海水淡化水与自来水掺混进入市政供水管网水质稳定性控制方法

摘要

本发明提供一种海水淡化水与自来水掺混进入市政供水管网水质稳定性控制方法，首先，通过搭建小型试验管网来模拟实际管网，确定掺混比及pH调质范围。然后，以实验管网试验数据为基础，利用多元线性回归的方法，建立了管网水中铁释放速率和多种水质指标之间的多元线性关系模型，用来预测淡化水进入市政管网后管网水的水质和对控制管网水中铁的释放提供技术措施。最后，将本发明的技术方案成功运用于天津国投北疆电厂生产的海水淡化水进入汉沽市政管网中输配的示范工程，成功实现了淡化水与自来水进行掺混进入市政管网。该发明实现了淡化水和自来水掺混后的管网水的水质稳定性的控制，同时实现了淡化水和自来水掺混进入市政管网技术方法的创新。

说明书

技术领域

本发明属于市政供水管网水质稳定性控制技术领域。特别适用于海水淡化水与自来水掺 混进入市政供水管网水质稳定性控制方法。

背景技术

我国属于水资源短缺的国家，在沿海地区正在开拓多种新型水源来替代传统的地表水和 地下水，例如引黄水、引江水、海水淡化水等。其中，除了传统地表水以外，海水是沿海城 市选择替代水源的重要选择。因此，随着我国城市的可持续发展，海水淡化水的利用将成为 许多城市尤其是沿海城市多水源综合利用的发展趋势。

我国目前给水管网多为铸铁管和钢管，耐腐蚀性较差。淡化水是软水，pH、碱度、硬度 都很低，基本不具备缓冲能力，当海水淡化水进入给水管网后会破坏管道内的化学平衡，不 可避免的对管道造成腐蚀，导致供水水质超标。世界上大规模利用海水淡化水的国家通常采 用非金属管材输配淡化水，并对海水淡化水进行适当的后处理，调节淡化水的碱度、硬度等 方式来提高水质的化学稳定性。

然而，由于在我国大规模更换管材成本太高以及投资和占地无法进行改造等方面因素的 影响，我们急需一种新型多水源综合利用技术来缓解我国沿海地区的水资源短缺现状。因此， 将淡化水作为另一种水源，与自来水掺混后输配不仅能够改善淡化水的水质稳定性，而且能 够一定程度的缓解水资源紧张的现状，是我国沿海地区的未来发展的趋势。到目前为止，成 功采用这种方式输配淡化水的例子很少。

由于自来水原水的来源和水质变化情况以及既有管网腐蚀程度较为复杂等方面因素的影 响，在海水淡化水与自来水掺混进入市政供水管网运行过程中，保障市政管网水质安全的难 度较大，缺乏有效的水质稳定性控制技术，成功应用于实际淡化水输配的例子很少。

发明内容

本发明的目的是提供一种海水淡化水与自来水掺混进入市政供水管网水质稳定性控制方 法，以解决上述难题，通过对淡化水与自来水按照适宜比例掺混，并在掺混前后分别对海水 淡化水与掺混水投加烧碱进行适当的pH值调质，以此提高水质的化学稳定性，实现淡化水进 入市政管网的安全稳定输配。

本发明的目的是这样实现的，海水淡化水与自来水掺混进入市政供水管网水质稳定性控 制技术，它由管网实验、水质模型的建立和实际生产运行三个部分组成，用于对海水淡化水 和自来水的掺混管网水进行化学稳定性控制，以保障掺混后管网水的安全稳定输配。

其中，由

1，进行管网试验，确定掺混比及pH调质范围。

搭建小型试验管网来模拟实际管网，通过对比自来水和淡化水各掺混及pH值调质条件下 铁及浊度的变化趋势，初步确定最佳掺混比及pH值调节范围。

2，建立水质模型

以实验管网试验数据为基础，来建立预测管网水质模型。

水质模型以铁的释放速率或浊度的变化速率为因变量，其余各项指标为自变量。

铁的释放速率计算公式如下：

$v=\frac{500\times R\times c}{t}---\left(1\right)$

式(1)中，v表示铁释放速率，mg/(m²·h)；c表示管网水中铁的释放量，mg/L；R表示 管段半径，m；t表示水的停留时间，h。

理论临界铁释放速率基于以下几点假设：①管网水处于停滞状态；②管网水质参数基本 保持不变；③管网水中初始铁浓度为0mg/L；④释放出来的铁均匀分布在管网水中，不发生 沉淀。在以上假设条件下，管网水中的铁增加量c由公式(2)得出，经过推导可得公式(1)。

$\left(2\right),C=\frac{v\times S\times t}{V}=\frac{v\times 2\pi \times R\times l\times t}{\pi \times R^2\times l\times 1000}=\frac{v\times t}{500\times R}$

式(2)中，S表示管段表面积，m²；V表示管段中水容积，m³；l为管段长度，m；π为 圆周率，取3.14。

浊度变化速率计算公式类似于公式(1)如下：

$\left(3\right),n=\frac{500\times R\times u}{t}$

式(3)中，n表示浊度变化速率，NTU/(m²·h)；u表示浊度变化，NTU。

以铁的释放速率或浊度的变化速率为因变量，其余各项指标，如pH值、碱度、硬度、氯 离子、硫酸根、电导率和全盐量等为自变量，采用多元线性回归方法建立回归模型。

全回归模型方程如下：

$\left(4\right),Y=k·X_1^{\alpha }·X_2^{\beta }·X_3^{\chi }···X_n^{\kappa }$

式(4)中，k，α，β，χ，…κ表示各拟合系数；Y表示选取的模型因变量；X₁，X₂， X₃，...X_n表示选取的模型自变量。

以铁释放速率为因变量建立模型如下：

式(5)中，v表示铁的释放速率，mg/(m²·h)；Alk，Alk_θ分别表示碱度值及铁释放速率 最小对应的碱度值，mg/L；hardness，hardness_θ分别表示硬度值及铁释放速率最小对应的碱 度值，mg/L；Cl^-，分别表示氯离子及铁释放速率最小对应的氯离子浓度，mg/L； 分别表示硫酸根离子及铁释放速率最小对应的硫酸根离子浓度，mg/L； HRT，HRT_θ分别表示停留时间及铁释放速率急剧变化对应的停留时间，h；DO，DO_sat分别表 示管中溶解氧浓度及标准状态下饱和溶解氧浓度，mg/L；conductivity，conductivity_θ分别表示 电导率及铁释放速率最小对应的电导率，μs/cm。

以浊度的变化速率为因变量建立模型如下：

式(6)中u表示浊度变化速率，NTU/(m²·h)，其余指标同铁的释放速率模型中的表示。

通过对v，u的限制，进一步确定pH值，并与步骤(1)的结果做对比。

3，实际生产运行的流程

以天津国投北疆电厂低温多效蒸馏所产海水淡化水与汉沽水厂传统处理工艺生产的自来 水为例，北疆电厂所产海水淡化水经管道输入汉沽水厂后，根据其流量与pH值，利用耐腐蚀 的计量泵将烧碱储罐中的工业烧碱注入管道对其进行pH值调质，同时设有pH值在线监测仪， 调质后的淡化水流入淡化水清水池，达到均匀调质的目的。经调质后的淡化水与自来水按照 一定掺混比例通过计量泵输送至掺混水清水池进行均匀掺混并调pH值，均匀混合后，经调质 后的掺混水进入二泵站，输送给用户。

本发明由于采用了以上的技术方案，实现了对海水淡化水和自来水的掺混管网水的化学 稳定性控制。首先，通过搭建小型试验管网来模拟实际管网，确定掺混比及pH调质范围。然 后，以实验管网试验数据为基础，利用多元线性回归的方法，建立了管网水中铁释放速率和 多种水质指标之间的多元线性关系模型，用来预测淡化水进入市政管网后管网水的水质和对 控制管网水中铁的释放提供技术措施。最后，将本发明的技术方案成功运用于天津国投北疆 电厂生产的海水淡化水进入汉沽市政管网中输配的示范工程，成功实现了淡化水与自来水进 行掺混进入市政管网，同时也给出了应急预案。该发明实现了淡化水和自来水掺混后的管网 水的水质稳定性的控制，同时实现了淡化水和自来水掺混进入市政管网技术方法的创新。

由上所述，本发明可以迅速的根据自来水原水和淡化水水质提出适合既有给水管网最佳 的掺混比和最近pH值调控范围，同时根据掺混后各种水质指标能够准确的预测掺混后的管网 水中铁释放的速率，为有效的控制管网水中铁的释放提供技术措施，具有较高的实用价值， 同时实现了淡化水和自来水掺混后的管网水的水质稳定性的控制。

附图说明

图1是本发明的淡化水与自来水的掺混调质流程图。

具体实施方式

下面以天津国投北疆电厂低温多效蒸馏所产海水淡化水与汉沽水厂传统处理工艺生产的 自来水为例。

1，进行管网试验，确定掺混比及pH调质范围。

模拟实际管网，搭建小型试验管路，管材选取铸铁管，原水为北疆电厂低温多效蒸馏所 产海水淡化水及汉沽水厂传统处理工艺生产的自来水，淡化水与自来水的掺混比例从1∶1到 1∶5，同时以纯海水淡化水与纯自来水为参照，将pH值分别调节为7.5，8.0，8.5。管路运 行时间为12小时，每间隔1～2个小时取样一次，水样主要检测指标包括：浊度、总铁、pH 值、溶解氧、碱度、硬度、电导率、全盐量、氯离子和硫酸根离子等。

通过对比各掺混比条件下浊度与总铁的变化趋势，得到海水淡化水与自来水的最佳掺混 比为1∶3，淡化水的最佳pH值为7.8～8.0，掺混水的最佳pH值为8.1～8.3。

2，建立水质模型

以实验管网试验数据为基础，来建立预测管网水质模型。

以浊度的变化速率为因变量建立的模型为例，方程如下公式(7)。

$N=23.174\times {\left(\frac{\mathrm{HRT}}{5}\right)}^{0.063}{\left(\frac{\mathrm{pH}}{7}\right)}^{-5.386}{\left(\frac{T}{25}\right)}^{0.162}{\left(\frac{\mathrm{DO}}{8}\right)}^{4.779}{\left(\frac{\mathrm{Conductivity}}{300}\right)}^{1.772}{\left(\frac{\mathrm{salt}}{200}\right)}^{-0.919}{\left(\frac{\mathrm{Alk}}{100}\right)}^{-0.819}{\left(\frac{\mathrm{hardness}}{100}\right)}^{0.127}---\left(7\right)$

复相关系数R²＝0.797，F＝27.993≥F_0.99(8，61)＝2.82，达到α＝0.01的显著性水平。 其中HRT-停留时间，h；T-温度，℃；

DO-溶解氧浓度，mg/L；

Conductivity-电导率，μs/cm；

salt-全盐量，mg/L；

Alk-碱度，mg/L；

hardness-硬度，mg/L；

u-单位面积单位时间浊度变化速率。

进一步逐步回归，得

$u=165.96\times {\left(\frac{\mathrm{pH}}{7}\right)}^{-11.928}{\left(\frac{\mathrm{DO}}{8}\right)}^{6.836}---\left(9\right)$

复相关系数R²＝0.787，F＝102.364≥F_0.99(2，67)＝4.98，达到α＝0.01的显著性水 平。

$N=113.50\times {\left(\frac{T}{25}\right)}^{0.096}{\left(\frac{\mathrm{pH}}{7}\right)}^{-11.582}{\left(\frac{\mathrm{DO}}{8}\right)}^{5.857}---\left(10\right)$

复相关系数R²＝0.799，F＝73.866≥F_0.99(3，66)＝4.13，达到α＝0.01的显著性水平。

经12小时运行后，如若将浊度上升幅度限值在1NTU以内，则u应限制在5以内，根据 实际管网状态，将温度T设定为20℃，一般管网中间取样点的溶解氧浓度为7～9mg/L，但在 管网末梢溶解氧浓度为2～4mg/L，因此选取溶解氧浓度为6mg/L，带入公式(10)，得pH约为 7.88。根据实验，效果最好时，u为3.5，此时解得pH为8.21。而带入公式(9)，当u限制 在5以内时，得pH7.96，当u为3.5时，pH约为8.15。由于淡化水本身水质优良，因此对其 浊度上升范围限制可略放宽，规定为5，此时将其pH调至7.8～8.0即可。对于掺混水，由于 其将长时间在管网中流动，因此将u限制在3.5以内，此时将其pH调至8.1～8.3即可。与步 骤(1)对比，可最终确定淡化水与自来水的掺混比例为1∶3，将海水淡化水的pH值调节为 7.8～8.0，掺混水的pH值调节为8.1～8.3。

3，实际生产掺混调质流程

北疆电厂所产海水淡化水经管道输入至汉沽水厂后，根据淡化水的输配流量与pH值，利 用耐腐蚀的计量泵将烧碱储罐中的工业烧碱注入管道，同时在投加烧碱前后管道设置在线pH 值监测点，保证调质后的淡化水pH值在7.8～8.0之间，调质后的淡化水经过管道输配进入汉 沽水厂的淡化水清水池，达到均匀调质的目的。经调质后的淡化水与自来水按照1∶3的体积 比掺混后进入掺混水清水池进行均匀掺混，同时通过流量严格控制掺混比，之后对掺混水再 次进行调质，同时在调质前后的管道设置在线pH值监测点，保证掺混水的pH值保持在 8.1～8.3，调质后的掺混水进入二泵站，输送给用户。

本发明通过动态实验及水厂实例验证，确实得到良好的效果。说明本发明的提出从一定 程度上解决了海水淡化水与自来水掺混进入以金属管材为主的市政供水管网水质稳定性问 题。

凡采用等同替换或等效变形形成的技术方案均在本发明要求的保护范围内。