城市供水水质化学稳定性的影响因素综述

刘涛利

（天津生态城能源投资建设有限公司天津300467）

水质的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，在水工业中常被定义为既不溶解又不沉积碳酸钙。水质化学稳定性主要表现为腐蚀性和结垢性两方面，根据调查，我国供水行业中水质的化学稳定问题普遍存在，又以腐蚀问题更为严重[1]。

腐蚀性的水在管网中不仅会腐蚀金属管道，缩短管道的使用寿命，还会增加管材的维护、更换费用[2]，而且当供水管网内水流状况发生突然变化时，管道内壁的腐蚀产物很可能脱落到自来水中，产生一些“红水”、“黄水”现象[3]。因此，提高供水管网的水质化学稳定性，控制管网的腐蚀，对保护管网和提高管网水质具有双重意义。

1 水质化学稳定性的判别

为了对水质的腐蚀性和结垢性进行控制，必须要有一个能评价水质化学稳定性的指标体系，以便对水质化学稳定性进行鉴别，从而采取相应的稳定性控制措施。水质化学稳定性的判别指数分为两大类，一类主要是基于碳酸钙溶解平衡理论为基础的指数，主要是Langelier饱和指数和Ryznar稳定指数。此类指数的指标值与水中的碱度、硬度、溶解性总固体等指标有关，其中推荐Langelier饱和指数范围为±0.5，当超过±0.5时，应该采取措施。Ryznar稳定指数也有相应的判别值。

另一类则是基于其它水质参数的指数，如Larson比率等。其反应式为：LR([Cl-]+[SO42-]/[HCO3-]，其考虑到了氯离子和硫酸根等无机阴离子对腐蚀的影响。

以上两类指标的判别，或直视简单的从理论或从经验出发，以水中某几个化学指标的变化来判别水质的化学稳定，通过指标值的计算，大体上可以判断对水质的化学稳定性，但是水中的化学成分很复杂，影响机理也多种多样，而且水质化学稳定性的影响不仅受水质的影响，还受水源、管材、水处理工艺等因素的影响。

2 影响管网水质化学稳定性的因素

2.1 水源的影响

地下水出厂水与地表水出厂水相比较，总硬度，溶解性总固体、硫酸盐、氯化物等含量较高。因此，从两类判别指标的影响因素来看，一般地下水的腐蚀性要大些。

海水淡化水中的氯化物、硫酸盐、硬度、碱度、溶解性总固体、总硬度等值均远小于自来水的。所以其Langelier饱和指数也很小，饱和性很低并具有严重腐蚀倾向，易造成管网腐蚀，产生“黄水”现象[4]。

为了应对突发性水源污染事件，我国多地水厂均采用多水源供水，但水源在切换的过程中也能造成水质的变化。在换水过程中新水源水与原水源水在化学组分上的差异，可能会引起稳定性判别指数的变化，进而会破坏管垢原有的平衡，同时加剧铁制管道的腐蚀，使铁溶解并积累沉积，最终会导致管网水因铁锈增多而变红，产生“黄水、红水”现象。例如天津市和石家庄市在切换水源的过程中，就曾出现过大范围的黄水问题[5,6]。

2.2 管材的影响

自来水的管网水与出厂水的水质相比较，影响水质稳定性的水质指标溶解性总固体和总硬度等的含量一般会增大。因此，水质变化情况与所用管材关系密切。

目前常用的管材有金属管道、塑料管材和复合管等。其中旧管网大多采用铸铁管，而其输送介质水由于含有好多化学成分和离子，本身就有一定的腐蚀性，同时供水管网中的消毒剂余氯离子也增加了水对管道的侵蚀性，所以水在管内流动过程中易形成管内腐蚀现象，导致水产生铁锈等。而塑料管和复合管，随着时间的延长，一定程度上也会溶解到水中一些化学物质，但从水质化学稳定性的定义来看，其主要指的是金属管道，塑料管道和复合材料管道的水质化学稳定性要好得多。以下文中提到的也主要是指金属铸铁管道。

2.3 管网中某系水质指标的影响

给水铸铁管网腐蚀现象与管网水质密切相关，大量研究表明溶解氧浓度、温度、余氯和细菌等水质参数对管网腐蚀起着重要的影响。

（1）溶解氧

溶解氧作为水中重要的氧化剂，影响着铁制管网的腐蚀。研究表明，高溶解氧浓度条件下，铁制管道腐蚀小；而低溶解氧浓度条件下，铁制管道腐蚀较大[7]。因为在低含氧量情况下，管网水的氧化性降低，还原性增强，所以开始是沉淀的三价铁锈垢外部可能成为电子受体，被还原成溶解度高的二价铁化合物，随后管垢内部也会被慢慢被还原腐蚀，最终导致整个管垢被破坏腐蚀，造成大量铁释放。

（2）温度

根据氧的溶解度原理，温度越高，水中的溶解氧含量越低，反之高。所以，温度的变化会影响到溶解氧的变化，进而影响管网的腐蚀。另外，根据化学动力学规律，水温的变化也会影响溶解氧和离子在水中的扩散速度，进而引起水溶液的电阻的变化，影响管网腐蚀的速度。经验表明，水温过高，管网的腐蚀速度会加快。

（3）细菌

自养型铁细菌生长繁殖过程中，会吸收大量亚铁盐，代谢产物为氢氧化铁，其逐渐沉积致使管壁结垢；管壁上附着一定量的细菌生物膜为防止腐蚀可以起到一定的屏障作用，但是生物膜也可以形成一种大小不均的曝气间，使氧浓度和电位势发生局部变化，致使生物膜内的生物同时可以吸收溶解金属，造成管道的腐蚀。所以，管网中要保证有一定浓度的消毒剂，来控制细菌的数量。

（4）余氯

高浓度的余氯具有强氧化性[8]，可以使管垢形成致密层，防止铁的释放。而余氯含量过低，其消毒效果会降低，对细菌的杀灭作用减小，大量的铁细菌会在管壁上滋生，对管壁产生腐蚀作用。所以，管网中要保证有一定浓度的余氯。

2.4 常规水处理工艺对水质化学稳定性的影响

研究表明水厂的源水对金属管道不一定有太大的腐蚀性，而水的腐蚀性往往是在水处理过程中增强的[9]。混凝工艺中，无机聚合铝盐或铁盐混凝剂的投加，会导致水的pH值和碱度下降。另外混凝剂本身所包含的氯离子、硫酸盐释放到水中，判别指数Larson比率增大，管网水质的化学稳定性会变差，从而加剧对金属管道的腐蚀[10]；现在水厂最常用的消毒方式是液氯消毒，而采用液氯消毒时，液氯与水反应生成HOCl和HCl，会中和水中的一部分碱度，使水的pH值和碱度降低，使Langelier饱和指数降低。另外，水中氯离子浓度也会增加，使判别指数Larson比率增大，进而会造成管网水的化学稳定性变差，腐蚀性增强。

3 水质化学稳定性的控制方法

（1）加快对输水干管的改造，尽快更新超出使用年限的管段，尽量采用PE管、UPVC管、以及塑料复合管等新型管材。

（2）加强管网水质监测工作。可以在管网中设置在线水质监测点，随时监测影响管网水质稳定性的水质指标的变化情况，并及时根据变化情况，对水处理工艺做出调整，加强对管网的维护，降低水质变化对管网的腐蚀。

（3）定期对管网进行冲洗消毒，保证管道内壁的清洁。对给水管网内壁已发生腐蚀的，尤其用户投诉黄水问题较多的区域，要增加冲洗频率。

（4）改进常规处理工艺

混凝阶段，投加 NaHCO3、Na2CO3、NaOH、石灰等碱性物质来调节水的pH值。但考虑到石灰来源广泛，价格低廉，也易于控制，尽量采用投加石灰的方法，调节水的pH值；

当水中CO2浓度很高时，可以曝气去除CO2，使得[H2CO3]/[HCO3]的比值降低，从而使水体的pH值升高；

相对于液氯消毒，次氯酸钠消毒，水解过程中会产生一定的碱度，能提高Langelier饱和指数，从而提高水的稳定性；二氧化氯溶于水，它几乎不与水发生化学反应，对水pH值的影响也很小。所以可采用这两种消毒方法代替氯消毒。

（5）水源方面的控制

由于地表水和地下水水质差异较大，在进行水源切换时，地表水源和地下水源尽量不要掺混，即使掺混也要经试验得出合适的掺混比例。

切换水源过程中，可以通过提高pH值、增加碱度、投加缓蚀剂、严格保证余氯指标等方法来控制管网水质稳定性，减轻“红水”现象。

根据海水淡化水的不饱和性及强腐蚀性，建议可以通过三种方法来降低其对管网的腐蚀。一是，应优先选用防腐较好的管材，如PE管材等进行输送；二是，对淡化水的pH、硬度和碱度等指标进行调节，然后再进行输配，以保证其在管网中的化学稳定性；三是，按照一定的比例和腐蚀性小的地表水进行掺混后，再进行输送。

[1]汪光焘.城市供水行业2000年技术进步发展规划[M].北京：中国建筑工业出版社，1993：286-287

[2]Laurie S.Mcneill and Marc Edwards.Iron pipe corrosion in distribution systems.American Water Works Association，2001，93(7)：88-100

[3]许保玖.给水处理理论[M].北京：中国建筑工业出版社，2000：661-687

[4]骆碧君，刘志强，郑毅等．海水淡化水在既有管网中的水质变化研究[J]．中国给水排水，2009，25（23）：57-60

[5]王洋，牛璋彬，张晓健等.水源更换对给水管网水质的影响研究.环境科学,2007，28(10)：2275-2279

[6]张会娟，王文霞，何云.石家庄市润石水厂水源转换方案.中国环境卫生，2005，8(2)：72-82.

[7]张晓健，牛彰彬．给水管网中铁稳定性问题及其研究进展[J].中国给水排水.2006.1

[8]王海霞，张信阳.供水管网余氯预测的研究[J].天津工业大学学报.2003,22(6):34-36

[9]Singley JE.Laboratory studiesof corrosion[A].Proc.of the Eighth Annual AWWA Water Quality Technology Conference[C].Denver Colo:AWWA,

[10]李杰.关于水质稳定性问题的分析[J].城镇供水，2003，23(1)：12-13.