某市供水管网水质化学稳定性研究及控制方法

2021-04-16彭思琪

陕西水利 2021年3期

关键词：拉森碱度供水管

彭思琪

（中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西西安 710043）

0 引言

近些年来，随着水处理技术的不断发展，城镇供水厂的出厂水水质达标已经不再是问题。但是出厂水进入供水管网之后却会产生水质化学稳定性问题，发生“黄水”“红水”等现象。这将成为供水行业新的挑战，而供水管网的水质化学稳定性也逐渐成为研究热点。

1 化学稳定性的定义

供水管网的水质化学稳定性指的是在净水厂的出厂水在进行输配的过程中，在各种各样的因素作用下，水中的各种化学物质之间或者与管道之间发生化学反应会使水体的稳定性发生改变，其中以各种化学变化为主，包括水解、氧化等化学作用。水质的化学稳定性研究主要关于水在供水系统中腐蚀或是结垢的倾向问题。一般情况下，水行业中定义CaCO3既不溶解也不沉淀的状态为水质化学稳定性好。

2 化学稳定性的判别指数

现阶段研究关于水质化学稳定的判别指数主要分为两大类，一类主要是基于碳酸钙溶解平衡的指数，其中主要有Langelier 饱和指数［1]、Ryznar 稳定指数［2]、AI 侵蚀指数等；另一类则是基于其他水质指标的判别指数，有LR 拉森比率［3]等。

2.1 基于碳酸钙溶解平衡的判别指数

2.1.1 Langelier 饱和指数（LSI）

由碳酸钙溶解平衡所得出的稳定性指数有很多，其中最早提出也是应用最广泛的就是由朗格利尔（Langelier）所提出的饱和指数IL，又被称为LSI。其定义式为:

pH 即水的实际pH 值，pHs 即水在碳酸钙饱和平衡时的pH 值，称之为饱和pH 值。Langelier 饱和指数是从热力学平衡角度出发，在某一水温下，水中溶解的碳酸钙达到动态平衡状态。以化学质量平衡为基础，此时的水的pH 为一定值。当LSI=0 时，水质稳定；当LSI＞0 时，碳酸盐处于过饱和，有结垢倾向。当LSI＜0 时，碳酸盐未饱和，为腐蚀倾向。pHs 计算的一种常见方法是查表法，依靠待测水体的总碱度、钙硬度、总溶解固体和水温，通过查表得到所对应的常数值，代入式中进行计算。

2.1.2 Ryznar 稳定指数（RSI）

Langelier 饱和指数的计算公式中的热力学数据是在水质条件简单的理想条件下得出的，与复杂的实际情况显然有所不同。所以在前人的基础上雷诺兹（Ryznar）针对这个问题，又进行了大量的试验研究之后推导出了Ryznar 稳定指数，这个指数是半经验性的，又被称为RSI，计算如下：

用Ryznar 稳定指数判断水质化学稳定性的情况见表1。

表1 Ryznar 稳定指数判断水质化学稳定性判别表

2.1.3 AI 侵蚀指数（AI）

侵蚀指数AI 是通过实际经验总结出来以分析水质对含有水泥管材腐蚀性质的判别指数。水体对于某些管材的腐蚀过程，不能仅仅单纯的考虑水体是否存在碳酸钙的溶解平衡，仍需考虑钙硬度和总碱度的影响。侵蚀指数AI 式计算如下：

式中：Ca 和Alk 分别代表所研究水体的钙硬度和总碱度，都以mg/L（CaCO3）进行计量。

当AI＜10，水体对管材呈现出极高的腐蚀性；当AI=10～12，水体对管材具有中等程度的侵蚀性；当AI≥12，一般可认为水体对管材不具有腐蚀性。

2.1.4 LR 拉森比率（LR）

Skold 和Larson 在研究金属尤其是铁制管材的腐蚀速率时，发现碳酸氢根的存在对于抑制腐蚀起着独有作用。他们研究后发现水体的腐蚀性是由水体中腐蚀性组分对于缓蚀性组分的比例取值决定，因此两人在1957年合作提出了拉森比率（Larson Ratio）的定义，计算式如下：

拉森比率主要分析各种无机阴离子对腐蚀的影响。当LR值越低，一般认为水体的腐蚀性就越低。同时当拉森比例值小于0.2 时能够使水体保持较低的腐蚀性，也有研究认为拉森比例在小于0.5 时也是可以接受的。

3 供水管网水质化学稳定性评价

本文收集了某城市2017年～2019年3年间东部沿海某市供水管网水的水质常规指标监测数据，对数据进行整理汇总后分别进行前文所述的化学稳定性指数计算及判别。

3.1 Langelier 饱和指数判别

图1 Langelier 饱和指数年份及月份变化箱形图

图1 表示供水管网水LSI 指数按照年份及月份变化的箱形图，由图1 所示，管网水Langelier 饱和指数中位数于2017年～2019年间均保持在0 以上，主要位于0～0.5 区间，三年间变化较小。从季节变化分析可以看到LSI 指数在1月～6月呈现逐渐上升的趋势，7月～12月呈现逐渐下降的趋势，变化趋势为倒“V”字型，根据判定依据呈现夏季结垢，冬季稳定的季节变化趋势。

3.2 Ryznar 稳定指数判别

图2 Ryznar 稳定指数年份及月份变化箱形图

图2 表示供水管网水RSI 指数按照年份及月份变化的箱形图，由图2 所示，管网水Ryznar 稳定指数中位数于2017年～2019年间均保持在7 以上，主要位于7～7.5 区间，三年间变化较小。从季节变化分析可以看到RSI 指数在1月～6月呈现逐渐下降的趋势，7月～12月呈现逐渐上升的趋势，变化趋势为“V”字型，根据判定依据呈现冬季腐蚀，夏季稳定的季节变化趋势。

3.3 AI 侵蚀指数判别

图3 AI 侵蚀指数年份及月份变化箱形图

图3 表示供水管网水AI 指数按照年份及月份变化的箱形图，由图3 所示，管网水AI 侵蚀指数中位数于2017年～2019年间均保持在12 以上，主要位于12～12.5 区间，对于水泥砂浆管和水泥内衬金属管无侵蚀性。从不同月份来看，AI 指数呈现1月～8月、12月份保持稳定，9月～11月降低的季节特性。总体而言，出厂水侵蚀指数AI 主要在每年的秋季出现低值，此时就需要在9月～11月加强对水泥砂浆管及水泥内衬金属管腐蚀监控。

3.4 LR 拉森比率

图4 LR 拉森比率年份及月份变化箱形图

图4 表示供水管网水LR 拉森比率按照年份及月份变化的箱形图，由图4 所示，管网水LR 拉森比率中位数于2017年～2019年间均保持在1 以上，主要位于1～2 区间，三年间变化较小。季节变化趋势为1月～6月LR 拉森比率逐渐上升，6月～8月保持不变，9月～12月又再次上升。呈现夏、冬两季高的季节变化特性。由箱式图可以看出来6月、7月、8月三个月的LR拉森比率较其他月份有较大幅度的波动。

3.5 化学稳定性评价

经过对供水管网水质化学稳定性分析计算，得出四个化学稳定性判别指数的基本区间以及变化趋势，将结果总结整理,见表2。

表2 水质化学稳定性评价表

4 水质化学稳定性的控制方法

控制水质化学稳定的方法主要分为两类。一类是通过调整影响水体化学稳定性的水质指标，从而改变水体的化学稳定性；另一类则是通过监测、改进供水管网及管材来控制水质化学稳定性。

4.1 水质调节技术控制化学稳定性

（1）调节pH

pH 与水质化学稳定性关系密切，LSI 指数、RSI 指数、LR拉森比率都将直接受到pH 的影响，提高pH 可以有效的控制水质化学稳定性。常用的投加药剂包括NaOH、Ca（OH）2、Na2CO3、NaHCO3，根据徐菲菲［4]的研究，在pH 为7.6 的水体中投加相同量的药剂用来调整pH，效果由大到小依次为NaOH＞Ca（OH）2＞Na2CO3＞NaHCO3。也可以利用曝气的手段来去除CO2，从而使水体的pH 升高。

（2）调节碱度和硬度

利用再矿化技术可以有效提高供水管网的硬度和碱度，常用的方法有：纯碱与石灰联用；二氧化碳与石灰或石灰石联通；硫酸钙氯化钙与碳酸氢钠联用等。根据张芳［5]的研究利用氯化钙和碳酸氢钠的联用对于水体硬度和碱度提升有限，而且会引入影响拉森比率LR 的腐蚀离子（Cl-）。该方法多用于工业水处理且适用于溶解性总固体大于200 mg/L 的情况。根据刘怡［6]等人的研究，利用二氧化碳与石灰联用的再矿化技术可以有效提高水体硬度与碱度，并能够对混凝、沉淀和臭氧生物活性炭过滤等水处理工艺带来积极作用。