基于管壁腐蚀产物和生物膜影响的余氯衰减规律研究.pdf

哈尔滨工业大学硕士学位论文

摘要

给水管网中，维持一定的余氯浓度能有效防止饮用水二次污染，但在使用年限

较久的铸铁给水管道中，各种物质不断与余氯反应使其衰减较快，其中管壁腐蚀产

物和生物膜的影响尤为严重，给水质安全带来了潜在威胁。因而全面评估管壁腐蚀

产物和管壁生物膜影响下的余氯衰减具有重要的意义，本文针对管壁腐蚀产物和

管壁生物膜影响下的余氯衰减规律展开研究。

首先，本文研究了管壁腐蚀产物的主要成分及其影响下的余氯衰减规律。表征

发现铸铁管壁腐蚀产物主要以α-FeOOH、FeO和FeO的形式存在。实际腐蚀产物

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和模拟腐蚀产物FeO影响下的余氯衰减均符合仅考虑余氯的二级动力学模型，且

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在相同条件下，模拟腐蚀产物FeO对余氯衰减的影响大于实际腐蚀产物。温度和

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腐蚀产物投量与余氯衰减系数呈正相关，余氯衰减系数与温度的关系符合阿伦尼

乌斯公式，初始余氯浓度和pH与余氯衰减系数呈负相关。

其次，本文利用挂片反应器研究了生物膜的生长规律及群落结构，并研究了余

氯在生物膜影响下的衰减规律。铸铁、PVC和不锈钢三种管材的生物膜在14天内生

长达到相对稳态，按生物量排序：铸铁PVC不锈钢。随余氯浓度的增加，铸铁管

材生物量相对稳定，而PVC管材和不锈钢管材生物量减少。温度与生物膜生物量呈

正相关关系。80天培养后，三种管材的生物膜的优势菌纲都为α-变形菌纲

（Alphaproteobacteria）和γ-变形菌纲（Gammaproteobacteria），嗜甲基菌属

（Methyloversatilis）在三种管材中都存在。生物膜影响下，余氯衰减符合平行一级

动力学模型，初期以快速反应为主，后期以慢速反应为主。不同管材生物膜对余氯

衰减的影响程度：铸铁PVC不锈钢。随生物量的增大，余氯衰减量增加，快速反

应的衰减系数增大，生物量与参与快速反应的余氯量呈线性正相关。随着初始余氯

浓度和转速的增加，余氯衰减量增加，快速反应与慢速反应的衰减系数增大。

最后，本文通过给水管网中的实际铸铁管搭建管段反应器，研究了氯消毒过程

中的水质稳定性，并对管壁腐蚀产物和生物膜共同影响下的余氯衰减规律进行了

研究。氯消毒过程中pH、电导率、铁浓度升高，DO下降，动态过程变化幅度均大

于静态过程。管壁腐蚀产物和生物膜的共同影响下，余氯在很短的时间内衰减完全，

余氯的衰减符合一级动力学模型。初始余氯浓度、pH和DO与余氯衰减系数呈负相

关关系；流速和温度与余氯衰减系数呈正相关关系。生物膜部分对余氯衰减的贡献

较小，管壁腐蚀产物部分是导致余氯衰减的最主要因素。

关键词：给水管网；余氯衰减；管壁腐蚀产物；生物膜；动力学模型

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Abstract

Inthewatersupplynetwork,maintainingacertainresidualchlorineconcentration

caneffectivelypreventsecondarycontaminationofdrinkingwater,butinthecastiron

watersupplypipelinewithalongservicelife,varioussubstancesconstantlyreactwith

residualchlorinetomakeitdecayfaster,amongwhichtheinfluenceofwallcorrosion

productsandbiofilmisparticularlyserious,bringingpotentialthreatstowatersafety.

Therefore,itisimportanttocompr