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。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)原水

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

1.2 試驗(yàn)裝置

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

1.3 水質(zhì)指標(biāo)及檢測(cè)方法

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

1.4 試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行操作

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。

2 結(jié)果與分析

2.1 水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性分析

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)0.21.0時(shí)，會(huì)嚴(yán)重腐蝕。

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

2.2 水源切換對(duì)管網(wǎng)出水總鐵和渾濁度的影響

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

2.3 水源切換對(duì)其他水質(zhì)指標(biāo)的影響

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]。

3 結(jié)論

(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。