原水水源切换对供水管网中铁释放的影响
2021-11-15吕东晓张克峰宋武昌贾瑞宝张亚光宋宁宁
吕东晓，张克峰,*，宋武昌，贾瑞宝，张亚光，宋宁宁
(1. 山东建筑大学市政与环境工程学院，山东济南 250101； 2. 山东省城市供排水水质监测中心，山东济南 250021； 3. 同圆设计集团有限公司，山东济南 250101；4. 济宁中山公用水务有限公司，山东济宁 272000)
新旧水源水质化学成分存在较大差异，不同性质的水源进入管网后破坏了管网内原有的化学稳定性，使水源水在管网内和管垢层相互作用，出水水质逐渐变差，相应的水质指标显著升高，产生异臭味等问题[1-6]。问题严重时，会引发大量铁离子释放到水体中，进而引发“黄水”现象，使用户端水质不达标，危害人体的健康[7-8]。
现阶段，济宁市城市供水水源全部为当地地下水，2021年，济宁市将建成以南水北调东线水为水源的地表水厂。工程实现通水后，济宁市将面临当地地下水和南水北调水为供水水源的多水源供水模式。为了控制管网稳定运行，实现济宁市多水源安全供水，在济宁市北湖污水处理厂构建中试管网系统，探讨济宁市新旧水源切换对供水管网的铁释放影响。
1 材料与方法
1.1 试验原水
试验所用水源为当地地下水和南水北调水，具体水质如表1所示。
表1 试验用水水质Tab.1 Water Quality for Experiment
1.2 试验装置
中试管网装置的结构包括8根管径为100 mm的铸铁管、离心泵、计量泵、进水阀和储水箱等(图1)。铸铁管截取自济宁市当地居民生活区域，管龄为10年以上。每套管网配1台离心泵和1台计量泵，规格型号为Q=25 m3/h与Q=1.5 m3/h，分别模拟白天城市管网和夜间管网运行所需要的流量。管网系统安装了2个进水阀，主要用于进行不同水源水质的切换。水源自储水箱流出，经管网运行后流回水箱，每套管网设置7个取样口，确保样本的随机性。
图1 中试管网装置图Fig.1 Diagram of Pipelines Network of Pilot Test Installation
1.3 水质指标及检测方法
试验过程中，对管网水源的各项水质指标进行连续检测，具体采用《生活饮用水标准检验方法》(GB/T 5750—2006) 的检测方法，如表2所示。
表2 检测指标与检测方法Tab.2 Indexes and Testing Methods
1.4 试验系统运行操作
试验共分3个阶段开展。
第一阶段是管网稳定性调节阶段，此阶段持续6 d。试验前，利用济宁市当地水源通入管网，维持管网的原始化学平衡，使出水中的总铁浓度稳定。运行方式为调整离心泵使管网进水流速为16 m3/h模拟白天城市管网运行16 h，调整流速为1.2 m3/h模拟夜间管网运行8 h，每天定时取样进行水质指标测定。管网系统每运行完1 d，更换管网内的水源。
第二阶段是水源切换调节阶段，此阶段持续10 d。将管网内的水源切换为处理后的南水北调水，运行方式同第一阶段。
2 结果与分析
2.1 水质化学稳定性分析
Langelier饱和指数可以有效预测水体中碳酸钙溶解性情况，判断水质的腐蚀和结垢倾向[9]，如式(1)。
LSI=pH-pHs
(1)
其中：LSI——Langelier饱和指数；
pH——实际测量的pH；
pHs——CaCO3达到溶解饱和平衡时的pH。
LSI的判定标准为：当LSI<0时，水中CaCO3未饱和，有腐蚀趋势；当LSI=0时，水中CaCO3处于平衡状态；当LSI>0时，水中CaCO3过饱和，有CaCO3沉积趋势。
pHs的计算与水的碱度、钙硬度、pH、温度等参数有关，需要综合考虑多种因素的影响。因此，并不能把LSI作为水的结垢和腐蚀的唯一标准。
Ryznar稳定指数(RSI)是在Langelier饱和指数基础上提出来的，用来判别水质化学稳定性情况[10]，如式(2)。
RSI=2pHs-pH
(2)
其中，pHs与饱和指数中的相同，RSI判定方法如表3所示。
表3 Ryznar稳定指数的判定方法Tab.3 Judgment Method of Ryznar Stability Index
由于RSI 也是通过pHs计算得出，同样存在局限性，通常将Langelier饱和指数和RSI 联合使用。
(3)
其中：LR——Larson指数；
[Cl-]——Cl-摩尔浓度，mol/L；
LR通常的判定标准为：当LR<0.2时，水质稳定，铁制管材基本无腐蚀；当0.2
由于LR计算方便，评价结果与实际水体情况基本一致，在判定水质稳定性中使用率较高。3种水质稳定性分析方法的结果如表4所示。
表4 3种水质稳定性分析方法的结果比较Tab.4 Comparison of Results of Three Water Quality Stability Analysis Methods
2.2 水源切换对管网出水总铁和浑浊度的影响
图2 水源切换下对应的出水铁释放量和浑浊度Fig.2 Corresponding Outflow Iron Release and Turbidity after Water Source Switchover
2.3 水源切换对其他水质指标的影响
由图3可知，水源切换初期，管网水的pH值、溶解氧和碱度逐渐降低，运行至第3 d时均达到最小值，分别为7.37、4.71 mg/L和263 mg/L CaCO3。纵观管网整个运作阶段，3个参数纵向波动趋势明显，管网渐渐适应新水源导致的环境变化，水质参数纵向波动趋势也随之降低，并最终达到稳定状态。3个水质参数在第8 d时达到峰值，出水pH值约为7.60、溶解氧约为5.9 mg/L、碱度约为275 mg/L CaCO3。
图3 水源切换下对应的(a)出水pH值、溶解氧和(b)碱度Fig.3 Corresponding (a) Outflow pH Value, Dissolved Oxygen and (b) Alkalinity after Water Source Switchover
水源切换后，水质化学成分的改变导致管网无法迅速适应新的水质环境，管道内壁与新水源之间相互作用，引起管壁的铁向管网水中释放。铁与水中其他杂质形成电位差，发生电化学腐蚀，在阳极区，铁被还原为Fe2+而被腐蚀，南水北调水为弱碱性水体，Fe2+与其中的OH-结合生成Fe(OH)2，水中存在的溶解氧进一步将Fe(OH)2氧化为Fe(OH)3、FeO(OH)或Fe3O4，最终形成铁锈。管网水中OH-不断被消耗，因此，初期阶段水体的pH和碱度不断降低。持续进行的氧化反应需要大量溶解氧的支持，使其在管网水中的含量也不断下降[13]。随着管网逐渐适应这种水质变化，在内部表面形成钝化保护层，铁释放速率减缓，pH、溶解氧和碱度轻微升高并逐渐稳定。
表5 试验管网进水水质Tab.5 Inflow Water Quality of Tested Pipelines Network
图浓度变化对出水水质总铁(a)和浑浊度(b)的影响Fig.4 Influence of Concentration Change on Total Iron (a) and Turbidity (b) of Outflow Water Quality
2.4.2 Cl-
利用济宁市地下水和氯化钠进行配水，控制其他指标恒定的情况下，探究了水源水中Cl-约为50、100、150、200 mg/L时，经管网运行后出水中总铁和浑浊度的变化情况。试验配水水质如表6所示。
表6 试验管网进水水质Tab.6 Inflow Water Quality of Tested Pipelines Network
试验运行过程中监测了Cl-浓度对中试管网出水水质的影响，以出水总铁和浑浊度进行主要分析(图5)。
图5 Cl-浓度变化对出水水质总铁(a)和浑浊度(b)的影响Fig.5 Influence of Cl- Concentration Change on Total Iron (a) and Turbidity (b) of Outflow Water Quality
随着管网水体中Cl-浓度的不断升高，水质发生很大变化，管网短期内难以适应水源环境，此时的水体很容易致使管网腐蚀。究其原因是Cl-的极性和穿透性都很强，损坏管网的钝化层，Fe2+被释放到水体中。此外，Cl-浓度的升高也促进了水体的导电性，此时的管网内极易发生电化学腐蚀，加快管网铁的腐蚀进度，导致出水总铁浓度升高[15]。
3 结论
(1)南水北调水水质较济宁市地下水差，水源切换后，管网出水总铁浓度和浑浊度先升高后降低，出水pH、溶解氧、碱度先降低后升高，最终出水水质未满足《生活饮用水卫生标准》规定的限值。
(3)Cl-浓度的增加会显著加快管网铁腐蚀进程，有效地控制Cl-在低浓度状态可降低出水总铁浓度和浑浊度。
针对水源切换引起的管网铁释放问题，可采取以下措施。
(1)及时更换受损严重的老旧管段，采用新型供水管材进行供水，并定期清洗管网，保证管道配水能力。
(2)对管网内部进行涂衬，形成保护层，延缓管网的腐蚀。
(3)投加缓蚀剂减缓管网的铁释放速率。
