铸铁管输运海水淡化水水质变化研究

项超鹏　韩卫强　单晓峻　王洋　王胜军

[摘 要]随着社会经济的快速发展，目前淡水资源的日益短缺已经成为全球关注的热点问题，常规水源已经不能满足日益增大的用水需求。为了解决这一难题，世界各地的淡化海水生产技术正在快速发展，生产规模不断扩大，非常规水源如淡化海水将逐步应用于市政供水。目前我国的淡化海水主要用途为工厂用水，只有在部分靠海且缺少淡水的地区用作市政供水。很多地区淡化海水在进入市政管网前需要从水厂进行长距离运输，所以需要对长距离输送时水质指标得稳定性进行监测与研究。而淡化海水在进入市政管网后，会破坏管壁与自来水之间原有的化学平衡，发生管壁铁释放现象，导致居民饮用水铁含量、浊度等指标不达标。所以为了保证市政管网的出水水质，在淡化海水进入市政管网前，需要对淡化海水水质进行调节。本文选取实际管网中普遍存在的铸铁管，研究淡化海水进入铸铁管道后引发的各种水质指标变化，找出淡化水进入市政管网前的最佳水质指标，为淡化水厂在进行长距离输送淡化海水时提供指导性建议，保证淡化海水在输送过程中的水质稳定，并减少居民端黄水现象。

本论文实验部分在曹妃甸北控海水淡化公司进行，采用新兴铸管厂所提供的球墨铸铁管作为实验输送管道，模拟淡化海水进入既有铸铁管网进行周期为30d的长距离输送，了解未矿化水与矿化水在输送时引起的不同水质变化，分析淡化水长距离输送的稳定性与安全性。在上实验基础上进行周期为5d的三因素三水平正交实验，通过改变矿化水的pH、硬度、碱度，来考察不同淡化水水质对输送出水水质的影响关系，并找出在长距离输送时性质更稳定的矿化水水质。

[关键词]淡化海水；长距离输送；铸铁管；稳定水质

中图分类号：TU991.36 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）30-0132-07

1 绪论

1.1 研究背景

1.1.1 海水淡化产业背景

随着人类社会的迅速发展，人们愈发关注淡水资源不足的问题。我国的人均淡水资源仅为世界人均量的1/4，多年平均年缺水量约为404亿立方米，属于世界贫水国之一。同时我国水资源在时空分布上有着不均匀性，淡水资源主要集中在南方地区，沿海尤其是北方沿海地区和海岛水资源短缺问题尤为严重。部分缺水城市因超量开采地下水已造成地面沉降、区域性地下漏斗面积增大、生态环境恶化和地质灾害频发等问题[1]。水资源短缺已成为制约我国经济社会发展的重要因素之一。作为水资源的重要补充和战略储备，海水利用是解决沿海水资源短缺的重要途径。我国很多地区水资源结构单一，或过度依赖地表水，或超釆地下水导致地面下沉、生态环境恶化，严重影响了我国经济社会的可持续发展。另外，近年来地表水水源污染现象和事件不断发生，引起了社会各界对于供水水质安全问题的广泛关注而海水淡化技术自上世纪五十年代以来发展迅速，日益成熟，已经成为缓解水资源短缺的重要手段之一。

在国家政策的大力提倡下，近年来，我国海水淡化技术迅猛发展，生产工艺日趋成熟，生产规模不断扩大。2017年1月由国家发改委发布的《全国海水利用“十三五”发展规划》[2]中指出，截止2015年底，全国已建成海水淡化工程121个，已建成海水淡化工程规模100多万吨/日；年利用海水作为冷却水量达到1125多亿吨。海水淡化水主要用于沿海电力、化工、石化、钢铁等企业的锅炉、生产工艺用水[2]。此外，天津市、浙江舟山市和青岛市海水淡化工程通过“点对点”供水或与常规水源按比例掺混后，进入市政管网为居民提供生活用水。随着供水能力的增加，淡化海水大规模应用于市政供水已经成为一种趋势，这对于优化水资源结构，应对资源短缺危机，满足日益增大的用水需求具有重要的战略意义。

如何保障淡化海水的化学稳定性是淡化海水应用于市政供水普遍关注的热点，目前国际上的海水淡化技术主要分为以下三种：多级闪蒸、低温多效和反渗透技术[29]。而目前应用最多的是反渗透技术，占60%。

根据现行的生活饮用水标准以及文献资料[3]-[6]，经过反渗透技术处理的淡化海水硬度碱度以及细菌总数都比生活饮用水标准规定的含量低很多，各种盐类和微量元素都大幅度减少，接近中性。反渗透淡化系统对海水中大部分有毒物质也有着明显过滤作用，总体来说水质纯净，安全可靠。

1.1.2 黄水现象

给水管网中铁不稳定的最主要原因是管道的铁释放。铁释放现象是管道内壁的管垢在水力冲刷、溶解作用下向主体水中释放铁的过程。而同时铁释放现象破坏溶解了管垢，进一步加剧了铁质管道的腐蚀。当管网水中的铁含量超过一定范围后会发生沉淀反应，出现变黄和浑油的现象即“黄水”现象。

虽然与常规水源相比，淡化海水纯度和品质较高，但是根据国内外淡化海水用于市政输配的经验来看，当其进入到既有的市政管网后，直接导致管网水浊度和色度以及金属元素浓度的增加，不同程度地出现黄水现象，导致用户端饮用水水质不达标，这极大地影响了用水户的正常使用。这主要是由于铸鐵管、钢管等铁质管材在现有的市政给水管网中所占的比重很大，而淡化海水的生产工艺决定了化学稳定性是影响其在输配系统中水质变化的主要因素，由于其硬度碱度都偏低，根据表征水质化学稳定性的指数饱和指数和稳定指数的计算，这种低硬度低碱度的水在管网中性质非常不稳定，在进入腐蚀的铁质管网后会改变管道与主体水原有的化学平衡，加速管道内管垢的溶解、管道腐蚀和腐蚀产物向水中释放[28]。淡化水在这些管道的输配过程中，尤其是在用水低峰时段，水会在管网中停留一段时间（几个小时甚至几十个小时）与管壁发生各种复杂的物理、化学和生物反应，造成管网水二次污染[24]-[25]。

除导致用户端“黄水”现象外，给水管网中铁的过量释放还会带来其他危害，其中包括：使管道内壁结垢，从而造成输水能耗的增加；在管道内发生各种反应，使得管道内消毒剂和溶解氧浓度降低；同时增加的管垢为微生物提供了良好的生长环境，使管道内壁更易于生长生物膜，增加了出水的生物不稳定性，引发条件致病菌；铁释放引发进一步腐蚀，降低管网的使用寿命等[21]-[22]。鉴于以上阐述的铁释放带来的危害，有必要对淡化海水在输配系统中引起的铁释放控制技术进行研究，提出适合我国国情的铁稳定性控制技术。国内目前多采用管网改造等，但受到人力、物力的限制，耗资大的同时，进度也相对较慢。endprint

1.2 国内外研究现状

1.2.1 管道内铁的释放

根据国内外学者的研究发现[17]-[20]，给水管网用户终端发生黄水现象的主要原因是管道内铁的过量释放。管道内壁铁释放是个非常复杂的反应过程，在新管道中，管道内壁腐蚀程度较低，腐蚀产物也比较少时，铁释放主要是来源于电化学腐蚀反应；当管道使用到一定年限后，管道内壁形成了一层腐蚀产物后，铁释放相对较为复杂，主要来自于管垢内层释放出来的铁离子，以及管垢表面沉积层中铁氧化物的溶解，它是腐蚀、水力冲刷以及管垢的溶解三者累积作用效果。铁释放的定量表述是通过测定水中铁的浓度。

关于市政给水管网中的铁释放现象，国内外学者近年来进行了一些研究，取得了一系列成果，并形成了一些理论。

史昱骁[27]等人发现管网中的铁含量与浊度呈很强的线性关系，得出管网中造成浊度的颗粒悬浮物大部分来自于铁释放现象的结论。

Kuch[31]等人发现管网水力条件的变化会促进铁释放的发生，并根据此现象提出了Kuch机理。该机理描述了在缺氧条件下管网水中铁的释放途径，但是并不是缺氧条件下唯一的铁释放机理。

Sarin[30]等人通过对腐蚀钢管在不同溶解氧状态下的铁释放研究，发现腐蚀管道内铁释放的主要原因是碳酸亚铁和氧氧化亚铁的溶解，并描述了两个阶段的铁释放机理。在阶段一，管道内壁形成腐蚀瘤，亚铁离子升高；在阶段二，亚铁离子透过腐蚀瘤中间的硬壳层释放到水中，从而形成黄水现象。

Baylis[32]描述了一种管段中瘤状物形成原因及其引发铁释放的机理。机理认为腐蚀反应在管壁表面发生，使得表面形成了大量的亚铁离子释放到管网水中，而水中的溶解氧可以与它们反应生成氢氧化铁或者其他水合铁氧化物。

以上几种机理从不同的角度分析解释了给水管网中的铁释放现象，但由于不同地区的管材、管龄及管网水质差异很大，而不同机理与管材及水质等条件密切相关，所以仍缺乏各种机理的适用条件及判别依据。

1.2.2 长距离输送

伴随国内经济迅速增长和居民生活水平的提高，很多城市本身的供水能力已经无法满足居民的日常需求，为解决因淡水资源短缺、时空分布不均及城市水源污染所导致供水紧缺问题，长距离输水工程的实施越来越多，原水在长距离输水管道中的变化及调控等问题得到了广泛的关注和重视。这就要求供水管道不但满足人们所需要的水量和水压，而且还要保证所输送水的水质。

原水在输送过程中将会发生复杂的物理、化学及微生物反应，使原水水质发生一系列变化将长距离输水管道看作“管道反应器”，掌握原水在输水管道中的水质变化规律，对改善原水水质、指导净水厂的运行管理具有重要的现实意义。

国内很多学者近年来在原水的长距离输送方面进行了一些研究，取得了一系列成果。

赵乐乐[9]发现在长距离输水过程中DO浓度会沿程降低，剩余DO浓度在2mg/L以上；当原水浊度小于10NTU时，沿程变化不大，反之则沿程下降明显。长距离输水管道可降解水体中的部分污染物，从而起到水体净化作用。同时长距离输水管道对TOC的去除效果较差，所以为了提高市政管网内水质的生物稳定性，淡化水厂在净化工艺中要加强对TOC的去除。

高炜[15]在进行某水厂长距离输送实际案例分析时发现：原水经长距离管道输送过程中，营养盐指标（如氨氮、CODMn等）、UV254均有较明显的下降，但DOC数值上升；微生物指标中细菌含量上升较大，藻密度和叶绿素a等有所下降。同时长距离输送过程会对水中嗅味物质有一定的影响，在原水输送过程中得到部分去除。

张达[14]等发现国内外大多数长距离输水工程采用的是全封闭管道输水方式，这样能够保证管道水体不受外部环境的污染。但同时管道内中水体无法接触空气，水体的复氧能力大大减弱，水体长期处于缺氧或无氧状态。而研究表明，当水中溶解氧浓度降低时氨氮去除率明显降低，且溶解氧浓度越低越不利于氨氮的去除；与之相反的是亚硝酸氮的积累量明显增加，且溶解氧浓度越低越有利于亚硝酸氮的积累。

以上几位学者从不同的角度分析了原水在长距离输送中水质的变化，但是仍存在一些不足之处，主要为：（1）所研究水体均为普通自来水，没有对硬碱度均低于自来水正常值的淡化海水进行研究；（2）研究时所采用的均为大口径管道对小口径管道的研究较少。如赵乐乐采用的是DN2200水泥内衬的钢筋混凝土管道。而小口径管相比大口径管道比表面积大，研究小口径管对水质的安全性影响会比大口径管更有代表性。

1.3 论文研究内容及技术路线

1.3.1 研究内容

本次课题研究对象为反渗透膜工艺的海水淡化海水、环氧密封层球墨铸铁管管材，通过管段反应器试验测定一定停留时间的水质指标，研究淡化海水进入管网经过长距离的运输后淡化水水质的变化，并找出进行长距离输送前合适的水质条件，以保证淡化海水在输送过程中的化学稳定性，最大限度减少黄水等现象。

主要研究内容如下：

1）不同水质经球墨铸铁管输送，通过检测初始水质及水质随时间的变化规律，研究对水质稳定性的影响。

2）根据实验研究结果，考察不同淡化水水质对输送出水总铁含量（即铁释放速率）的影响关系，并找出在长距离输送时性质更稳定的矿化水水质。

1.3.2 技术路线

本课题技术路线如图1-1。

2 实验材料与方法

2.1 实验装置与材料

2.1.1 实验材料

1）试验用管及配件：DN100水泥砂浆内衬+环氧密封层球墨铸铁管；EPDM（三元乙丙）胶圈；润滑脂。

2）试验水质：水质采用前期试验得出的适于输送的淡化水水质。

2.1.2 实验装置

动态管网模拟试验装置采用DN100的水泥砂浆内衬+环氧密封球墨铸铁管（约12m）和PE塑料管連接而成，流量计用于测定管网中瞬时流量和流速，流量Q约为10L/s（根据管径及流速进行调整）；为了模拟实际管网状态，防止氧气的进入，整个管网处于密封状态。装置顶端设有储水罐，用于配置试验水样，储水罐内设有搅拌装置，水样经变频离心泵，然后经过装置底端的试验管段，之后又回到水泵形成循环。进行管网模拟运行。储水罐底设有排水阀，装置底端设有排水口，装置如图2-1、2-2所示。endprint

2.1.3 实验仪器

温度计、TDS仪：TDS-3水质检测笔

溶氧仪：Multi-3410溶氧仪（德国WTW）

pH计：雷磁PHS-3EpH计

电导率仪：雷磁DDSJ-308F电导率仪

浊度仪：雷磁WZS-185A浊度仪

余氯计：便携式余氯计

分光光度计：上分721G-100型分光光度计

2.1.4 实验药剂

试验中釆用的主要药品有：碳酸钙（CaCO3）、碳酸氢钠（NaHCO3）、氯化钠（NaCl）、氯化铵（NH4Cl）、浓盐酸（HCl）、EDTA等。所有药品均为分析纯级别。

2.1.5 实验参数

1）输水时间：本实验模拟长距离输水项目，而成品水在管网中约4日时间到达目的地，因此预确定水体进入管道后连续循环至少5日为试验时间；

2）输水速度：本次试验输水速度拟取1m/s；

3）基本水质参数：水厂矿化水pH约为7.80，碱度和硬度约为60mg/L；

4）试验管径：模拟动态管网球墨铸铁管管径为≤DN300，是基于小口径管相比较大口径管道比表面积大，水与其接触的相对表面积大，如果小口径管对水质的安全性影响较小时，则大口径管对水质的安全性影响会更低，所以本次课题试验采用DN100球墨铸铁管。

2.2 矿化水与未矿化水水质分析

本次实验所用淡化海水均来自曹妃甸北控海水淡化水厂，该水厂生产淡化水水质较好，其各项指标检测值均优于国家标准要求，主要水质指标如下表。同时由于淡化水的生产工艺对离子的去除率较高，虽然该厂在淡化工艺末端增加后矿化池，但其氯化物、硫酸盐、硬度、碱度、溶解性总固体等检测值仍是均小于自来水。因此，在实验前确定淡化水的化学稳定性有其必要性，最常用的控制指标为Langelier饱和指数和Ryznar指数。

2.2.1 Langelier饱和指数

Langlier根据水中碳酸钙平衡原理，提出用饱和指数（L.I）来判别水质的稳定性：

Langlier饱和指数判别水的结垢与腐蚀的准则见表2-3。根据计算可知，未矿化水的腐蚀性比矿化水更强，所以后矿化措施有其必要性。用Langlier饱和指数法判别原水的结垢与腐蚀趋势时具有较强的理论性[20]，所以在具体运用过程中应当考虑pH计算的误差范围。同时由于水温的实时变化、抑制剂的加入及浓缩倍数增加等因素的影响，它的使用具有一定的局限性。

2.2.2 Ryznar指数

Ryznar指数是根据饱和指数的含义并在对各种水的实际运行结果进行总结的基础上提出的，其公式为：

因为Langlier饱和指数与Ryznar稳定指数都是以碳酸钙的溶解平衡作为判断依据，所以在一般情况下，利用这两种指数得出的结论基本相同；但是Langlier饱和指数的理论性强，而Ryznar稳定指数是一个经验指数，在一定程度上弥补了Langlier饱和指数的不足，具有较强的实用性。所以在实际生产过程中判断水的结垢与腐蚀倾向时，应当将这两种指数结合在一起进行判断。

2.3 水样分析方法

本次实验主要水质检测指标和检测方法如表2-3所示：

3 长距离输送水质变化研究

3.1 实验目的

通过水样在循环模拟反应器中进行长距离输送模拟实验，研究未矿化水与矿化水在长距离输送时发生的水质变化，找出二者存在的区别并进行分析。

3.2 实验方案

将铸铁管管段用自来水清洗干净后，缓慢冲洗30min，之后用自来水验漏并稳定管段12h，目的是确认管壁内被清洗干净，保持管壁层性质稳定，预处理完成后加入试验用淡化海水运行反应器。在两个反应器内分别加入水厂生产的未矿化水和矿化水，并监测水中总碱度、总硬度、钙镁离子、溶解性SiO2、pH值、氯离子和硫酸根、总铁浓度等水质指标的变化情况，以研究铸铁管在长距离输送淡化水时的水质变化。实验前5d每隔1d取一次水样，5-30d期间可每2-3d取一次水样。每次取水样500mL，并按照规定方法进行相关预处理，保存及检测。持续运行30d。

3.3 实验结果与讨论

3.3.1 总碱度的变化

从图3-1可以看出，未矿化水和矿化水进水的总碱度（以CaCO3计）差别很大，分别为5.6mg/L和54.9mg/L，但在水泥砂浆内衬管中运行后二者的总碱度相差不大。二者出水均是第1天总碱度最高，而后降低，第20天基本达到平衡，均在75mg/L左右。总碱度升高的原因是管网内衬中的氢氧化钙成分快速溶出，矿化水总碱度升高幅度相对较小是因为水中的Ca（HCO3）2与管壁内衬溶出的Ca（OH）2反应生成了CaCO3沉淀消耗碱度[6]，主要反应为：

3.3.2 总硬度、钙、镁离子的变化

从图3-2中可以看出，同种水质中钙离子出水变化与总硬度同步且浓度值（均以CaCO3计）差别较小。运行初期未矿化水总硬度和钙离子急剧升高而矿化水降低，原因与总碱度变化的原因相同，运行16天后二者都达到基本相同的平衡浓度。镁离子（以CaCO3计）未矿化后出水浓度均较低且基本保持不变，在1-5mg/L之间。从上述试验结果来看，由于内衬成分的溶出，淡化海水未矿化水在水泥砂浆内衬管中具有自矿化过程（pH值、碱度、硬度均提高），导致未矿化水和矿化水在水泥砂浆内衬管中后期出水的各项指标差异不大，且水质均可较快稳定。但由于试验时间较短，不明确淡化海水未矿化水的自矿化过程的持续时间和持续效果，而实际供水管網使用时间一般为几十年，所以建议仍需对淡化海水进行后矿化处理。

根据2.2.1可知，未矿化水和矿化水进水的Langelier饱和指数分别为-3.73和-0.2，即二者都倾向于溶解CaCO3，但未矿化水的侵蚀性更强；平衡后二者出水的LI均为-0.03，即所溶解的CaCO3与固相CaCO3基本处于平衡状态，证明LI可用于该系统的腐蚀性判别。endprint

3.3.3 pH值的变化

从图3-3中可以看出，运行初期未矿化水和矿化水的pH值均急剧升高，分别在运行7天和13天后下降为8.4，之后基本平衡，后期二者的pH值均平衡在8.3左右。反应器中水的pH值上升的原因为水泥砂浆内衬中的氢氧化钙成分溶出。

3.3.4 溶解性SiO2的变化

从图3-4中可以看出，未矿化水和矿化水的溶解性SiO2分别为0.55mg/L和0.45mg/L，整个试验过程中二者出水的溶解性SiO2浓度差别很小，第1天出水濃度最高，第10天均已基本稳定在4.5mg/L上下。溶解性SiO2浓度升高的原因是内衬中的硅酸钙成分溶出。

管径为r的输水管中单位面积管内壁与其接触的管网水体积之比为2/r，在其他条件都相同的情况下，管壁溶出物的浓度与该比值成正比。本试验中管径为100mm，假设任一管段的管径为其n倍（对于长距离输水的输水管管径一般较大），则管壁溶出物的浓度为本试验的1/n。比如，本试验中未矿化水和矿化水最初溶解性SiO2浓度增加约25mg/L，对于DN1000的水泥砂浆内衬管（n=10）输送相同水质水时最初溶解性SiO2浓度增加估计为2.5mg/L左右。

3.3.5 氯离子和硫酸根的变化

在不加氯消毒剂的条件下，检测了矿化水在水泥砂浆内衬管中一个月内的氯离子和硫酸根离子的浓度变化，结果见图3-5。

氯离子在水泥砂浆内衬管中反应后的浓度比进水浓度略有下降，前期下降更加明显，这是因为氯离子渗透进入水泥砂浆中从而使水中的氯离子浓度下降。陈更新等研究发现，渗透到水泥砂浆中的氯离子包括被结合的氯离子和游离的氯离子，就算水中的氯离子浓度大小不同，但总是有一定数量的氯离子被水泥浆体结合进化合物中（或与水泥相发生反应，或被吸附在水化产物或者孔壁上），且NaCl和CaC12·2H2O两种溶液的氯离子在相同龄期水泥砂浆中的渗透深度无显著差别。

硫酸根离子前5天浓度上升较大，最初由2.4mg/L增加到25mg/L，5天后只浓度略微上升。水泥砂浆内衬成分中含有水化硫铝酸钙，因此有硫酸根离子的溶出。温柔研究发现，淡化海水在水泥砂浆内衬管中反应1天后硫酸根离子由几个mg/L增加到190mg/L左右，连续运行4天后增加到280mg/L以上，超过250mg/L的标准。可见，水泥砂浆规格和成分对输送的水质影响较大，输送饮用水时，应严格控制管道内壁水泥砂浆中石膏的含量。

3.3.6 总铁对浊度的影响

在进行管网长距离输送模拟实验时，进行总铁对浊度影响的副实验。选取部分矿化水的水样，对所选取水样进行浊度及总铁含量的测量，所得结果如图3-6所示。从图上可以看出在长距离输送淡化海水时，其浊度会随着总铁含量的升高而上升，浊度与总铁含量二者呈线性关系。这也就表明市政管网的腐蚀会使得居民用水中的色度、浊度及铁含量等明显增大。当管道内水流速度、水压突然变大或方向突变时，会造成短时间的铁释放，水质恶化，甚至出现“黄水”等水质事故[7]-[8]。

3.4 本章小结

（1）未矿化和矿化的淡化海水在水泥砂浆内衬管新管中的出水总碱度和溶解性SiO2的变化规律基本相同，都是运行前5天水质指标较高，之后基本稳定；pH值也均是前期较高然后下降最后保持稳定，但矿化水维持高pH值（8.5以上）的时间长达10天，未矿化水为5天。因而，在水泥砂浆内衬管新管实际使用过程中，正式输送淡化海水之前需要足够的冲洗时间。

（2）矿化水的硫酸根离子前5天出水比进水增加20mg/L以上，之后出水与进水相差不大；出水氯离子比进水略微下降。所以经过适当冲洗后硫酸根离子和氯离子基本不影响水质。

（3）未矿化和矿化的淡化海水的出水总硬度（钙离子）变化规律不同。前10天未矿化水总硬度和钙离子急剧升高，矿化水反而降低，之后二者都达到基本相同的平衡浓度55mg/L。未矿化水和矿化水的镁离子浓度均较低且基本保持不变，在1-5mg/L之间。未矿化水总硬度升高是由于对水泥砂浆内衬的腐蚀，碱性物质持续溶出，这样会大大缩短水泥砂浆内衬管的使用寿命，所以必须对淡化海水进行后矿化。

（4）管网水浊度与总铁含量存在一定的线性关系，浊度随总铁含量的增加而升高。管道内壁铁的释放是导致管网水中色度、浊度等水质指标增加的重要原因。

（5）综合各水质指标变化情况，水泥砂浆内衬管在正式投入矿化淡化海水输送之前需要通水冲洗5天以上使水质达到稳定，可用pH值作为是否稳定的标准。

4 影响铸铁管内铁释放量的因素研究

根据国内外学者的研究及上一章试验结果论证，已经得知管网中的铁释放是导致水中色度、浊度等水质指标增加的重要原因。故本章进一步研究不同水质因素对铸铁管道内铁释放量影响，从而找出影响铸铁管内铁释放量的重要影响因素及最佳水质条件，为实际淡化水厂生产提供参考。

4.1 实验目的

本次实验目的是找出影响铸铁管内铁释放效果的主要影响因素，分析各因素的主次顺序，判断各因素对铁释放量影响的显著程度。并找出影响铁释放量效果因素的优水平及最优组合，分析各因素变化与铁释放量之间的关系。

4.2实验方案

根据各大淡化水厂生产现状，可以发现淡化海水的初始pH、硬度与碱度均低于市政管网内的自来水。所以本次正交实验设计三因素三水平试验，三个影响因素分别为pH值、硬度和碱度，其中pH值的分级是根据实际生产经验而定，硬度和碱度则是根据生活饮用水标准和水厂生产淡化海水的出厂硬、碱度综合分级。正交试验因素及水平表如表4-1所示。

本次实验管段采用的是水泥沙浆内衬+环氧密封层球墨铸铁管，共进行了9次实验，在每次实验前需使用实验用水质水样冲洗1-2h，待系统中各参数稳定后加入相应量的碳酸钙（CaCO3）、碳酸氢钠（NaHCO3）、浓盐酸（HCl）或氢氧化钠（NaOH）进行调质，随后开启电机搅拌1h，分别在经过0h、12h、24h、48h、72h、96h和120h后进行取样，测定总铁含量、浊度等指标。endprint

4.3 实验结果讨论

4.3.1 铁释放变化规律

本次正交试验的结果得到的铁释放变化规律基本一致，其中相关性较高的五组数据如图4-1所示。从趋势曲线可以看出，在输送淡化水前12h内，总铁含量迅速提高，在36h后总铁含量稳定不变。根据《生活饮用水卫生标准》（GB5749-2006），自来水中的总铁含量小于0.3mg/L，所取水样大部分均都总铁含量超标。但最高浓度（约0.6mg/L）与其他学者研究测得的数据相比较小，主要原因为实验用铸铁管管龄较小（小于1年），管壁的结垢腐蚀均不明显，且水泥砂浆内衬结构均匀致密，再涂刷环氧树脂密封层后，其通水后的粗糙系数非常低。而且砂浆层与管道结合后，会在管壁层面形成一个pH值高达12的钝化区域，水渗入水泥砂浆后会富含碱性成分，同时也会使水到达管壁时的腐蚀性大大降低[10]-[13]。

4.3.2 正交实验分析

对实验所得数据进行极差分析，结果见表4-2。

从正交实验分析表中可知，对于水泥砂浆内衬+环氧密封的球墨铸铁管，碱度的极差最大，其次为硬度，极差最小的为pH值。这说明，在影响铸铁管内铁释放速率的三个主要因素中，碱度对其影响是最大的，其次是硬度，影响最小的是pH值。根据优水平顺序可以得知抑制铁释放效率的最佳组合是：淡化水厂的出水水质为碱度120mg/L、硬度60mg/L，并将出水pH值调为9.0。

以上分析讨论了各因素对铁释放速率的影响程度，然而各个因素对铁释放速率的影响是不同的。为了更加直观地了解三个因素对铁释放速率的影响，将每个因素对其影响效果绘制成柱状图。

如图4-2所示球墨铸铁管铁释放速率最高的是硬度为200mg/L时，最低是硬度为60mg/L时，两者铁释放速率相差约27%。实验地所在曹妃甸海水淡化厂出厂水硬度约为60mg/L，故出水硬度不需要进行调节。

然而根据国内学者研究，当水中硬度高时（约100mg/L），管垢呈条状规则晶体，排列整齐且致密，这种管垢更稳定，对铸铁管道的管壁有着很好的保护能力；反之低硬度时（约20mg/L），管垢性质不稳定，铸铁管道管壁容易受到侵蚀。之所以与其他学者研究结果出现差别，初步分析结果如下：

（1）本次实验铁释放量数据差别较小，可能是出现的偶然误差。

（2）实验用的铸铁管道的管龄小于1年，且内壁采用水泥砂浆内衬+环氧密封层，致密的砂浆层与树脂层使得管道内壁难以形成稳定的管垢，最终导致实验结果出现偏差。

如图4-3所示球墨铸铁管铁释放速率最高的是碱度为30mg/L时，最低是硬度为1200mg/L时，两者铁释放速率相差约48%。实验所在淡化水厂出厂水碱度约为60mg/L，且碱度是三个影响因素里对铁释放速率影响最大的，所以出水碱度需要进行调节。

碱度的大小之所以对水中总铁含量影响很大，是因为在弱碱性含碳酸盐系统的水体中，存在着铁与碳酸根反应的沉淀溶解平衡，碳酸根是水中铁溶解度的重要影响因素。如式4-1所示，当淡化水碱度升高时，碳酸根含量相应升高，反应会向着铁的碳酸盐化合物沉积的方向进行，并生成碳酸亚铁沉淀物质，附着于管壁形成钝化层，阻止铁继续向水中进行释放，从而使水中铁含量降低[23]。而当淡化水的碱度降低时，碳酸根含量相应降低，反应向沉积物溶解的方向进行，铁释放速度加快，造成水中总铁含量升高，从而引发居民用水端“黄水”现象。

如图4-4所示球墨铸铁管铁释放速率最高的是pH值为9.0时，最低是pH值为7.0时时，两者铁释放速率相差约28%。

Sancy[26]等研究了pH与管道腐蚀瘤及腐蚀产物之间的关系，得出结论认为当pH处于7.0～9.0时，随着pH的升高，管壁上的腐蚀瘤的减少程度也随之升高，腐蚀产物的释放也会随之降低。所以国外大多将软水的pH调至8.0～8.5。而pH值的增加能抑制管道铁释放的原因主要是由于在腐蚀电化学反应中存在着以下两个阴极反应如式4-2、4-3所示，当pH值增大时，两个反应都会受到抑制，从而阳极反应中亚铁离子的释放也会受到抑制。

4.4 本章小结

（1）本章设计的三因素三水平正交试验，三个影响因素分别为pH值、硬度和碱度。通过对实验数据的极差分析得出，在长距离输送时的球墨铸铁管中，影响管道内铁释放速率效果的三个主要因素中，碱度对其影响是最大的，其次是pH，影响最小的是淡化水硬度。

（2）根据以上结论，可知抑制管道内铁释放效果最优的组合为：将淡化水厂出水pH值调至硬度调节至9.0，出水硬度和碱度分别调至60mg/L和120mg/L，此时铁释放量最少。但根据生活饮用水标准（GB5749—2006）规定，pH应不小于6.5且不大于8.5，所以水厂pH调至8.0～8.5时为最佳。

5 结论与展望

5.1 结论

随着居民对自来水水质要求越来越高，市政管网内铁超标引起的黄水现象等越来越引起人们的重视，管网铁稳定性问题已经成为居民用水安全研究方面的重要议题之一，关于这方面的相关理论和实验研究已经有相当成熟的成果。而在淡水资源越来越紧缺的现状下，很多国家开始使用淡化海水用作部分缺水城市的市政供水。而当淡化海水作为一种非常规水源进入铸鐵管进行长距离输送淡化海水时，水质会发生很大变化，同时也会发生黄水现象[7]。而淡化海水在铸铁管内长距离运输时各项水质指标如何变化，及如何控制铸铁管内的铁释放现象，国内外还没进行太多研究。因此对淡化海水在铸铁管道中引起的水质变化进行深入研究有其必要性。

本课题使用新兴铸管生产的水泥砂浆内衬+环氧密封球墨铸铁管作为实验管材制作管段反应器。利用在循环管段反应器中，模拟未矿化及矿化的淡化海水与管道内壁接触后发生的化学反应，以总硬度、总碱度、硫酸根等指标为检测对象，研究淡化化海水进入铸铁管道中引发的水质变化。同时设计了调节pH值、改变水体硬度、碱度的正交实验来研究这三种因素对官网内铁释放速率的影响。实验得到的主要结论如下：endprint

（1）未矿化的淡化海水在进入铸铁管循环输送的前10天，水体总硬度和钙离子急剧升高。原因是未矿化水对水泥砂浆内衬的腐蚀，碱性物质持续溶出，这样会大大缩短水泥砂浆内衬管的使用寿命，所以必须对淡化海水进行后矿化。

（2）未矿化和矿化的淡化海水在水泥砂浆内衬管新管中的总碱度、溶解性SiO2、硫酸根离子的变化规律基本相同，都是运行前5天水质指标较高，之后基本稳定；pH值也均是前期较高然后下降最后保持稳定；出水氯离子比进水略微下降。综合各水质指标变化情况，水泥砂浆内衬铸铁管在正式投入矿化淡化海水输送之前需要通水冲洗5天以上使水质达到稳定。

（3）管网水浊度与总铁含量存在一定的线性关系，浊度随总铁含量的增加而升高。管道内壁铁的释放是导致管网水中色度、浊度等水质指标增加的重要原因。

（3）在影响淡化海水在铸铁管内铁释放速率的三个主要因素中，水的碱度对其影响是最大的，其次是pH值，最后是总硬度。且根据实验结论，可知抑制管道内铁释放效果最优的组合为：将淡化水厂出水pH值调至硬度调节至9.0，出水硬度和碱度分别调至60mg/L和120mg/L，此时铁释放量最少。

5.2 展望

本课题在研究淡化化海水进入铸铁管道中引发的水质变化方面，取得了一定实验依据，为淡化水厂出水水质调节提供部分理论支持。但在完成本次毕业论文时，仍然存在部分不足之处和需要改进的地方，现归纳总结如下：

（1）由于本次课题时间及设备有限，未进行重复实验，不能减小实验误差对实验结果的影响。没有对使用年度较久的腐蚀或结垢较为严重的管道进行研究，课题选用的球墨铸铁管使用管龄小于1年，管内没有生成明显的管垢。而实际市政供水管网十分复杂，很多管道使用管龄均超过十年。其他材质的管道如灰口铸铁管等也没有进行研究。

（2）水质变化研究中只对未矿化和矿化水进行实验，而在实际进入市政管网的淡化海水都是与自来水掺混的。不同掺混比的淡化海水进入铸铁管后发生的水质变化有待进行进一步研究。

（3）管网内铁释放的机理非常复杂，本课题只考虑了pH值、硬度和碱度对铁释放的影响，对不同影响因素导致的铁释放机理的探索还有待深入。

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科委项目：海水淡化长距离输送水质安全保障技术研究课题（Z141100000914004）。endprint