浅析给水管网几种清洗技术的原理及应用

韩晓曦

（天津市市政工程设计研究院，天津市 300051）

0 前言

饮用水在输配过程中，虽然从水厂出水的各项水质指标已达到国家标准，但是在经过供水管网被输送到用户处的过程中，水会在管网中有一定的滞留时间。在这期间，管网中的水会相继发生各种复杂的物理化学变化，沿管道内壁会形成由沉淀物、锈蚀物、黏垢以及生物膜相互结合构成的“生长环”。给水管网在运行过程中，一旦由于突发事故导致管网内水力条件突变时，在水流的作用下，其内部的“生长环”则会部分脱落，从而容易出现“黄水”、“黑水”的现象，造成给水管网水质二次污染。“生长环”的出现还会降低管道的有效直径，致使管道的摩阻和水头损失增大，造成管网末端水量和水压的不足。不仅如此，“生长环”还加剧了对余氯的消耗，降低了管道内的杀菌效果。为了保障正常供水，满足日常的生产和生活的需求，水厂出水位置水泵的扬程就需要相应提高，从而使供水电耗也随之增大，对供水企业造成一定经济损失。

1 减轻给水管网二次污染的必要性

一方面，《生活饮用水卫生标准》（GB 5749—2006）对供水水质的保障做了相应的明确规定，把“龙头水”作为水质的主要评价点，这就要求我们加强对供水管网清洁、安全的管理；另一方面，根据《给水排水管道工程施工及验收规范》（GB 50268—2008）要求，新排管道在并网运行前需进行冲洗消毒工作以保障管网内的水质。管网中发生的水质二次污染具有滞后性[1]，供水企业解决管网水质二次污染的方法十分有限，诸如更换管道和修复管道等，不仅需要花费较大的人力、物力和财力，并且影响管网的正常供水。对给水管网进行定期冲洗，不但能大大改善管网的水质，而且与其他方法相比所需的投入较少，基本上不影响供水。

2 改善给水管网水质的主要方法

对于改善管道二次污染的现象，抑制或去除管道内的“生长环”，国内外有许多不同的方法和手段，其中主要分为“控制”和“清除”两大方向[2]。首先，控制管道内二次污染和“生长环”的生长，可以通过调节控制pH值来实现。pH值对水中细菌生长影响较大，其适宜生长环境一般在5.0

3 国内外管网清洗技术发展现状

对于彻底清除给水管网中的“生长环”，有化学方法和物理方法之分。化学方法由于具有成本高、效率低、安全性低和清洗不彻底等特点，因此不能在城市管网中普及使用。物理清洗法由于相对化学方法具有简便易行、成本低、种类多和对正常供水影响小等特点，在我国和其他国家已被广泛使用和普及。物理清洗法主要分为单向冲洗法、高压射流法、机械刮管法和气压脉冲清洗法四大类[3]。

（1）单向冲洗法

管道冲洗技术被认为是保持配水系统水质管理过程中最有效的方法之一。管道冲洗不仅仅历史悠久，而且和其他技术相比具有成本低、高效等特点。这不仅有助于去除沉积在管道内的泥沙和结垢，消除臭味，降低浊度，还能保证消毒剂残余量，提供一个对控制微生物生长更好的途径。管道冲洗不仅被用来对出现严重腐蚀和污染的事故管段进行应急处理，还可以从长远规划，定时冲洗管段，防止水质二次污染。

该方法的缺点是每次冲洗需要大量的用水，并且在对大管径管道进行冲洗时，由于很难达到所需的流速，因而不适宜采用。一般来说，单向冲洗法的冲洗流速一般控制在管道水流速大于1.8 m/s，可以有效去除附着在管道内壁的“生长环”[4]。

（2）高压射流法

高压射流冲洗法在近几年发展十分迅速，随着清洗设备不断的智能化和自定义功能的开拓，这项技术已经在各个领域广泛应用。这种方法将水作为冲洗介质，通过对喷嘴形状的选择和增压装置的共同作用能产生成束状的高速水射流，水中具有很高的能量密度[5]。该方法与电子束、激光束和等离子束统称为高能粒子处理技术，但是与其他3种技术的区别是，高压水射流技术是唯一的冷切割技术。高压水射流冲洗法不但可以切割各种金属、非金属和塑料材质的物体，并且不会损害材料本身的物理和机械性能。该技术可以将管道内壁的沉积物完全去除，使其表面光滑干净，不需任何化学药剂，效率高而且环保。在给水管网清洗应用中，高压水射流一次性冲洗管段的最大长度约为400 m左右，实际工程中需要采用超高压设备来实现，并且对参与工作人员的安全知识和防护设施具有一定要求。

（3）机械刮管法

管道内壁“生长环”的坚硬垢状物可用机械刮管的方式将其去除。当今主要使用的一种刮管方法称作弹性冲管器法（Poly-Pig）。该技术是利用充气的特制工具来刮掉管壁上附着的坚硬固体，通过选用不同的清管器，可以针对不同硬度的锈蚀部分或者结垢部分进行清洗，具有节水和效率高的特点。该方法的清垢原理一部分是靠清管器对管壁的磨擦和卷扫作用，使结垢和锈蚀脱离管壁；其次是清管器经过的瞬间以及之后一段时间内，管道中水产生的冲刷作用可以将没有刮下来的顽固部分进行二次冲洗，将细小的碎片一起卷入水中，随水流方向排出管外，从而完成一次完整的冲洗过程。这种方法由于对管道内壁的防护层伤害较大，再次通水很有可能加速腐蚀，因此一般与管道涂衬技术联合使用。在清管器彻底清完管段后，可以在管道内壁附加水泥砂浆衬里或者环氧树脂，增加管道的耐磨性、柔软性和物理性能的保障，减少腐蚀发生的机会[6]。

（4）气水脉冲清洗法

气水脉冲法是哈尔滨工业大学给水排水系统研究所提出的一种新的给水管网冲洗技术。通过搭建的一套试验平台进行多次试验，得到一些试验数据，为现场冲洗试验奠定了一定的基础。该技术于2008年获得国家专利。气水脉冲清洗给水管网的原理类似于空化现象，当流体在有压力存在的情况下，其内部的大气泡和空腔发生爆裂，从而成为振动源。这种现象能够在流体内部产生比较强烈的声波，进而会交替产生压缩和扩张，出现可爆裂的气泡。当这种气泡在固体表面附近位置形成时，例如管内壁表面，空化泡将会形成一个流速大于110 m/s的指向固体表面的液体射流[7]。空化泡在破裂的时候会产生巨大的能量，并且集中作用在很多非常小的面积上，这会导致局部区域产生很高的应力，固体表面受到射流的巨大冲击作用。由于射流作用产生的波以高速度和高压力作用于固体表面，管内壁因这种高强作用而能够被彻底地清洗。由于不使用任何化学试剂，该种方法被认为是纯物理清洗，对水质无污染。

在实际工程中，气水脉冲冲洗技术可以有效对给水管道“生长环”进行清除，冲洗后浊度和余氯等水质指标均达到国家饮用水水质标准。它解决了小管冲大管、冲洗水量不足及被冲管段地形变化较大等问题，以经济环保的优势成为当今供水企业解决管网二次污染，提高供水效率和供水水质的重要手段。

4 结语

随着城市化的速度逐渐加快，管网的二次污染问题越加显著，从而导致城市供水企业的负荷加大，水质污染、供水不足以及能耗增加等重大问题都成为不能满足现代化社会供水需求和发展的障碍。众所周知，解决管网二次污染最有效的方法即对给水管网定期进行更新换代[8,9]，但由于工程量繁重，投资巨大，工期长等特点使得该方法在短期内难以进行。与此同时，管网管道的清洗技术已成为解决给水管网二次污染，去除管道内部各种结垢、腐蚀的既经济有效又仅需较少人力物力即可完成的一项成熟的技术。

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