城市供水管网水质化学稳定性研究进展

城市供水管网水质化学稳定性研究进展方　伟1,　许仕荣1,　徐洪福2,　邓　汇2,　尤作亮2(1.湖南大学土木工程学院,湖南长沙410082;2.深圳市水务有限公司

水技术研究所,广东深圳518037

)

摘　要:　结合国内外对于城市供水管网水质化学稳定性的研究现状,重点阐述了水质化学稳定性的判别方法,混凝、消毒、软化、膜技术等水处理工艺对水质化学稳定性的影响及管网水质化学稳定性的控制方法和措施,并提出了今后城市供水管网水质化学稳定性的研究重点与方向。 关键词:　供水管网;　水质稳定;　化学稳定性中图分类号:TU991 文献标识码:B 文章编号:1000-4602(2006)14-0010-04

ResearchProgressofWaterChemical2stabilityinUrbanWaterDistributionSystemFANGWei1,　XUShi2rong1,　XUHong2fu2,　DENGHui2,　YOUZuo2liang2(1.CollegeofCivilEngineering,HunanUniversity,Changsha410082,China;2

.Institute

ofWaterTechnology,ShenzhenWater(Group)Co.Ltd.,Shenzhen518030,China) Abstract:　Basedonthedomesticandinternationalstudiesofwaterchemical2stabilityintheurban

waterdistributionsystems,thepaperdocumentsthedeterminingmethodsofthewaterchemical2stability,theinfluenceofthewatertreatmentprocessessuchascoagulation,disinfection,softeningandmembranetechnologiesonwaterchemical2stability,andthecontrolmethodsofthewaterchemical2stability.Futureresearchtrendforthewaterchemical2stabilityoftheurbanwatersupplysystemisputforward. Keywords:　watersupplynetworks;　waterqualitystabilization;　chemicalstability

基金项目:国家高技术研究发展计划(863)项目(2002AA601120) 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在腐蚀性和结垢性两方面,根据《城市供水行业2000

年技术进步发展规划》的调查,地表水厂出厂水水质基本稳定的只有21%,有腐蚀倾向的为50%,有结垢倾向的为29%;地下水厂出厂水水质基本稳定的为50%,有腐蚀倾向的为30%,有结垢倾向的为20%[1]。由此可见,供水行业中水质的化学稳定性

较差,其中腐蚀问题更为严重。

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水质化学稳定性的判别水质的化学稳定性判别指数分为两大类,一类主要是基于碳酸钙溶解平衡的指数,如Langelier饱和指数、Ryznar稳定指数;另一类则是基于其他水质参数的指数,如Larson比率等。111　基于碳酸钙溶解平衡的稳定性指数水中的碳酸钙溶解平衡体系一般是指重碳酸钙、碳酸钙和二氧化碳之间的平衡。如水中游离二氧化碳含量少时则发生碳酸钙沉淀;如超过平衡量时则发生二氧化碳腐蚀,反应式如下:

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第22卷　第14期2006年7月 中国给水排水CHINAWATER&WASTEWATER Vol.22No.14Jul.2006Ca(HCO3)2CaCO3+CO2+H2O基于碳酸钙溶解平衡的稳定性指数很多,Lan2gelier饱和指数IL是最早的也是应用得最广泛的。但Langelier饱和指数有两个弊端,一是对两个同样的IL值不能进行水质化学稳定性的比较,二是当IL值在零附近时,容易得出与实际相反的结论。Ryz2nar针对这些弊端,在进行大量试验的基础上提出了半经验性的Ryznar稳定指数IR。在国内,通常将Langelier饱和指数和Ryznar稳定指数配合使用来判断水质的化学稳定性。基于碳酸钙溶解平衡的稳定性指数还有碳酸钙沉淀势CCPP、Dye提出的暂时过量ME、Mccauley提出的推动力指数DFI、用于鉴别水质对石棉水泥管侵蚀性的侵蚀指数AI、临界pH值pHc、Puckorius稳定指数PSI等[2、3]。112　其他稳定性指数由于以碳酸钙溶解平衡理论为基础的水质稳定性判别方法没有考虑电化学过程,更没有考虑到水中胶体的影响,既将碳酸钙作为缓蚀剂又作为水垢[3],因此水质的化学稳定性不能仅按上述指数来判别。Larson等人在研究Cl-、SO2-4对铁和钢管腐蚀的影响时,提出了Larson比率LR。其表达式为:　LR1=(2[SO2-4]+[Cl-])/[HCO-3]　LR2=[Cl-]/[HCO-3]他们建议LR1应小于0.2～0.3,当LR2>0.3时,对低碳钢的腐蚀速率明显增大。Riddick针对美国东海岸的水质,提出了Rid2dick腐蚀指数,考虑了水中硬度、碱度、硝酸盐、溶解氧、氯离子、二氧化硅等影响因素。Yahalom指数YI则考虑了氯离子和硫酸盐对水质化学稳定性的影响[2]。2　水处理工艺对水质化学稳定性的影响Singley[4]认为自然界中矿物质浓度低的水对钢管、镀锌钢管、铜管不一定有太大的腐蚀性,而水处理工艺流程则会增加水的腐蚀趋势。211　混凝早期水处理工艺中常用的混凝剂有明矾、硫酸铝、氯化铝、硫酸铁、氯化铁等,当使用这些混凝剂时处理出水的pH值、碱度、重碳酸盐浓度均会明显下降,导致水的腐蚀性变强。现在较常用的PAC、PFS等无机聚合铝盐或铁盐混凝剂对pH值、碱度的影响则相对要小一些,但仍然会导致pH值和碱度的下降。另外混凝剂本身所包含的氯离子、硫酸盐使得水中这些阴离子的浓度升高,而其在常规处理工艺中又很难被有效去除,使得管网水质的化学稳定性变差,加剧了对金属管道的腐蚀。不同种类的混凝剂对管网水质化学稳定性的影响也不同。一般而言,在投量相同时,与铝系混凝剂相比铁系混凝剂使水的pH值下降更多。如某水厂原水pH值为8.99,混凝剂投加量均为40mg/L,

PAC、PFS分别使原水pH值下降了0.5、1.12,由此可见,铁系混凝剂更容易使管网水质化学稳定性变差,引起管道内壁腐蚀[5]。212　消毒采用氯消毒时会导致pH值下降、碱度降低、氯离子浓度升高。而反应生成的HOCl又是一种强氧化剂,当水中存在有机物时它会氧化这些物质,并导致碱度进一步降低、氯离子浓度进一步升高,管网水的化学稳定性也变差,腐蚀性增强。氯胺消毒剂对pH值和碱度的影响则要小得多。用二氧化氯消毒时,由于二氧化氯溶于水,它几乎不与水发生化学反应,故对水pH值的影响很小,

对管网水质化学稳定性的影响相对较小。213　软化和膜工艺当原水中的硬度较高时,可以通过石灰、石灰—苏打、离子交换、RO等工艺去除。石灰软化工艺在降低硬度的同时,碱度也随之降低,但过量的石灰能够使水的pH值增大。美国Florida某水厂原水的pH值为7.4、碱度为301mg/L、钙硬度为100mg/L,经石灰软化处理后pH值为8.9、碱度为52mg/L、钙硬度为13mg/L。离子交换工艺采用食盐水作为再生剂,氯离子的泄漏则会加剧对管网的腐蚀。当自来水厂采用膜工艺时,NOM、碱度、钙离子被大量去除,降低了出厂水的化学稳定性,增强了管网水的腐蚀趋势。与高压RO技术相比,用新兴的低压RO和纳滤膜技术处理后水中残留的碱度和钙离子浓度更高,有助于提高水质的化学稳定性。3

管网水质化学稳定性的控制方法虽然采用更换金属管材、在金属管道内涂水泥砂浆或环氧树脂等技术措施可以在一定程度上解决管网水质化学稳定性的问题,但是衬里材料的脱落又会引起金属管道继续腐蚀。如沙特的AlKhobar

海水淡化水厂的管网材质主要是内涂环氧树脂的钢管,但运行几周内环氧树脂就部分脱落,引起钢管严

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第14期方　伟,等:城市供水管网水质化学稳定性研究进展第22卷重腐蚀[6]。而且城市供水管网系统的改造费用相当巨大,有些路段还不具备施工开挖条件,金属管道在管网中还将长期存在。因此,在水处理工艺流程中进行水质化学稳定性的控制十分必要。国外广泛采用的水质化学稳定性控制方法和措施有调整水的pH值、碱度和硬度,投加缓蚀剂,曝气去除CO2等,而在国内进行水质化学稳定性控制的水厂还不多。311　调整pH值和碱度调整水的pH值、碱度有两种方法:一是投加NaHCO3、Na2CO3、NaOH、石灰等碱性物质,其中后3种常和CO2联用;二是在石灰石或高镁石灰石滤池中过滤。前者需要建设加药装置,常用于大中型水厂;后者由于运行费用低、操作简便,常用于小型水厂。不同碱剂调整pH值、碱度的效果不同。Shock[6]认为当投量为1mg/L时,石灰浆、NaOH(50%溶液)、Na2CO3和NaHCO3可分别提高碱度为1.35、1.25、0.94和0.59mg/L。高华升等[7]在供水管网腐蚀控制小试中,分别投加饱和石灰水以及浓度为10g/L的Na2CO3、NaOH和NH4OH,发现在相同投量下,提高pH值的顺序为NaOH>NH4OH>Na2CO3>饱和石灰水。虽然NaOH提高pH值的效果明显,但其价格相对昂贵、操作安全性差且不易控制。而石灰来源广泛,价格低廉,也易于控制。Na2CO3和NaHCO3的操作要求较宽松,安全性好。312　投加缓蚀剂为避免副作用,很多国家严格控制缓蚀剂的组成和投量,只有无毒且达到食品级的缓蚀剂才能用于饮用水中。目前常用的有磷系、硅系缓蚀剂及它们的混合物。磷系缓蚀剂包括正磷酸盐、聚磷酸盐。正磷酸盐是一种阳极缓蚀剂,只有在水中含有氧气的情况下才有效。常用的正磷酸盐有Na3PO4、NaH2PO4和Na2HPO4,其中Na3PO4最为有效。汪义强等[8]用石灰和Na3PO4解决了南方某大型工业集团居民区供水管网的“红水”问题,取得了良好的效果。聚磷酸盐可与水中的钙、镁、铁等阳离子生成难溶的络合物,在金属管道内壁形成保护膜。但水中钙离子浓度与聚磷酸盐浓度之比至少应为0.2,最好达到0.5[2]。常用的硅酸盐缓蚀剂是水玻璃,采用硅酸盐控制腐蚀时,比较适于低硬度、低碱度和低pH值的水体。硅和磷的混合物也常用于控制给水系统的水质化学稳定性,傅文华等[9]曾介绍了德国GIULIN公司生产的“归丽晶”,它是聚磷酸盐和硅酸盐的混合物,可以有效减缓腐蚀,保护管道,解决由腐蚀引起的“红水”问题。313　曝气去除CO2