外源入侵颗粒污染物在供水管道中的迁移转化规律研究

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城镇供水系统在保障城市公共事业发展方面发挥着举足轻重的作用,是社会经济健康持续稳定发展和人民群众正常、健康生活的基础。供水管网周围的污染物在管网发生低负压事件时会通过管壁破损处入侵到管道中,入侵到供水管道中的污染物通过饮用水进入到人体,对人体健康造成极大的危害。外源污染物入侵事件发生后,全面及时准确评估用户暴露风险非常重要。供水管网外源污染物入侵事件健康影响评价的前提条件是获得污染物在供水管道中的迁移转化机理、公众暴露情况以及个人对于暴露的反应,其中污染物在供水管道中的迁移转化是关键。过去的研究主要集中在地下不可饮用水的入侵,关于土壤中不可溶解颗粒污染物入侵的研究非常欠缺,而全面评估外源污染物入侵事件对公众健康的影响需要将外源颗粒污染物考虑在内。因此,本文就供水管道中颗粒污染物的迁移转化进行具体研究,由于苯酚是土壤中常见有机污染物之一,因此本文选用苯酚做目标污染物,另外由于土壤中的不可溶部分主要是二氧化硅,因此选用以二氧化硅为主要成分的滑石粉来模拟颗粒物:首先,利用滑石粉模拟土壤中不可溶颗粒物,通过批量实验研究了颗粒污染物化学特性,进行了滑石粉吸附-解吸苯酚的动力学实验、吸附-解吸等温实验,并研究了p H值、温度、水动力条件对滑石粉吸附苯酚作用影响;其次,制备颗粒污染物,并在自行设计制作的压力管道模拟装置中模拟了颗粒污染物在供水管道中苯酚释放模拟实验,研究了pH值、温度、颗粒物粒径、压力、余氯浓度对其的影响,并建立苯酚释放动力学模型,用实验数据对其进行了验证;最后,分析了颗粒污染物在管道中的运动状态以及污染物入侵管道水力特性,利用批量实验和苯酚释放模拟实验获得的实验结果,推导出颗粒污染物在供水管道中迁移转化模型,为利用数值模拟手段研究颗粒污染物在供水管网中的迁移转化提供了依据。通过研究,得出以下主要结论:1.利用滑石粉模拟土壤中不可溶颗粒物,发现滑石粉对苯酚吸附动力学拟合后满足准二级动力学模型,滑石粉对苯酚的吸附等温线拟合后满足Freundlich方程,表明滑石粉对苯酚的吸附主要为多层吸附,吸附过程包含物理吸附和化学吸附;2.滑石粉对苯酚的吸附受滑石粉粒径、pH值、温度以及水动力学条件的影响作用明显,表明以上因素对土壤不可溶颗粒物吸附苯酚过程影响明显;3.滑石粉对苯酚吸附量的增加主要集中在pH值在6.0-7.0的范围内,而p H值从7.0升高到8.0时,滑石粉对苯酚的吸附量下降,滑石粉对苯酚吸附量随着温度的升高而降低,滑石粉对苯酚的吸附量随着摇床转速的升高而升高;4.颗粒污染物在供水管道中苯酚释放模拟结果表明,苯酚的释放速率、释放量对pH值、温度、颗粒物粒径的变化较敏感,对管道压力、余氯浓度不敏感;5.在实际供水管网运行中,保持管内的饮用水为中性可以很好的抑制苯酚从固相向液相迁移。水温的波动会影响苯酚在固相和液相之间的转化,水温的升高会促进苯酚从固相中向液相中释放。外源入侵颗粒污染物的粒径越小,苯酚的释放量越大;6.苯酚释放动力学模型验证结果表明该模型具有较高的准确性;7.依据供水管道水力计算基本原理,建立污染物入侵事件发生时管道水力计算模型;8.本文建立的供水管道中颗粒污染物迁移转化模型控制方程包括苯酚迁移转化控制方程、苯酚吸附反应动力学方程、苯酚释放反应动力学方程、水流连续性方程、水流动量方程以及水力计算模型,该模型同时考虑了对流和扩散对颗粒污染物浓度的影响。本研究为更加全面的进行污染物入侵事件对公众健康影响评价提供了依据,本研究中没有考虑管材、管壁“生长环”等对颗粒污染物迁移转化的影响作用,后续研究可对其开展研究。
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