论文标题：Application of Ice Pigging in a Drinking Water Distribution System: Impacts on Pipes and Bulk Water Quality

期刊：Engineering

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2023.09.016

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在城市供水系统中，饮用水分配系统的清洁与维护一直是保障公众健康的关键环节。传统的管道清洗方法虽然能够去除部分沉积物和微生物，但往往存在效率低下、对管道内壁造成损伤等问题。近年来，冰浆清洗技术作为一种新兴的环保型管道清洗技术逐渐受到关注。一篇发表在中国工程院院刊《Engineering》上的研究论文，深入探讨了冰浆清洗技术在实际供水管道中的应用与优化，为这一技术的推广和应用提供了科学依据。

该研究由浙江大学建筑工程学院、苏州吴中水务有限公司、山东建筑大学市政与环境工程学院以及浙江工业大学环境学院的研究人员共同完成。研究团队选取了我国某城市8组不同管材、管径的供水管网，对其在冰浆清洗过程中的水理化参数、细菌群落以及管道沉积物微观结构等变化进行了详细分析。研究结果表明，冰浆清洗技术不仅能够有效降低管道沉积物，还能显著改善管网水质，且对管道内壁无明显破坏。

图1 供水管道冰浆清洗的过程。（a）冰浆清洗过程的原理图；（b）冰浆清洗操作过程中出水样品图。

冰浆清洗技术的核心在于利用含盐冰浆作为半固体清管器，通过泵入供水管道并借助上游水流推动其高速通过管道，最终将冰浆及携带的沉积物从下游排出。这种清洗方式具有较高的清洗效率，因为冰浆在管道中流动时能够提供比同流速水高2~4个数量级的壁面剪切力。同时，冰浆不会在管道中堵塞，能够顺利通过饮用水分配系统中的各种设备，包括弯头、三通管件等。

研究中特别关注了冰浆清洗对管网水质的影响。结果显示，冰浆清洗后，管道沉积物的微观结构和元素组成并未发生明显变化，表明冰浆几乎不会对长期使用的管道内壁造成破坏。此外，管网水中的细菌丰度和多样性在冰浆清洗后明显下降。研究人员还发现，管道使用年限、温度、总铁和氯离子浓度与管网水中15种高丰度微生物存在相关关系，这意味着可以通过这些指标推测管道清洗程度，从而指导实际冰浆清洗操作。

在实验过程中，研究人员对8组管网进行了冰浆清洗，并在清洗前后分别采集了水样进行分析。结果显示，只有两组管网在冰浆清洗后氯离子浓度急剧升高，这可能是由于冰浆在通过不同管道材料时表现出不同的流变行为和流动模式，导致冰浆排放不完全。而在总铁浓度方面，仅有一组管网在冰浆清洗后出现明显升高，这可能与冰浆通过管道转弯和分支时产生的壁面剪切力有关。研究还对冰浆清洗前后管网水中的微量元素进行了聚类分析，发现冰浆清洗可以有效去除沉积物中吸附的重金属，且清洗后的长期监测显示这些元素在水中的浓度保持在痕量水平，表明冰浆清洗对水质没有长期负面影响。

对于管道沉积物的微观结构和元素组成分析显示，冰浆从管道中去除的沉积物主要包含土壤和水泥中的主要成分，如 Si、O、C 和 Mg 等。此外，还发现了多种微量金属，如 Pt、Mn 和 Ba 等。这些沉积物和重金属可能会在管道中水力条件变化时重新释放到水中，导致水质变差。因此，定期使用冰浆清洗技术控制沉积物对保障饮用水安全具有重要意义。

在细菌群落结构方面，研究发现冰浆清洗前后的水样中变形菌门和厚壁菌门占核心优势。冰浆清洗后，细菌群落的丰富度和多样性明显降低，这表明冰浆清洗技术能够有效减少管道水中的微生物数量。此外，研究人员还发现，冰浆清洗前后管道水中细菌群落与使用年限、温度、电导率、氯离子浓度、硫酸根离子浓度和总铁浓度等物理化学参数存在相关性。其中，氯离子浓度与Vulcaniibacterium, Cupriavidus和Undibacterium等细菌的相关性较强，而使用年限、温度和总铁浓度与类芽孢杆菌等细菌的相关性较强。这些发现为实际管道清洗操作提供了科学依据，可以根据这些参数预测管道水中某些细菌的相对丰度，从而优化冰浆清洗方案。

长期监测结果显示，冰浆清洗后，浊度和余氯浓度的变化表明水质得到了显著改善。浊度的降低意味着水变色风险的降低，而余氯浓度的升高则表明细菌总数的减少。此外，长达两年的总铁浓度监测显示，冰浆清洗后总铁浓度仅短暂升高，随后长时间保持低浓度，不会导致水质恶化。

图2 冰浆清洗前后浊度和余氯的长期监测数据。2021年10月至2022年1月期间，从八个管网供水的龙头处收集的大量水中浊度（a）和余氯（b）的四个月监测数据。由于同一组中两个管网的距离小于冰浆清洗项目的清洁长度，因此将八个管网的浊度和余氯浓度数据合并为五组。12NCI150和15NCI600的冰浆清洗项目分别在2021年10?11月和2021年11?12月的两次浊度测量之间进行。

冰浆清洗技术作为一种新兴的供水管道清洗方法，具有显著的清洁效果和对水质的积极影响。它不仅能够有效去除管道沉积物和微生物，还能在不破坏管道内壁的情况下改善水质。通过建立相关参数与细菌群落的相关性，冰浆清洗技术还可以根据实际情况进行优化，以降低水质恶化和客户投诉的风险。未来，随着对冰浆清洗技术的进一步研究和应用，其有望在保障饮用水安全和保护公众健康方面发挥更大的作用。

论文信息：

Yujing Huang, Zhiwei Chen, Guilin He, Yu Shao, Shuang Song, Feilong Dong, Tuqiao Zhang. Application of Ice Pigging in a Drinking Water Distribution System: Impacts on Pipes and Bulk Water Quality. Engineering, 2024, 40(9): 131-140 DOI:10.1016/j.eng.2023.09.016

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