专利名称：给水管网水质化学稳定性研究用的管段模拟反应器和方法
技术领域：
本发明是涉及饮用水处理中的管网安全输配领域，是利用实际给水管网腐蚀管段，适用于研究给水管网水质化学稳定特性及其控制技术的装置和方法。
背景技术：
随着社会和经济的发展，人们对于水资源特别是饮用水资源的需求日益增加。饮用水水质的保障一直是供水行业普遍关注的热点，为此国内外的很多水厂对传统的混凝、 沉淀、过滤、消毒的常规工艺进行改进，增加了预处理、深度处理等工艺，但是用户的出水仍然会出现浊度、色度、铁含量超标的现象，严重时出现“黄水”现象(国外多称为“Red water”)。事实上，出现这种情况的原因，并非是自来水厂出水超标造成的。由于水在给水管网输送过程中，自来水与管壁之间发生了复杂的物理、化学和生物反应，造成了管网水的二次污染。美国科学家MEdwards在2003年IWA年会的报告中指出给水管网中出现的各种水质问题将是21世纪世界各国供水行业的极大挑战，对给水管网中水质变化的研究逐渐成为研究的热点。为了保障饮用水的供水安全性，提出给水管网水质稳定性的概念，即给水管网只应起到输配水的作用，且在给水管网中应保持自来水水质的稳定，其所含化学成分、微生物等水质指标不应发生明显恶化。给水管网水质稳定性主要包括化学稳定性和生物稳定性两个方面。其中，在给水管网的水质化学稳定性问题中，铁稳定性问题尤为突出。因此对于给水管网铁稳定性的研究是相当必要的。随着城市供水安全性和可靠性的需要不断增加，我国北方地区大中城市常采用双水源或多水源供水，这种季节性的水源切换和长距离调水工程，造成了原水水质的突变，使得城市供水系统面临新的管网化学稳定性的问题。调来的水源水质与本地水源水质由于水质化学组分存在较大的差异，特别是水源周期性切换，短期内水质突变，极有可能引起管网内管垢表面原有的稳定保护层发生破坏，加速管道腐蚀，促进铁元素的释放，引发“黄水”问题。对于我国南方城市低硬度、低碱度的水质，管网腐蚀的问题更为严重，也需要进行水质调节以控制管网的过度腐蚀。因此对给水管网化学稳定性问题展开研究，形成适当的控制技术是迫切需要的。目前在国内外的管网水质稳定性和管网腐蚀研究中，在模拟管网影响的水质变化时，主要采用两种类型的模拟装置。一类是由数米至数十米长度的管段构成的管道回流反应器(Pipe-loop reactor)，保持管道内水力流动状态，模拟在流动状态下的水流与管道内壁之间的反应。但是，由于需要保持管道流速与实际范围(0.5-1.5m/s)相同，水流在单个管道回路中的水力停留时间只有几秒(数米长管道)至几分钟(数十米长管道)，水力停留时间过短，不足以反映出水质的变化，因此必须采用水泵回流的方式循环运行，因此称之为管道回流反应器。这种反应器的不足之处是，设备体积过大，能耗很高，不便于开展多种条件下的对比试验。另一类试验装置是旋转挂片反应器，在一个搅拌反应器内悬挂多个挂片， 在与水流长期接触的条件下，测定挂片和水质的变化。此类装置主要用于管道材质的腐蚀试验，用于实际管段的不足之处是实际管段样品难以制作成挂片，反应器内的水样体积与挂片表面积的比例远大于管道实际情况。在这种背景条件下，急需开发研制运行便捷、操作简单、与实际管道条件相似的管段模拟反应器装置和方法。
发明内容
本发明的目的在于研发一种用于研究给水管网水质化学稳定性问题的装置及方法，具有便于试验研究、管理简便、能够使用已运行多年的实际管段等特点。本发明的技术核心是以搅拌产生的横向环流来近似模拟实际给水管道中的纵向水流流动条件，从而在较短的管段长度中可以模拟水与管段内壁管垢长时间接触产生的水质变化。本发明是一种适用于给水管网水质化学稳定性研究用的管段模拟反应器，其特征在于，该装置包括试验管段、有机玻璃盖板、电机支座以及微电机，其中试验管段，是一段取自于不同使用年限、或不同地区、或不同水厂供水范围、或不同管材以及或不同管径给水管网的已腐蚀管段，在其外壁和切口处涂覆有环氧树脂；有机玻璃盖板，在所述试验管段两端的环形切口断面上各盖有一块，两块所述有机玻璃盖板的外周用多个螺栓连接，在各所述有机玻璃盖板与相应所述的环形切口断面间用橡胶垫圈密封，而该橡胶垫圈与相应所述的环形切口断面间内衬聚四氟乙烯垫片，在第一所述有机玻璃盖板上开有多个能插入包含PH电极、溶解氧电极、余氯电极在内的多种探头的插口，各所述插口能兼作药剂投加口用，在第二所述有机玻璃盖板上开有取样口和进水口 ；电机支座，下部与第一所述有机玻璃盖板连接，上部用来固定搅拌电机，中部侧壁上开有溢流口和出水口；微电机，安装在所述电机支座上，且与所述试验管段同轴，该微电机的转动轴末端同轴连接有一个耐腐蚀的搅拌桨，经所述电机支座插入所述试验管段内。根据本发明而提出的一种管道水滞留条件的静态试验方法，其特征在于，依次含有以下步骤步骤(1)，设定水质条件的试验水通过进水口或探头插口引入到管段模拟反应器中的试验管段内，一直到淹没试验管段上边缘，再关闭所述进水口 ；步骤O)，微电机带动搅拌桨对所述试验管段内的水体进行搅拌，同时，调整所述微电机的转速，控制所述试验管段内壁剪切流速与实际管道水流流速相同；其中，试验管段内壁剪切流速可通过以下公式计算得到V = ω · R式中V为管壁剪切流速，ω为电机转速，R为搅拌桨半径，实际管道水流流速通常为0. 5-1. 5m/s，设定某一管道流速，并令其与模拟剪切流速相等，即可求得电机所需转速；步骤( ，通过外接在线监测仪表对反应器内试验水样的相关指标进行监测，并通过自动加药系统控制相应药剂的投加量，以精确调控反应器内试验水样的该项指标(消毒剂、PH等)处于预设浓度范围；步骤(4)，经过设定的一段滞留时间后，打开取样口，监测出水水质，在把所述试验管段内所述试验水放空后，再重新加入新的试验水。根据本发明而提出的一种管道水流动条件的动态试验方法，其特征在于，依次含有以下步骤步骤(1)，设定水质条件的试验水通过流量计或计量泵由进水口引入到试验管段中，所述试验水自下而上，直到由溢流口流出；步骤O)，微电机带动搅拌桨对所述试验管段内的水体进行搅拌，同时，调整所述微电机的转速，控制所述试验管段内壁剪切流速与实际管道水流流速相同；步骤( ，通过外接在线监测仪表对反应器内试验水样的相关指标进行监测，并通过自动加药系统控制相应药剂的投加量，以精确调控反应器内试验水样的该项指标(消毒剂、PH等)处于预设浓度范围；步骤，试验水采用直流式流动或循环式流动，定期监测出水水质。本发明是一种适用于给水管网水质化学稳定性研究的管段模拟反应器装置和方法，具有以下优点(1)本发明以搅拌产生的横向环流来近似模拟实际给水管道中的纵向水流流动条件，从而在较短的管段长度中可以模拟水与管段内壁管垢长时间接触产生的水质变化，实现了管段模拟反应器的小型化。(2)本发明利用实际给水管网腐蚀管段作为反应器主体，使得试验用水与管垢充分接触，并保持了管道内壁与水样体积的实际比例。同时，该装置的盖板和密封件均采用的惰性材料，保证仅有管段内壁管垢与水中化学组分发生反应，从而使该反应器出水水质能够真实准确地反映水质化学组分对给水管网内壁管垢化学稳定特性的影响。(3)本发明充分考虑了实际给水管网内的水质、水力条件，采用在线监测仪器，精确地监测并调控管网水的pH、溶解氧和余氯条件，同时保证管网内的水流剪切条件，有效地模拟了真实给水管网的水质和水力条件。(4)本发明安装灵活、运行简单、操作便捷，可用于不同特征的给水管网，并可以灵活地调整运行参数，适应能力强。(5)本发明用途多样，适用范围广，可用于研究水中腐蚀性离子(硫酸根和氯离子)、酸碱条件(PH和碱度)、氧化还原条件(溶解氧和余氯)、硬度等对给水管网化学稳定性的影响特性及其相应的控制技术，还可用于研究水力条件(转速、水流方向)对给水管网化学稳定特性的影响。
图1是本发明“管段模拟反应器”的侧向剖面图，图中，1-微电机，2-搅拌桨，3-螺栓连接孔，4-橡胶垫圈(具有聚四氟乙烯内衬)，5-试验管段，6-有机玻璃盖板，7-取样口或进水口，8-溢流口或出水口，9-探头插口(可插入pH电极、溶解氧电极、余氯电极等)，下同；图2是本发明“管段模拟反应器”的正向剖面图；图3是该反应器有机玻璃上盖板的俯视图；图4是该反应器有机玻璃下盖板的仰视图；图5是硫酸根浓度对管段铁释放速率的影响效果图(注图中标示点为N = 6次
5测试的平均值及误差线，各反应器铁释放速率增加值为相对于硫酸根浓度25mg/L稳定运行期的增加值)；图6是硫酸根浓度对管段出水浊度的影响效果图(注图中标示点为N = 6次测试的平均值及误差线，各反应器出水浊度增加值为相对于硫酸根浓度25mg/L稳定运行期的增加值)；图7是硫酸根浓度对管段出水色度的影响效果图(注图中标示点为N = 6次测试的平均值及误差线，各反应器出水色度增加值为相对于硫酸根浓度25mg/L稳定运行期的增加值)。
具体实施例方式本发明是一种适用于给水管网水质化学稳定性研究的管段模拟反应器装置和方法，为了更清楚的说明本发明的技术特点，下面通过实施方式，并结合附图进行说明1.管道水滞留条件的静态试验实施方式。步骤(1)，设定水质条件的试验水通过进水口 7或探头插口 9引入到管段模拟反应器中的所述试验管段5内，一直到淹没试验管段上边缘，再关闭所述进水口 7 ；步骤( ，微电机1带动搅拌桨2对所述试验管段内的水体进行搅拌，同时，调整所述微电机1的转速，控制所述试验管段内壁剪切流速与实际管道水流流速相同；步骤(3)，通过探头插口 9的电极外接在线监测仪表对反应器内试验水样的相关指标进行监测，并通过自动加药系统控制相应药剂的投加量，以精确调控反应器内试验水样的该项指标(消毒剂、PH等)处于预设浓度范围；步骤0)，经过设定的一段滞留时间后，打开取样口 7，监测出水水质，在把所述试验管段内所述试验水放空后，再重新加入新的试验水。2.管道水流动条件的动态试验实施方式。步骤(1)，设定水质条件的试验水通过流量计或计量泵由进水口 7引入到试验管段5中，所述试验水自下而上，直到由溢流口 8流出；步骤( ，微电机1带动搅拌桨2对所述试验管段内的水体进行搅拌，同时，调整所述微电机1的转速，控制所述试验管段内壁剪切流速与实际管道水流流速相同；步骤(3)，通过探头插口 9的电极外接在线监测仪表对反应器内试验水样的相关指标进行监测，并通过自动加药系统控制相应药剂的投加量，以精确调控反应器内试验水样的该项指标(消毒剂、PH等)处于预设浓度范围；步骤(4)，试验水采用直流式流动或循环式流动，定期监测出水水质。利用该发明装置和方法针对硫酸根对给水管网铁稳定性的影响进行了试验研究。 试验管段取自于已使用20年左右的DN100无衬铸铁管，管段长度为10cm，外壁和切口处均用环氧树脂涂覆，电机转速为300转/分(管壁流速约为0. 6m/s)，停留时间为8小时，各反应器内水样的硫酸根浓度分别为50mg/L、75mg/L、100mg/L、130mg/L、180mg/L,监测反应器出水的总铁浓度、浊度和色度，试验结果如附图5-7中所示。结果表明，随着硫酸根浓度的增加，管段管垢的铁释放量也相应增加，造成水样的总铁、浊度、色度指标明显升高。综上所述，本发明装置和方法安装灵活、操作简单、用途广泛，易于在实验室小试系统研究使用，能够真实准确地用于研究给水管网中多种水质、水力条件对水质化学稳定性的影响，以及原水水质化学组分变化条件下管网水质稳定性的控制技术。研究成果易于推广，适用性强，可以有效地改善管网出水水质，提高给水管网安全输配饮用水的能力。
权利要求
1.给水管网水质化学稳定性研究用的管段模拟反应器，其特征在于，该装置包括试验管段、有机玻璃盖板、电机支座以及微电机，其中试验管段，是一段取自于不同使用年限、或不同地区、或不同水厂供水范围、或不同管材以及或不同管径给水管网的已腐蚀管段，在其外壁和切口处涂覆有环氧树脂；有机玻璃盖板，在所述试验管段两端的环形切口断面上各盖有一块，两块所述有机玻璃盖板的外周用多个螺栓连接，在各所述有机玻璃盖板与相应所述的环形切口断面间用橡胶垫圈密封，而该橡胶垫圈与相应所述的环形切口断面间内衬聚四氟乙烯垫片，在第一所述有机玻璃盖板上开有多个能插入包含PH电极、溶解氧电极、余氯电极在内的多种探头的插口，各所述插口能兼作药剂投加口用，在第二所述有机玻璃盖板上开有取样口和进水 Π ；电机支座，下部与第一所述有机玻璃盖板连接，上部用来固定搅拌电机，中部侧壁上开有溢流口和出水口；微电机，安装在所述电机支座上，且与所述试验管段同轴，该微电机的转动轴末端同轴连接有一个耐腐蚀的搅拌桨，经所述电机支座插入所述试验管段内。
2.根据权利要求1所述的给水管网水质化学稳定性研究用的管段模拟反应器而提出的一种管道水滞留条件的静态试验方法，其特征在于，依次含有以下步骤步骤(2. 1)，设定水质条件的试验水通过进水口或探头插口引入到管段模拟反应器中的试验管段内，一直到淹没试验管段上边缘，再关闭所述进水口 ；步骤(2.幻，微电机带动搅拌桨对所述试验管段内的水体进行搅拌，同时，调整所述微电机的转速，控制所述试验管段内壁剪切流速与实际管道水流流速相同；步骤0.3)，通过在线监测仪表对反应器内试验水样的相关指标进行监测，并通过自动加药系统控制相应药剂的投加量，以精确调控反应器内试验水样的该项指标(消毒剂、PH 等)处于预设浓度范围；步骤(2. 4)，经过设定的一段滞留时间后，打开取样口，监测出水水质，在把所述试验管段内所述试验水放空后，再重新加入新的试验水。
3.根据权利要求1所述的给水管网水质化学稳定性研究用的管段模拟反应器而提出的一种管道水流动条件的动态试验方法，其特征在于，依次含有以下步骤步骤(3. 1)，设定水质条件的试验水通过流量计或计量泵由进水口引入到试验管段中， 所述试验水自下而上，直到由溢流口流出；步骤(3.幻，微电机带动搅拌桨对所述试验管段内的水体进行搅拌，同时，调整所述微电机的转速，控制所述试验管段内壁剪切流速与实际管道水流流速相同；步骤(3.3)，通过在线监测仪表对反应器内试验水样的相关指标进行监测，并通过自动加药系统控制相应药剂的投加量，以精确调控反应器内试验水样的该项指标(消毒剂、PH 等)处于预设浓度范围；步骤(3. 4)，试验水采用直流式流动或循环式流动，定期监测出水水质。
全文摘要
给水管网水质化学稳定性研究用的管段模拟反应器和方法，属于饮用水处理技术领域。其特征在于以搅拌产生的横向环流来模拟实际管道中的纵向水流条件，研究水与管段内壁管垢长时间接触产生的水质变化。截取具有一定使用年限的腐蚀管段，与有机玻璃盖板连接成“管段模拟反应器”。反应器上设备有探头插口，可外接pH、溶解氧和余氯等在线监测系统和药剂自动投加设备，将试验水质参数稳定运行在一定范围。开启微电机带动搅拌桨对反应器内水体进行搅拌，试验水体与腐蚀管垢经过一段时间接触后，水中的化学离子组分与管垢发生反应，从而导致管垢金属离子释放。根据研究得到的相关技术参数，能很好地使用户出水水质达到国家标准饮用水的目标要求。
文档编号G01N33/18GK102426224SQ201110258380
公开日2012年4月25日 申请日期2011年9月2日 优先权日2011年9月2日
发明者张晓健, 汪隽, 米子龙, 陆品品, 陈超 申请人:清华大学