呂東曉,張克峰,*,宋武昌,賈瑞寶,張亞光,宋寧寧
(1. 山東建筑大學(xué)市政與環(huán)境工程學(xué)院,山東濟(jì)南 250101; 2. 山東省城市供排水水質(zhì)監(jiān)測(cè)中心,山東濟(jì)南 250021; 3. 同圓設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司,山東濟(jì)南 250101;4. 濟(jì)寧中山公用水務(wù)有限公司,山東濟(jì)寧 272000)
新舊水源水質(zhì)化學(xué)成分存在較大差異,不同性質(zhì)的水源進(jìn)入管網(wǎng)后破壞了管網(wǎng)內(nèi)原有的化學(xué)穩(wěn)定性,使水源水在管網(wǎng)內(nèi)和管垢層相互作用,出水水質(zhì)逐漸變差,相應(yīng)的水質(zhì)指標(biāo)顯著升高,產(chǎn)生異臭味等問題[1-6]。問題嚴(yán)重時(shí),會(huì)引發(fā)大量鐵離子釋放到水體中,進(jìn)而引發(fā)“黃水”現(xiàn)象,使用戶端水質(zhì)不達(dá)標(biāo),危害人體的健康[7-8]。
現(xiàn)階段,濟(jì)寧市城市供水水源全部為當(dāng)?shù)氐叵滤?021年,濟(jì)寧市將建成以南水北調(diào)東線水為水源的地表水廠。工程實(shí)現(xiàn)通水后,濟(jì)寧市將面臨當(dāng)?shù)氐叵滤湍纤闭{(diào)水為供水水源的多水源供水模式。為了控制管網(wǎng)穩(wěn)定運(yùn)行,實(shí)現(xiàn)濟(jì)寧市多水源安全供水,在濟(jì)寧市北湖污水處理廠構(gòu)建中試管網(wǎng)系統(tǒng),探討濟(jì)寧市新舊水源切換對(duì)供水管網(wǎng)的鐵釋放影響。
試驗(yàn)所用水源為當(dāng)?shù)氐叵滤湍纤闭{(diào)水,具體水質(zhì)如表1所示。
表1 試驗(yàn)用水水質(zhì)Tab.1 Water Quality for Experiment
中試管網(wǎng)裝置的結(jié)構(gòu)包括8根管徑為100 mm的鑄鐵管、離心泵、計(jì)量泵、進(jìn)水閥和儲(chǔ)水箱等(圖1)。鑄鐵管截取自濟(jì)寧市當(dāng)?shù)鼐用裆顓^(qū)域,管齡為10年以上。每套管網(wǎng)配1臺(tái)離心泵和1臺(tái)計(jì)量泵,規(guī)格型號(hào)為Q=25 m3/h與Q=1.5 m3/h,分別模擬白天城市管網(wǎng)和夜間管網(wǎng)運(yùn)行所需要的流量。管網(wǎng)系統(tǒng)安裝了2個(gè)進(jìn)水閥,主要用于進(jìn)行不同水源水質(zhì)的切換。水源自儲(chǔ)水箱流出,經(jīng)管網(wǎng)運(yùn)行后流回水箱,每套管網(wǎng)設(shè)置7個(gè)取樣口,確保樣本的隨機(jī)性。
圖1 中試管網(wǎng)裝置圖Fig.1 Diagram of Pipelines Network of Pilot Test Installation
試驗(yàn)過程中,對(duì)管網(wǎng)水源的各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)進(jìn)行連續(xù)檢測(cè),具體采用《生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)方法》(GB/T 5750—2006) 的檢測(cè)方法,如表2所示。
表2 檢測(cè)指標(biāo)與檢測(cè)方法Tab.2 Indexes and Testing Methods
試驗(yàn)共分3個(gè)階段開展。
第一階段是管網(wǎng)穩(wěn)定性調(diào)節(jié)階段,此階段持續(xù)6 d。試驗(yàn)前,利用濟(jì)寧市當(dāng)?shù)厮赐ㄈ牍芫W(wǎng),維持管網(wǎng)的原始化學(xué)平衡,使出水中的總鐵濃度穩(wěn)定。運(yùn)行方式為調(diào)整離心泵使管網(wǎng)進(jìn)水流速為16 m3/h模擬白天城市管網(wǎng)運(yùn)行16 h,調(diào)整流速為1.2 m3/h模擬夜間管網(wǎng)運(yùn)行8 h,每天定時(shí)取樣進(jìn)行水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定。管網(wǎng)系統(tǒng)每運(yùn)行完1 d,更換管網(wǎng)內(nèi)的水源。
第二階段是水源切換調(diào)節(jié)階段,此階段持續(xù)10 d。將管網(wǎng)內(nèi)的水源切換為處理后的南水北調(diào)水,運(yùn)行方式同第一階段。
Langelier飽和指數(shù)可以有效預(yù)測(cè)水體中碳酸鈣溶解性情況,判斷水質(zhì)的腐蝕和結(jié)垢傾向[9],如式(1)。
LSI=pH-pHs
(1)
其中:LSI——Langelier飽和指數(shù);
pH——實(shí)際測(cè)量的pH;
pHs——CaCO3達(dá)到溶解飽和平衡時(shí)的pH。
LSI的判定標(biāo)準(zhǔn)為:當(dāng)LSI<0時(shí),水中CaCO3未飽和,有腐蝕趨勢(shì);當(dāng)LSI=0時(shí),水中CaCO3處于平衡狀態(tài);當(dāng)LSI>0時(shí),水中CaCO3過飽和,有CaCO3沉積趨勢(shì)。
pHs的計(jì)算與水的堿度、鈣硬度、pH、溫度等參數(shù)有關(guān),需要綜合考慮多種因素的影響。因此,并不能把LSI作為水的結(jié)垢和腐蝕的唯一標(biāo)準(zhǔn)。
Ryznar穩(wěn)定指數(shù)(RSI)是在Langelier飽和指數(shù)基礎(chǔ)上提出來的,用來判別水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性情況[10],如式(2)。
RSI=2pHs-pH
(2)
其中,pHs與飽和指數(shù)中的相同,RSI判定方法如表3所示。
表3 Ryznar穩(wěn)定指數(shù)的判定方法Tab.3 Judgment Method of Ryznar Stability Index
由于RSI 也是通過pHs計(jì)算得出,同樣存在局限性,通常將Langelier飽和指數(shù)和RSI 聯(lián)合使用。
(3)
其中:LR——Larson指數(shù);
[Cl-]——Cl-摩爾濃度,mol/L;
LR通常的判定標(biāo)準(zhǔn)為:當(dāng)LR<0.2時(shí),水質(zhì)穩(wěn)定,鐵制管材基本無腐蝕;當(dāng)0.2
由于LR計(jì)算方便,評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際水體情況基本一致,在判定水質(zhì)穩(wěn)定性中使用率較高。3種水質(zhì)穩(wěn)定性分析方法的結(jié)果如表4所示。
表4 3種水質(zhì)穩(wěn)定性分析方法的結(jié)果比較Tab.4 Comparison of Results of Three Water Quality Stability Analysis Methods
圖2 水源切換下對(duì)應(yīng)的出水鐵釋放量和渾濁度Fig.2 Corresponding Outflow Iron Release and Turbidity after Water Source Switchover
由圖3可知,水源切換初期,管網(wǎng)水的pH值、溶解氧和堿度逐漸降低,運(yùn)行至第3 d時(shí)均達(dá)到最小值,分別為7.37、4.71 mg/L和263 mg/L CaCO3。縱觀管網(wǎng)整個(gè)運(yùn)作階段,3個(gè)參數(shù)縱向波動(dòng)趨勢(shì)明顯,管網(wǎng)漸漸適應(yīng)新水源導(dǎo)致的環(huán)境變化,水質(zhì)參數(shù)縱向波動(dòng)趨勢(shì)也隨之降低,并最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。3個(gè)水質(zhì)參數(shù)在第8 d時(shí)達(dá)到峰值,出水pH值約為7.60、溶解氧約為5.9 mg/L、堿度約為275 mg/L CaCO3。
圖3 水源切換下對(duì)應(yīng)的(a)出水pH值、溶解氧和(b)堿度Fig.3 Corresponding (a) Outflow pH Value, Dissolved Oxygen and (b) Alkalinity after Water Source Switchover
水源切換后,水質(zhì)化學(xué)成分的改變導(dǎo)致管網(wǎng)無法迅速適應(yīng)新的水質(zhì)環(huán)境,管道內(nèi)壁與新水源之間相互作用,引起管壁的鐵向管網(wǎng)水中釋放。鐵與水中其他雜質(zhì)形成電位差,發(fā)生電化學(xué)腐蝕,在陽極區(qū),鐵被還原為Fe2+而被腐蝕,南水北調(diào)水為弱堿性水體,F(xiàn)e2+與其中的OH-結(jié)合生成Fe(OH)2,水中存在的溶解氧進(jìn)一步將Fe(OH)2氧化為Fe(OH)3、FeO(OH)或Fe3O4,最終形成鐵銹。管網(wǎng)水中OH-不斷被消耗,因此,初期階段水體的pH和堿度不斷降低。持續(xù)進(jìn)行的氧化反應(yīng)需要大量溶解氧的支持,使其在管網(wǎng)水中的含量也不斷下降[13]。隨著管網(wǎng)逐漸適應(yīng)這種水質(zhì)變化,在內(nèi)部表面形成鈍化保護(hù)層,鐵釋放速率減緩,pH、溶解氧和堿度輕微升高并逐漸穩(wěn)定。
表5 試驗(yàn)管網(wǎng)進(jìn)水水質(zhì)Tab.5 Inflow Water Quality of Tested Pipelines Network
圖濃度變化對(duì)出水水質(zhì)總鐵(a)和渾濁度(b)的影響Fig.4 Influence of Concentration Change on Total Iron (a) and Turbidity (b) of Outflow Water Quality
2.4.2 Cl-
利用濟(jì)寧市地下水和氯化鈉進(jìn)行配水,控制其他指標(biāo)恒定的情況下,探究了水源水中Cl-約為50、100、150、200 mg/L時(shí),經(jīng)管網(wǎng)運(yùn)行后出水中總鐵和渾濁度的變化情況。試驗(yàn)配水水質(zhì)如表6所示。
表6 試驗(yàn)管網(wǎng)進(jìn)水水質(zhì)Tab.6 Inflow Water Quality of Tested Pipelines Network
試驗(yàn)運(yùn)行過程中監(jiān)測(cè)了Cl-濃度對(duì)中試管網(wǎng)出水水質(zhì)的影響,以出水總鐵和渾濁度進(jìn)行主要分析(圖5)。
圖5 Cl-濃度變化對(duì)出水水質(zhì)總鐵(a)和渾濁度(b)的影響Fig.5 Influence of Cl- Concentration Change on Total Iron (a) and Turbidity (b) of Outflow Water Quality
隨著管網(wǎng)水體中Cl-濃度的不斷升高,水質(zhì)發(fā)生很大變化,管網(wǎng)短期內(nèi)難以適應(yīng)水源環(huán)境,此時(shí)的水體很容易致使管網(wǎng)腐蝕。究其原因是Cl-的極性和穿透性都很強(qiáng),損壞管網(wǎng)的鈍化層,F(xiàn)e2+被釋放到水體中。此外,Cl-濃度的升高也促進(jìn)了水體的導(dǎo)電性,此時(shí)的管網(wǎng)內(nèi)極易發(fā)生電化學(xué)腐蝕,加快管網(wǎng)鐵的腐蝕進(jìn)度,導(dǎo)致出水總鐵濃度升高[15]。
(1)南水北調(diào)水水質(zhì)較濟(jì)寧市地下水差,水源切換后,管網(wǎng)出水總鐵濃度和渾濁度先升高后降低,出水pH、溶解氧、堿度先降低后升高,最終出水水質(zhì)未滿足《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定的限值。
(3)Cl-濃度的增加會(huì)顯著加快管網(wǎng)鐵腐蝕進(jìn)程,有效地控制Cl-在低濃度狀態(tài)可降低出水總鐵濃度和渾濁度。
針對(duì)水源切換引起的管網(wǎng)鐵釋放問題,可采取以下措施。
(1)及時(shí)更換受損嚴(yán)重的老舊管段,采用新型供水管材進(jìn)行供水,并定期清洗管網(wǎng),保證管道配水能力。
(2)對(duì)管網(wǎng)內(nèi)部進(jìn)行涂襯,形成保護(hù)層,延緩管網(wǎng)的腐蝕。
(3)投加緩蝕劑減緩管網(wǎng)的鐵釋放速率。