（模式识别与智能系统专业论文）二氧化碳与石灰联用再矿化工艺试验研究.pdf

e x p e r i m e n t a ls t u d yo nr e m i n e r a l i z a t i o np r o c e s sc o u p l e dw i t h c a r b o nd i o x i d ea n dl i m e b y l i uy i b e ( h u n a nu n i v e r s i 够) 2 0 0 8 at l l e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o r 廿l ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e 嘶n g m u n i c i p a le n g i n e e r i n g i nt h e g r a d u a t es c h o o l o f h u l l a i lu n i v e r s i t y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rx us h i r o n g m a 弘2 0 1 1 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取 得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其 他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个 人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果 由本人承担。 作者签名： 切降 日期：砌，年形月歹日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查 阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位 论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“) 作者签名：专、怍 日期：1 年匆月罗日 导师签名：影捌毋宁日期：二b ，1 年易月今日 硕上学位论文 摘要 我国珠江下游水源水质普遍呈现低碱度、低硬度的特点，水质化学稳定性 差，腐蚀性强，目前的水质稳定方法不能满足日益提高的水质要求。本文在对深 圳市供水系统水质化学稳定性进行充分调查的基础上，以b 水厂原水为研究对 象，开展了二氧化碳与石灰联用再矿化技术的研究，主要研究结果如下： 1 对深圳市内五个水厂进行为期两年的水质调查分析，结果表明，原水、出 厂水和管网水常年具有腐蚀性。管网水的水质化学稳定性与出厂水有极大的相关 性，控制出厂水水质稳定至关重要。 2 单独投加石灰的工艺，能够改善水碳酸盐系统的稳定性，但是效果有 限，出厂水与管网水仍然是腐蚀性的，而且单独投加石灰不能控制水的拉森比 率。 3 投加二氧化碳与石灰能够增加水的总碱度和钙硬度。不同二氧化碳与石灰 投量对p h 以及水碳酸盐系统中的4 种判断指数l s i 、r s i 、c c p p 、a l 影响显 著，且4 种判断指数随投量的变化与p h 的变化规律相似，说明p h 是影响水碳 酸盐系统水质稳定的主要因素。当二氧化碳投量3 0 m g l ，石灰投量3 4 m g l 时，可将拉森比率控制在o 4 以下，水碳酸盐系统中各指数能够处于可接受的 水平，是适合深圳原水的投量。 4 石灰投加点对混凝沉淀的影响显著，在混凝前投加石灰，混凝沉淀效果最 佳。二氧化碳与石灰投量变化改变了水的p h 值，因而对混凝沉淀和过滤的效果 影响很大。当二氧化碳投量3 0 m g l ，石灰投量在3 0 4 0 m g l 时，混凝沉淀以及 过滤效果较好。水中硬度和碱度的变化对混凝沉淀和过滤效果无明显影响。 5 与n a 2 c 0 3 、n a h c 0 3 、n a o h 、c a ( o h ) 2 这4 种碱剂投加方法相比，二氧 化碳与石灰联用工艺能够满足p h 、总碱度、水碳酸盐系统指数以及拉森比率的 要求，在技术上具有相当大的优势。 、 关键词：化学稳定性；再矿化；石灰；二氧化碳 二氧化碳与石灰联用再矿化工艺试验研究 a b s t r a c t t h ep e a r lr i v e rd o w n s t r e a mw a t e rq u a l i t yp r e s e n t st h ec h a r a c t e r i s t i c so fl o w h a r d n e s sa n da l k a l i n i t y ，p o o rc h e m i c a ls t a b i l i t ya n dh i g h l yc o r r o s i v e t h ec u r r e n t w a t e rq u a l i t ys t a b i l i t ym e t h o dc a nn o tm e e tt h e “s i n gw a t e rq u a l i t yr e q u i r e m e n t s i n t h i s p a p e r ，t obr a ww a t e ra s t h er e s e a r c ho b j e c t ，t h es t u d yo nr e m i n e r a l i z a t i o n t e c h n o l o g yw i t hc a r b o nd i o x i d ea n dl i m ew a sc a r r i e do u to nt h e b a s i so fai h l l i n v e s t i g a t i o nf o rc h e m i c a ls t a b i l i t yo fw a t e rs u p p l ys y s t e m i ns h e n z h e n ，m a j o r f i n d i n g sa r ea sf o l l o w s ： 1 b yt h es u r v e ya n da n a l y s i so fw a t e rq u a l i t yo fi j v ew a t e n v o r k si nt h ec i t yo f s h ，c n z h e nf o ru pt ot w oy e a r s ，i ti sc o n c l u d e dt h a tt h er a ww a t e r ，o f f 二w o r kw a t e ra n d w a t e ri np i p en e t w o r kp e r e n n i a lc o r r o s i v e t h ec h e m i c a ls t a b i i i t yo fw a t e ri np i p e n e t w o r kh a sg r e a tr e l e v a n c eo fo f f 二w o r kw a t e r ，s oi ti sv e 巧i m p o r t a n tt oc o n t r o lt h e s t a b i l i t yo fo f f - w o r kw a t e r 2 t h ea d d i t i v el i m et r e a t m e n tp r o c e s s ，w h i c hc a ni m p r o v et h es t a b i l i t yo fw a t e r c a r b o n a t es y s t e m ，b u tt h ee f 亿c ti sl i m i t e d ，o f 卜w o r kw a t e ra n dw a t e ri np i p e n e t w o r ki ss t i l lc o r r o s i v ea n dl i m ed o s i n ga l o n ec a n n o tc o n t r o lw a t e rl a r s o nr a t i o 3 c a r b o nd i o x i d ea n dl i m ec o u p l e dt or e m i n e r a l i z a t i o nt e c h n o i o g yc a ng r e a t l y i m p r o v et h ew a t e rt o t a la l k a l i n i t ya n dc a l c i u mh a r d n e s s d i f f e r e n td o s a g eo f c a r b o n d i o x i d ea n dl i m eh a ss i g n i f i c a n te f ! l e c t so np ha n df o u rj u d g ei n d e x e si nw a t e r c a r b o n a t es y s t e ma sl s i ， r s i ，c c p pa n da 1 a n dt h ec h a n g er u l eo ff o u rj u d g e i n d e x e si ss i m i l a rt op hw i t ht h ed o s i n gq u a n t i t y s oi ti sc o n c l u d et h a tt h ep hi st h e m a i ni n f l u e n c ef a c t o ro nt h ew a t e rq u a l i t ys t a b l i l i t yo ft h ew a t e r c a r b o n a t es y s t e m w i t hc a r b o nd i o x i d e3 0 m g l ，l i m e3 4 m g l ，l a r s o nr a t i ow i l lb eu n d e rc o n t r o la t0 4 ， e a c h i n d e xo fw a t e r c a r b o n a t es y s t e mt ob ei n a c c e p t a b l el e v e l ，a n dt h i sd o s i n g q u a n t i t ys u i t a b l ef o rs h e n z h e n sr a w w a t e r 4 t h el i m ed o s i n gp o i n ti n f l u e n c ec o a g u l a t i o np r e c i p i t a t eg r e a t ，f o r m e ra d d i t i v e i i m e ，c o a g u l a t i o np r e c i p i t a t eb e s te f f e c t t h ed o s i n go fc a r b o nd i o x i d ew i t hl i m e c h a n g e st h ep hv a l u e ，t h u s w a t e ro fc o a g u l a t i o n p r e c i p i t a t ea n df i l t e r i n g e f f e c t a f f e c t e d w h e nc a r b o nd i o x i d e3 0 m g l ，l i m ed o s i n gi n3 0 - 4 0 m g l ，c o a g u l a t i o n p r e c i p i t a t ea n df i l t e r i n ge f f e c ti sg o o d t h eh a r d n e s sa n da l k a l i n i t yo ft h ew a t e rh a s n oo b v i o u se f f 色c to nt h ep r o c e s so f w a t e rt r e a t m e n t 5 c o m p a r e dw i t hn a h c 0 3 ，n a o h ，n a 2 c 0 3 ，c a ( o h ) 2t h e s ef o u r a l k a l ia g e n t i 硕士学位论文 d o s i n gm e t h o d ，c 0 2c o u p l e dw i t hl i m ep r o c e s sb ea b l et om e e tp h ，t o t a la l k a l i n i t y ， w a t e r c a r b o n a t e s y s t e m i n d e xa n dl a r s o nr a t i o r e q u i r e m e n t ，t e c h n i c a l l y a c o n s i d e r a b l ea d v a n t a g e k e yw o r d s ：c h e m i c a ls t a b i l i t y ；r e m i n e r a l i z a t i o n ；l i m e ；c 0 2 1 v 二氧化碳与石灰联用再矿化工艺试验研究 目录 学位论文原创性声明和学位论文版权使用授权书i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第l 章绪论l 1 1 课题背景1 1 2 国内外研究现状2 1 2 1 水质化学稳定性评价指标2 1 2 2 水处理工艺及供水管网对水质化学稳定性的影响7 r ：2 3 供水系统水质化学稳定性的控制方法8 1 2 4 二氧化碳与石灰联用再矿化工艺在水处理方面的应用9 1 3 课题意义与研究内容l o 1 3 1 课题意义一l o 1 3 2 主要研究内容1 0 第2 章深圳市供水系统水质化学稳定性调查1 l 2 1 深圳市供水系统概况1 l 2 2 水质化学稳定性评价体系1 2 2 3 深圳市供水系统水质化学稳定性现状1 2 2 3 1 原水化学稳定性现状1 2 2 3 2 出厂水化学稳定性现状1 4 2 3 3 管网水化学稳定性现状一1 5 2 3 4b 水厂水质化学稳定性季节性变化规律1 8 2 4 本章小结一2 2 第3 章二氧化碳与石灰联用再矿化工艺对水质化学稳定性的影响2 3 3 1 材料与方法2 3 3 1 1 研究对象2 3 3 1 2 实验装置2 3 3 1 3 水样的保存与检测方法2 3 3 2 二氧化碳与石灰投加量对水质化学稳定性的影响2 4 3 2 1 单独投加石灰对水质的影响_ 2 4 3 2 2 二氧化碳与石灰联合投加一2 7 3 3 二氧化碳与石灰的投加顺序3 3 v u 。! ，t 一 硕士学位论文 3 4 投加点的选择一3 4 3 4 1 混凝前投加3 4 3 4 2 过滤后投加3 5 3 4 3 两点投加3 5 3 5 二氧化碳投加方式研究3 5 3 6 本章小结3 5 第4 章二氧化碳与石灰联用再矿化工艺对水处理工艺的影响3 7 4 1 材料与方法3 7 4 1 1 实验装置3 7 4 1 2 检测指标与方法3 7 4 2 对混凝沉淀的影响3 7 4 2 1 石灰投加点对混凝沉淀的影响3 7 4 2 2 二氧化碳与石灰投量对混凝沉淀的影响：。3 8 4 2 3 硬度对混凝沉淀的影响4 0 4 2 4 碱度对混凝沉淀的影响4 l 4 3 对过滤消毒的影响4 2 4 3 1 对过滤的影响4 2 4 3 2 对消毒的影响4 5 4 4 对臭氧生物活性炭工艺的影响一4 5 4 5 本章小结4 6 第5 章二氧化碳与石灰联用再矿化工艺技术评价4 7 5 1 与加碱工艺比较4 7 5 1 1p h 4 7 5 1 2 总碱度。4 7 5 1 3 化学稳定性指数4 8 5 2 与c 0 2 + 石灰石工艺比较5l 5 3 本章小结5 2 结论5 3 参考文献5 5 致 射5 9 1 1 课题背景 第1 章绪论 我国南方水源水质普遍呈现低碱低硬度的特点，水源的水质化学稳定性较 差，经过水处理工艺后，水质化学稳定性进一步下降i l l ，这种出厂水进入供水管 网中极有可能引起管道的腐蚀，造成水质污染，危及用水安全。 供水系统管道腐蚀是造成管网水质二次污染的主要原因f 2 】，可能导致管网水 的浊度、色度、细菌数、重金属含量等指标恶化1 3 】，甚至引起管壁变薄、穿孔漏 水，缩短管道使用寿命，不利于供水管网资产保护。，一， 水质化学稳定性差可能引起水中浊度、铁、锰超标，导致黄水的问题1 4 6 】。 虽然我国生活饮用水卫生标准【7 】规定铁的标准值是o 3 m g l ，锰的标准值是 o 1 m g l ，但水的数据接近标准值时，水的色度即会呈现淡黄色，如果水质数据 超过标准值一倍以上，水就会呈黄色。对用户来说，这在感官上是不能被接受 的，从而导致对水质的抱怨和投诉。上海市自来水公司对中心城区自来水水质投 诉受理情况进行统计，2 0 0 7 年共受理投诉4 1 6 7 起，其中黄水问题2 1 3 0 起，占 总投诉量的5 l 纠引。 水的硬度是指水中钙镁离子的浓度，硬度通常按碳酸钙的当量数来表示。硬 水和软水目前尚无明显的区分，一般认为水中少于7 5 m g l c a c 0 3 时属于软水， 超过此浓度就是硬水。 水中的硬度过高会对日常生活和人体健康有一定影响。如使用高硬度水洗衣 物易使纺织物纤维变硬发脆，烧水易使水壶结垢，饮用高硬度水还可能引起暂时 性肠胃不适、腹泻甚至肾结石等疾病。我国生活饮用水卫生标准【_ 7 】规定了总硬度 的上限，即不超过4 5 0 m g 几。 低硬度水也会对人体健康产生影响。在英国、美国和加拿大等9 个国家进行 的多次研究显示【弘j ，心血管疾病( 心脏病、高血压和中风) 与饮用水的硬度呈 逆相关，或者说与水的软化程度呈正相关。美国和加拿大的研究证明，饮用极软 水的人群中，心血管病的死亡率比饮用硬水的人群要高1 5 2 0 ，英国报道的 这种差异可能高达4 0 。 水中硬度高低对水生生物也有一定影响。水体中的总硬度，特别是钙，对鱼 类的生长和生存有显著的影响，鱼类生长所需的钙主要靠周围水体中钙的渗透， 而不是主要依靠食物1 1 2 1 。有研究表明1 13 1 ，硬水中的幼鱼生长情况比软水中的 好，硬水更有利于幼鱼的生长发育。 二氧化碳与石灰联用再矿化工艺试验研究 我国珠江下游地区水源呈现低碱低硬度的特点，水质具有较强的腐蚀性，已 对工业生产、居民生活用水造成困扰。而目前国内对饮用水进行再矿化水质稳定 处理的研究很少，针对这种情况，国家十一五水专项立项开展低碱低硬度的再矿 化技术研究，使用二氧化碳与石灰联用的方法处理珠江下游饮用水水源，以期能 够解决其水质化学稳定性差的问题。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 水质化学稳定性评价指标 水的腐蚀性和结垢性一般认为是水碳酸盐系统的一种行为表现【1 4 】。当水中 的碳酸钙含量超过其饱和值时，则会出现碳酸钙沉淀，引起结垢的现象。反之， 当水中的碳酸钙含量低于饱和值时，则水对碳酸钙具有溶解能力，能够将已经沉 淀的碳酸钙溶解于水中。前者称为结垢性的水，后者称之为腐蚀性的水，总称之 为不稳定的水。另外一些阴离子，如c l 。、s 0 4 2 。等也会对水质稳定性产生影响。 因此为了对水质的腐蚀性和结垢性进行控制，必须有能够对水质的稳定性进行鉴 别的指数。目前水质化学稳定性指数主要有朗格里尔饱和指数、雷兹诺稳定指 数、碳酸钙沉淀势、拉森比率等，以下将对这些评价指数做介绍。 1 2 1 1 朗格里尔饱和指数和雷兹诺稳定指数 1 朗格里尔饱和指数 朗格里尔饱和指数l s i ( l a n g e l i e rs a t u r a t i o ni n d e x ) 是1 9 3 6 年由朗格里尔 根据水碳酸盐溶解平衡式提出的1 4 ，15 1 ，它是最早的也是应用最广泛的鉴别水质 稳定性的指数，其定义为： l s l = p h 。- p h 。 ( 1 1 ) 式中p h a 为水的实际p h 值，p h s 为在相同温度下，原来的水一碳酸盐系统 处于平衡状态时应具有的p h 值。l s i 的解释如下： l s i o ：水中所溶解的碳酸钙超过饱和量，倾向于产生碳酸钙沉淀； l s i 0 ：水中所溶解的碳酸钙低于饱和量，倾向于溶解固态碳酸钙； l s i = 0 ：水中所溶解的碳酸钙与固态碳酸钙处于平衡状态。 p h s 可通过计算得出： p h 。= 9 3 + s + t - h - a ( 1 2 ) s = ( 1 9 【t d s 】一1 ) l o ( 1 3 ) t 一1 3 1 2 l g ( t + 2 7 3 ) + 3 4 5 5 ( 1 4 ) h = l g lc a 2 + i - 0 4 ( 1 5 ) 硕七学位论文 a - l g i 舭i ( 1 6 ) 式中：s 溶解性总固体系数； t 温度系数； h 钙硬度系数； a 总碱度系数； t d s 总溶解固体( m g l ) ； t 水温( ) ： 【c a 2 + 】钙硬度( 以m g l c a c 0 3 计) ； 【a l k 】总碱度( 以m g l c a c 0 3 计) 。 在实际应用中，对l s i 值的作用应有下列理解：首先，用l s i 值来鉴别水的 稳定性的3 种情况是指水质的倾向性判断，并非绝对的结果，墩不能反映速率问 题；其次，由于l s i 值的计算公式中，只涉及水中的碳酸盐系统的平衡关系，故 未能反映其他产生腐蚀和结垢的水质因素影响。 因此，l s i 值只能作为水处理过程中的一个相对性的指导参数来应用，并不 能把l s i 的正负值作为水的结垢或腐蚀的绝对标准。 2 雷兹诺稳定指数 雷兹诺稳定指数( 1 q z n a rs t a b i l i t yi n d e x ) 是1 9 4 2 年雷兹诺在朗格里尔工作 的基础上，根据大量的实际过程资料研究而得的表示水质化学稳定性的半经验性 指数，其定义为： r s l = 2 p h 。p h 。( 1 7 ) 式中：r s i 雷兹诺稳定指数； p h 。、p h 。与朗格里尔指数中p h 。、p h 。意义相同。 r s i 的解释如下： r s i 6 ：水结垢： 6 l o 4 1 0 o 一4 - 5 0 1 0 5 1 0 严重结垢 保护性结垢 基本稳定 钝化 轻微腐蚀 严重腐蚀 1 2 1 3 拉森比率 结合目前国内外的研究成果，氯离子和硫酸根离子是严重影响铁质管材腐蚀 的重要因素。评价氯离子和硫酸根离子对管网腐蚀的主要参数为拉森比率 ( l a r s o nr a t i o ) ，这是1 9 5 7 年由l a s o n 和s k o l d 分析大量铁管腐蚀速率数据后 提出的，其定义为： l r = ( 1 9 ) 式( 1 9 ) 中：【c l - 】、【s 0 4 2 】、【h c 0 3 】分别为氯离子、硫酸根离子和碳酸氢根 离子的浓度，以m o l l 表示。 l a s o n 认为l r 值小于o 2 时对腐蚀的影响是微不足道的【16 1 。l r 值越高，水 的腐蚀性越强。i m r a n 认为l r 小于o 5 即可接受。 1 2 1 4 其他水质稳定指数 1 暂时过量m e 暂时过量( m o m e n t a r ye x c e s s ) 是l9 5 8 年由d y e 提出的，m e 用下式定 义： c a 2 + 一m e c o ，厶一m e 2 k 。 ( 1 - 1 0 ) 硕士学位论文 式( 1 1 0 ) 为溶度积的表达式。从式( 1 1 0 ) 中可以看出，m e 表示超过溶度积 k s 所允许的c a c 0 3 溶解量浓度，是应该从水中沉淀出来的部分，所以称“暂时 过量 。从上式可以解出m e 的表达式出来。当m e 为正、零或负时，除分别定 性地表示出水的结垢、稳定和腐蚀等性质外，还定量地给出从水中沉淀出来的碳 酸钙量，以及应该溶解在水中的碳酸钙量。 2 推动力指数d f i 推动力指数( d r i v i n gf o r c ei n d e x ) 是m cc a u l e y 于1 9 6 0 年提出的，用下式 表示： d f l ： 竺兰： ! 竺! ： ( 1 1 1 ) d f l = l 上二_ ( 1 11 ) k s 。 d f i 为1 o 时，表示水中碳酸钙恰好饱和：大于1 o 时，表示水中溶解的碳 酸钙过饱和；小于1 o 时则为欠饱和的碳酸钙水。 3 侵蚀指数a l “ 侵蚀指数( a g g r e s s i v ei n d e x ) 是用来鉴定水质对石棉水泥管的侵蚀性的指 数。a i 实际是l s i 的一个简化形式，表示为： ：p h 。+ l g ( c a 舢k ) ( 1 1 2 ) 式( 1 1 2 ) 中c a 和a l k 分别表示水样的钙硬度和总碱度，以m l c a c 0 3 表 示。a i 的解释如下： a i 1 0 ：高度侵蚀： l o 1 0 0 ：极严重腐蚀。 当水质分析资料无s i 0 2 或d o 时，可以相应省略上式中的乘积项。r i d d i c k 认为，上述r c i 的解释一般适用于美国东海岸的水质，但对中西部以及西部水 i 一 二氧化碳与石灰联用再矿化工艺 质可能适用，也可能完全不适用。 r c l 的公式形式以及其应用经验说明，水质 试验研究 中参与腐蚀的因素很多，同时在 不同地区的水质，这些因素所起的危害也是不同的。 5 c a s i l 指数c i c a s i l 指数定义为： c i - c a + m g + h s i 0 3 - 掣 ( 1 1 4 ) 式( 1 1 4 ) 中各种成分都以m e q l 表示。c i 值解释如下： c i 0 ：严重腐蚀； o 5 0 0 ：微腐蚀； 2 0 0 y i 5 0 0 ：中等腐蚀； y i 2 0 0 ：高度腐蚀。 这一公式可为研究苦咸水的处理起参考作用。 7 临界p h 值p h 。 临界p h 值是l9 7 2 年由f e i t l e r 结合循环冷却水的处理提出来的腐蚀指数， p h c 也是直接靠观察出现碳酸钙沉淀的试验所得出的指数。试验的方法是在水中 递增地加大氢氧化钠的投量，直到看到微混的沉淀物出现为止。此时所测得的 p h 值即为p h c 值。 当水的p h p h c 时，水是结垢性的。 f e i t l e r 还为p h c 的测定研制了一种称为测垢仪( s c a l em e t e r ) 的设备，用于 循环冷却水运行的监控。 8 p u c k o r i u s 稳定指数p s i p s i 是p u c k o r i u s 根据多年循环冷却水实际运行数据得出的一个稳定指数， 硕十学位论文 其定义为： p s i = 2 p h 。- p h 。( 1 1 6 ) 式( 1 16 ) 中：p h s ：与l s i 与r s i 两个指数中的p h s 意义和计算相同； p h e ：冷却水的平衡p h 值，可按下式计算求得： p h 。：4 4 5 + 1 4 6 5 l g i a l ( 1 1 7 ) 式( 1 17 ) 中：【a 】为冷却水的总碱度( 以m g l c a c 0 3 计) 。 从形式上可以看出，p s i 与r s i 十分相似，可以看作是修正了的r s i ，并且 p s l 的解释与r s i 相同。 据p u c k o r i u s 的报导1 1 4 j ，p s i 比l s i 和r s i 更能准确地预测结垢的条件，已 在2 0 0 多个厂的运行经验得到证实。 综上所述，判别水质化学稳定性的指数多种多样，实际应用时，应根据当地 水质情况综合考虑，选取适合的水质指标，才能准确地进行判断。 1 2 2 水处理工艺及供水管网对水质化学稳定性的影响 目前我国绝大多数水厂采用的是包括混合、絮凝、沉淀、过滤、消毒为主体 的常规处理工艺，来去除原水中的悬浮物和致病微生物。在水处理过程中，水质 发生了改变，从而引起水质化学稳定性的变化。 方伟等【1 7 1 对深圳市某水厂原水进行不同混凝剂投加的试验，发现混凝工艺 会使水的p h 和碱度下降，降低水质稳定性。以引起化学稳定性降幅小为标准而 言，铝盐混凝剂优于铁盐混凝剂，聚合态混凝剂优于传统的铝盐、铁盐混凝剂。 过滤工艺对水质化学稳定性的影响主要体现在水的p h 值，滤池运行初期，p h 有所上升，运行稳定后，进出水p h 变化不大，对化学稳定性的影响较小。消毒 工艺对水质化学稳定性的影响主要体现在消毒剂溶于水后，发生的化学反应对水 体的p h 和碱度的影响。对于目前大多数水厂使用的液氯而言，由于其投加到水 中生成盐酸和次氯酸，造成水的p h 和碱度下降，因此会进一步降低水质化学稳 定性。 近几年，随着对饮用水水质的不断重视，臭氧生物活性炭工艺的应用得到 迅速发展，北京田村水厂、上海周家渡水厂、广州南洲水厂陆续采用了臭氧生 物活性炭工艺，处理能力将近l o o o 万m 3 d 【1 引。臭氧生物活性炭工艺通过吸附 和生物降解共同作用，能够有效去除有机物和氨氮【1 9 ，2 0 1 ，对重金属，如铅、锰 等，也有一定的去除能力2 1 ，2 烈。但是水经过臭氧生物活性炭之后p h 和碱度会 下降，原因可能是臭氧将水中大分子有机物氧化分解成小分子有机物时，经过一 系列反应，生成醛和有机酸1 2 3 1 。所以臭氧生物活性炭工艺会降低水质化学稳定 性。 有研究显示，在供水管网中，沿水流前进方向，水质化学稳定性变化不大， 水厂中增加石灰、石灰水投加或氢氧化钠投加工艺提高出厂水的p h 值，可 以防止出厂水p h 的变化造成管网中铁化学不稳定，减少用户出水中总铁的含量 【2 5 ，2 6 】 o 水中的碱度可以作为水中和酸能力的一种衡量，基本上靠弱酸强碱盐作为缓 冲体系。在固定p h 值条件下，铁的腐蚀速率随着总碱度的增大而降低，其原因 主要是减少了腐蚀反应造成的阴极和阳极之间p h 的变化2 7 ，2 引。在水厂中增加二 氧化碳与石灰联用或者与石灰石接触池联用，可以有效地增加水的碱度和硬度， 降低出厂水的腐蚀性。 增加管网中氧化剂的量可以减少腐蚀结垢产物中铁的释放。目前，国外已将 曝气法作为控制腐蚀的技术用于中小型水厂。另外，当水中二氧化碳浓度很高 时，曝气可以去除二氧化碳，从而使水的p h 值升高。美国加州某供水区的水质 二氧化碳含量较高，通过曝气去除了6 0 的二氧化碳，水的p h 由6 3 提高到 7 5 ，管网腐蚀也得到有效控制【2 9 1 。 1 2 3 2 优化供水管网水力条件 供水管网是一个庞大、复杂的系统，存在大量水力工况不合理的环节，尤其 是有些末梢区域、局部缓流区域和死水区域，水力停留时间过长，加速了管道的 腐蚀以及腐蚀产物的释放，降低水质稳定性。因此，供水企业可以从技术和管理 方面着手，如建立供水管网水力模型，实时模拟供水管网水力工况，采取有效措 施改善缓流区的水力工况；制定合理的管网冲洗排放计划，最好采用单向冲洗措 施，及时将水质恶化的水排出，达到冲洗管网内壁的效果，降低了再次污染的风 险【3 0 1 。 、 1 2 3 3 投加缓蚀剂 投加缓蚀剂也是一种控制金属管道腐蚀的方法。目前常用的有磷系、硅系以 及它们的混合物。 磷系缓蚀剂包括正磷酸盐和聚磷酸盐。正磷酸盐是一种阳极缓蚀剂，只有在 水中含有氧气的情况下才有效。常用的正磷酸盐有磷酸钠、磷酸二氢钠和磷酸氢 二钠。汪义强等【3 1 1 将石灰和磷酸钠用于改善管网水质，控制管网水化学稳定 硕士学位论文 性。 在水中投加硅酸盐可以在管壁上形成二氧化硅膜，保护管壁不受腐蚀，较常 用的是水玻璃，用硅酸盐处理对于铁管、钢管、铜管及铝管等都是有效的。 磷与硅的混合物也可用于控制供水系统的稳定性。傅文华【3 2 l 曾介绍一种归丽 晶，它是聚磷酸盐和硅酸盐的混合物，可以有效减缓腐蚀，保护管道。但是缓蚀 剂不宜长期投加，只能作为应急控制的强化措施【3 0 1 。 1 2 4 二氧化碳与石灰联用再矿化工艺在水处理方面的应用 再矿化技术是处理腐蚀性水的一种水质稳定方法，其主要是利用二氧化碳与 石灰或石灰石投加到水中，增加水的碱度、硬度，调整p h 值，使处理水达到水 质稳定。 早在1 9 世纪，再矿化技术就被应用于提高腐蚀性水的稳定性。德国是最早 应用石灰石接触池的国家1 3 3 1 ，在1 9 0 8 年成功地应用石灰石滤池处理1 1 0 万加仑 天的水量。1 9 3 0 年，纽约和宾夕法尼亚州使用再矿化技术处理腐蚀性的水 1 3 4 3 引。l9 6 0 19 7 0 年间，南非安装了小处理能力的石灰石滤池，随后大处理能力 的滤池也相继运行成功，并为大处理能力的水厂设计了s s p 工艺( s i d e s t r e a m s t a b i l i z a t i o np r o c e s s ) 。s s p 是指将处理水的一部分进行再矿化处理后，与另一部 分未经处理的水混合，使之达到碳酸钙平衡，提高处理水的化学稳定性。目前， 再矿化技术主要应用在处理腐蚀性的水以及海水淡化水的后续处理中。 二氧化碳与石灰联用是再矿化技术的一种，在处理除盐水、电渗析水等方面 有一些应用。 1 9 8 3 年，p l e r o y 等【3 6 j 针对输送海水除盐水管道腐蚀的状况，在原处理工艺 上做了改进，除盐水先经过曝气，增加溶解氧浓度，再增加二氧化碳与石灰投量 进行再矿化处理，使钙浓度达到2 5 m g l ，最后投加少量次氯酸钠消毒。该工艺 运行6 个月后，管道金属表面覆盖了一层钙一铁保护膜，起到控制腐蚀的作用： 1 9 9 4 年，a k i l id k h a w a j i 等1 3 7 】在以除盐水为饮用水水源的水厂中投加二氧 化碳与熟石灰，提高水的硬度和碱度至适当的水平，使水具有良好的缓冲性能以 及非侵蚀性。 1 9 9 7 年，李树猷等【3 8 j 对严重腐蚀性的电渗析水采取二氧化碳与石灰联用再 矿化技术处理，处理后的水雷兹诺稳定指数由1 1 降至7 ，挂片腐蚀测得的侵蚀 度由o 5 9 m m a 降到o 0 0 6 o 0 2 6 m m a ，水质基本稳定。 2 0 0 4 年，樊荣涛等1 3 9 j 发现深井水中含有过量的二氧化碳，导致水的p h 过 低( 6 8 左右) ，具有腐蚀性。对此，在井水中加入适量的二氧化碳和饱和石灰 水处理，调整p h 至7 3 9 7 5 6 ，大大降低了对输水管道造成的腐蚀。 目前国内对低碱低硬度水的处理还停留在单独投加碱剂，如石灰、氢氧化钠 二氧化碳。i 石灰联用再矿化工艺试验研究 与石灰联用再矿化处理低碱低硬度原水的研究甚少。 研究内容 水源水质普遍呈现低碱低硬度的特点，经水厂处理后的出厂水 差，进入管网后容易出现有色水等现象，威胁供水安全。目前 的水质稳定方法不能满足日益提高的水质要求，因此需要寻求更有效的解决之 4 追。 本文针对珠江下游地区普遍存在的水质化学稳定性低的问题，在对深圳市供 水系统水质化学稳定性进行充分调查的基础上，开展二氧化碳与石灰联用再矿化 技术的研究，取得的研究成果，对再矿化技术的应用有一