達標的出廠水經過管網輸配以后，由于在管網中會發生一系列物理、化學和微生物作用過程，使得管網末端龍頭水的水質會下降。我國南水北調工程的實施使得很多城市形成多水源供水格局，而多水源切換可能導致管垢中金屬顆粒物的釋放。管網中金屬特別是鐵顆粒物的大量釋放會使得管網水體顏色發黃，濁度及色度明顯升高，俗稱“黃水”問題，這成為供水安全的新挑戰。2008年北京切換河北黃壁莊水庫水，結果在以前地下水供水區域發生了大面積“黃水”；2016年美國弗林特市水源由休倫湖水切換為弗林特河水爆發了嚴重的“黃水”事件。因此，多水源供水條件下如何對管網“黃水”敏感區進行識別并提出控制措施以維持管網水質穩定對飲用水安全保障具有重要意義。
主要研究及成果
針對以上問題，在國家“水專項”課題（2012ZX07404-002、2017ZX07108-002）和國家自然科學基金（51308529、51878654）等資助下，中國科學院生態環境研究中心胡春、石寶友和王海波等老師通過研究管網進水水質、生物膜及管垢化學組成之間的關系，取得了如下成果：
1. 提出了管垢中Fe3O4組分是管垢穩定的重要評價指標。我們對南水北調北京受水區管垢化學組成進行分析，發現如果管垢組成中Fe3O4/α-FeOOH比值大于1，這種管垢非常穩定，在水源切換時不易發生“黃水”，如果該比值小于1，那么水源切換時有發生“黃水”的風險。
2. 闡明了管網進水硝酸鹽氮濃度和管網生物膜群落組成是判斷管垢穩定性的重要因素。如圖1所示，管網進水NO3--N濃度如果低于3 mg/L，長期運行條件下管網生物膜中鐵還原菌和硝酸鹽還原菌會成為優勢菌屬，其呼吸代謝容易引發鐵的氧化還原循環過程，從而加速管垢中Fe3O4形成，管垢致密穩定，水源切換時不易發生“黃水”。如果管網進水NO3--N濃度高于7mg/L，硝酸鹽還原菌引發硝酸鹽還原鐵氧化過程，使管垢中形成大量α-FeOOH，管垢不穩定，水源切換時易發生“黃水”。
圖1. 鐵的微生物轉化過程對管垢穩定性的影響
3. 開發了通過調控管網生物膜群落組成以穩定管垢的技術。對飲用水管網不穩定的區域采用臭氧生物活性炭深度處理或者增加紫外氯聯合消毒可有效調控飲用水管網生物膜群落組成，步驟包括：調整臭氧投加量0.8~1.2 mg/L，活性炭接觸時間10~15 min，把管網進水生物可同化有機碳(AOC)濃度控制在100 μg/L以下，限制異養菌生長；增加紫外氯聯合消毒，控制紫外劑量30~40 mJ/cm2，調節管網硝酸鹽還原菌和鐵還原菌為優勢菌屬，通過微生物誘導的鐵的氧化還原過程加速管垢中Fe3O4形成，使管垢穩定。
成果應用情況及推廣前景
針以上成果成功對南水北調北京、河北受水區管網穩定性進行了預判，并對以上區域順利接納南水北調水提供了重要的技術支撐。該成果特別應用于2014年以來北京市南水北調中線水源切換的工程實踐，經過半年每月兩次的第三方水質監測，沒有發生明顯黃水，且水質全面提升，受益人口達1000萬以上，取得了重要的社會和經濟效益。
相關文獻及專利：
1、Haibo Wang, Chun Hu*, Lili Zhang, Xiaoxiao Li, Yu Zhang, Min Yang. Effects of microbial redox cycling of iron on cast iron pipe corrosion in drinking waterdistribution systems. Water Research, 2014, 65, 362-370.
2、Haibo Wang, Chun Hu*, Luchao Han, Min Yang. Effects of microbial cycling of Fe(II)/Fe(III) and Fe/N on cast iron corrosion in simulated drinking waterdistribution systems. Corrosion Science, 2015, 100, 599-606.
3、Haibo Wang, Chun Hu*, Lang Yin, Sujia Zhang, Lizhong Liu. Characterization of chemical, composition and bacterial community of corrosion scales in different drinking water distribution systems. Environmental Science: Water Research & Technology, 2017, 3, 147-155.
4、尹朗, 趙丹, 張素佳, 王海波*. 飲用水管網生物膜細菌群落特征及其對腐蝕的影響. 環境工程學報, 2016, 10(10), 5453-5458.
5、王海波, 胡春, 石寶友. 飲用水管網腐蝕層的穩定性判別及調控方法, 申請號201910159037.1, 發明專利.
本文作者是來自中國科學院生態環境研究中心的王海波，他憑借"多水源供水條件下飲用水管網黃水敏感區識別與控制技術"工作獲得了2019年度"首創水星獎"產業創新類銀獎。
“首創水星獎”由國際水協會中國青年委員會（IWA Young Water Professionals China Chapter）與北京首創股份有限公司聯合創立，旨在推進中國水與環境領域青年科技人才開展創新基礎研究、核心技術開發與產學研融合，推動并引領水與環境產業技術進步和跨越升級。
來源：本文來自IWA國際水協會，僅供分享交流不做商業用途，不代表凈水技術觀點，版權歸原作者與原作者出處
排版：西貝
校對：王佳
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