高 源
(南寧鐵路局南寧鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部,工程師,廣西 南寧 530001)
管網(wǎng)水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性是指水在輸配過程中,由于各種因素的影響,水中各化學(xué)物質(zhì)之間或者與金屬管道之間發(fā)生化學(xué)變化而引起的穩(wěn)定性改變,主要的化學(xué)變化有氧化、水解和還原等。出廠水水質(zhì)狀況包括合格率和化學(xué)穩(wěn)定性2個方面。
當(dāng)前鐵路給水所的水質(zhì)在出廠時合格率都達(dá)標(biāo)且比較好,而用戶在用水時常反映水質(zhì)存在渾濁、有色、異味等問題。為何在給水所對出廠水的水質(zhì)合格率進(jìn)行監(jiān)測達(dá)標(biāo)的情況下,通過給水管網(wǎng)輸送后就會出現(xiàn)或多或少的水質(zhì)問題,這與在給水管網(wǎng)中發(fā)生的各種化學(xué)變化有關(guān)。若管網(wǎng)水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性差,當(dāng)受水中化學(xué)變化的影響,就會產(chǎn)生腐蝕和結(jié)垢沉淀的機(jī)理,從而造成水質(zhì)腐蝕性傾向的機(jī)率增大,極易對給水水質(zhì)造成不良影響。若不采取有效措施控制管網(wǎng)水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性,嚴(yán)重時將會產(chǎn)生給水的二次污染。
通過對柳州鐵路地區(qū)2009年至2010年出廠水與管網(wǎng)水的水質(zhì)情況進(jìn)行抽查統(tǒng)計,并對一些指標(biāo)變化的比較可知,以地表水或地下水為水源時,其管網(wǎng)水與出廠水相比,濁度、鐵含量都略有增加,而余氯含量略有下降。管網(wǎng)水濁度一般比出廠水高3.3%~15%,管網(wǎng)水的鐵含量一般比出廠水高15.3%~22.5%,管網(wǎng)水的余氯一般比出廠水低37.5%~64%。而原水為地下水的供水管網(wǎng),其濁度和鐵含量的增幅相對更大些。濁度、鐵和其他金屬含量的變化與管網(wǎng)水中的各種化學(xué)變化有直接關(guān)系,并對管網(wǎng)水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性的好壞起決定性的作用。因此,有必要通過對管網(wǎng)水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性影響給水水質(zhì)的原因分析,來提供改善和提高給水水質(zhì)的輔助措施。
1.1 水中的二氧化碳 在所有的天然水中幾乎都含有鈣(鎂)離子,并且水中的重碳酸根離子分解出二氧化碳和碳酸根離子。以鈣離子為例,鈣離子和碳酸根離子化合成碳酸鈣,難溶于水而變?yōu)槌猎纬伤?。管網(wǎng)水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性與水中CaCO3溶解平衡體系有關(guān),而水中CaCO3溶解平衡體系一般是指重碳酸鈣、碳酸鈣和二氧化碳之間的平衡。其化學(xué)反應(yīng)式為
如水中游離二氧化碳含量少時,則發(fā)生碳酸鈣沉淀,當(dāng)水中的CaCO3過飽和時,則傾向于沉淀出CaCO3沉積在管壁上,引起結(jié)垢,稱之為結(jié)垢性的水。此現(xiàn)象以地下水為水源時尤為突出[1]。例如煮水的鍋易結(jié)垢,飲水時有時略帶澀感和水中易產(chǎn)生沉淀物等現(xiàn)象。若水中有過剩的二氧化碳時,即超過平衡量時,則會發(fā)生二氧化碳腐蝕。這時水中CaCO3含量低于飽和值,則傾向于使已沉淀的CaCO3溶解[1]。這種水遇到混凝土管道和構(gòu)筑物就會產(chǎn)生侵蝕作用,在金屬管道中流動時則會溶解管道內(nèi)壁碳酸鈣保護(hù)摸,并同時對金屬管產(chǎn)生腐蝕作用,稱之為腐蝕性的水。結(jié)垢性的水和腐蝕性的水都是化學(xué)不穩(wěn)定性的水,所以既無沉淀CaCO3傾向,也無溶解CaCO3傾向的水,才是化學(xué)穩(wěn)定的水。即水中游離二氧化碳含量高低會造成管道輸送過程中沉淀結(jié)垢或化學(xué)腐蝕,從而影響水質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性,將會對管網(wǎng)水濁度的增大甚至水質(zhì)不達(dá)標(biāo)造成直接影響。
1.2 水的PH值 對于偏堿性水(PH值大于8),且無侵蝕性二氧化碳時,水中首先生成的是氫氧化亞鐵Fe(OH)2,然后被水中溶解氧氧化,生成氫氧化鐵Fe(OH)3,形成鈍化保護(hù)膜,使管壁的腐蝕速度減緩。其化學(xué)反應(yīng)式為
但其中部分脫水形成的鐵銹Fe2O3·nH2O,質(zhì)地疏松,不能起到保護(hù)作用,若以上反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行,鐵銹就會不斷沉積于管內(nèi)表面形成銹垢。
對于偏酸性水(PH值小于6.5),生成的氫氧化亞鐵與二氧化碳作用生成重碳酸亞鐵。其化學(xué)反應(yīng)方程式為
碳酸亞鐵具有可溶性而溶于水中,然后被水中的溶解氧氧化,若水中的二價重碳酸亞鐵被氧化成三價鐵,三價鐵和水中的氫氧根結(jié)合生成不溶于水的氫氧化鐵沉淀并由水中析出,便會使水帶色而出現(xiàn)“有色水”?;瘜W(xué)反應(yīng)方程式為
從以上化學(xué)原理進(jìn)行分析可知,對堿性、酸性和中性的水質(zhì)而言,銹垢的形成只是時間的問題,而水的PH值直接影響著管道腐蝕的速度。受水的PH值影響,因溶解氧(DO)及二氧化碳(CO2)對管壁的腐蝕而出現(xiàn)“有色水”是有可能的(特別是使用年代舊的供水管網(wǎng))[2],近年來,在搶修管路時也可看到老供水鑄鐵管路的內(nèi)壁總有厚厚的銹垢。因此,當(dāng)出廠水的PH值過低則會導(dǎo)致供水管道受腐蝕而出現(xiàn)“有色水”,嚴(yán)重時將使管網(wǎng)水的濁度和鐵含量超標(biāo),威脅著飲用水的衛(wèi)生安全。
1.3 管內(nèi)水流速度 管內(nèi)水流速度的變化對水質(zhì)化學(xué)的不穩(wěn)定性有催化作用。在與水接觸的管內(nèi)壁表面,有一層似乎不流動的薄水層,流速增大,該水層減薄,通過該水層水流中氧的擴(kuò)散,造成氧化;當(dāng)管內(nèi)流速再加快,氧的補(bǔ)給量同時增多,金屬管道的表面由于氧過剩,就趨于鈍化,反而使腐蝕減小[2]。若流速繼續(xù)增大,劇烈的紊流就會導(dǎo)致氣蝕現(xiàn)象,因機(jī)械作用使金屬管道的表面產(chǎn)生空隙腐蝕。因此,在配水管網(wǎng)末端的小口徑管道,由于管內(nèi)流速較小,甚至有時不流動,使水中氧氣難以補(bǔ)充,故銹蝕較嚴(yán)重,特別是在流量偏低或當(dāng)水呈滯流狀態(tài)時,鐵銹易沉積,這時就會造成局部時間的“有色水”現(xiàn)象。相反,輸水干管通常流速較大,氧不斷由水帶入,由于氧過剩則管內(nèi)壁趨于鈍態(tài),腐蝕的速度這時就會放慢,即使發(fā)生腐蝕,也往往因較大的管內(nèi)流速使銹垢剝離,故發(fā)生銹垢沉積的機(jī)率將有效減少。因此,合理的管內(nèi)水流速度是保證水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性的重要因素之一。
1.4 水中有機(jī)物及鐵細(xì)菌 若管網(wǎng)水中氯的含量下降或達(dá)不到余氯的標(biāo)準(zhǔn),水中就會產(chǎn)生有機(jī)物及鐵細(xì)菌的繁殖。鐵細(xì)菌是一種特殊營養(yǎng)菌類。鐵細(xì)菌附著在管內(nèi)壁上,在生存過程中能吸收亞鐵離子,在鐵細(xì)菌表面通過化學(xué)變化生成和排出氧化后的產(chǎn)物(三價鐵的氫氧化合物)為棕色粘泥,形成凸起物,并且沿著管內(nèi)壁四周生長,此現(xiàn)象為金屬管材最具代表性。其結(jié)垢層的厚度和供水管道輸配水的年數(shù)有關(guān),隨著時間延續(xù)和不斷進(jìn)行的化學(xué)變化,金屬管內(nèi)壁就會腐蝕結(jié)垢和沉積(含有大量的鐵、鉛、鋅和各種細(xì)菌及藻類),出現(xiàn)鐵、錳、色度、濁度和細(xì)菌等水質(zhì)指標(biāo)值的大幅度上升。同時造成供水管道有效截面積縮小,并直接影響供水管道的輸配水能力甚至堵塞[2]。有研究表明,對于未作防腐處理的金屬管道,使用年限超過5~10年時,由于水中有機(jī)物及鐵細(xì)菌腐蝕產(chǎn)生的污垢,就已達(dá)到了惡化水質(zhì)的程度。對于防腐處理較差的金屬管道,3~5年就開始出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象,金屬管道使用年限越長,腐蝕越嚴(yán)重,水質(zhì)狀況也就越差[3]。這種現(xiàn)象在給水管網(wǎng)的日常維修過程中可??吹?。
水中有機(jī)物及鐵細(xì)菌腐蝕產(chǎn)生的結(jié)垢層同時又是水中各類細(xì)菌孽生的場所,會形成“生物膜”。當(dāng)這些“生物膜”使水中鐵的含量超過3 mg/L時,是造成“有色水”的主要原因,并直接威脅著飲用水的衛(wèi)生安全[3]。另外,給水管網(wǎng)中的消火栓、閥門、水表、管件由于長期浸泡在水中,質(zhì)量差的就容易在水中產(chǎn)生化學(xué)腐蝕,使水中的鐵、錳、色度、濁度和細(xì)菌等水質(zhì)指標(biāo)值大幅度上升,給水質(zhì)造成了不同程度的污染。若水中有機(jī)物及鐵細(xì)菌繁殖造成水質(zhì)化學(xué)的不穩(wěn)定性得不到控制,將會造成管網(wǎng)水濁度的增大甚至水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的嚴(yán)重影響。
1.5 水中無機(jī)懸浮物 未經(jīng)凈化處理直接向管網(wǎng)輸送的地下水或凈水工藝不完善向管網(wǎng)輸送的地表水,往往容易把粉砂、細(xì)砂帶入管網(wǎng)中,這就形成了水中無機(jī)懸浮物。但當(dāng)出廠水濁度長期保持在0.5~1.0NTU時,這樣的沉淀應(yīng)該是微弱的。水中無機(jī)懸浮物的沉淀是形成沉渣最簡單的過程,盡管多數(shù)給水管道所輸送的水中無機(jī)懸浮物含量很少,但仍然有沉淀物形成。在用水低峰時,由于配水管道的水流流速較小,甚至停留,這就為水中微粒的自然沉降創(chuàng)造了條件,由于水中無機(jī)懸浮物也具有集聚粘附的性能,很容易在供水管道內(nèi)進(jìn)行沉淀。隨著時間的延續(xù),水中無機(jī)懸浮物的存在,加大了給水管道輸送過程中結(jié)垢或腐蝕的機(jī)率,也是造成管網(wǎng)水濁度變化和水中各種化學(xué)變化的不利因素[1]。
當(dāng)前,用戶對水質(zhì)的要求越來越高,雖然出廠水的各項指標(biāo)都能達(dá)到國家水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),但出廠水經(jīng)輸配管網(wǎng)送至用戶的用水設(shè)備前,常常會受到二次污染,造成到戶水質(zhì)的變壞。通過對影響給水水質(zhì)的原因分析得知,當(dāng)水中游離二氧化碳及氧的含量不穩(wěn)定、水中PH值小于6.5、管道為金屬管,水中有有機(jī)物及鐵細(xì)菌,或水中有無機(jī)懸浮物時,將導(dǎo)致給水濁度、色度、鐵等其他金屬含量的指標(biāo)上升,均會對管網(wǎng)水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性造成影響。
若管網(wǎng)水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性差,將導(dǎo)致水中其它微生物的生長繁殖,從而造成管網(wǎng)中的生物性污染。這時管網(wǎng)水由化學(xué)性和物理性變化造成的給水污染,可發(fā)展轉(zhuǎn)化為生物性變化的給水污染,如此循環(huán)將使給水水質(zhì)日趨下降甚至不達(dá)標(biāo)。為此要采取措施控制好管網(wǎng)水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性,以提高給水水質(zhì)。
2.1 曝氣去除CO2當(dāng)水中CO2濃度很高時,采用曝氣的方法可以去除CO2,結(jié)合傳統(tǒng)的除鐵、除錳工藝,曝氣的主要目的是向水中充氧,使[H2CO3]/[HCO-3]的比值降低,從而使水體的PH值升高,并充分散除水中的CO2[4]。實驗表明,曝氣若能去除60%的CO2時,可使水的PH值升高20%~30%,從而使管網(wǎng)的管道腐蝕得到有效控制。曝氣形式可選擇噴淋式曝氣和跌水曝氣,其形式簡單、節(jié)省能耗。在噴淋曝氣或跌水曝氣中,曝氣高度在0.5~1.0 m范圍內(nèi),原水的DO就能達(dá)到4~5mg/L,同時也可以滿足生物除鐵除錳過濾濾層的要求。跌水曝氣適用于大中型水廠(如:柳州鐵路第一給水所宜采用該方法),噴淋曝氣則較多應(yīng)用于中小型水廠。
2.2 控制出廠水PH在8.0~8.5之間 管網(wǎng)水具有腐蝕性源于出廠水的化學(xué)穩(wěn)定性差,在各給水所出水中適量投加堿劑(NaOH),投加NaOH雖然會影響出廠水的濁度,但適量投加NaOH效果會更好,并保持出廠水的PH值到7.5以上。通過投加堿劑控制出廠水化學(xué)穩(wěn)定性的試驗表明,控制出廠水PH值在8.0~8.5之間,可使出廠水的化學(xué)穩(wěn)定性接近穩(wěn)定[1],鐵細(xì)菌的生長可基本抑制,延緩了生物膜的發(fā)育,生成鈍化膜,不利于細(xì)菌的孽生,從而降低管網(wǎng)水對管網(wǎng)的腐蝕作用。堿劑堿性的大小依次為 NaOH>Ca(OH)2>Na2CO3>NaHCO3。以柳州鐵路水廠的原水為例,在凈水前加堿劑以投加Ca(OH)2為宜,投加時間點在投加混凝劑后的1 m in左右為宜,投加量為3~5 mg/L;凈水后加堿劑宜采用NaOH,投加點選在濾后,投加量為2~3mg/L,如此可使出廠水的PH值控制在8.0~8.5之間。凈水前加堿劑Ca(OH)2比凈水后加堿劑成本更低。實踐證明,投加Ca(OH)2和NaOH控制出廠水PH值在8.0~8.5之間,可有效解決管網(wǎng)大面積的“有色水”問題。另外,對化學(xué)穩(wěn)定性差的出廠水,還需在供水管道(特別是金屬管)內(nèi)做好防腐蝕的措施的同時,也要調(diào)整好出廠水的PH值。投加堿劑應(yīng)以出廠水的濁度、色度符合國家飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)及PH值的適用范圍進(jìn)行嚴(yán)格控制。
2.3 控制管內(nèi)水流速度 在整個供水管網(wǎng)中,由于有些管段的輸配水能力超越實際需要太多,致使配水管道中流速過低,此時的供水管網(wǎng)就會形成出廠水的“沉淀池”,容易導(dǎo)致供水管網(wǎng)的水質(zhì)受到影響。對此,可通過閥門的啟閉調(diào)控,使部分流速偏低的管段,周期性增大流速,從而減少供水管網(wǎng)中沉淀物的形成。另外,出廠水在供水管網(wǎng)內(nèi)停留時間越長,則水體自身及水體與管道接觸面之間越可能發(fā)生各種化學(xué)反應(yīng),逐漸造成水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性差,從而影響給水水質(zhì)。
造成管網(wǎng)水停留時間過長的原因,主要是部分大口徑管道流速較低[1]。因此,應(yīng)盡可能地將枝狀供水管路進(jìn)行連通改造,使其形成環(huán)狀布置,并做好統(tǒng)一優(yōu)化整個供水管網(wǎng)水量和水壓的動態(tài)平衡的工作。同時也要避免管網(wǎng)水流速過大對供水管道造成撞擊和沖刷,盡可能合理控制管網(wǎng)水的管內(nèi)停留時間和保證管網(wǎng)水的合理流速。通過定期開展供水管道的測流、測壓,摸清供水管道的實際運(yùn)行情況,為供水管網(wǎng)改造提供技術(shù)依據(jù)。對嚴(yán)重不滿足輸配水要求的應(yīng)優(yōu)先改造。
2.4 管材及其附屬設(shè)備的選用和防腐 水中有機(jī)物及鐵細(xì)菌除了受出廠水水質(zhì)影響外,主要與輸配水管道的材質(zhì)、使用年限和施工質(zhì)量等因素有關(guān)[3]。目前鐵路水廠常用的輸配水管材有鑄鐵管、鋼管、球墨鑄鐵管、給水塑料管(UPVC管、PE管)和水泥管等。雖然建設(shè)部已禁止使用鑄鐵管,但是鑄鐵管目前在已鋪設(shè)的管道中仍占相當(dāng)大的比例,且相當(dāng)一部分未做內(nèi)防腐。因此,要借著舊城改造的契機(jī)加快舊管網(wǎng)改造步伐。在有條件開挖的地區(qū),可廢除舊管敷設(shè)性能優(yōu)良的管材和管網(wǎng)設(shè)備,新安裝和維修更換的給水管道,應(yīng)選用球墨鑄鐵管及塑料管等耐腐蝕、水力條件好的管材。在無條件開挖的地區(qū),可采用免開挖修復(fù)技術(shù)。免開挖修復(fù)技術(shù)方法較多,其中復(fù)合材料軟管翻轉(zhuǎn)法和異徑HDPE管穿插法,進(jìn)行修復(fù)舊管道的技術(shù)較為適用。對金屬管道而言,在內(nèi)表面噴涂衛(wèi)生級的不飽和聚酯樹脂也是較好的辦法,既可減緩管材(水泥、金屬)有害成分的析出,又可減少管網(wǎng)水與各管材(水泥、金屬)之間發(fā)生化學(xué)變化而引起水質(zhì)穩(wěn)定性發(fā)生改變的機(jī)率,在延長供水管道的使用壽命同時,對管網(wǎng)輸送水的水質(zhì)起到保證作用。另外,對管網(wǎng)閥門的防腐要求在其內(nèi)腔,一律采用環(huán)氧混合粉末涂裝,涂裝前均必須作除油、噴砂處理。當(dāng)大批量選用一類管材或防腐材料時,應(yīng)委托水質(zhì)監(jiān)測中心作浸泡水后的水質(zhì)分析,對多次檢測仍有某些元素含量超標(biāo)的管材及防腐材料,不宜選用。
2.5 周期進(jìn)行管網(wǎng)沖洗 出廠水雖經(jīng)過凈化處理,但不一定是純凈的水,它仍含有某些無機(jī)物、有機(jī)物及微生物。無論何種材質(zhì)的管道,水在管網(wǎng)的流動過程中都會出現(xiàn)管道結(jié)垢的情況。因此,應(yīng)根據(jù)使用情況對管網(wǎng)進(jìn)行周期沖洗,以清除水中懸浮物和沉淀物。管網(wǎng)沖洗主要是利用消防栓和排污閥,消防栓一般有5~10 m左右的管段水為不流動的“死水”。為此必須定期排放消防栓內(nèi)的水,一般每半年對消防栓必須進(jìn)行排放一次,并視情況制訂臨時排放措施。對管網(wǎng)末梢、居民集中的小區(qū)及用戶投訴水質(zhì)較差的地區(qū),還要增設(shè)排污閥,并對管網(wǎng)進(jìn)行單向沖洗,即沖洗時把一端閥門關(guān)閉,使單向來水,然后再關(guān)閉另一端閥門,沖洗另一段管段。因維修管道停水造成的水質(zhì)污染,應(yīng)視情況修好之后給予適當(dāng)沖洗消毒;對于新敷設(shè)的管道在并網(wǎng)之前,必須經(jīng)過認(rèn)真地沖洗消毒。當(dāng)然,對于供水管道內(nèi)襯符合要求,管內(nèi)流速能周期性大于自凈流速的管段,原則上不需要定期沖排。但對于管內(nèi)流速長期偏低的管段,特別是枝狀布置的末端管段,定期沖排是十分必要的。通過對管網(wǎng)的周期清洗,可減少因水中無機(jī)懸浮物化學(xué)變化而引起水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性發(fā)生改變的有害化學(xué)成分[1]。
本文通過分析管網(wǎng)水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性影響給水水質(zhì)的原因,提出改善和控制管網(wǎng)水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性的措施,為鐵路給水部門今后在給水管道施工如何規(guī)范,管網(wǎng)布置如何優(yōu)化,管網(wǎng)運(yùn)行如何管理,管網(wǎng)材質(zhì)如何選用等提供參考。
改善或提高管網(wǎng)水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性的措施,歸結(jié)起來主要有:一是建立符合各地區(qū)實際的水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性控制標(biāo)準(zhǔn);二是在生活飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中,對水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性提出指導(dǎo)性的要求;三是改進(jìn)、改良堿劑投加的工藝;四是要對管材及其附屬設(shè)備的選用及防腐進(jìn)行評價,不宜選用檢測超標(biāo)的管材及防腐材料。
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