以地下水为水源的饮用水分层结垢分析

鹿钦礼，马贵阳*，王青梅，郭宏亮，杨 超

（1.辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001；2.中国石化集团河南石油勘探局，河南南阳473132；3.大连港油品码头公司，辽宁 大连 116600）

以地下水为水源的饮用水分层结垢分析

鹿钦礼1，马贵阳1*，王青梅2，郭宏亮2，杨 超3

（1.辽宁石油化工大学石油天然气工程学院，辽宁 抚顺 113001；2.中国石化集团河南石油勘探局，河南南阳473132；3.大连港油品码头公司，辽宁 大连 116600）

很多地区采用地下水为饮水水源，饮用水在加热过程中，出现分层结垢现象，下层为白色沉淀，上层为白色晶体片状漂浮物，对饮水安全形成了一定的负面影响。通过实验分析，确定了水中所含离子的性质及含量，得出了水中存在的形成垢质的主要成分为钙镁硬度和碳酸盐碱度。在结垢离子含量达标的情况下，对分层结垢机理给予了科学合理的解释，消除了饮水安全顾虑，为水处理设施改造和建设提供科学依据。

分层结垢；漂浮物；钙镁硬度；碳酸盐碱度；气浮作用

河南油田生活饮用水取自于150~300 m左右地下水，经过简单处理过程，并经二氧化氯消毒后，用于生产和日常生活。然而自来水在使用过程中，出现分层结垢现象，下层为白色沉淀，上层为白色晶体片状漂浮物，对正常的生产过程和生活需要形成了一定的影响。为消除饮用水中存在的安全隐患，保障人们的身体健康，必须对原水及处理后自来水进行全面系统的分析，分析水中是否存在的有害成分，寻求结垢的原因和垢质的主要成分，论证水质及垢质对人体健康的危害。根据实验分析和论证结论，从人类健康和安全生产的角度为水处理设施改造提供科学依据。

1 水质状况分析及主要仪器

1.1 水质状况分析

地下水中经常含有的阳离子为钙、镁、铁、锰等，阴离子主要有碳酸氢根、碳酸根、硫酸根、氯、氟等，常规检测中除上述主要离子外，经常检查的还包括饮用水安全的毒理性指标，主要有铬、铅、砷化物等重金属离子[1]。其中钙、镁离子以游离态存在，在碳酸系碱度存在情况下，加热后易于形成白色沉淀，铁、锰离子在水中呈现游离态或络合态，与阴离子结合多形成具有一定颜色的沉淀或漂浮物质。另外，如果地下水遭受有机物污染，有机物在加热过程中，发生络合作用，也会形成漂浮物[2]。

1.2 主要仪器

根据河南油田提供的水样对水的各种指标进行化验分析。

采样地点：进厂水、出厂水、管网水和S1井水

执行标准：《水和废水监测分析方法》（第四版）提供的标准方法[3]。

实验设备：pH值测定仪、UV754型紫外-可见光光度仪、HH-6型COD测定仪、3510型原子吸收光谱仪和分析天平等。

1.3 实验数据

分析过程采用原子吸收光谱法及滴定分析法等相结合的方式，对水样中能够结垢的成分进行定性、定量分析。为保证分析问题的针对性，在对原水水样进行结垢成分分析的基础上，将水样煮沸时上层漂浮物质和底层形成的沉淀进行分离析出，放至烘箱内烘干，在分别以盐酸溶液溶解后，再通过上述方法进行成分确认。

通过原子吸收光谱分析及滴定分析等实验手段，得出了能够在水中形成垢质的主要物质成分及其含量，将水样中主要成分列于表1中。实验分析显示，铁、锰、锌、铬、铅等金属离子含量很低，远小于国家生活饮用水标准，CODMn值反映有机物污染状况，该值≤5（国标要求值），不存在有机物污染情况。钙、镁离子及碳酸系碱度较高，但均不超过国家生活饮用水标准[1]。

表1 水质分析实验结果Table 1 Water quality analysis results mg/L

为进一步验证垢质组分，将进厂水水样 1 000 mL煮沸冷却，分离上层漂浮物质和底层沉淀物，分别以盐酸溶液消解，进行原子吸收光谱分析，测定漂浮物及沉淀物质成分及含量，详见表2。

表2 进厂水垢质组分情况Table 2 In plant water scale components

2 分层结垢机理及对人体健康影响

2.1 结垢物质来源分析

地下水中大多含有钙镁离子，构成了水中的硬度，是形成垢质的主要物质，铁、锰、钡等金属离子也会与一些阴离子结合形成垢质[4]。通过对河南油田地下水多个水样的分析，结果显示各项指标均符合国家生活饮用水标准，没有超标物质。但实验数据显示地下水总硬度在140~200 mg/L，钙离子浓度在40~60 mg/L，镁离子浓度在10~15 mg/L，属于中度硬度的水；油田地下水碳酸系总碱度在 250 mg/L左右，而一般地下水的总碱度在120~180 mg/L之间，碱度显著偏高。中度硬度的水遇到较高浓度的碳酸系碱度，在加热情况下必然发生反应，形成的物质即为白色悬浮物。

2.2 结垢分层机理

钙、镁、钡等金属离子在加热沸腾情况下，与碳酸系碱度发生反应，多以 CaCO3、MgCO3（不稳定，易转化为Mg（OH）2）和BaCO3形式沉淀析出，且其溶解度随温度升高而增加，表现为水样沸腾时，底部沉淀量不多，在降温之后，沉淀量逐渐增加。

通过对垢质形成过程的分析，结垢分层现象是水中多种结垢离子、碳酸系碱度及溶解性气体共同作用的结果。其对应的金属离子与 HCO3-在加热条件下逐渐形成对应的碳酸盐微小晶体，虽然这些碳酸盐的比重都＞1，但是水样加热升温过程中，水样中溶解性气体不断以微气泡的形式析出，微气泡与微小晶体碰撞结合，形成气浮作用，使得原本比重就不是很大的微小晶体在微气泡的浮力作用下出现部分上浮现象。同时伴有水温升高导致的强对流过程，这些微小晶体在水中相互碰撞，同种类晶体碰撞后易于结合，产生了絮凝作用，形成稍大的絮凝体，同时不断捕获其周围的其他游离同种（或异种）微小晶体，颗粒增大重力增加，形成了白色沉淀。

水中溶解性气体的来源主要有3个方面：水中碳酸系碱度加热分解形成的二氧化碳；地下水中的溶解氧（DO）；水中溶解的其他气体。

加热过程中，微气泡形成主要原因是温度升高时，溶解性气体DO、N2的溶解度逐渐降低，同时升温使得部分 HCO3-发生反应形成CO2气体，主要反应式：HCO3-+ H+→H2CO3→CO2↑+ H2O[4]。同时水样沸腾时形成强对流过程，会携带部分空气进入水样当中，增加气泡析出的数量。这样，小部分微小晶体被微气泡包裹，在浮力作用下形成白色漂浮物；而绝大多数微小晶体，在颗粒间的碰撞过程中产生絮凝作用，形成比重较大的絮凝体，形成白色沉淀。

2.3 对人体健康的影响

钙镁离子并不对健康造成直接危害，而且饮适度硬水，有益健康。但是会给生活带来很多麻烦，如用水器结垢，肥皂清洁剂效率低，皮肤干燥，衣物发硬等。水中钙、镁等金属离子可通过离子交换法、药剂软化法和膜分离法等方法去除[5]。

3 结束语

通过以上实验分析及结垢机理论述，可以得出如下结论：

（1）河南油田生活饮用水中重金属离子含量很低，无超标现象；

（2）很多以地下水为水源的生活饮用水，在使用过程中形成的白色沉淀及白色漂浮物为 CaCO3、Mg（OH）2及少量 BaCO3，上层漂浮物成分与之相同，为特定条件下（即加热）物化作用的结果；

（3）从检测数据看，河南油田地下水水质类型为Ca(HCO3)2-Na型水，其中钙、镁离子含量较高，碱度偏高，但不超过国家生活饮用水标准，其他主要阳离子及部分阴离子含量很低，符合国家标准。

[1] GB 5749—2006 中华人民共和国生活饮用水卫生标准[S]．

[2] 陆柱，陈中兴.水处理技术[M].上海：华东理工大学出版社，2006．

[3] 国家环境保护总局.水和废水监测分析方法[M].北京：中国环境科学出版社，2002．

[4] 黄君礼.水分析化学[M]. 3版.北京：中国建筑工业出版社，2008.

[5] 杨云龙，卢建国. 饮用水硬度去除效果试验研究[J].山西建筑，2007，36：11-12．

Drinking Water From Underground Water Layer Scaling Analysis

LU Qin-li1，MA Gui-yang1*，WANG Qing-mei2，GUO Hong-liang2，YANG Chao3
(1．Academy of Petrol and Natural Gas Engineering, Liaoning Shihua University, Fushun Liaoning 113001，China；2．China Petroleum & Chemical Corporation He-nan Oil Exploration Bureau, Nanyang Henan 473132，China；3．Dalian Port Oil Terminal Company, Dalian Liaoning 116600，China）

Many areas use the ground water as the potable water source, the tap water in the heating process presents the lamination scaling phenomenon, the lower level is white precipitates, the upper formation is the white crystal shape floating matter, it has formed certain negative influence safely to the potable water. In this paper, ions and their properties in the water were analyzed by experiments. The results show that formation of the scale principal constituent depends on calcium-magnesium hardness and carbonate alkalinity in the water. At last, the science reasonable explanation to the lamination scaling mechanism was given, which can eliminate worry about drinking water safety and provide a scientific basis for transformation and construction of the water treatment facility.

lamination scale; floating matter; calcium-magnesium hardness; carbonate alkalinity; flotation

TQ 085+.1

A

1671-0460（2011）01-0023-03

2010-08-25

鹿钦礼（1977-） 男，讲师，硕士，吉林白城人，研究方向：主要从事长输管道输送技术及给排水管网优化运行的研究。E-mail：luqinli@sina.com，电话：0413-6861812。