性使水和氣的混合流體在管道中形成強烈的紊動，高速流動的混合流體使得水流與管壁間的切應力增大，從而將結垢和沉積物剝離沖走，提高了沖洗效果[16]。涉及到的理論基礎有（1）“水平管二相流理論”，一定壓力與流量的壓縮空氣間歇通入管道形成“段塞流”，對管壁沉積物的去除起主要作用；（2）三相流理論：水、氣、渣三相混合，使流體質量增大，作用于管壁附著物；（3）脈沖理論：能量驟聚驟散；（4）水錘理論：氣水混合后利用空氣的可壓縮性形成水錘，沖擊震蕩管壁附著物[17]。

氣水沖洗法與傳統沖洗法相比，能夠節約水量、減少沖洗時間，具有良好的經濟效益；而且對上游來水條件要求低，可以實現“小管沖大管”的可能；在大口徑或較大高差、高低起伏、非開挖管道等復雜管道的沖洗中采用氣水沖洗法，可以取得良好的沖洗效果。目前氣水沖洗法在工程中得到了推廣和應用。

4.1.2 氣水沖洗法的工程應用及經濟效益分析

在上海市北青公路DN1000給水管排管工程中，采用氣水沖洗法沖洗新建市政給水管道，沖洗分成2段，使用流量計測量水質混濁程度，測試后發現可以有效降低渾濁度，獲得良好的沖洗效果，且在沖洗過程中沒有影響用戶的正常用水[18]。上海南匯DN500的供水管道沖洗工程中，前期采用傳統沖洗時濁度不再下降，無法達到驗收要求，后期進行氣水沖洗，沖洗耗時1h，所需用水量僅為443.6m3，滿足驗收的濁度要求，而采用前期的傳統沖洗法所需水量遠遠大于氣水沖洗，且濁度沒有達到驗收要求[19]。天津市某水廠A至水廠B之間有DN800鋼管（有混凝土內襯）原水管道，該管道在役使用多年，內壁存在的各種雜質對用戶用水造成不利影響，需要進行管道沖洗。由于管道距離長且途徑市區，進行管道沖洗具有一定困難，需要保證管道不受損，將管道分為三個工作段實施氣水沖洗，沖洗結束后管道中原有的沉積物、附著物、微生物等雜質均被沖洗掉，管道沖洗效果十分理想，與傳統沖洗法相比節約水量11.9%，沖洗時間僅為傳統沖洗法所需時間的1/3[20]。在工程中沖洗過程的濁度變化、沖洗時間、沖洗水量等相關數據如表3所示。

表3 沖洗過程相關數據

4.2 小區管道沖洗

針對小區管道，可采用冰水混合物沖洗。冰水混合物兩相流同時具備液體的流動性和固體的特性，可以適應管道各種形狀的變化，通過摩擦剪切作用可以有效去除管道內部的結垢和生物膜等，增強管道的流通能力，保證供水的有效性，同時在沖洗過程中添加消毒劑對管道進行消毒，提高供水過程的安全性與穩定性。并且冰對人體無害。研究發現，當含冰率高的冰水混合物在管道中通過時，會出現獨特的“活塞狀”流動，在不與管道內介質混合的情況下提高了冰水混合物在管道內的流通能力，從而推動其前方的流體，并且使這些流體與冰水混合物之后的流體分離開[21]。發明的冰水混合物同步清洗和消毒方法，向管道中注入冰水混合物并不斷攪拌保持均勻，同時投加0.3mg/L～1.0mg/L次氯酸鈉、次氯酸鈣、氯胺等消毒劑進行消毒，最終可以實現沉積物和生物膜的去除，沖洗效果好，操作簡單，提高了管道的供水能力。SUEZ公司研制的AQL500全自動碎冰清管機可以連續運行，為采用冰漿清潔工藝管道生產線的最高效的即用型技術，能夠顯著減少廢水量、耗水量和能源使用，可以實現70%～90%的純凈產品回收率，減少沖洗時間，提高了沖洗效率。

4.3 室內管道沖洗

檸檬酸為一種弱酸，不具備毒性，對金屬等的腐蝕性較小，除銹效果非常顯著。水垢的主要成分為碳酸鹽，在高溫條件下，檸檬酸會與水垢發生化學反應，酸堿中和，達到良好的去除水垢效果。室內管道常出現較硬水質和高雜質的問題，采用一般的化學沖洗劑較難達到理想的去污效果，通過食品級檸檬酸將水質進行軟化處理，通過水流周波水震蕩的方法沖洗管道，可以將管道內沉積許久的水垢剝離脫落，使管道保持清潔和暢通[22]。采用檸檬酸化學沖洗方法可以有效去除管道中的油污、銹垢、焊渣等物質，增加管道的輸送能力。

趙欣等[23]發明的一種供水管道清洗復合劑，由檸檬酸等配制而成，能夠清除管道內壁的污垢和沉積物，去除重金屬離子，具有良好的殺菌效果，抑制微生物生長繁殖。還可以使清洗過的金屬管道表面形成致密的化學鈍化膜，有效減慢污垢再次積蓄的速度。檸檬酸易溶于水，沖洗后不會殘留在管道中，通過檸檬酸沖洗管道可以顯著延長管道的使用壽命，提高管道的供水安全性。

5.結論與建議

供水管道沖洗消毒是供水系統的重要一個環節，關系到供水的安全性與有效性。由于各種技術原因限制，目前管道沖洗中常常會出現沖洗流速不夠、消毒效率低等問題，針對不同情況的供水管道，需要比較沖洗方案，選擇合適的沖洗消毒技術。通過管道的沖洗消毒，可以有效改善水質，增加管道的輸送能力，延長使用壽命，具有廣闊的應用前景。