達(dá)標(biāo)的出廠水經(jīng)過管網(wǎng)輸配以后，由于在管網(wǎng)中會(huì)發(fā)生一系列物理、化學(xué)和微生物作用過程，使得管網(wǎng)末端龍頭水的水質(zhì)會(huì)下降。我國(guó)南水北調(diào)工程的實(shí)施使得很多城市形成多水源供水格局，而多水源切換可能導(dǎo)致管垢中金屬顆粒物的釋放。管網(wǎng)中金屬特別是鐵顆粒物的大量釋放會(huì)使得管網(wǎng)水體顏色發(fā)黃，濁度及色度明顯升高，俗稱“黃水”問題，這成為供水安全的新挑戰(zhàn)。2008年北京切換河北黃壁莊水庫(kù)水，結(jié)果在以前地下水供水區(qū)域發(fā)生了大面積“黃水”；2016年美國(guó)弗林特市水源由休倫湖水切換為弗林特河水爆發(fā)了嚴(yán)重的“黃水”事件。因此，多水源供水條件下如何對(duì)管網(wǎng)“黃水”敏感區(qū)進(jìn)行識(shí)別并提出控制措施以維持管網(wǎng)水質(zhì)穩(wěn)定對(duì)飲用水安全保障具有重要意義。
主要研究及成果
針對(duì)以上問題，在國(guó)家“水專項(xiàng)”課題（2012ZX07404-002、2017ZX07108-002）和國(guó)家自然科學(xué)基金（51308529、51878654）等資助下，中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心胡春、石寶友和王海波等老師通過研究管網(wǎng)進(jìn)水水質(zhì)、生物膜及管垢化學(xué)組成之間的關(guān)系，取得了如下成果：
1. 提出了管垢中Fe3O4組分是管垢穩(wěn)定的重要評(píng)價(jià)指標(biāo)。我們對(duì)南水北調(diào)北京受水區(qū)管垢化學(xué)組成進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)如果管垢組成中Fe3O4/α-FeOOH比值大于1，這種管垢非常穩(wěn)定，在水源切換時(shí)不易發(fā)生“黃水”，如果該比值小于1，那么水源切換時(shí)有發(fā)生“黃水”的風(fēng)險(xiǎn)。
2. 闡明了管網(wǎng)進(jìn)水硝酸鹽氮濃度和管網(wǎng)生物膜群落組成是判斷管垢穩(wěn)定性的重要因素。如圖1所示，管網(wǎng)進(jìn)水NO3--N濃度如果低于3 mg/L，長(zhǎng)期運(yùn)行條件下管網(wǎng)生物膜中鐵還原菌和硝酸鹽還原菌會(huì)成為優(yōu)勢(shì)菌屬，其呼吸代謝容易引發(fā)鐵的氧化還原循環(huán)過程，從而加速管垢中Fe3O4形成，管垢致密穩(wěn)定，水源切換時(shí)不易發(fā)生“黃水”。如果管網(wǎng)進(jìn)水NO3--N濃度高于7mg/L，硝酸鹽還原菌引發(fā)硝酸鹽還原鐵氧化過程，使管垢中形成大量α-FeOOH，管垢不穩(wěn)定，水源切換時(shí)易發(fā)生“黃水”。
圖1. 鐵的微生物轉(zhuǎn)化過程對(duì)管垢穩(wěn)定性的影響
3. 開發(fā)了通過調(diào)控管網(wǎng)生物膜群落組成以穩(wěn)定管垢的技術(shù)。對(duì)飲用水管網(wǎng)不穩(wěn)定的區(qū)域采用臭氧生物活性炭深度處理或者增加紫外氯聯(lián)合消毒可有效調(diào)控飲用水管網(wǎng)生物膜群落組成，步驟包括：調(diào)整臭氧投加量0.8~1.2 mg/L，活性炭接觸時(shí)間10~15 min，把管網(wǎng)進(jìn)水生物可同化有機(jī)碳(AOC)濃度控制在100 μg/L以下，限制異養(yǎng)菌生長(zhǎng)；增加紫外氯聯(lián)合消毒，控制紫外劑量30~40 mJ/cm2，調(diào)節(jié)管網(wǎng)硝酸鹽還原菌和鐵還原菌為優(yōu)勢(shì)菌屬，通過微生物誘導(dǎo)的鐵的氧化還原過程加速管垢中Fe3O4形成，使管垢穩(wěn)定。
成果應(yīng)用情況及推廣前景
針以上成果成功對(duì)南水北調(diào)北京、河北受水區(qū)管網(wǎng)穩(wěn)定性進(jìn)行了預(yù)判，并對(duì)以上區(qū)域順利接納南水北調(diào)水提供了重要的技術(shù)支撐。該成果特別應(yīng)用于2014年以來北京市南水北調(diào)中線水源切換的工程實(shí)踐，經(jīng)過半年每月兩次的第三方水質(zhì)監(jiān)測(cè)，沒有發(fā)生明顯黃水，且水質(zhì)全面提升，受益人口達(dá)1000萬以上，取得了重要的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。
相關(guān)文獻(xiàn)及專利：
1、Haibo Wang, Chun Hu*, Lili Zhang, Xiaoxiao Li, Yu Zhang, Min Yang. Effects of microbial redox cycling of iron on cast iron pipe corrosion in drinking waterdistribution systems. Water Research, 2014, 65, 362-370.
2、Haibo Wang, Chun Hu*, Luchao Han, Min Yang. Effects of microbial cycling of Fe(II)/Fe(III) and Fe/N on cast iron corrosion in simulated drinking waterdistribution systems. Corrosion Science, 2015, 100, 599-606.
3、Haibo Wang, Chun Hu*, Lang Yin, Sujia Zhang, Lizhong Liu. Characterization of chemical, composition and bacterial community of corrosion scales in different drinking water distribution systems. Environmental Science: Water Research & Technology, 2017, 3, 147-155.
4、尹朗, 趙丹, 張素佳, 王海波*. 飲用水管網(wǎng)生物膜細(xì)菌群落特征及其對(duì)腐蝕的影響. 環(huán)境工程學(xué)報(bào), 2016, 10(10), 5453-5458.
5、王海波, 胡春, 石寶友. 飲用水管網(wǎng)腐蝕層的穩(wěn)定性判別及調(diào)控方法, 申請(qǐng)?zhí)?01910159037.1, 發(fā)明專利.
本文作者是來自中國(guó)科學(xué)院生態(tài)環(huán)境研究中心的王海波，他憑借"多水源供水條件下飲用水管網(wǎng)黃水敏感區(qū)識(shí)別與控制技術(shù)"工作獲得了2019年度"首創(chuàng)水星獎(jiǎng)"產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新類銀獎(jiǎng)。
“首創(chuàng)水星獎(jiǎng)”由國(guó)際水協(xié)會(huì)中國(guó)青年委員會(huì)（IWA Young Water Professionals China Chapter）與北京首創(chuàng)股份有限公司聯(lián)合創(chuàng)立，旨在推進(jìn)中國(guó)水與環(huán)境領(lǐng)域青年科技人才開展創(chuàng)新基礎(chǔ)研究、核心技術(shù)開發(fā)與產(chǎn)學(xué)研融合，推動(dòng)并引領(lǐng)水與環(huán)境產(chǎn)業(yè)技術(shù)進(jìn)步和跨越升級(jí)。
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