再生水水质特点及专用管网材质的选择.doc

再生水水质特点及专用管网材质的选择石晔 北京博大水务有限公司（北京经济技术开发西环南路5号 100176），电话67817670，传真67856428，Email:目录1. 绪论.12开发区再生水水质特点和输水管网材质特征. 12.1. 开发区再生水水质特点. 12.2开发区再生水输水管网的材质特征. 33再生水在管网输送过程中水质的变化及模拟试验 . 33.1. 再生水在管网输送过程中水质变化情况. 33.2对水质变化的初步分析. 43.3模拟试验. 44理论分析. 64.1水的化学稳定性问题. 64.1.1化学稳定性的鉴别方法. . 64.1.2开发区再生水的化学稳定性. 74.2 水质稳定问题与管网所用管材的关. 74.3 开发区再生水水质和管网所用管材的综合分析.84.3.1稳定开发区再生水水质.84.3.2. 改变输水管网材质.95.结论.11摘要北京经济技术开发区再生水厂通过“微滤+反渗透”膜法工艺对城市污水处理厂出水进行深度处理，生产高品质工业用再生水，并建设了专用管网用于输送再生水。由于在管网材质上选用了传统的球墨铸铁内衬水泥砂浆材料，在实际运行中出现了pH 值升高、钙、镁离子析出等问题，使管网末端出水水质与反渗透出水端水质存在一定差异，这不仅导致再生水在管网输送过程中水质的恶化，也存在着对管网材料的潜在损害。本文针对这一实际情况，对反渗透出水的特点、传统管网材质特性进行了分析，并对反渗透出水在不同材质管网内pH值、钙、镁离子浓度的变化情况进行了实验。实验结果和理论分析表明，反渗透出水自身较弱的酸碱缓冲能力和管网水泥砂浆内衬特别是表层中可溶性碱性物质含量较多这两个因素的协同作用最终导致了再生水在管网输送过程的水质的明显改变。针对这一结论，本文对如何通过稳定再生水水质防止球墨铸铁管腐蚀进行了分析，并就今后在输送类似水质的产水（如海水淡化水）时在如何进行选择适宜的管网材质的上提出了建议。关键词：再生水、水质、反渗透、输水管网材质1 绪论随着北京市水资源的短缺，污水资源化问题日益受到关注。北京经济技术开发区率先在北京市建设了一座以“双膜法”（微滤+反渗透）为工艺的再生水厂，将污水处理厂出水通过膜技术进行深度处理，生产高品质工业用再生水，直接回用于区内工业企业。由于再生水的源水是经过处理的城市污水，虽然经过膜技术处理，但考虑到源水水质的“不可控性”，再生水不能与自来水并网混合输送。为此，在建设再生水厂的同时，配套建设了专用输水管网，各用水单位从干管上接入支管将再生水引入内部使用。一期工程干管长度为12公里，管网材质为与自来水管网相同的球墨铸铁内衬水泥砂浆。在实际应用中，出现了水厂出水水质较好但经过管网输送后在用户端水质变差的现象。由于球墨铸铁管广泛应用于城市自来水输送系统，而自来水在输送前后水质差异现象并不明显，因此，必须认真研究再生水水质特点及其与输送管网材质的匹配性，防止再生水在管网内的二次污染。2. 开发区再生水水质特点和输水管网材质特征2.1. 开发区再生水水质特点开发区再生水厂使用美国陶氏（DOW）公司BW30-365FR反渗透膜，膜设备脱盐率在99.5%以上1。表1列出了再生水水质设计标准、常年实测水质平均值和开发区自来水水质。由表1可以看出，再生水水质指标除pH值较低，COD和BOD值高于自来水外，其他各项指标，特别是TDS、电导率和总硬度、总碱度远远低于自来水。这是由开发区再生水的生产工艺决定的，由于使用反渗透膜作为处理设备，虽然采用了污水作为源水，但水中各类阴阳离子和悬浮物大部分均在微滤和反渗透过程中予以去除。COD和BOD的主要来源是原水中的有机类物质，即使经过膜处理过程，仍有少量残留，而自来水在生产过程中无明显的有机物来源，因此，其COD和BOD值低于再生水。值得注意的是，由于在生产过程中去除了绝大多数阴阳离子，虽然被称为“再生水”，但在主要水质指标，特别是在硬度和电导率指标上，开发区再生水与离子交换、蒸馏法或海水淡化等方法生产的纯水（去离子水）近似，而与自来水差异明显。表1. 再生水与自来水水质对比序号指标设计水质标准产水水质自来水水质1pH6867.22化学需氧量（CODcr）（mg/L）152.090.83生化需氧量(BOD)（mg/L）30.570.244溶解性总固体（mg/L）15014.62525电导率（S/cm）26.24006二氧化硅（mg/L）10.288.727铁（mg/L）0.1未检出未检出8锰（mg/L）0.1未检出未检出9钙（mg/L）0.1550.710钠（mg/L）3.7510.811镁（mg/L）0.06319.812总硬度（以CaCO3计）（mg/L）1.0622713碳酸盐硬度（以CaCO3计）（mg/L）1.0616414非碳酸盐硬度（以CaCO3计）（mg/L）06315镁硬度（以CaCO3计）（mg/L）0.2682.516钙硬度（以CaCO3计）（mg/L）0.3812717总碱度（以CaCO3计）（mg/L）607.91642.2开发区再生水输水管网的材质特征开发区的再生水输水管网选用了河北新兴铸管公司生产的球墨铸铁内衬水磨砂浆的管材，其特点在于：（1）在城市供水管网中广泛使用，目前全国城市自来水和污水管网几乎均使用球墨铸铁管；（2）球墨铸铁管内衬了水泥砂浆，管内输水符合卫生要求；（3）球墨铸铁管可承受内水压力超过2.0MPa以上；（4）球墨铸铁管延伸率、刚度、抗拉强度较大，承受土壤静荷载及地面动荷载的能力优于其它管材，适于地下敷设；（5）球墨铸铁管的管件规格齐全，能适应新安装需要，也能适应运行管道上不停水引接分支的需要，比非金属管材解决起来方便；（5）球墨铸铁管通常外表面首先喷涂锌层，再喷涂沥青保护，利于防止外部腐蚀；（6）球墨铸铁管通常可使用50100年，价格和使用寿命优于化学管材及钢管。23. 再生水在管网输送过程中水质的变化及模拟试验3.1. 再生水在管网输送过程中水质变化情况在再生水生产和输送过程中，特别是在供水初期，出现了再生水在管网末端的水质与反渗透设备末端出水水质差异较大的现象，2009年9月再生水厂产水和两家主要用水企业管网末端水质主要水质指标平均值见表2。表2. 2009年9月再生水水质变化情况项目反渗透产水用水企业1用水企业2pH6.08.28.3电导率（S/cm）32.58793TDS（mg/L）19.744.144.3总硬度（以CaCO3计）（mg/L）总碱度（以CaCO3计）（mg/L）8.212.613.3钙（mg/L）0.176.687.03镁（mg/L）0.0 对水质变化的初步分析反渗透处理后的水接近纯水的性质，各种无机和有机成分的含量很低，特别是水的总碱度平均值只有7.9mg/L(以CaCO3计)，总硬度只有1.06mg/L(以CaCO3计)。这样的水质缓冲能力非常弱，pH值极易受酸碱的影响发生剧烈的变化。现有运行中的输水管道主要由球墨铸铁管构成。为了防止水对金属管的腐蚀作用，球墨铸铁管通常具有水泥砂浆内衬层。水泥砂浆内衬与所输送的水直接接触，并发生一系列复杂的物理化学反应过程，从而影响所输送的水质。pH值在输送过程的显著升高现象初步分析主要由两个方面的因素所导致。一是水自身的缓冲能力弱，二是水泥砂浆内衬中存在易于溶出的碱性成分。经对水泥砂浆内称取样观察发现，内衬层明显呈两层分布，与水直接接触的表层为厚度较小的一层浅白色物质，其硬度也相对较低，易于将其剥离。经与相关专业人员了解，该层物质是在高速离心涂覆水泥砂浆过程中形成的，主要由水泥中的一些较轻的组分构成。这些较轻的组分可能是易溶性碱性成分的来源。当水与其接触时发生侵蚀作用，碱性成分进入水中，在水自身的缓冲能力较弱的情况下，从而引起了pH值和其他相关指标的显著升高。3.3模拟试验为进一步验证所用管网材质对再生水水质的影响，我们设计了如下几个试验进行观察。实验一：水泥砂浆内衬碱性的定性观察取水泥砂浆内衬样品一块，表面积约5cm2，加入纯水200mL，用稀盐酸调节pH为2.0，然后密封，观察pH值的变化情况。经过1天后，pH值升高到3.0，2天后升高到7.6，3天后升高到8.3。说明该水泥砂浆内衬具有较强的释放碱性物质的趋势。实验二：砂浆表层物质对水的pH值影响将水泥砂浆内衬样品的表层白色物质刮取下来，并研磨成粉末，分别称取0.25克于两个烧杯中，其中一个加入再生水200mL，另一个加入自来水200mL，观察pH值的变化情况。发现经过仅6min，加入再生水的pH值由6.6上升到9.6；而自来水的pH值在6min后由7.5升高到8.0，此后pH变化非常缓慢，2天后pH值仅升高到8.2。这表明，水泥砂浆内衬的表层白色物质具有非常强的碱性，但自来水对这种碱性的释放具有较强的缓冲能力。实验三：泡管实验进一步观察在自来水和再生水条件下pH升高的现象将从一段与实际使用管网材质相同的1m长管段两端安装法兰，经预冲洗后分别灌入自来水和再生水，然后两端阀门封闭，定时取样观察pH值的变化。结果如下图：再生水自来水图1. 管网内自来水和再生水pH值随时间变化情况从图中可以看出，灌入再生水时，pH值在两天内能升高到10，而灌入自来水时，两天后pH值达到8.7。实验四：水泥砂浆中溶出的物质分析实际水样和泡管实验的水样分析均发现，水在管中停留会造成电导率的明显增加，由出厂水的37S/cm升高到了83S/cm，同时钙、镁离子的浓度均有大幅度增加，特别是钙离子浓度增加40倍左右，但水的浊度没有明显的升高，表明输送过程中有溶解性物质从内衬释放到了水中，其中钙的溶出非常明显，钙的溶出可能是以氢氧化钙形式进入水中，造成pH值升高，也直接导致了电导率的增加。4理论分析4.1水的化学稳定性问题上述试验说明了管网材质是造成再生水水质变化的原因，为了解决这一问题，有必要从理论上对再生水水质进行深入分析。目前行业上普遍把化学稳定性作为分析水和管网材质关系的重要指标。水质化学稳定是指水在管道输送过程中既不结垢又不腐蚀管道,即既不溶解又不沉积碳酸钙。水质化学稳定性主要表现在腐蚀性和结垢性两方面。34.1.1化学稳定性的鉴别方法国外文献提出了使用稳定指数来定性鉴别化学的稳定性的方法。稳定指数(IR)计算式为：4IR = 2pHspH0 式中，pH0 水的实测pH值； pHs 水在碳酸钙饱和平衡时的pH值。 pHs=(9.3+Ns+Nt)-(Nh+Na)式中Ns溶解固体常数；Nt温度常数；Nh钙硬度常数(以CaCO3)计，mg/L；Na总碱度常数(以CaCO3)计，mg/L。在此情况下，水的稳定性特征可由稳定指数进行鉴别，见表3。表3. 水的稳定性的鉴别稳定指数水的倾向稳定指数水的倾向4.05.0 严重结垢7.07.5轻微腐蚀5.06.0轻度结垢7.59.0严重腐蚀6.07.0基本稳定7.0以上极严重腐蚀4.1.2 开发区再生水的化学稳定性根据何维华4提出的对上述四项计算值的常数判定方法，通过开发区再生水中TDS、温度、钙硬度和总碱度的数值，可以得出其Ns、Nt、Nh、Na指标分别约为0.07、2.1、0.6、1.0，最终计算结果开发区再生水的稳定指数高达13.74，对管网的腐蚀性不言而喻。4.2 水质稳定问题与管网所用管材的关系管网水质的化学稳定性同时也与管网所用的管材有关。为避免腐蚀,进入不同管材的管网中的水应满足的条件各不相同。1990 年丹麦、芬兰、荷兰、挪威、德国、瑞典、英国和美国的学者曾联合研讨了这一问题, 提出流入管网之水的稳定问题，要与管网所用管材的材质结合起来考虑，并提出以下带结论性的建议：4 5 （1）对于由铁管组成的管网,进入管网的水应满足：pH=78.5；碱度1025mg/L (北欧建议碱度25mg/L)；应该存在钙离子；溶解氧2 mg/L；有机物必须存在,但数量不宜多。对于铸铁管、球墨铸铁管、钢管, HCO3-/(SO42-+Cl-)1.5。对于镀锌钢管, HCO3-/(SO42-+Cl-)1.0。（2）对于由水泥压力管、水泥砂浆衬里的金属管材组成的管网,进入管网的水应符合以下条件: pH=78.5；碱度 15mg/L；钙离子10mg/L；侵蚀性CO25mg/L；硫酸盐200mg/L。（3）对于由各类管材组成的管网,进入管网的水应符合以下条件: pH=88.5； 碱度为3382mg/L；有机物必须存在，但数量不宜多； 总硬度为37.575mg/L； Cl-及SO42-要少。4.3开发区再生水水质和管网所用管材的综合分析由上述针对不同管网材质的水质稳定性指标可以看出，开发区再生水具有软水的性质，属于极高腐蚀性的水质，除非与不发生化学反应的惰性物质接触，无法满足任何一种管网材质的进水稳定性要求。为解决这一问题，只能从两个方面予以改进。4.3.1 稳定开发区再生水水质由于开发区再生水硬度、碱度、pH值、钙离子浓度都很低，可以通过进入管网前对水质进行稳定处理，以控制水的腐蚀性，使之与管网兼容。稳定水质可以通过调节pH和提高碱度、硬度达到，具体方法有以下三种途径：6（1） 与其他源水掺混，增加水中矿物质含量。以开发区再生水厂为例，在微滤处理阶段，由于微滤膜主要去除水中悬浮物和大分子，出水中仍含有大量钙、镁离子，实测浓度分别在100mg/L和20mg/L左右，硬度和碱度均在100mg/L以上。通过反渗透出水和微滤出水以适宜比例的掺混，可以实现对水质稳定性的要求。（2）直接投加所需化学药剂，以达到稳定水质的目的。常用的添加剂有NaOH、NaHCO3、Na2CO3、CaO、CaCl2等。（3）在出水中直接加入石灰（生石灰或熟石灰）或通过装有石灰石的反应器，并辅助加入CO2，增加水的硬度、碱度和pH值，反应方程式为Ca(OH) 2+2CO2=Ca(HCO3)2，CaCO3+CO2+H2O=Ca(HCO3)2目前，开发区再生水厂已经通过在反渗透出水端投加NaOH的方式，将出水pH值调节至7左右再进入输水管网，以减少用户管网末端pH值变化较大的趋势，同时投加了NaClO进行消毒处理，保持管网末端一定量的余氯值。而投加其他化学药剂或加入石灰、石灰石的方法，虽然在技术上是可行的，但不仅增加了生产成本，而且将通过反渗透工艺生产的软水又再次变为硬度、碱度较高的水，偏离了“高品质工业用再生水”的设计初衷，目前尚未实施。掺混微滤出水，简单可行，有利于降低生产成本，但由于再生水厂源水为污水处理厂出水，经过微滤后，仍含有大量不可控的污染物，掺入反渗透出水后具有较大的“二次污染”风险，虽然“高品质工业用再生水”不直接用于饮用，但由于许多企业已将其用于超纯水制造、产品清洗等高端用途，微滤出水对最终出水的“二次污染”风险是目前难以接受的。4.3.2. 改变输水管网材质 在不改变再生水出水水质的情况下，改变输水管网材质是解决管网末端水质变化唯一可行的选择。目前适用于开发区再生水输送的耐腐蚀性管网材质有球墨铸铁管内衬新型材料（环氧陶瓷、聚氨酯、环氧树脂等）、不锈钢管、玻璃钢管、PE管等，其特点列表如下：7表4. 管材性能比较表管网指标球墨铸铁管内衬新型材料不锈钢管玻璃钢管PE管管材价格较高高较高较高物理性能可靠可靠较可靠可靠纯水应用少用普遍少用普遍施工方面方便方便较方便较方便运输费用高高低低维修方面简单简单中等中等使用寿命长长短较长由于开发区再生水管网属于市政管网敷设，必须综合考虑上述材质的各项指标，特别是考虑价格和以及在纯水输送方面的应用程度。应当说，作为城市市政管网的纯水输送管道在国内外先例极少，因此，开发区在再生水二期管网建设中通过慎重比较，最终选择了使用PE管材质。为此，我们还使用一段PE管进行了密闭泡管试验。数据如下：表5. PE管网内再生水各项指标随时间变化情况时间间隔0小时1小时2小时4小时6小时12小时24小时48小时pH87.157.21二氧化硅(mg/L)未检出未检出未检出未检出未检出未检出未检出未检出钙(mg/L)0.320.350.310.330.330.320.340.31镁(mg/L)0.0780.0790.0740.0760.0750.0750.0770.075总硬度（以CaCO3计）(mg/L)1.191.01电导率（S/cm）33.735.335.034.731.234.833.935.6再生水产水调节成中性后，在PE管中经过48小时后各项指标未产生异常变化。这也证明了PE管壁为作为惰性材质，化学性质稳定，不会与再生水发生化学反应的事实，从而可以避免管道腐蚀和水质变化问题。同时，PE管还有以下优点：（1）长久的使用寿命：在额定温度，压力状况下，可安全使用50年以上；（2）卓越的耐腐蚀性能：除少数强氧化剂外，可耐多种化学介质的侵蚀，无电化学腐蚀。（3）优异的抗磨损性能：在输送矿砂混浆时，PE管的耐磨性是钢管的4倍以上；（4）良好的卫生性能：PE管加工时不添加重金属盐稳定剂，材质无毒性，无结垢层，不滋生细菌，无二次污染；（5）磨阻系数小、流量大；（6）较好的柔韧性能：PE管韧性好，弯曲半径可小到管径的15倍，断裂伸长率超过500%；（7）可靠的连接性能：PE管热熔及电熔接口的强度高于管材本体，接口绝不会由于土壤移动或载荷的作用而断开；（8）耐冲击强度高：PE重物压过管道，不易导致破裂。耐刮痕能力强。8这些优点使其成为开发区再生水二期管网的首选管材。但同时也必须指出，由于使用PE管作为大规模城市输水管网，工程上先例较少，缺少国家统一标准，因此在施工、安装、维护等方面仍存在着一定的风险，其效果需要工程实践进一步检验。5 结论（1）通过反渗透膜处理的城市污水属于纯水范畴，化学稳定性低，易对管网造成腐蚀，不宜直接使用球墨铸铁内衬水泥砂浆材质的管网进行输送。（2）反渗透出水通过后处理的方法提高化学稳定性后，可进入传统材质的市政输水管网。与反渗透出水类似水质的水，如海水淡化水也可以采取相同的方法予以稳定后进入城