给水管网颗粒物生成机制及其对微量污染物传输过程的影响

Distribution system water quality problems (such as discolored water, turbid water) usually triggered consumer complaints are basically resulted from particles formed in drinking water distribution system (DWDS). Besides residual particles in finished water, the particle formation mechanism within DWDS is still not well understood at present. Even finished water could meet the current drinking water quality standards, particle formation in DWDS could not be effectively inhibited. This project will focus on the speciation transformation pathways of four main inorganic constituents (Fe, Al, Mn, Ca, etc.) of DWDS particles. The factors influencing the formation of different type of particles will be systematically investigated, including simple inorganic matter particles, inorganic complex particles, and inorganic – natural organic matter complex particles. The particle formation mechanisms in DWDS, which might involve elemental valence change, hydrolysis speciation transformation, and the precipitation under saturation will be elucidated. Meanwhile, the interaction of particles with organic and inorganic micropolltants commonly present in drinking water will be addressed, and the effect of particles with different constituents and size distributions on the transport of micropollutants in DWDS will be revealed. Based on the results of this project, feasible measures for particle formation control and second pollution prevention in DWDS would be proposed, which could provide scientific support for water industry to develop practical measures for approperiate finished water quality adjustment, DWDS operation/maintenance program and tap water quality improvement techniques.

导致用户大量投诉的给水管网水质问题（如变色水、浑浊水等）往往与管网中颗粒物的生成直接有关。除出厂水中的残余颗粒物外，目前对管网输配过程中颗粒物的生成机制缺乏足够的认识，即使达到现行《生活饮用水卫生标准》的出厂水并不能有效避免管网颗粒物的生成。本项目以管网颗粒物的4种主要无机成分（铁、铝、锰、钙）在水中的形态转化为重点，系统探讨单一组成无机颗粒物、无机-无机复合颗粒物、无机-天然有机物复合颗粒物生成的关键影响因素，揭示由元素价态转变、水解聚合、饱和沉淀等导致的管网颗粒物形成、聚集和老化等相关过程机制；同时针对水中普遍存在的微量有机、无机污染物，探讨其与管网颗粒物之间的相互作用，明确具有不同组成和粒度分布特征的颗粒物对微量污染物在管网中传输过程影响的作用机制；提出控制管网输配过程颗粒物生成、避免水质二次污染的技术方案，为出厂水水质调控、管网优化维护及末端水质提升提供理论依据和技术支持。

给水管网输配过程生成的颗粒物及其在管壁累积形成的沉积物是影响用户龙头水质的重要因素。本项目通过研究实际管网中的颗粒物组成和沉积释放规律，提出了控制给水管网颗粒物的主要技术措施，深入揭示了以锰为主的颗粒物在管网中的生成机制，探讨了微量污染物与铁/锰颗粒物的复合污染特征及其导致的潜在健康危害。取得的主要研究结果如下： . 控制出厂水的浊度小于0.3NTU，同时优化调控出厂水的腐蚀性（如拉森指数）和pH值可以有效抑制铁和铝颗粒物在管网输配过程中的生成。当余氯和pH值较高时，溶解态锰在管网中可转化为颗粒态氧化物，而严格控制出厂水的总锰浓度小于10μg/L是抑制锰颗粒物在管网中生成的有效措施。研究发现，管网中共存的微量铜、铁和铝均可显著促进溶解态锰向颗粒态锰氧化物的转化，且表面催化氧化是这一转化过程的主要机制。铜离子可以与初期形成的锰氧化物形成表面络合物加速氧化过程的电子转移，而铁和铝离子主要是通过其自身水解生成的颗粒物为锰的初期氧化提供反应界面。为了有效降低出厂水中的锰含量，研发了粉末活性炭与氯联用的溶解锰强化去除技术，其原理主要是通过活性炭表面含氧官能团与锰离子结合而引发催化氧化反应，而非锰离子的界面吸附作用。研究还发现，锰和铁颗粒物与微量污染物之间可相互影响而发生污染物富集、诱发毒性等复合污染效应。锰离子在氯氧化原位形成颗粒物的过程中可大量富集微量污染物（如全氟辛酸），而预先生成的锰颗粒物对微量污染物的吸附能力非常弱。同时，富集微量污染物后的锰颗粒物具有较大的粒径从而加速其在管网中的沉积。不同的共存物质条件下形成的铁颗粒物具有不同的形貌特征，特别是微量污染物（如全氟辛酸和消毒副产物）与铁颗粒物生成的复合体系可通过强化界面电子转移过程诱发产生羟基自由基从而使颗粒物产生潜在的毒性作用。. 本项目研究成果丰富和发展了从源头到龙头的饮用水安全保障理论和技术体系，为管网输配过程的水质保持提供了有力的技术支持。