管网水质化学稳定性对给水水质的影响研究

2012-11-27高源

铁道运营技术 2012年2期

高源

（南宁铁路局南宁铁路枢纽工程建设指挥部，工程师，广西南宁 530001）

管网水质化学稳定性是指水在输配过程中，由于各种因素的影响，水中各化学物质之间或者与金属管道之间发生化学变化而引起的稳定性改变，主要的化学变化有氧化、水解和还原等。出厂水水质状况包括合格率和化学稳定性2个方面。

当前铁路给水所的水质在出厂时合格率都达标且比较好，而用户在用水时常反映水质存在浑浊、有色、异味等问题。为何在给水所对出厂水的水质合格率进行监测达标的情况下，通过给水管网输送后就会出现或多或少的水质问题，这与在给水管网中发生的各种化学变化有关。若管网水质化学稳定性差，当受水中化学变化的影响，就会产生腐蚀和结垢沉淀的机理，从而造成水质腐蚀性倾向的机率增大，极易对给水水质造成不良影响。若不采取有效措施控制管网水质化学稳定性，严重时将会产生给水的二次污染。

1 影响给水水质的原因分析

通过对柳州铁路地区2009年至2010年出厂水与管网水的水质情况进行抽查统计，并对一些指标变化的比较可知，以地表水或地下水为水源时，其管网水与出厂水相比，浊度、铁含量都略有增加，而余氯含量略有下降。管网水浊度一般比出厂水高3.3%～15%，管网水的铁含量一般比出厂水高15.3%～22.5%，管网水的余氯一般比出厂水低37.5%～64%。而原水为地下水的供水管网，其浊度和铁含量的增幅相对更大些。浊度、铁和其他金属含量的变化与管网水中的各种化学变化有直接关系，并对管网水质化学稳定性的好坏起决定性的作用。因此，有必要通过对管网水质化学稳定性影响给水水质的原因分析，来提供改善和提高给水水质的辅助措施。

1.1 水中的二氧化碳在所有的天然水中几乎都含有钙（镁）离子，并且水中的重碳酸根离子分解出二氧化碳和碳酸根离子。以钙离子为例，钙离子和碳酸根离子化合成碳酸钙，难溶于水而变为沉渣，形成水垢。管网水质化学稳定性与水中CaCO3溶解平衡体系有关，而水中CaCO3溶解平衡体系一般是指重碳酸钙、碳酸钙和二氧化碳之间的平衡。其化学反应式为

如水中游离二氧化碳含量少时，则发生碳酸钙沉淀，当水中的CaCO3过饱和时，则倾向于沉淀出CaCO3沉积在管壁上，引起结垢，称之为结垢性的水。此现象以地下水为水源时尤为突出[1]。例如煮水的锅易结垢，饮水时有时略带涩感和水中易产生沉淀物等现象。若水中有过剩的二氧化碳时，即超过平衡量时，则会发生二氧化碳腐蚀。这时水中CaCO3含量低于饱和值，则倾向于使已沉淀的CaCO3溶解[1]。这种水遇到混凝土管道和构筑物就会产生侵蚀作用，在金属管道中流动时则会溶解管道内壁碳酸钙保护摸，并同时对金属管产生腐蚀作用，称之为腐蚀性的水。结垢性的水和腐蚀性的水都是化学不稳定性的水，所以既无沉淀CaCO3倾向，也无溶解CaCO3倾向的水，才是化学稳定的水。即水中游离二氧化碳含量高低会造成管道输送过程中沉淀结垢或化学腐蚀，从而影响水质的化学稳定性，将会对管网水浊度的增大甚至水质不达标造成直接影响。

1.2 水的PH值对于偏碱性水（PH值大于8），且无侵蚀性二氧化碳时，水中首先生成的是氢氧化亚铁Fe（OH）2，然后被水中溶解氧氧化，生成氢氧化铁Fe（OH）3，形成钝化保护膜，使管壁的腐蚀速度减缓。其化学反应式为

但其中部分脱水形成的铁锈Fe2O3·nH2O，质地疏松，不能起到保护作用，若以上反应继续进行，铁锈就会不断沉积于管内表面形成锈垢。

对于偏酸性水（PH值小于6.5），生成的氢氧化亚铁与二氧化碳作用生成重碳酸亚铁。其化学反应方程式为

碳酸亚铁具有可溶性而溶于水中，然后被水中的溶解氧氧化，若水中的二价重碳酸亚铁被氧化成三价铁，三价铁和水中的氢氧根结合生成不溶于水的氢氧化铁沉淀并由水中析出，便会使水带色而出现“有色水”。化学反应方程式为

从以上化学原理进行分析可知，对碱性、酸性和中性的水质而言，锈垢的形成只是时间的问题，而水的PH值直接影响着管道腐蚀的速度。受水的PH值影响，因溶解氧（DO）及二氧化碳（CO2）对管壁的腐蚀而出现“有色水”是有可能的（特别是使用年代旧的供水管网）[2]，近年来，在抢修管路时也可看到老供水铸铁管路的内壁总有厚厚的锈垢。因此，当出厂水的PH值过低则会导致供水管道受腐蚀而出现“有色水”，严重时将使管网水的浊度和铁含量超标，威胁着饮用水的卫生安全。

1.3 管内水流速度管内水流速度的变化对水质化学的不稳定性有催化作用。在与水接触的管内壁表面，有一层似乎不流动的薄水层，流速增大，该水层减薄，通过该水层水流中氧的扩散，造成氧化；当管内流速再加快，氧的补给量同时增多，金属管道的表面由于氧过剩，就趋于钝化，反而使腐蚀减小[2]。若流速继续增大，剧烈的紊流就会导致气蚀现象，因机械作用使金属管道的表面产生空隙腐蚀。因此，在配水管网末端的小口径管道，由于管内流速较小，甚至有时不流动，使水中氧气难以补充，故锈蚀较严重，特别是在流量偏低或当水呈滞流状态时，铁锈易沉积，这时就会造成局部时间的“有色水”现象。相反，输水干管通常流速较大，氧不断由水带入，由于氧过剩则管内壁趋于钝态，腐蚀的速度这时就会放慢，即使发生腐蚀，也往往因较大的管内流速使锈垢剥离，故发生锈垢沉积的机率将有效减少。因此，合理的管内水流速度是保证水质化学稳定性的重要因素之一。

1.4 水中有机物及铁细菌若管网水中氯的含量下降或达不到余氯的标准，水中就会产生有机物及铁细菌的繁殖。铁细菌是一种特殊营养菌类。铁细菌附着在管内壁上，在生存过程中能吸收亚铁离子，在铁细菌表面通过化学变化生成和排出氧化后的产物（三价铁的氢氧化合物）为棕色粘泥，形成凸起物，并且沿着管内壁四周生长，此现象为金属管材最具代表性。其结垢层的厚度和供水管道输配水的年数有关，随着时间延续和不断进行的化学变化，金属管内壁就会腐蚀结垢和沉积（含有大量的铁、铅、锌和各种细菌及藻类），出现铁、锰、色度、浊度和细菌等水质指标值的大幅度上升。同时造成供水管道有效截面积缩小，并直接影响供水管道的输配水能力甚至堵塞[2]。有研究表明，对于未作防腐处理的金属管道，使用年限超过5～10年时，由于水中有机物及铁细菌腐蚀产生的污垢，就已达到了恶化水质的程度。对于防腐处理较差的金属管道，3～5年就开始出现腐蚀现象，金属管道使用年限越长，腐蚀越严重，水质状况也就越差[3]。这种现象在给水管网的日常维修过程中可常看到。

水中有机物及铁细菌腐蚀产生的结垢层同时又是水中各类细菌孽生的场所，会形成“生物膜”。当这些“生物膜”使水中铁的含量超过3 mg/L时，是造成“有色水”的主要原因，并直接威胁着饮用水的卫生安全[3]。另外，给水管网中的消火栓、阀门、水表、管件由于长期浸泡在水中，质量差的就容易在水中产生化学腐蚀，使水中的铁、锰、色度、浊度和细菌等水质指标值大幅度上升，给水质造成了不同程度的污染。若水中有机物及铁细菌繁殖造成水质化学的不稳定性得不到控制，将会造成管网水浊度的增大甚至水质不达标的严重影响。

1.5 水中无机悬浮物未经净化处理直接向管网输送的地下水或净水工艺不完善向管网输送的地表水，往往容易把粉砂、细砂带入管网中，这就形成了水中无机悬浮物。但当出厂水浊度长期保持在0.5～1.0NTU时，这样的沉淀应该是微弱的。水中无机悬浮物的沉淀是形成沉渣最简单的过程，尽管多数给水管道所输送的水中无机悬浮物含量很少，但仍然有沉淀物形成。在用水低峰时，由于配水管道的水流流速较小，甚至停留，这就为水中微粒的自然沉降创造了条件，由于水中无机悬浮物也具有集聚粘附的性能，很容易在供水管道内进行沉淀。随着时间的延续，水中无机悬浮物的存在，加大了给水管道输送过程中结垢或腐蚀的机率，也是造成管网水浊度变化和水中各种化学变化的不利因素[1]。

2 改善水质化学稳定性的措施

当前，用户对水质的要求越来越高，虽然出厂水的各项指标都能达到国家水质标准，但出厂水经输配管网送至用户的用水设备前，常常会受到二次污染，造成到户水质的变坏。通过对影响给水水质的原因分析得知，当水中游离二氧化碳及氧的含量不稳定、水中PH值小于6.5、管道为金属管，水中有有机物及铁细菌，或水中有无机悬浮物时，将导致给水浊度、色度、铁等其他金属含量的指标上升，均会对管网水质化学稳定性造成影响。

若管网水质化学稳定性差，将导致水中其它微生物的生长繁殖，从而造成管网中的生物性污染。这时管网水由化学性和物理性变化造成的给水污染，可发展转化为生物性变化的给水污染，如此循环将使给水水质日趋下降甚至不达标。为此要采取措施控制好管网水质化学稳定性，以提高给水水质。

2.1 曝气去除CO2当水中CO2浓度很高时，采用曝气的方法可以去除CO2，结合传统的除铁、除锰工艺，曝气的主要目的是向水中充氧，使[H2CO3]/[HCO-3]的比值降低，从而使水体的PH值升高，并充分散除水中的CO2[4]。实验表明，曝气若能去除60%的CO2时，可使水的PH值升高20%～30%，从而使管网的管道腐蚀得到有效控制。曝气形式可选择喷淋式曝气和跌水曝气，其形式简单、节省能耗。在喷淋曝气或跌水曝气中，曝气高度在0.5～1.0 m范围内，原水的DO就能达到4～5mg/L，同时也可以满足生物除铁除锰过滤滤层的要求。跌水曝气适用于大中型水厂（如：柳州铁路第一给水所宜采用该方法），喷淋曝气则较多应用于中小型水厂。

2.2 控制出厂水PH在8.0～8.5之间管网水具有腐蚀性源于出厂水的化学稳定性差，在各给水所出水中适量投加碱剂（NaOH），投加NaOH虽然会影响出厂水的浊度，但适量投加NaOH效果会更好，并保持出厂水的PH值到7.5以上。通过投加碱剂控制出厂水化学稳定性的试验表明，控制出厂水PH值在8.0～8.5之间，可使出厂水的化学稳定性接近稳定[1]，铁细菌的生长可基本抑制，延缓了生物膜的发育，生成钝化膜，不利于细菌的孽生，从而降低管网水对管网的腐蚀作用。碱剂碱性的大小依次为 NaOH＞Ca（OH）2＞Na2CO3＞NaHCO3。以柳州铁路水厂的原水为例，在净水前加碱剂以投加Ca（OH）2为宜，投加时间点在投加混凝剂后的1 m in左右为宜，投加量为3～5 mg/L；净水后加碱剂宜采用NaOH，投加点选在滤后，投加量为2～3mg/L，如此可使出厂水的PH值控制在8.0～8.5之间。净水前加碱剂Ca（OH）2比净水后加碱剂成本更低。实践证明，投加Ca（OH）2和NaOH控制出厂水PH值在8.0～8.5之间，可有效解决管网大面积的“有色水”问题。另外，对化学稳定性差的出厂水，还需在供水管道（特别是金属管）内做好防腐蚀的措施的同时，也要调整好出厂水的PH值。投加碱剂应以出厂水的浊度、色度符合国家饮用水卫生标准及PH值的适用范围进行严格控制。

2.3 控制管内水流速度在整个供水管网中，由于有些管段的输配水能力超越实际需要太多，致使配水管道中流速过低，此时的供水管网就会形成出厂水的“沉淀池”，容易导致供水管网的水质受到影响。对此，可通过阀门的启闭调控，使部分流速偏低的管段，周期性增大流速，从而减少供水管网中沉淀物的形成。另外，出厂水在供水管网内停留时间越长，则水体自身及水体与管道接触面之间越可能发生各种化学反应，逐渐造成水质化学稳定性差，从而影响给水水质。

造成管网水停留时间过长的原因，主要是部分大口径管道流速较低[1]。因此，应尽可能地将枝状供水管路进行连通改造，使其形成环状布置，并做好统一优化整个供水管网水量和水压的动态平衡的工作。同时也要避免管网水流速过大对供水管道造成撞击和冲刷，尽可能合理控制管网水的管内停留时间和保证管网水的合理流速。通过定期开展供水管道的测流、测压，摸清供水管道的实际运行情况，为供水管网改造提供技术依据。对严重不满足输配水要求的应优先改造。

2.4 管材及其附属设备的选用和防腐水中有机物及铁细菌除了受出厂水水质影响外，主要与输配水管道的材质、使用年限和施工质量等因素有关[3]。目前铁路水厂常用的输配水管材有铸铁管、钢管、球墨铸铁管、给水塑料管（UPVC管、PE管）和水泥管等。虽然建设部已禁止使用铸铁管，但是铸铁管目前在已铺设的管道中仍占相当大的比例，且相当一部分未做内防腐。因此，要借着旧城改造的契机加快旧管网改造步伐。在有条件开挖的地区，可废除旧管敷设性能优良的管材和管网设备，新安装和维修更换的给水管道，应选用球墨铸铁管及塑料管等耐腐蚀、水力条件好的管材。在无条件开挖的地区，可采用免开挖修复技术。免开挖修复技术方法较多，其中复合材料软管翻转法和异径HDPE管穿插法，进行修复旧管道的技术较为适用。对金属管道而言，在内表面喷涂卫生级的不饱和聚酯树脂也是较好的办法，既可减缓管材（水泥、金属）有害成分的析出，又可减少管网水与各管材（水泥、金属）之间发生化学变化而引起水质稳定性发生改变的机率，在延长供水管道的使用寿命同时，对管网输送水的水质起到保证作用。另外，对管网阀门的防腐要求在其内腔，一律采用环氧混合粉末涂装，涂装前均必须作除油、喷砂处理。当大批量选用一类管材或防腐材料时，应委托水质监测中心作浸泡水后的水质分析，对多次检测仍有某些元素含量超标的管材及防腐材料，不宜选用。

2.5 周期进行管网冲洗出厂水虽经过净化处理，但不一定是纯净的水，它仍含有某些无机物、有机物及微生物。无论何种材质的管道，水在管网的流动过程中都会出现管道结垢的情况。因此，应根据使用情况对管网进行周期冲洗，以清除水中悬浮物和沉淀物。管网冲洗主要是利用消防栓和排污阀，消防栓一般有5～10 m左右的管段水为不流动的“死水”。为此必须定期排放消防栓内的水，一般每半年对消防栓必须进行排放一次，并视情况制订临时排放措施。对管网末梢、居民集中的小区及用户投诉水质较差的地区，还要增设排污阀，并对管网进行单向冲洗，即冲洗时把一端阀门关闭，使单向来水，然后再关闭另一端阀门，冲洗另一段管段。因维修管道停水造成的水质污染，应视情况修好之后给予适当冲洗消毒；对于新敷设的管道在并网之前，必须经过认真地冲洗消毒。当然，对于供水管道内衬符合要求，管内流速能周期性大于自净流速的管段，原则上不需要定期冲排。但对于管内流速长期偏低的管段，特别是枝状布置的末端管段，定期冲排是十分必要的。通过对管网的周期清洗，可减少因水中无机悬浮物化学变化而引起水质化学稳定性发生改变的有害化学成分[1]。