多水源供水管网中铁释放规律.pdf

第 8 卷第 3 期环 境 工 程 学 报Vol 8，No 32 0 1 4 年 3 月Chinese Journal of Environmental EngineeringMar 2 0 1 4多水源供水管网中铁释放规律黄廷林1戴雪峰1*王旭冕1尚修竹1韩宏大2何文杰2(1 西安建筑科技大学环境与市政工程学院，西安 710055;2 天津市自来水集团有限公司，天津 300040)摘要针对水源切换而引起的水质超标现象，开展了多水源联合供水条件下管网中铁释放规律的研究。分析了北方某城市 2 种水源(滦河水和长江水)的水质特点，利用实验模拟反应器分别研究了水源完全置换和供水分界线处水源混合区域的铁释放规律。结果表明，多水源供水管网的铁释放速率与水源水质密切相关，特别是水中含高浓度 SO2 4和氯化物时会加快铁的释放。不同水源之间的频繁切换会破坏管垢表面的钝化层，使铁释放速率迅速变化，随后会有所缓解，但新的平衡的形成需要较长时间。供水分界线处的水源混合区域，由于水质的不断变化造成管垢表面很难形成稳定的钝化层，铁释放速率持续偏高，只有当长江水所占比例高达 75%以上时才能得到抑制。关键词多水源水源切换供水分界线铁释放供水管网中图分类号TU991文献标识码A文章编号1673-9108(2014)03-0834-05Law of iron release in water supply networkwith multiple water resourcesHuang Tinglin1Dai Xuefeng1Wang Xumian1Shang Xiuzhu1Han Hongda2He Wenjie2(1 School of Environmental and Municipal Engineering，Xi an University of Architecture and Technology，Xi an 710055，China;2 Tianjin Waterworks Group Co.Ltd.，Tianjin 300040，China)AbstractThe phenomenon that water quality does not reach the standard always occur after the watersource is switched，the research of the iron release law in water supply network with multiple water resources wascarried out.Water quality characteristics of both water resources(the Luan iver water and the Yangtze iverwater)of a northern city were analyzed，and iron release in the zone of water completely replacement and watersupply dividing line were researched respectively by the experimental reactor.The result shows that the iron re-lease rate is closely related to the water quality.Especially when the water contains high concentration of SO2 4and chloride，the iron release rate will speed up.The frequent switching between the different water resourceswill destroy the passivation layer on the surface of the pipe scale，the iron release rate will rapidly change，andthen will be eased，but it requires a longer time to the formation of a new equilibrium.To the mixed water in di-viding line，it is difficult to form the stable passivation layer because of the water quality changes constantly，thecontinued high rate of iron release occurs.It can be suppressed only when the proportion of the Yangtze iverwater is as high as 75%or more.Key wordsmultiple water resources;water source switching;water supply dividing line;iron release;water supply network基金项目:国家自然科学基金资助项目(50978213);天津市科技支撑计划项目(11ZCKFSF01700)收稿日期:2013 02 24;修订日期:2013 04 01作者简介:黄廷林(1963 )，男，教授，博士生导师，主要从事水处理及水资源保护研究。E-mail:huangtinglin *通讯联系人，E-mail:城市饮用水安全是保障城市安全、居民生活稳定的关键环节之一。目前，国内各水厂所采用的处理技术和工艺一般均能保证出厂水水质达到甚至超过现行国家标准，然而水体的长距离输送的过程中，由于一系列物理、化学及生物作用，水体水质出现恶化，严重影响居民使用。其中一个重要的原因就是铁的释放1-3。铁的释放现象是由管垢向水体中释放铁，造成管网水中铁、浊度、色度等指标严重超标。同时，铁释放现象的发生会破坏管垢结构，加剧铁质管材的腐蚀，严重时就会出现“黄水”现象，严重影响供水水质安全4-9。引起铁质管材的腐蚀和铁释放的原因较多，但由于水源的更换而引起的“黄水”问题频频出现。第 3 期黄廷林等:多水源供水管网中铁释放规律研究特别是近年来各大城市为弥补现有水源不足，纷纷施行了调水工程，形成了多水源联合供水的格局。为综合利用各种水源，不同水源之间的频繁切换与联合供给是不可避免的，如何保障水源切换过程中的供水安全是亟需解决的问题。因此，研究多水源联合供水条件下管网铁的释放规律具有十分重要的现实意义。1材料和方法1 1实验装置设计和制作了图 1 所示的实验装置。实验管段取自北方某城市的小区干管，为 DN100 的无衬铸铁管，使用年限约 20 年。截取长度为 20 cm 的管段，并用环氧树脂涂抹其外壁和切口。装置密闭运行并进行遮光。实验用水采用滦河水和长江水 2 种水源，分别为该市实际应用水源和预期置换水源。2种水源经常规工艺处理后出厂水质见表 1。实验过程分为 2 个阶段:第 1 阶段模拟完全切换过程，先进滦河水，运行稳定后置换为长江水，再置换为滦河水;第 2 阶段模拟供水分界线上铁释放，分别将 2 种水源按不同配比混合后进入系统。每次进水均连续搅拌运行 24 h，每隔 4 h 取样，每天更换新水。1 2检测指标和方法每次取样后均检测 DO、pH、温度、电导率、TDS、总 Fe、余氯、浊度、SO2 4、硬度、碱度、氯化物等指标。其中，DO 采用 HACH HQ 系列溶氧仪测定;pH、温度、电导率、TDS 均采用 HACH sension 系列便携仪器测定;余氯采用 HACH 便携余氯仪测定;浊度采用 HACH 2100N 型浊度仪测定;SO2 4采用离子色谱法测定;硬度、碱度、氯化物均采用滴定法测定，详细检测步骤可参考生活饮用水标准检验方法(GB/T5750-2006)10。图 1实验装置示意图Fig 1Sketch map of the experimental facility2结果和分析2 1完全切换条件下铁释放规律实验系统首先注入滦河水，连续运行若干天待出水铁浓度稳定后，切换注入长江水，在相同条件下连续运行若干天，待出水铁浓度稳定后，再次切换注入滦河水，连续监测出水铁浓度，结果如图 2 图 4所示。从图 2 可以看出，滦河水条件下实验管段铁释放速率较大，系统稳定条件下 24 h 后出水 Fe 浓度均大于 0.4 mg/L。查阅实际供水管网中水力停留时间近似 24 h 区域的监测数据，发现与实验结果接近，故可排除系统初始状态的影响。利用 L=2 SO2 4+Cl HCO3计算滦河水的拉森指数(Larsonratio)，发现 L 2.011-15。可见滦河水具有较强的腐蚀性，高浓度的SO2 4和氯化物增加了水体的电表 12 种水源出厂水质指标Table 1Water quality index of two water resources out of the factory水 源DO(mg/L)pHT()电导率(S/cm)TDS(mg/L)Fe(mg/L)滦河水12.65 13.517.05 7.515.7 8.2376 391289 3010.021 0.046长江水9.47 9.897.64 7.9110.2 13.0193.4 206129.2 130.10水 源余氯(mg/L)浊度(NTU)SO2 4(mg/L)硬度(以 CaCO3计)(mg/L)总碱度(以 HCO3)(mg/L)氯化物(mg/L)滦河水1.35 1.660.146 0.191111.39 119.53224.04 229.89129.3 131.7649.01 51.49长江水1.07 1.340.126 0.17324.97 27.72111.05 116.89112.06 116.986.44 7.92538环境工程学报第 8 卷导率(电导率 370 S/cm)，加快了离子和电子迁移转化速率，使得电化学腐蚀速率大大增加，加快了铁的释放速率。同时，有研究表明，SO2 4和氯化物能够与管垢表面的 FeOOH 发生反应，生成溶解度较高的(FeO)2SO4和 FeOCl，从 而 促 进 了 铁 的释放16，17。将进水切换为长江水后，出水 Fe 浓度显著降低，均小于 0.25 mg/L，出水水质得到明显改善。分析长江水水质，可以发现其拉森指数 L 0.6，可见长江水腐蚀性较小。同时其 SO2 4和氯化物浓度均明显小于滦河水，电导率也大大降低(电导率 210S/cm)，从而对管垢中的铁释放起到了明显的抑制作用，降低了铁的释放速率。再次将进水切换回滦河水后，出水 Fe 浓度再次显著增加，从 0.12 mg/L 迅速增加到 0.22 mg/L。可见水源水质的变化使得管垢表面已形成的平衡再次被打破，加速了管垢表面三价铁转化为二价铁速率。分析总体变化过程，可以看出水源的每次切换都会引起铁释放速率的剧烈变化。第 1 次切换由滦河水变为长江水后，出水 Fe 浓度显著降低，随后几日出水 Fe 浓度呈持续下降的趋势。第 2 次切换由长江水变为滦河水后，出水 Fe 浓度显著升高，随后出现下降趋势，最后保持稳定。值得注意的是，再次切换滦河水后虽然水质相差不大，但出水 Fe 浓度与初始时相差很大，铁释放速率明显偏小。笔者分析后认为，主要有 2 方面原因，一是这一时期滦河水水质有所改善(碱度由 124 mg/L 升高到 143 mg/L，氯化物由 51 mg/L 减低到 47 mg/L，SO2 4由 120 mg/L降低到 110 mg/L)，碱度升高，拉森指数减小(由2.35 减小到1.86)，水的腐蚀性有所降低;另一方面是由于前期在长江水条件下管垢表面形成了更为致密的氧化层，能够在一定程度上抵御水质变化的冲击，因此在水源切换后铁浓度连续 2 d 上升，随后才开始降低并趋于稳定。从图 3 和图 4 中可以看出，水源水质的变化均引起铁释放速率的变化，这一现象是伴随水质改变立刻发生的，均在切换后几日逐渐减小，4 d 后趋于稳定。可见，由于水质变化会导致管垢表层特性的迅速破坏，引起铁释放速率的变化。在新的水质条件下，新的平衡会逐渐形成，铁的释放速率逐渐减小，但这一过程需要较长的时间。2 2供水分界线上铁释放规律以 2 种原水的混合水为进水来模拟多水源供水图 2完全切换条件下 24 h 后出水铁浓度变化Fig 2Changes of iron concentration in effluent undercondition of completely switched after 24 h图 3第 1 次切换后连续 5 d 出水铁浓度变化Fig 3Changes of iron concentration in effluent forfive days after the first switch图 4第 2 次切换后连续 4 d 出水铁浓度变化Fig 4Changes of iron concentration in effluent forfour days after the second switch管网系统供水分界线处水源混合区域铁释放规律，在考虑 2 种原水水质的基础上，分别研究了 2 种水源的 3 种配比(滦河水 长江水=3 1，1 1，1 3)的情况。实验过程中，先进 100%滦河水，再逐步切换638第 3 期黄廷林等:多水源供水管网中铁释放规律研究为 100%长江水，每种配比下均连续运行若干天，待出水稳定后再切换到下一配比。连续运行 24 h 后监测出水铁浓度，结果如图 5 所示。从图中可以看出，当长江水比例由 0 增加到 25%时，铁释放速率开始逐渐增加，随后几日并未出现下降。当长江水比例由逐渐增加到 50%、75%和 100%时，除置换初期铁释放速率出现增加外，后期均逐渐下降，不同配比条件下稳定的铁释放速率也呈下降趋势。可见，当长江水所占比例小于 75%时，混合水条件下的铁释放速率明显高于单一水源;当长江水所占比例超过 75%时，由于水体腐蚀性的明显改善，稳定条件下的铁释放速率接近或低于 100%滦河水，管垢中铁的释放得到抑制。因此，对于管网系统供水分界线处水源混合区域的管段，由于水源水质的不断变化，使得管垢表面很难形成稳定的钝化层，造成铁释放速率持续偏高。结果表明，当长江水所占比例超过 75%时，这一现象能够得到抑制。图 5不同比例混合水条件下 24 h 后出水铁浓度变化Fig 5Changes of iron concentration in effluent undercondition of different proportion mixed water after 24 h3结论(1)管网中的铁释放速率与原水水质密切相关，特别是原水中 SO2 4和氯化物浓度较高时，会大大增加水的腐蚀性，造成铁的大量释放，严重时可引起“黄水”问题。(2)在多水源供水系统中，不同水源之间的切换会引起水源水质的变化，从而导致管垢表面钝化层的破坏，造成铁释放速率的变化。铁释放速率变化的响应是伴随水源切换过程立即发生的，随后会有所缓解，但是新的平衡的形成则需要较长的时间。因此，在实际切换过程中，切换后一段时间铁释放的风险较高，有关部门应加强监测。(3)多水源供水的原水混合区域，由于水源水质的不断变化，使得管垢表面很难形成稳定的钝化层，造成铁释放速率持续偏高。实验结果表明，当长江水所占比例超过 75%时，这一现象能够得到抑制。因此，相对于完全切换区域而言，多种水源联合供给的供水分界线处的铁释放风险更高，并且持续存在，应长期重点监测。参 考 文 献 1牛璋彬，王洋，张晓健，等 某市给水管网中铁释放现象影响因素与控制对策分析 环境科学，2006，27(2):310-314Niu Z B，Wang Y，Zhang X J，et al Analysis of influ-ence factors and control methods on iron release phenome-non in drinking water distribution system EnvironmentalScience，2006，27(2):310-314(in Chinese)2赵乐乐，李星，杨艳玲，等 南方某城市供水管网红水原因调查与研究 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