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调查与研究表明,饮用水在管网系统中的输配过程对用户末端水质有重要影响。如何尽可能避免和控制饮用水输配过程中的“二次污染”,对保障用户端的饮用水安全具有重要意义。
本研究以上海杨树浦水厂出厂水和北京市第九水厂出厂水为研究对象,针对消毒对输配水水质的影响,研究了不同输配管网中的水质变化规律、不同管材对水质的影响以及不同水质参数对输配过程水质变化的影响。结果表明,饮用水在输配过程中水质会发生明显变化,主要表现为消毒剂在管网输配过程中的衰减、金属离子的溶出、浊度的升高和消毒副产物的变化等。金属管材对水质的影响主要表现为金属的溶出及溶出金属沉淀析出而造成的浊度升高。采用SEM、EDX、XRD等分析手段表征了金属管材内壁的腐蚀情况。pH、初始消毒剂浓度等水质条件对输配水水质有较大影响,提高出厂水pH值能有效控制金属管材金属腐蚀、溶出和释放,是提高输配水化学稳定性的重要手段。消毒剂投量过高,其衰减速率加快,而且促进管材的腐蚀与金属溶出,不利于保障水质稳定与安全。优化出厂水消毒工艺的消毒剂种类和投量,在维持管网足够的消毒剂浓度的前提下尽可能降低消毒剂投量,是保证饮用水水质稳定的重要手段。
在模拟水质在不同管材系统中水质变化及对实际管网调研的基础上,重点针对金属管材(铜管、镀锌管)中金属离子铜、锌的溶出,深入探究了金属离子对消毒剂氯胺的稳定性及消毒副产物生成过程的影响。发现铜离子对氯胺有明显的催化降解作用,而锌离子对氯胺的衰减则没有任何影响。在pH5.0-8.5范围内,催化效果随着pH的降低而升高;并随着铜离子和氯胺初始浓度的增加而升高。紫外扫描显示,降低pH和增加铜离子含量对氯胺形态转化具有相同作用,进行固相萃取和XPS表征证实了催化过程中存在Cu(Ⅰ),并利用ESR表征进一步分析了反应过程中的羟基自由基和氨基自由基。提出了铜离子催化氯胺衰减的机理:
1)铜离子与氯胺的络合作用所产生的直接催化;
2)铜离子导致氯胺溶液中产生自由基所引发的间接催化。直接催化类似于质子酸催化氯胺分解的过程,铜离子的络合作用促进了氯胺的形态转化,二氯胺形成后再与一氯胺迅速发生氧化还原反应生成产物N2,Cl-, NH3和H+等。间接催化过程中产生的羟基、氨基自由基对氯胺的衰减也有一定的贡献,但自由基反应产生的催化作用要明显低于铜离子络合产生的直接催化作用。对比研究了不同pH条件下腐殖酸氯化和氯胺化过程中铜离子对三氯甲烷(THM)生成的催化作用,结果显示铜离子对消毒副产物THM的生成具有明显的催化作用,且催化效果均随pH升高而降低,同时氯胺化过程的催化效果更明显。碳酸盐存在下的实验证明了投加铜离子导致氯胺分解产生羟基自由基是催化作用的原因之一。通过模型有机化合物的研究,提出铜离子催化作用的主要机理是因为促进了腐殖酸酸中柠檬酸类结构生成THM的反应过程。