管網消毒、清洗、非開挖修復診斷與評估技術
01 研究背景
西南五區(青浦、松江、金山、奉賢、閔行5個區)供水管網長度約為10 560 km。“十二五”期間，郊區供水管網基本形成分片集約的供水格局，全市供水安全保障能力得到進一步加強。供水企業對管齡較長、易爆易漏、材質較差的供水管網進行更新改造，結合金山、青浦水廠等新建及擴建工程，累計敷設DN500以上管道約350 km，改建DN300以下小口徑管網約2200 km。雖然供水管網基礎設施已得到進一步完善，但管網生物風險與水質調控亟待加強。隨著西南五區水源取水口歸并，水廠集約化，導致供水管網輸配距離增加，停留時間延長，流速慢，供水管網生物風險大幅提升。
管網消毒、清洗、非開挖修復診斷與評估關鍵技術研究術語國家科技重大專項“金澤水庫原水水處理工藝優化與安全輸配技術研究與應用”(2017ZX07207004)課題的研究任務之一。依托“十二五”水專項供水管網水質安全多級保障與漏損控制技術研究與示范的研究成果，結合上海市集約化供水和用戶端水質保障示范工程的應用經驗，開展供水管網水質安全綜合風險評估與調控技術研究。關鍵技術結合管網水質特點和運行現狀，綜合評估管網特征，提出供水管網分級調控和改造方案，協同管網多級消毒、沖洗、修復，保障供水管網運行安全，構建管網輸配多級保障體系。
02 研究內容
研究供水管網水體中生物指標、化學指標的變化規律，統計物理指標、化學指標與生物指標變化的相關性；研究確定表征管網水質與運行安全的關鍵指標與綜合指標，以及管網補充消毒、管道沖洗、修復等調控措施的啟動條件。
基于管網水質分析和運行診斷評估結果，結和現場條件，研究制定分級調控方案：對于輕度腐蝕結垢、水齡長、水質異常的管道，開展管網沖洗；對于腐蝕結垢嚴重、漏損、受損程度高的管道，開展非開挖修復；對超役、重度腐蝕或嚴重老化、破損的管道采取更新改造措施；對于余氯(總氯)無法達到控制目標的區域開展管網補充加氯消毒。
03 關鍵技術
3.1 技術內涵
以物理指標、化學指標、生物指標的變化為表征，分析管網水質與生物安全性；根據水質特點和管網特征，科學選用消毒、清洗、非開挖修復技術提升管網水質，集成供水管網水質調控技術，保障供水管網運行安全。
3.2 技術工藝
3.2.1 管網診斷評估技術
傳統管網檢測主要利用聲學原理，需要依靠技術人員的工作經驗，主要針對管道漏損檢測，具有一定的局限性。目前，上海市多采用基于視頻和聲學的、無損的狀態評估檢測技術，用于日常管道狀態的診斷評估與漏點定位，客觀反映管道內部狀況。通過管道內窺檢測，得到管道受損面積占比和異常點數量，并結合其受損程度，綜合評估管道受損狀態，如表1和圖1所示。
上述管網檢測評估技術適用于中大口徑管道(≥DN300)，可在不影響管網正常供水運營的狀態下對管道內部的多種狀態進行檢測。對于小口徑管道( 3.2.2 管網清洗技術 目前，國內外普遍采用物理清洗技術，主要包括單向沖洗法、高壓射流法、機械刮管法、氣壓脈沖清洗法和碎冰清管法等(表2)。在實際工程中，需要綜合考慮管徑、管內流速、工程措施、排水要求等因素，科學選用管網清洗技術。 1)啟動條件 通過供水管網水質物理指標、化學指標與生物指標變化的相關性分析，篩選出渾濁度、余氯(總氯)、亞硝酸鹽、異養菌平板計數(HPC)、總鐵等關鍵指示參數，結合管網診斷評估結果，有條件的地區還可以模型模擬情況作為管網清洗措施的依據。除新建管網或管網維修后在并網前需按照相關標準進行管網沖洗消毒外，若出現下列情況可以考慮進行管網沖洗。 (1)管網水質特征 a.渾濁度偏高、余氯偏低的區域，尤其是經管網補氯后，末梢余氯仍低于0.1 mg/L； b.HPC、總鐵指標異常(Z-score標準化值均>1.8)的點或區域； c.出現亞硝酸鹽積累現象(高于0.075 mg/L)，水質穩定性較差的點或區域； d.其他管網薄弱環節(管網末梢、“黃水”現象等)。 (2)管網檢測診斷 通過管道檢測診斷，評估管道運行狀況，作為工程措施依據，對存在輕度腐蝕結垢或受損系數較低的管道進行沖洗。 (3)管網模型模擬 有條件的區域，可根據模型模擬情況，重點關注流速較低、水齡較長、余氯較低的管道。 2)工藝參數 目前，城市供水管網清洗普遍采用水力沖洗方式，主要包括單相沖洗法和氣水脈沖方法，工藝參數如下。 (1)單相沖洗法 a.沖洗水量可按沖洗管段容積的10～15倍進行測算； b.水流流速不小于1.2 m/s。 (2)氣水脈沖法 a.沖洗水量可按沖洗管段容積的4～6倍進行測算； b.進氣管末端壓力應大于沖洗管道水壓，壓差應大于0.03 MPa； c.入口水壓為0.25～0.40 MPa，入口氣壓為0.40～0.65 MPa； d.進氣時間為5～20 s，停氣時間為10～30 s； e.參數可根據沖洗效果適當調整。 3.2.3 管網多級消毒技術 近年來，上海在開展降低管網余氯，改善余氯帶來的口感問題，2018年管網平均余氯為0.85 mg/L，2019年起每年管網余氯降至0.05 mg/L，至2021年上海管網平均余氯降至0.70 mg/L，由此余氯帶來的口感問題可以基本解決。 為改善消毒效果，保障管網水質，采用水廠-泵站兩級消毒方案，在確保微生物指標合格的情況下，合理選擇消毒工藝，降低出廠水余氯，嚴格控制消毒副產物，精準確加氯，采用管網補氯措施，針對局部區域管網余氯(總氯)無法滿足控制目標的情況，在管網增壓泵站和水庫泵站環節進行補氯措施，平穩管網余氯，改善余氯帶來的口感等問題，保障末端水質穩定達標。 1)控制條件 對泵站加氯量的控制，宜根據不同季節、不同水源合理制定出站水余氯控制指標(表3)。同時，總氯控制指標還應根據供水管網輸配距離、余氯衰減情況、管網末梢微生物指標檢測結果等，結合進站氨氮進行合理調整，實現精細管理、精準加氯。 對于以化合氯出廠的水廠，其范圍內的泵站應定期手動或在線監測進站水氨氮，當總氯不能滿足要求時，應采取補氨措施，補氨后，氨氮一般不超過0.25 mg/L。另外，針對游離氯消毒水廠，在滿足加氯控制目標時，還應注意消毒副產物的生成情況，合理調整加氯量，嚴格控制消毒副產物。 2)工藝要求 (1)加注點設置和投加方式 水庫泵站的加注點應設置在水庫泵前，增壓泵站的加注點應設置在泵前管道上。為保障投加效果，加注管需要保證一定的入水深度，防止藥劑外溢造成浪費和污染。 次氯酸鈉溶液可直接原液投加，也可根據實際情況稀釋后投加。通過調節加注泵的沖程或頻率控制投加比例和投加量，并根據實際情況及時調節加注量。 (2)控制模式 加氯系統控制模式：就地控制、遠程手動控制、遠程自動控制。控制級別由高到低：就地、遠程手動、遠程自動。 隨著計算機技術的飛速發展，無人值守成為未來泵站的管理模式，補充加氯工藝向自動控制方向發展。操作人員通過設置關鍵運行參數或發出控制指令，結合在線監測數據，系統根據聯動步驟進行閉環自動控制，實現自動加注和遠程監控(圖2)。自動控制時可按流量比例或余氯反饋自動投加次氯酸鈉。 3)保障措施 泵站補充加氯期間還應實時關注泵站進、出水以及加氯后的水質情況，及時調節藥劑投加量，并定期檢測次氯酸鈉有效氯含量，確保補充加氯效果。 同時，還需重點關注管網末梢的水質情況。對管網末梢余氯偏低的區域(≤0.1 mg/L)，或存在亞硝酸鹽氮積累現象(>0.075 mg/L)的點或區域，應協同管網沖洗，穩定和提升管網水質。 3.2.4 管網非開挖修復技術 通過對管道運行狀況開展診斷評估，針對嚴重老化或受損系數高的管道進行修復措施，尤其是交通繁忙、不易開挖修復的管道應采取非開挖修復技術，對管道進行整體或局部修復。該技術是將PE內襯、薄壁不銹鋼內襯等通過折U或縮徑的形式，在一定的牽引力和牽引速度下拉入主管道，或將環氧樹脂作為噴涂材料，通過卷揚機拉力作用下的旋轉噴頭或人工方法將材料依次在舊管道內噴涂，形成加固層，經過自然養護，形成主管道-襯里復合管，達到對舊管道的修復。在實際工程中，依據《城鎮給水管道非開挖修復更新工程技術規程》(CJJ/T 244—2016)中提出給水管道非開挖修復工藝設計的原則性規定(表4)，結合管道狀況，科學選擇修復工藝。 3.3 示范應用案例與成效 協同管網診斷評估技術，依據管道狀態評估結果，結合水質特征，進行水質分級調控，在閔行區開展應用驗證，具體如下：1)對輕度腐蝕結垢、水齡長、水質異常管道開展氣水沖洗；2)對腐蝕結垢嚴重、漏損、受損程度高的管道開展非開挖修復。 (1)管網氣水沖洗 管網氣水沖洗應用于閔行區中誼路-東方花園一期DN300球墨鑄鐵管，沖洗長度約800 m。該管段存在黃水問題，通過管網檢測診斷，其內部存在輕微腐蝕，受損系數低，且沖洗前水質分析結果表明該區域渾濁度為0.67～0.90 NTU，存在超過上海市地方標準限值風險。因此，基于管道診斷結果和水質特征，對該管段采用氣水沖洗。 應用結果表明，氣水沖洗技術能有效去除管網內壁污染物，改善管道衛生狀況，渾濁度指標明顯改善(降低70%)。此次氣水沖洗用時110 min，與常規沖洗方法相比可較大程度的縮短工期，減小對周邊環境和居民用水的影響，且節省水量約99.59 m3/h，達到事半功倍的清洗效果。 (2)管網非開挖修復 管網非開挖修復技術應用于閔行區龍吳路(景聯路-雙柏路)DN800鑄鐵管，修復長度為1 140 m。由于該管段處于管網末梢，距離水廠較遠，余氯偏低，存在微生物風險，管網診斷評估結果表明，該管道存在多處漏點、腐蝕和管瘤，受損程度高，且所處路段交通繁忙且管道位于綠化景觀帶，傳統開槽排管將大面積毀壞綠化林木，同時也會破壞部分新修道路，因此，采取非開挖修復技術對該管道進行結構性修復(圖3和圖4)。 管網非開挖修復技術可有效避免傳統開槽排管大面積毀壞綠化帶和道路，減小了對周圍環境和路面設施的影響，施工周期短，操作便捷，實現了對繁忙路段的管道修復和改造。非開挖修復后既解決了管網內部銹蝕和水垢問題，修復后內壁光滑，無褶皺、無脫落、無氣泡、粗糙度n<0.01,可極大降低介質在管道內的阻力損失，管道輸水能力提高；且固化后支撐管具有極高的結構強度，能夠保證不依靠原有舊管道的結構強度進行獨立承壓，極低的蠕變使得管道可以使用50年以上，大大延長了管道使用壽命。從水質上看，修復后渾濁度指標顯著降低(0.09 NTU)，余氯衰減情況明顯改善，修復后管網水質達到上海市《生活飲用水水質標準》(DB31/T 1091—2018)的要求的基礎上，滿足菌落總數小于20 CFU/mL，渾濁度<0.2 NTU的考核要求，取得良好的應用效果。 04 總結與展望 保障供水管網輸配水質是提升龍頭水質的一個關鍵環節，本研究基于管網水質參數的變化規律和相關性分析，篩選出渾濁度、余氯、HPC等關鍵指標作為指示參數，并通過基于視頻和聲學的管道內窺檢測技術，評估管道腐蝕結垢、受損程度，結合管網水質特點，綜合考慮相關現場因素，協同管網多級消毒、沖洗、修復，集成供水管網水質調控技術，核心在于有針對性的調控措施及啟動條件，通過制定分級改造和調控方案，構建水質多級保障體系，指導管網運行維護，保障管網的安全運行和輸配過程的水質穩定。關鍵技術在上海市西南五區得到應用和驗證，為管網精細管理提供技術支撐，助力實現高品質供水目標。
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