带水泥砂浆内衬铸铁管输配海水淡化水水质稳定性控制研究

董 琪，赵 鹏，张宏伟，田一梅，黄纯凯

（天津大学 环境科学与工程学院，天津 300072）

带水泥砂浆内衬铸铁管输配海水淡化水水质稳定性控制研究

董 琪，赵 鹏，张宏伟，田一梅，黄纯凯

（天津大学 环境科学与工程学院，天津 300072）

随着老旧管网的改造，带水泥砂浆内衬的球墨铸铁管越来越广泛地被应用到城市供水系统。与铁制管网基于铁释放和碳酸盐体系的水质稳定性研究不同，带水泥砂浆内衬球磨铸铁管为硅酸盐体系。因此，通过实验室动态模拟管网试验，分析了海水淡化水在带水泥砂浆内衬球磨铸铁供水管网输配过程中的水质稳定性。通过对酸碱条件、碱度、硬度和余氯等不同的水质参数研究发现，pH值、余氯浓度对管网腐蚀速率影响较小；碱度、硬度对其影响较大，腐蚀速率随浓度的升高而降低。

球磨铸铁管；海水淡化水；水质稳定性；控制

随着淡水资源的日益匮乏，海水淡化技术越来越受到沿海国家的重视，已成为解决淡水资源不足的一个重要途径。近年来，我国的海水淡化技术发展迅速。据初步统计[1]，截止2010年底，我国建成并投产的海水淡化装置总数为76套，总产水能力55.78万m3/d。其中，38套用于市政供水，占总装置数的49%。我国《海水利用专项规划》发布以后，沿海各省市相继制定海水淡化利用规划，预计未来5～10 a内，累计产水量超过200万m3/d，其中约有1/3为市政供水。

海水淡化水矿物质含量少，钙、镁离子浓度低，硬度小；具有轻微腐蚀性，容易造成管道和设备腐蚀，倾向于溶解接触到的金属以达到自身稳定；水质还有偏酸性（pH6.5～7.5）等特点[2]，使得利用海水淡化水时，管网输配的过程中出现“黄水”现象[3]，严重影响了生产生活用水的安全性，必须进行后处理工艺。同时，城市化建设的快速发展，老旧管网的改造，使得带水泥砂浆内衬球磨铸铁管凭借其更稳定的化学性质，更大的延伸率、刚度、抗拉强度，更长的使用寿命[4]，越来越广泛的被应用到市政供水系统。水泥砂浆内衬原料包括水泥、沙子和水[5]。水泥以硅酸钙为主要成分，硅酸三钙（3CaO·SiO2）、硅酸二钙（2 CaO·SiO2）占总量的 75%以上；铝酸三钙（3 CaO·Al2O3）、铁铝酸四钙（4CaO·Al2O3·Fe2O3） 占总量的25%左右[6]。然而，以往国内外对淡化水后处理稳定性的研究大多基于铁制管网的铁释放和CaCO3沉淀[7-8]，并不适用于带水泥砂浆内衬球墨铸铁管的硅酸盐体系。本文通过对带水泥砂浆内衬球墨铸铁管网输配淡化水时管网的稳定性进行影响因素分析，以满足淡化水进入市政管网的要求。

1 材料与方法

1.1 试验装置

动态管网模拟试验装置采用DN100的新的带水泥砂浆内衬的球墨铸铁管（长约3 m）和U-PVC塑料管连接而成，装置如图1所示。其中板式换热器主要调节由于水泵运行导致的水温变化，电磁流量计用于测定管网中瞬时流量和流速，流量Q约为10 m3/h。整个管网处于密封状态，装置顶端设有配水箱，用于配置试验水样。水箱内设有搅拌装置，水样经变频离心泵，进入板式换热器，然后经过装置底端的试验管段，回到水泵形成循环，模拟管网运行。

1.2 试验水样及水质特点

试验水样采用天津市滨海新区某自来水厂的出厂水和某电厂生产的海水淡化水。自来水厂的原水为滦河地表水，经过传统处理工艺，选择铝盐作为混凝剂，水厂出水中碱度、总硬度含量相对较高。电厂生产的淡化水采用低温多效蒸馏出水，水质较好，碱度、硬度和各种离子的含量都很低，对管网具有较强的腐蚀性。自来水与淡化水出厂水质指标见表1。

表1 自来水与淡化水常规水质指标比较

1.3 水质监测指标及方法

主要的水质监测指标和监测方法见表2。

表2 实验监测指标及方法

2 结果及讨论

2.1 淡化水对球墨铸铁管水泥内衬的影响

分别采用1.2中的自来水和海水淡化水通入带水泥砂浆内衬球墨铸铁管，连续监测5 d，同时定时投加氯。由图2可知，在自来水的连续停留试验中，钙离子和硅酸根离子的含量趋于稳定。在实验周期末，两种离子的含量略有降低的趋势，可能是钙离子和硅酸根离子被管壁和塑料水箱吸附。由图3可知，在海水淡化水的连续停留试验中，钙离子与硅酸根离子浓度急剧上升。这是因为海水淡化水碱度、硬度、离子含量低，水质稳定差，对水泥砂浆内衬层的腐蚀能力强。因此，在海水淡化水进入带水泥砂浆内衬管网前，必须通过后处理来提高淡化水的水质稳定性，从而控制海水淡化水对水泥砂浆防腐层的腐蚀。

2.2 带水泥砂浆内衬铸铁管网输配淡化海水水质稳定性研究

稳定海水淡化水水质可以通过调节pH、提高碱度、硬度达到，淡化中称此为再矿化。再矿化可增加海水淡化水的缓冲能力，有效降低水的腐蚀性，达到稳定水质的目的[9]。

试验采用1.2中的淡化水进行动态管网模拟试验，连续监测24 h管网水中的硅酸盐、钙离子浓度，浊度以及其他相关水质指标。试验每3～4 h取样一次，每次的取水量约为500 mL。

2.2.1 pH值对带水泥内衬铸铁管的影响

通过投加NaOH溶液和HCl溶液调节水样初始pH值，研究初始pH分别为6.10、7.04、8.10和9.07四个梯度时，海水淡化水对水泥内衬铸铁管腐蚀速率的影响。

如图4所示，硅酸盐浓度随停留时间的延长而增加，当停留时间为6 h时，pH值为6.10，7.04，8.10，9.07时水样中的硅酸盐浓度分别为 2.586 mg/L，2.403 mg/L，2.175 mg/L，2.288 mg/L；当停留时间为13 h时，水样中的硅酸盐浓度分别为3.453 mg/L，3.475 mg/L，3.075 mg/L，3.303 mg/L。

如图5所示，pH值为6.10，7.04，8.10，9.07时的硅酸盐溶解速率分别为 7.23 mg/h，8.21 mg/h，7.48 mg/h，8.01 mg/h。

综上，调节pH值与水泥砂浆内衬防腐层的腐蚀无关。而对于铁制管网，大量的文献中认为：控制pH值缓解管网腐蚀是极为有效的手段，pH值越大越有利于腐蚀的控制[10-12]。可见，海水淡化水在带水泥砂浆内衬球墨铸铁管的硅酸盐体系中稳定性控制指标与铁制管网的碳酸盐体系不同。

2.2.2 总碱度对带水泥内衬铸铁管的影响

通过投加Na2CO3来调节水样初始总碱度，研究初始碱度分别为 8.21 mg/L，53.94 mg/L，112.58 mg/L，170.04 mg/L 四个梯度时，海水淡化水对水泥内衬铸铁管腐蚀速率的影响，结果如图6、图7。

硅酸盐溶解速率随碱度的增大明显降低，这是因为总碱度的增加使水体的缓冲强度增大，水体的侵蚀性、腐蚀性降低，水质化学稳定性增加。同时，碱度的提高，水中电导率也显著增大，如表3。因此，增大总碱度可能并不能有效地抑制管网的腐蚀，而应当注意控制碱度大小。Pisigan等人[13]研究碱度对铁制管网腐蚀影响时得到同样的结论，认为由于碱度的提高会增加水中的离子强度和电导率，使得提高碱度不能有效地控制管网腐蚀。因此，淡化水在水泥砂浆内衬球墨铸铁管输配时，应适当增大其总碱度。

表3 碱度与电导率的关系

2.2.3 总硬度对带水泥内衬铸铁管的影响

通过投加CaCl2和MgSO4来调节水样初始总硬度分别为0 mg/L（实验用淡化水总硬度几乎为零），107.64 mg/L，210.56 mg/L，309.81 mg/L等四个硬度梯度时，海水淡化水对水泥内衬铸铁管腐蚀速率的影响。

图8和图9显示，硅酸盐溶解速率随总硬度的上升而明显降低，说明总硬度的提高使淡化水的化学稳定性增加，从而使淡化水的腐蚀性降低，缓解了淡化水对水泥砂浆防腐层的溶解。当总硬度浓度在约100 mg/L时，硅酸盐溶解速率急速降低，出现拐点，随后溶解速率并没有随总硬度浓度增加而呈现明显降低趋势。

2.2.4 余氯对带水泥内衬铸铁管的影响

通过投加NaClO来调节水样初始余氯的浓度分别为0 mg/L，1.3 mg/L，2.2 mg/L，3.0 mg/L等四个余氯浓度梯度时，海水淡化水对水泥内衬铸铁管腐蚀速率的影响。

图10和图11分别为硅酸盐含量随停留时间变化趋势图和硅酸盐溶解速率随余氯含量的变化趋势图。余氯为0 mg/L，1.3 mg/L，2.2 mg/L，3.0 mg/L 时的硅酸盐溶解速率分别为 8.21 mg/h，6.82 mg/h，7.12 mg/h，8.19 mg/h。

适当增加余氯浓度使硅酸盐溶解速率降低，但随余氯浓度的增大，硅酸盐溶解速率也随之增大。这可能是因为高的氯离子浓度增加了溶液中水的离子强度，从而增强离子迁移的速率，加快了腐蚀速率[9]。综上，淡化水在水泥砂浆内衬球墨铸铁管内输配时，应适当控制余氯的浓度，过高的余氯不仅加快淡化水对水泥砂浆内衬防腐层的腐蚀，同时也会使海水淡化水后处理成本增加。

3 结论

（1）与铁制管网基于铁释放和碳酸盐体系的水质稳定性研究不同，带水泥砂浆内衬球磨铸铁管为硅酸盐体系。因此，水质稳定性差、腐蚀性强的海水淡化水在带水泥砂浆内衬球墨铸铁管内输配时，必须进行不同于铁制管网的后处理。

（2）调节pH值对海水淡化水在带水泥砂浆内衬球墨铸铁管的腐蚀无关。

（3）碱度和硬度对海水淡化水在带水泥砂浆内衬球墨铸铁管网的溶解速率影响十分显著，随着碱度和硬度的浓度升高硅酸盐溶解速率降低，但水质离子强度也随之增大。为保证海水淡化水在带水泥砂浆内衬管网内输配的稳定性，应适当增大水中的碱度和硬度。

（4）余氯浓度对海水淡化水在带水泥砂浆内衬球墨铸铁管网的溶解速率影响较小，当余氯浓度较低时，水质稳定性有所增加，随着余氯浓度的增大，硅酸盐溶解速率上升。

[1]王琪,郑根江,谭永文,等.中国海水淡化工程运行状况[J].水处理技术,2011,37(10)∶12-14.

[2]张永利,姜智海,袁东,等.嵊泗县海岛海水淡化饮用水水质监测分析[J].中国公共卫生,2008,24(10)∶1160.

[3]潘海祥.海水淡化水厂供水的黄水现象及应对措施[J].中国给水排水,2008,24(12)∶90-92.

[4]童祯恭,刘遂庆,陶涛.供水管网中管材对水质影响的探讨[J].城市给排水,2006,20(1)∶22-24.

[5]洪凯峰,刘志刚,侯宗礼,等.球墨铸铁管内外防腐涂层的特性及应用[J].供水技术,2007,3(1)∶49-51.

[6]谭平,吕娜,张瑞红.建筑材料[M].北京：北京理工大学出版社,2009.

[7]Ori Lahav,Liat Birnhak.Qualitycriteria for desalinated water followingpost-treatment[J].Desalination,2007,207∶286-303.

[8]Liat Birnhack,Roni Penn,Ori Lahav.Qualitycriteria for desalinated water and introduction ofa novel,cost effective and advantageous post treatment process[J].Desali-nation,2008,221∶70-83.

[9]Lrtle DA,Sarin P,Snoeyink VL.The effect ofchloride and orthophosphate on the release ofiron froma cast iron pipe section[J].Journal ofWater Supply∶Research and Technology-AQUA,2005,54(5)∶267-281.

[10]方伟.城市供水系统水质化学稳定性及其控制方法研究[D].长沙∶湖南大学,2007.

[11]牛璋彬,王洋,张晓健,等.给水管网中铁释放现象的影响因素研究[J].环境科学,2007,28(10)∶2270-2274.

[12]Sander A,Berghult B,Broo A E,et al.Iron Corrosion in Drinking Water Distribution Systems-The Effect of pH,Calcium and Hydrogen Carbonate[J].Corrosion Science,1996,38(2)∶443-455.

[13]R APisigan，J E Singley.Calculatingofthe pH ofCalciumCarbonate Saturation[J].American Water Works Association,1985,77(10)∶83-91.

Water Quality Stability of Desalinated Water in Cement Mortar Lined Cast Iron Water Supply Systems

DONG Qi,ZHAO Peng,ZHANG Hong-wei,TIAN Yi-mei,HUANG Chun-kai
(School of Environmental Science and Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

With the reconstruction of old pipelines,cement mortar lined cast iron pipe is more and more extensively used to the urban water supply system.The silicate system of the cement mortar lined cast iron pipe network is different from iron pipe network which is based on iron release and carbonate system.Batch-scale dynamic simulation experiments were done to analyze the water quality stability of desalinated water in cement mortar lined cast iron water supply system.The parameters include acid-base condition,alkalinity,hardness and residual chlorine.It was found that pH and residual chlorine had a small influence upon the pipeline corrosion rate,and alkalinity and hardness had a great impact on the pipeline corrosion rate.The pipeline corrosion rate increases with the increasing concentration of alkalinity and hardness.

milling of cast iron pipe;desalinated seawater;stability of water quality;control

TU991

A

1003-2029（2013）01-0069-05

2012-09-27

国家自然科学基金资助项目——给水管网腐蚀层中稳态水对管网水质影响机制及调控方法（51208353）；国家自然科学基金资助项目——供水管网漏失及管道损伤的早期声波诊断技术（51278333）

董琦（1987-），女，硕士研究生，主要研究方向为饮用水安全保障。Email：dongqi_tju@126.com