典型金属污染物在供水管道沉积物/水两相间迁移转化机制研究

This research focuses on the secondary pollution problem of water distribution system (WDS) in the long run, which is caused by enrichment and release of metal pollutants. To guarantee the water quality of the multi-source WDS meeting the water standard，different operating conditions, water qualities and varieties of disinfectants should be considered in this study. Based on the pipe wall sediment/water interface reactor and the simulated circulation system, the progress of migration and transformation between the sedimentary and water phases of typical metal pollutants (chromium, vanadium, cadmium, lead, etc) in the WDS are studied; The adsorption-desorption and coprecipitation mechanism, together with the biological-chemical coupling mechanism between the microorganisms/pipe wall sediment/metal pollutants are illustrated systematically, further, a typical metal pollutants clustering tree are generated; In addition, the metal pollutants' migration and transformation kinetic models based on thermodynamics, reaction kinetics and hydrodynamics are developed. Based on this, the water quality pollution can be forecasted and warned through the modeling, simulation and tracking of metal pollutants in the WDS. And the optimal operation condition and water quality conditions are sought to guarantee the minimum release of metal contaminant, together, the comprehensive measures to maintain water quality stability are put forward. Finally this study is of great significance to control the secondary pollution of metals and ensure the water quality standard of the WDS.

本课题针对供水管道长期运行中金属污染物的富集、释放造成的二次污染问题，以多水源格局下供水管网水质达标为目标，综合考虑供水管网不同运行工况、不同水源水质变化及投加不同消毒剂情况下，基于管壁沉积物/水界面反应器和模拟循环管路系统对典型金属污染物（铬、钒、镉、铅等）在供水管道沉积物/水两相间的迁移转化过程进行研究；系统阐述金属污染物和管壁沉积物的吸附-解吸和共沉淀机理，以及微生物-管壁沉积物-金属污染物的生物-化学转化耦合作用机制，并建立典型金属污染物聚类树；建立基于热力学、反应动力学及水动力学的金属污染物迁移转化动力学模型。在此基础上，通过建模分析、追踪计算金属污染物在管网中的变化并进行预测预警；同时，探索供水管道中典型金属污染物释放量最小的最优工况和最佳水质因素，提出保持管网水质稳定的综合措施。本研究对控制管网金属污染物二次污染和保证供水水质达标有重要意义。

本课题以供水管网用户水质达标为目标，针对供水管网系统中不同管材管壁状态、管壁沉积物中重金属赋存现状及特性，结合管网不同水质运行工况，对供水管道水/垢两相间典型金属污染物铬、钒、锰、砷等的迁移转化过程进行了系统研究。.通过供水管网不同季节典型金属污染物的监测、不同管材管壁沉积物组成、结构和金属污染物含量及形态的检测，结合管网中金属污染物的分布规律与相关分析，建立了管网水、管道管垢及闸阀沉积物中典型金属污染物聚类树；通过理论分析与大量管网静态、动态模拟实验，系统阐述了金属污染物和管壁沉积物之间的吸附-释放、多种金属污染物的竞争吸附、以及金属污染物在微生物-消毒剂生物-化学耦合作用下的迁移转化规律，探求水质因素、管道空间结构对重金属吸附-释放规律的影响，建立了不同管材管道重金属吸附-释放的动力学模型、多种重金属共存的竞争吸附动力学模型，揭示了重金属及多种重金属共存环境其在不同管道沉积物界面上的吸附机理与释放机制，并进一步探究了不同价态的Cr在水相/垢相以及不同垢层的界面分配、不同形态的V在释放过程中发生团聚而被富集的复杂机理，再通过多套不同管材单管道、多管材串联管道的动态实验，探讨了多种管材、多种运行工况、多种重金属元素共存时，金属污染物在复杂菌群生物和消毒剂作用下的迁移转化机制。在上述研究成果的基础上，提出并开展了氧化石墨烯膜分离重金属的管网末端水质净化技术的研究，同时，通过管垢中重金属的活动性、迁移能力以及受水质冲击扰动的稳定性分析，确定了利于管垢重金属稳定的水质条件，此外，依据管网水质相关分析与风险评价，建立基于常规监测指标的Mn浓度超标预测模型。.项目研究成果丰富了城市供水管网水质安全的理论与技术方法，为控制管网水质二次污染、制定安全供水综合措施提供有力技术支持。