（环境工程专业论文）海水淡化水安全输配研究.pdf

摘要 随着世界上淡水资源的日益不足，海水淡化成为解决水资源危机的重要途径。 但由于海水淡化水与传统水资源存在着差异，进入管网时往往会出现“红水”或 “黄水”现象，因此海水淡化水在引入给水输配系统时需要进行水质稳定后处理。 本文以搭建的动态中试实验装置与静态浸泡管段为实验平台，着重研究不同水质、 不同金属管材及不同水力条件对管网水质的影响，并在此基础上建立符合实际的 水质稳定性指标体系，包括水质化学稳定性判别指数及主要影响因素控制范围。 首先，针对不同水质的原水对p h 值、碱度、溶解氧、硫酸根、氯离子和余 氯等重要影响因素做单因素调节。因淡化水的水质稳定性差，引入管网时p h 值、 铁含量等指标发生骤然变化，并且铁的释放现象与各指标有很大关系。并通过限 制铁的释放速率，具体给出各影响因素限值。 第二，研究不同原水在钢管、铸铁管及带内衬的球墨铸铁管停留不同时间后 的水质变化，得出结论不同金属管材对离子的释放也有重要影响。 第三，结合层次分析法和实际实验数据相关性分析确定影响水质稳定性的重 要因素，得出铁的释放速率与l a r s o n 指数存在较大的正相关关系，因此以原 l a r s o n 指数为基础，建立多指标且更符合实际的改进的l a r s o n 指数。 第四，在理论分析基础上，参考国外水质化学稳定性控制指标范围及国家生 活饮用水卫生标准，结合实验数据分析确定符合需要的水质稳定性控制指标范围。 关键闹：海水淡化水给水管网影响因素水质稳定性 a b s t r a c t s e a w a t e rd e s a l i n a t i o nb e c o m e so n ei m p o r t a n tm e t h o dt os o l v ew a t e rc r i s i s ，w i t h t h ei n c r e a s i n g l ys h o r t a g eo ff r e s h w a t e rr e s o u r c e si nt h ew o r l d b u ta sd e s a l i n a t e d w a t e rh a sl a r g ed i f f e r e n c e sw i t ht h et r a d i t i o n a lw a t e r , w h e ni t i st r a n s m i t t e di n t ot h e p i p e n e t w o r k s e p a r a t e l y , i t w o u l dp o s s i b l yl e a dt os e r i o u s “c o l o r e dw a t e r p h e n o m e n o n ，s od e s a l i n a t e dw a t e rs h o u l db es t a b l ep r o c e s s e db e f o r ei n t r o d u c e di n t o d i s t r i b u t i o ns y s t e m t h i sp a p e rf o c u s e so nt h ee f f e c t so fd i f f e r e n tw a t e rq u a l i t y , m e t a l p i p em a t e r i a l s ，a n dh y d r a u l i cc o n d i t i o n so nt h ep i p ew a t e rq u a l i t y , t h ed y n a m i cp i l o t s c a l ee x p e r i m e n t a ld e v i c ea n ds t a t i ci m m e r s i o np i p ea se x p e r i m e n t a lp l a t f o r m ，a n d b a s e do nt h a t , t h ea c t u a lw a t e rq u a l i t ys t a b i l i t yi n d e xs y s t e mi se s t a b l i s h e d ，i n c l u d i n g w a t e rq u a l i t yi n d e xa n ds p e c i f i ci n f l u e n t i a li n d i c a t o r sr a n g e f i r s t l y , r e g u l a t ei m p o r t a n tq u a l i t yf a c t o r so ft h er a ww a t e rw i t hd i f f e r e n tw a t e r q u a l i t y , i n c l u d i n gp h ，a l k a l i n i t y , d i s s o l v e do x y g e n ，s u l f a t e ，c h l o r i d e ，a n dc h l o r i n ea n d o t h e rw a t e rq u a l i t yi n d i c a t o r s i ti sc o n c l u d e dt h a tb e c a u s eo ft h ep o o rs t a b i l i t yo f d e s a l i n a t e dw a t e r , w h e ni tw a si n t r o d u c e di n t op i p e ，t h ep ha n di r o nc o n t e n th a d d r a m a t i cc h a n g e s ，a n di r o nr e l e a s ep h e n o m e n o nh a dc o r r e l a t i o nw i t ht h ei n d i c a t o r s a l s o ，b yl i m i t i n gt h ei r o nr e l e a s er a t e ，t h es p e c i f i cl i m i t so fe a c hf a c t o ri sg i v e n s e c o n d l y , i ti s f o u n dt h a tp i p em a t e r i a lh a v eam a j o ri m p a c to nt h er e l e a s eo fi o n s ， b ys t u d y i n gt h ed i f f e r e n tw a t e ri nt h ed i f f e r e n tp i p e s ( i n c l u d i n gs t e e lp i p e ，c a s ti r o n p i p e ，a n dl i n e dd u c t i l ei r o np i p e ) w i t hd i f f e r e n t r e s i d e n tt i m eo rs o a k i n gt i m e t h i r d l y , t h ei m p o r t a n tf a c t o r sa f f e c t i n gt h es t a b i l i t yo fw a t e rq u a l i t yi sd e t e r m i n e d ， b yd o m i n a t i n ga h pa n dt h ea c t u a le x p e r i m e n t a ld a t ad e p e n d e n c ea n a l y s i s i ti sf o u n d t h a tt h e r ei sal a r g ep o s i t i v ec o r r e l a t i o nb e t w e e nt h ei r o nr e l e a s er a t ea n dl a r s o ni n d e x b ym a p p i n g ，t h e nam u l t i i n d e xa n dm o r er e a l i s t i cl a r s o ni n d e xi se s t a b l i s h e db a s e d o no r i g i n a ll a r s o ni n d e x f o u r t h l y , w a t e rs t a b i l i t y i n f l u e n t i a li n d i c a t o r sr a n g ei sd e t e r m i n e db a s e do n t h e o r e t i c a la n a l y s i s ，w i t hr e f e r e n c i n gt ot h ef o r e i g nw a t e rq u a l i t yi n d i c a t o r sr a n g eo f c h e m i c a l s t a b i l i t ya n dn a t i o n a ld r i n k i n g w a t e rh e a l t hs t a n d a r d s ，c o m b i n e dt h i s e x p e r i m e n t k e yw o r d s ：d e s a l i n a t e dw a t e r , w a t e rs u p p l yn e t w o r k ，i n f l u e n c ef a c t o r s ， w a t e rs t a b i l i t y 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题提出的背景及研究意义 1 1 1 问题提出的背景 全球范围内淡水资源不足己成为人们日益关切的问题。有人预言，1 9 世纪 争煤，2 0 世纪争油，2 1 世纪可能争水。作为水资源的开源增量技术，海水淡化 已经成为解决全球水资源危机的重要途径。中国属于世界上1 3 个贫水国之一， 人均淡水资源仅为世界人均量的1 4 ，并且水资源分布极不均匀，大量的淡水资 源主要集中在南方，北方淡水资源仅占1 4 。相比南水北调工程，对于：i 匕方沿海 地区，海水淡化在中国更具有其现实意义。 海水淡化事业在我国起步较早，上世纪6 0 年代就已经开始研究，最早主要 用于向海岛供水，但发展较为缓慢，近年来，由于其具有良好的品质在：【业上得 到广泛的推广运用。随着缺水形势的日益严峻，海水淡化水的用途从工业扩大到 小规模的市政供水u j 。由于海水淡化水与传统水资源存在着差异，淡化水在引进 管网前需要解决其作为饮用水的安全性和对市政供水管网影响的问题，以此保证 海水淡化水与管网能够良好的兼容。海水淡化水因其化学稳定性差在管网输配过 程中往往引起“红水”或“黄水”现象，引起用水用户的极大不满【2 】。而解决淡 化水在管网输配过程中出现的上述水质问题可归结为控制管网铁超标，即控制管 道的腐蚀及铁的释放。 1 1 2 国内外海水淡化水利用现状 全球水资源短缺问题日益严重，海水淡化事业也随之应运而生，尤其是对于 中东一些缺水国家，其淡化装置达世界的6 0 。目前海水淡化已遍及全世界1 2 5 个国家和地区，淡化技术用于处理海水占各种原水处理总量的6 1 ，其中约6 7 用于市政给水。意大利西西里岛2 0 0 5 年日产海水淡化水量约为1 3 5 m 3 ，约占其 全部可饮用水的1 5 2 0 ，可供给5 0 0 万用户使用：以色列2 0 0 5 年日产海水淡 化水量约为7 3 8 万m 3 ，其中市政饮用水占7 0 ；阿联酋2 0 0 3 年日产海水淡化 水量已高达5 4 6 6 万m 3 。2 0 1 1 年4 月，天津召开了海水淡化及利用技：术国际研 讨会。会上，国际脱盐协会技术委员会主席利昂弗可维尔布奇将海水淡化称为“在 水危机和水污染的厄运和困境中开辟新水源的惟一可行的希望”。由于海水淡化 第一章绪论 水具有强烈的腐蚀性( 不稳定性) ，国外绝大部分国家的海水淡化水在进入市政 管网之前都会经过水质稳定后处理工艺，主要通过调节p h 值和提高碱度、硬度 等，以此达到稳定淡化水水质的目的【3 1 。 我国海水淡化事业前期发展略微缓慢，大部分单位日处理规模都在l 万m 3 以下，仅有少数单位日处理规模能达2 0 万m 3 ，且其中处理工艺多以反渗透及低 温多效蒸馏法为主。近几年的发展势头呈稳健状态，目前已成为全球海水淡化市 场增长最快的国家地区之一，预计到2 0 1 5 年我国的海水淡化能力可将提升至 1 5 0 2 0 0 万m 3 。刚刚召开的2 0 1 1 青岛国际海水淡化与水再利用大会上，专家指 出，我国的海水淡化事业与国际先进水平相比还存在一定差距，面对巨：大的市场 机遇与挑战，要求我们加快发展自主海水淡化技术和相关产业。大会上，杭州水 处理技术研究开发中心，高从增院士还做了关于海水淡化水作为饮用水所需后处 理的报告。大连、黄岛、长岛、嵊泗和天津都已相继建立了海水淡化示范项目， 但由于其价格高、水质优等原因，主要面向工业高端用户，只有个别单位所产的 海水淡化水进入市政供水管网供给居民作为日常饮用水，但在供水初期就纷纷出 现了“红水”和“黄水”现象，严重影响了当地居民的用水安全，并引起用水用 户的极大不满。 1 1 3 课题提出及研究意义 给水管网是城镇供水系统中的重要组成部分，是给水工程中向用户输水和配 水的管道系统，主要作用为把经净水厂净化处理后的符合国家生活饮用水水质标 准的水输送给用户。我国的给水管网多为铸铁管和钢管，据1 9 9 6 年的数据显示， 两者共占全部管材的7 5 以上【4 1 ，而淡化水为软水，p h 、碱度和硬度都较低，基 本上不具有缓冲能力，有溶解腐蚀管道内壁保护性垢层的倾向。不过，腐蚀性并 非淡化水所特有，由于给水引起管网腐蚀而导致供水水质受到污染，使得浊度、 色度、铁含量等增加的现象在自来水的输配中也很常见。我国自来水厂的出水水 质的各项指标一般都能达到国家生活饮用水水质标准，但通过管网输送给用户时， 铁、锰、浊度、色度、细菌总数等含量不断增加，造成水质下降从而不能够达到 国家标准。造成水质下降的原因多种多样，一般认为水在给水管网内流经时间较 长，在流动过程中，会发生一系列的物理的、化学的、电化学的、微生物学的反 应，引起管网腐蚀、金属离子释放及细菌总数增加，使得部分物质含量超标，使 水受到了二次污染【5 j 。 本研究课题来源于国家“十一五”水专项之城市节水关键技术研究与示范 的子题，关于非传统水源利用集成技术、水量调度与管网水质控制技术研究；该 课题的研究对象为经低温多效蒸馏工艺处理的优质海水淡化水、常规工艺处理的 第一章绪论 自来水及铸铁管、钢管等金属管材，研究目的为通过水质分析，研究管网中铁超 标问题、对超标铁来源及对相关水质影响因素分析，从而建立相应水质稳定性指 标体系。诚如前文所述，淡化水水质优于自来水，但由于其水质稳定性差，对管 网有强烈腐蚀性，再加上已有旧管网长期输配自来水，因此当淡化水引入给水管 网时很容易引起铁超标问题，导致浊度、色度超标，因此如要在原有管网输送淡 化水，需对其进行水质稳定性处理，即再矿化，这对水质保障及管网维护都有着 重要意义，同时为建立水质稳定性指标体系提供事实基础。 1 2 国内外研究现状 一般认为铁的超标是由管壁腐蚀及铁的释放引起的。国内外关于铁超标的研 究主要集中于管网腐蚀机理及管壁腐蚀瘤理化特性、管网中铁释放机理及其水质 影响因素、水质化学稳定性及其判别指标。 1 2 1 给水管网中铁稳定性问题 水质稳定性包括化学稳定性和生物稳定性。由于给水管网多为金属管材，因 此用铁的稳定性来表征化学稳定性。给水管网铁稳定性是一个十分复杂的系统， 包括物理、化学、生物等多种作用影响，具体可由管网腐蚀、管垢形成和铁释放 构成，三者相互影响，见图1 1 。管网腐蚀产生腐蚀产物，此过程主要包括电化 学作用及微生物作用，腐蚀产物可形成管垢，管垢反过来可以起到钝化层保护膜 的作用从而阻止进一步的腐蚀，同时也可以由溶解和电化学作用直接向管网水释 放铁，而铁释放现象可以破坏管垢结构，从而进一步加剧管网腐蚀，一般铁释放 主要受到水力条件和水质条件的影响。 铁稳定性问题 腐蚀产物直接释放 加剧腐 电 化 学 作 用 微 生 物 作 用 微j j 化ll 晶 观 l 学ll 体 形i i 成l l 结 态f 1 分l l 构 图1 1 铁稳定性问题示意图 水 力 条 件 影 响 水 质 条 件 影 响 第一章绪论 1 2 1 1 给水管网中管道腐蚀和铁释放现象与铁稳定性的关系 在管壁微环境下铁元素存在着微妙的化学平衡，如图1 2 。管壁微环境包括 铁质管材( 金属铁) 、管垢( 铁的化合物) 和管网水环境，其化学过程包括腐蚀 反应、铁释放反应及铁沉积反应。腐蚀和铁释放反应都会引起管网水中的铁超标。 腐蚀主要涉及电化学作用，一般是由于金属铁质管材与水接触而引起的，腐蚀过 程中会产生大量的亚铁离子、氢氧根离子等腐蚀产物，这些腐蚀产物可以直接进 入管网水也可经过沉淀、氧化还原等复杂反应后在管内壁形成具有钝化层保护作 用的管垢。而管垢在管网水力冲刷或溶解作用下可向管网水中释放铁，这就是铁 释放现象，还包括管壁电化学反应产生的亚铁离子腐蚀产物等直接释放到管网水 中。由于铁释放现象的发生而导致管垢破坏，加剧了铁质管材的腐蚀。当管网水 中的铁达一定量时会发生沉淀反应，造成铁沉积现象，也可形成管垢。这些复杂 的反应会导致铁超标，进一步引发“红水”现象【6 】。 管垢破坏加剧腐蚀 图1 2 铁释放、管道腐蚀与铁稳定性关系图 1 2 1 2 给水管网铁释放相关理论研究 ( 1 ) 管垢形成的s i d e r i t e 模型 s o n t h e i m e r 掣7 1 提出了管壁管垢的形成模型。他们认为碳酸亚铁( s i d e r i t e ) 对管垢的形成起重要作用并将管垢形成过程的复杂化学反应分为三个等级。 各阶段的反应方程所示： 一级反应： 凡专f e 2 + + 2 e q + 2 d + 4 e 一营4 0 h 一 2 h c q 一+ 2 0 h 一_ 2 c q 2 一+ 2 鸠o ( 1 1 ) ( 1 2 ) ( 1 3 ) 第一章绪论 二级反应： 三级反应： 2 c a 2 + + 2 c 0 3 2 2 c a c 0 3 ( 。) 2 f e 2 + + 2 c q 2 。- - 2 f e c q ( 。) 2 f e 5 + + 1 0 2 + 4 伽一- - - 2 f e o o h ( 。、+ 1 4 5 0 2 f e c 0 3 + 三q + 2 h 5 0 专2 f e o o h ( 一2 c 0 2 3 f e c 0 3 ( 。) + 互1q _ 如q ( 。) + 3 c 0 2 ( 1 4 ) ( 1 5 ) ( 1 6 ) ( 1 7 ) ( 1 。8 ) ( 2 ) k u c h 机理 k u c h 等人 8 】发现当管网水力条件发生变化时会发生铁释放现象，并据此提 出了k u c h 机理。机理认为当管网水力条件由流动状态变化为停滞状态时管网水 中溶解氧会被反应消耗掉，而后管垢中的三价铁作为新的电子受体与金属铁发生 氧化还原反应形成亚铁与氢氧化根，进一步可形成氢氧化亚铁。己知亚铁化合物 的溶解度远远大于三价铁化合物，因此亚铁离子可以大量扩散到管网水中，造成 铁释放现象。反应中y f e o o h 作为电子受体，反应产物是二价铁，反应方程式 如式( 1 9 ) 所示。 f e ( 金属) + 2 f e o o h ( 腐蚀层1 + 2 h + 3 f e 2 + + 4 0 h 。 ( 1 - 9 ) ( 3 ) 铁化合物的溶解理论 s a r i n 等人【9 。o j 通过对不同溶解氧状态下的已腐蚀的钢管进行铁释放的研究， 发现亚铁的溶解是引起铁释放现象的主要原因。铁释放可分为两个阶段：阶段一 为管内壁的铁持续腐蚀造成腐蚀瘤内亚铁离子的升高。亚铁离子与微溶的二价铁 沉淀物质( 如f e c 0 3 、f e ( o h ) 2 等) 在腐蚀瘤内核层的水溶液中达到溶解平衡。 亚铁离子与达到溶解平衡后形成的二价铁化合物共同溶于水溶液中，溶液中的二 价铁可能被腐蚀瘤内核层中的溶解氧完全氧化成三价铁化合物或不完全氧化成 二价铁与三价铁共存形式的绿垢。阶段二为阶段一产生的二价铁穿透腐蚀瘤的硬 壳层释放到水中，从而形成黄水，而产生的绿垢或三价铁化合物沉积于管壁，进 一步形成腐蚀瘤。 b e n j a m i n 等 也发现碳酸亚铁和氢氧化亚铁是管垢内的重要成分。r u s h i n g 等人也提出了类似的铁释放及红水产生的机理。 第一章绪论 ( 4 ) 瘤状物破坏理论 b a y l i s 提出一种解释管段中瘤状物形成原因的理论，这个理论同时还可以说 明引发铁释放的机理。机理认为腐蚀反应使得金属表面形成了大量的亚铁离子， 管网水中的溶解氧可以与它们反应而被消耗。当溶解氧被消耗殆尽又不能够及时 补充的情况下氢离子又可以作为电子受体发生还原反应生成氢气，维持铁的腐蚀 反应的持续进行。反应生成的亚铁离子穿透腐蚀瘤的硬壳层释放到管网：水中，而 流动的管网水可将亚铁离子携带到溶解氧浓度较高的地方即好氧区，溶解氧作为 电子受体与亚铁离子发生氧化还原反应生成氢氧化铁或其他水合铁氧化物( 如 仪一f e o o h 、y f e o o h ) 。三价铁化合物因磁力作用而吸附在管壁表面，主要表现 为多孔松散、纤维状态，并极易受管网水质变化的影响。而在金属表面生成的亚 铁离子则扩散到布满水的多孑l 管垢孔隙中，并最终在管垢表面形成一层致密保护 膜，起到将管网水与亚铁离子和腐蚀瘤中的铁的化合物分开的作用，阻止进一步 腐蚀。当外界水力条件发生变化时或导致该保护膜破裂受损，内部的大量铁会释 放出来。但s o n t h e i m e r 等人也曾报道过管垢表面不一定存在致密保护膜，主要原 因可能是孔隙中的活性铁细菌会破坏膜的致密结构，导致多孔结构的产生。 ( 5 ) 腐植酸作用理论 t h e i s 等【l2 j 发现如果水中存在一定量的有机物质的情况下，即使水中充有一 定量的溶解氧，也可以阻止亚铁离子的继续氧化。天然水中的有机物主要是腐殖 酸，它可以与亚铁发生络合反应从而减小亚铁离子的氧化速率。同时腐殖酸还可 以将三价铁还原为亚铁，使腐蚀瘤中的铁释放到管网水中。 ( 6 ) 微生物活动理论 有报道称，给水管道实际的管材腐蚀程度可影响生物膜再生并能影响管网下 游水质。细菌腐蚀主要是指以细菌的生命活动引起或促进金属的腐蚀破坏，引起 铁腐蚀的主要微生物包括铁细菌、硫酸盐还原菌、硫细菌、酵母菌及霉菌等。 e m d e t l 3 j 发现在给水管网中存在包括g a l l i o n e l l a 、l e p t o t h r i x 、s p h a e r o t i l u s 等铁氧 化菌以及b a c i l l u s s p 、c l o s t r i d u m 、c 加6 a c 纪r 等铁还原菌在内的铁细菌，由铁细 菌引起的金属腐蚀一般为均匀腐蚀。铁氧化菌可以使三价铁沉积在管垢表面形成 腐蚀瘤，在水力冲刷作用下引起铁释放，而铁还原菌可以生成溶解性二价铁产物 而直接引起铁释放。 硫酸盐还原菌在铁释放过程中也起到不容忽视的作用，由硫酸盐还原菌引起 的金属腐蚀一般为坑穴腐蚀，即硫酸盐还原菌腐蚀金属时，腐蚀产物不断堆积， 在金属表面会形成锈瘤，而在腐蚀产物的内部，由于厌氧菌的继续作用，会使腐 蚀进一步加重，从而在金属表面表现为一个个坑穴。对硫酸盐还原菌的腐蚀机理 一般解释为硫酸盐还原菌参与阴极去极化【14 1 。硫酸盐还原菌在厌氧条件下利用氢 第一章绪论 离子以还原硫酸盐，因而金属表面的游离离子不断得到消耗，加速了阳极的去极 化作用，从而使金属离子不断被释放，进一步促进金属的电化学腐蚀。反应方程 式如( 1 。1 0 ) 、( 1 1 1 ) 。 s 0 4 一+ 1 0 h + + 8 e jh 气地h p h s + f e 2 + _ f e s 山+ 2 h + ( 1 1 0 ) ( 1 1 1 ) ( 7 ) 溶解氧影响模型 c l e m e n tja 【” 等对铁释放现象提出了溶解氧影响模型。他们将管垢分为成由 三价铁的化合物组成的致密层和由二价铁的化合物组成的疏松层。致密层可以起 到保护作用，防止内部铁管的腐蚀和铁的释放。当管网水中溶解氧浓度高时能够 保持致密层保护膜不被破坏，内部的二价铁离子不会释放出来。当溶解氧浓度降 低时，致密层将会发生反应而出现裂缝受损，内层的二价铁就会释放到水中。因 此他们认为溶解氧是影响铁释放的关键因素。 s a r i n 等【1 6 】根据管网水中溶解氧的存在情况，将管网划分为好氧、缺氧及两 者的过渡状态三种情况，并针对三种情形下的铁释放现象作了讨论。当腐蚀瘤暴 露于好氧条件时，一般溶解氧作为电子受体发生氧化还原反应，其中反应速率主 要取决于溶解氧浓度及其传输速率，而其传输速率又受腐蚀层的孔隙度影响。当 管网水处于缺氧状态时，三价铁可代替溶解氧作为电子受体发生反应，而三价铁 化合物是硬壳层的主要组成部分，因此此时部分硬壳层会被溶解破坏，从而加快 亚铁的离子的释放。当管网水处于好氧到缺氧的过渡状态时，腐蚀层的会受到氧 化和还原的交替反应，促进硬壳层的形成。 上述7 种机理从不同的角度解释了给水管网中的铁释放现象，提高了人们对 铁释放现象的认识水平。但是这些机理仍存在一些不足之处，具体表现为：这 些机理目前仍处于假说阶段，需要进一步的试验证明。不同地区的管材、管龄 及管网水质差异很大，而不同的管材及水质适用于不同的机理，目前尚缺乏机理 的适用条件及判别依据。仍未建立相应的数学模型对机理进行定量化，因此需 要对有关机理做进一步的理论分析与实践研究，从而建立适用的数学模型。 1 2 1 3 给水管网管道腐蚀相关理论研究 金属给水管道发生的腐蚀主要是输水过程中管网内壁以水为介质发生的化 学和电化学腐蚀【1 7 i 。 在金属给水管道中，水对管道内壁的腐蚀作用主要表现为电化学腐蚀，其电 化学腐蚀机理【1 8 】主要有以下三种解释：一种是氧化理论，即金属铁首先由水中碳 酸氧化转变成碳酸亚铁，接着再被水中的溶解氧氧化，转变成氢氧化铁。第二种 第一章绪论 是过氧化理论，金属铁先与水化合为氢氧化亚铁，产生的氢和水中的氧化合为双 氧水，而后氢氧化亚铁和双氧水化合为氢氧化铁。化学反应式如( 1 1 2 ) 、( 1 1 3 ) 、 ( 1 1 4 ) 。 忍+ 2 马0 j f e ( o h ) 2 + 2 日2 + qo 日2 q 2 f e ( o h ) 2 + i - i ：0 2 寸2 f e ( o h ) 3 ( 1 。1 2 ) ( 1 一1 3 ) ( 1 1 4 ) 第三种是微腐蚀电池理论【19 1 ，因金属本身除含有铁元素以为还含有许多其它 杂质，金属和杂质之间存在着电位差，在水的介质中形成了无数个微腐蚀电池， 在铁管表面某一部位，因金属铁被腐蚀成亚铁离子进入水中而形成阳极，所释放 的电子传递到铁管表面的另一部位而形成阴极。在p h r e ( o h ) 2 4 f e 2 + + 0 2 + 8 0 h 一4 f e o o h + 2 h 2 0 4 f e c 0 3 + 0 2 + 2 h 2 0 专4 f e o o h + 4 c 0 2 f e c 0 3 + 0 2j2 f e 3 0 4 + 6 c 0 2 随着以上化学反应的进行，管道内壁形成结垢。 1 2 2 给水管网水质稳定性影响因素 ( 1 1 5 ) ( 1 1 6 ) ( 1 1 7 ) ( 1 1 8 ) ( 1 1 9 ) 给水管网水质稳定性可以分为化学稳定性和生物稳定性。由于近年来的普遍 重视，人们对生物稳定性了解很多，但对化学稳定性缺乏认识。管网水质化学稳 定性是指水在管道输送过程中既不结垢又不腐蚀管道，通常被定义为既不溶解又 不沉积碳酸钙【2 0 1 。目前有关管网化学稳定性范畴有所扩大，还包括铁超标及铝沉 积问题。本文着重研究铁超标问题。生物稳定性是指饮用水中有机营养基质能支 持异养细菌等生长繁殖的潜力，即细菌等微生物生长繁殖的最大可能性。 1 2 2 1 水质化学稳定性影响因素 给水管网铁释放与管网水质有密切关系，研究表明p h 、碱度、溶解氧、温 r 第一章绪论 度、二氧化碳、余氯等水质参数都对给水管网中铁释放有着重要影响。 ( 1 ) p h 值 在给水管道内，p h 的大小对铁释放的影响作用很大。p h 值对固体的溶解度、 腐蚀电位的大小均有一定的影响，不仅如此，p h 还能影响腐蚀的形式，即吸氧 腐蚀还是析氢腐蚀【2 1 1 ，如公式( 1 - 2 0 ) 和( 1 2 1 ) 所示。当p h 较低( p h 0 时，碳酸盐处于过饱和状态，管网有结垢的倾向；当l i 4 时有结垢倾向，且 值越大结垢现象越严重；当c c p p 0 5 时水具有腐蚀性。 ( 5 ) 侵蚀指数( a i ) a i 可用来鉴定水质对石棉水泥管是否具有侵蚀性。定义如下： a 1 = 坤+ l o g ( a l k h a r d n e s s ) ( 1 - 3 1 ) 式中，a l k 和h a r d n e s s 分别表示水样的钙硬度和总碱度，单位为m g l c a c 0 3 计。 当a i 1 时，水中的碳酸钙过饱和； 当d f i 1 0 0 为严重腐蚀。 需要指出的是，r c i 仅适用于美国东海岸的硬度较低的水，而对其它地区的 水质不一定适用。即便如此，r c i 提出了非碳酸盐体系的腐蚀影响因素具有很 大的启示意义与指导作用。 除以上指数外，还有其它腐蚀指数，其中包括c a s i l 指数、f e i g e n b a u m 指数、 g a l o r 和y a h a l o m 指数。但因其不常用，且适用范围不大，在此不做赘述。 1 3 本课题的主要研究内容 本文以搭建的动态中试实验装置与静态浸泡管段为实验平台，以自来水、淡 化水为水质研究对象，着重研究不同水质、不同管材及不同水力条件对管网的水 第一章绪论 质影响，并在此基础上建立符合实际的水质稳定性指标体系，主要包括水质化学 稳定性判别指数及具体主要影响因素控制范围。 主要内容如下： ( 1 ) 通过对不同水质的原水做水质单因素调节，研究影响水质的主要因素， 主要包括自来水与淡化水的掺混比、p h 值、碱度、溶解氧、硫酸根、氯离子、 浊度和余氯等水质指标。 ( 2 ) 对不同管材( 主要为钢管、灰口铸铁管及水泥砂浆内衬球墨铸铁管) 及水力条件( 主要为干管、支管、浸泡管) 做简单的水质影响分析。 ( 3 ) 运用层次分析法并结合水质影响因素相关性分析确定水质影响控制指 标。 ( 4 ) 在水质影响因素分析的基础上，建立水质化学稳定性指标体系，并给 出重要水质指标具体限值，及适合的水质化学稳定性判别指数。 本文技术路线如图1 3 。 动态中试模拟实验 )( 管段静态浸泡实验 管材影响 1( 水质影响因素分析 )f水力工况影响 水质稳定性指标体系建立 水质稳定性指标选择)f 水质化学稳定性判别指数确定 图 - 3 技术路线示意图 第二章实验概述 _ _ _ _ _ - _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ - - _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ - - _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ - - _ _ _ _ 一一 2 1 实验材料 第二章实验概述 ( 1 ) 以汉沽水厂替换下来的较完整的给水管段，d n l 0 0 的灰口铸铁管、 d n 2 0 0 的钢管及d n 2 0 0 的水泥砂浆内衬球墨铸铁管为研究管材，管段均具有一 定的管龄，约2 0 年左右。 ( 2 ) 以汉沽水厂常规工艺处理的自来水及北疆电厂低温多效蒸馏! 生产的海 水淡化水作为研究水质；表2 1 为北疆电厂所产海水淡化水部分重要水质指标检 测报告，可以看出，海水淡化水的各项水质指标均优于自来水，其碱度、硬度和 各类离子的含量也均低，因此对管网有较强的腐蚀侵袭。 表2 1 海水淡化水部分水质指标检测报告h 6 】 检测项目 单位 分析方限值 检验结果本项结论 鲨垫! !f q 曼! ! 兰2 ：2 q q q p h g b t 5 7 5 0 4 6 5 p h 8 5 7 8 2合格 总硬度( c a c 0 3 ) m g l g b t 5 7 5 0 4 一 4 5 0 5 0合格 浑浊度n t ug b t 5 7 5 0 4l 0 1 7合格 色度 铂钴色度单位g b t 5 7 5 0 4 1 5 5合格 嗅和味 铁 铝 氯化物 硫酸盐 溶解性固体 溴酸盐 氯酸盐 耗氧量 ( c o d m 。) 氨氮( n 计) 总大肠菌群 菌落总数 m g l m g l m g l m g l m g l m g l m g l m g l m g l g b t 5 7 5 0 4无 g b t 5 7 5 0 6 g b t 5 7 5 0 6 g b t 5 7 5 0 5 g b t 5 7 5 0 5 g b t 5 7 5 0 4 g b t 5 7 5 0 10 g b t 5 7 5 0 1 1 g b t 5 7 5 0 7 g b t 5 7 5 0 5 m p n 10 0 m lg b t 5 7 5 0 12 c f u m lg b t 5 7 5 0 1 2 0 3 0 2 2 5 0 2 5 0 1 0 0 0 0 0 1 0 7 3 o 5 不得检出 1 0 0 0合格 0 0 5合格 o 0 0 8 合格 0 1 1 合格 0 2 4合格 9合格 0 0 0 9合格 0 0 2 合格 o 5 0合格 0 0 3合格 未检出合格 未检出合格 1 7 第二章实验概述 2 2 实验装置 图2 - 1 为中试动态实验装置平面图，设置三个水箱，分别为淡化水水箱，自 来水水箱及工作水箱，水箱容积均为1 0 0 0 l ，均匀标以刻度，淡化水与自来水按 照一定比例进入工作水箱，辅以调节水质，均匀混合后，通过水泵将水抽入管路 当中。其中板式换热器用于调节由于水泵长时间运行导致的水温上升，转子流量 计功能为控制管网水流量与流速，本实验固定调节流量q = il m 3 h ，流速v = 0 4 m s 。 为更好模拟实际管网状态，防止氧气进入，对工作水箱进行密封，水泵置于工作 水箱底部，流量约为2 5 m 3 h ，扬程为7 - 8 m ，排水管置于箱底。 中试实验管网搭建有两套，其中一套干管管材为d n l 0 0 的灰口铸铁管1 5 m ， 支管同为灰口铸铁管，d n 5 0 ，管长约3 m ，干管与支管分别设有取样口，方便取 样。另一套为管材主要为带水泥砂浆内衬的球墨铸铁管，d n 2 0 0 ，管长约：勾1 5 m ， 未设置支管。 图2 1动态中试管网实验装置平面图 图2 2 、图2 3 为动态中试试验管网现场照片。图2 4 为静态浸泡实验装置 图，管材为d n 2 0 0 的钢管，高约为l m ，竖直放置，下端缓慢均匀进水，防止冲 刷引起的铁含量及浊度增加，利用虹吸管在液面下0 5 米左右处取水，采用搅拌 器均匀搅拌，本装置缺点为未进行密封。 第二章实验概述 图2 - 2 动态中试试验管网整体装置图 图2 3 动态中试实验局部装置图 图2 - 4 静态浸泡实验装置图 1 9 第二章实验概述 2 3 实验方案 本实验针对两套不同管材的动态中试管网，设计了不同的实验方案，以期望 更能有效模拟实际管网运行状况。针对灰口铸铁管网，主要进行淡化水与自来水 的不同比例掺混及单因素调节p h 值、碱度、氯离子、硫酸根离子、溶解氧、余 氯等水质指标，连续监测一定停留时间的浊度、总铁含量、亚铁含量及可溶解性 铁含量及其它相关水质指标变化。由于球墨铸铁管带有水泥砂浆内衬，主要检测 钙离子与硅酸根离子，由于离子释放速率较慢，因此定为连续5 天运行。所以针 对球墨铸铁管网，主要进行了纯自来水，纯淡化水的5 天连续停留实验。由于之 前己对静态浸泡实验进行了相关单因素调节实验，在此只简单与干管和支管的水 质作对比实验。 2 4 检测指标与方法 表2 2 为实验中所检测具体指标及方法。 表2 - 2实验检测指标及方法 检测指标 检测方法 表观色度 水温 浊度 p h 溶解氧 电导率 碱度( 重碳酸盐碱度) 总硬度 总铁( f e 2 + 和f e 3 + ) s 0 4 2 。和c l - c a 2 + 总氯，余氯 硅酸根离子 全盐量 铂钴标准比色法 温度计 哈希便携式浊度仪210 0 a n 哈希h q 3 0 d 多参数数字化仪 哈希h q 3 0 d 多参数数字化仪 哈希h q 3 0 d 多参数数字化仪 酸碱指示剂滴定法 e d t a 滴定法 邻菲罗啉分光光度法 戴安d x 6 0 0 离子色谱法 e d t a 滴定法 哈希余氯、总氯水质分析仪 硅钼黄分光光度法 便携式盐度计 第三章管网水质影响因素分析 第三章管网水质影响因素分析 已知淡化水进入既有市政管网时会出现“黄水”或“红水 现象，原因之一 为淡化水化学稳定性差，腐蚀性强，当与耐蚀性较差的金属输配管相互作用时， 会发生腐蚀反应，生成铁锈f e ( o h ) 3 ；之二为当管网所输送的水质发生突变时， 会破坏管网与水之间原有平衡，导致管网水质不达标。饮用水系统腐蚀的发生涉 及到很多方面，包括水质的腐蚀性、管材的耐腐蚀性能及水流动状态等多种因素。 本章着重研究不同水质、不同管材及不同水力工况对水质的影响【4 引。 3 1 不同水质条件对管网水质的影响 目前给水管网系统中主要为铸铁管，其水质问题主要体现为铁含量及浊度的 变化。铁含量主要受管网腐蚀、管垢形成和铁释放之间的相互影响。影响管网中 铁释放的水质因素主要包括p h 值、碱度、硬度、溶解氧、温度、二氧化碳、氯 离子、硫酸根及溶解性固体等。本部分通过动态中试实验及部分静态浸泡实验研 究不同水质条件对铁释放的影响。 3 1 1 不同掺混条件下p h 的变化 t w 代表自来水，d w 代表海水淡化水，t w d w = 7 8 2 2 表示自来水占7 8 ， 淡化水占2 2 。不同原水经掺混后进入管路，掺混水的化学稳定性受原水各自的 缓冲容量影响很大。如下图所示，图3 1 与图3 2 分别代表干管与支管不同掺混 条件下p h 的变化趋势图，图3 3 为纯海水淡化水分别在下管、支管及浸泡管中 变化趋势图。可以看出，纯海水淡化水的p h 值无论是在干管、支管还是浸泡管 都发生剧烈波动，随时间推移，急剧上升。相对而言，纯自来水或掺混水p h 变 化不是很明显。纯淡化水的剧烈变化可归于以下原因：海水淡化水是软水，碱 度、硬度都很低，基本不具有缓冲能力，对p h 变化承受能力不强。海水淡化 水的p h 低于自来水，基本不含有溶解性离子，而管道管壁的腐蚀垢层基本由铁 的各种氧化物组成，随着腐蚀产物的不断脱落，在淡化水中不断溶解，导致p h 不断上升，涉及到的反应： f e 3 0 4 + 4 日2 0 2 f e 3 + + r 2 + + 8 0 h f e ( 0 1 - 1 ) 3 f e 3 + + 3 0 1 1 一 ( 3 1 ) ( 3 2 ) 第三章管网水质影响因素分析 吗营c a 2 + + c 谚