多水源供水管网中铁释放规律 5页

'第8卷第3期环境工程学报Vol．8，No．32014年3月ChineseJournalofEnvironmentalEngineeringMar．2014多水源供水管网中铁释放规律11*1122黄廷林戴雪峰王旭冕尚修竹韩宏大何文杰(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2－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SO4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)03-0834-05Lawofironreleaseinwatersupplynetworkwithmultiplewaterresources111122HuangTinglinDaiXuefengWangXumianShangXiuzhuHanHongdaHeWenjie(1．SchoolofEnvironmentalandMunicipalEngineering，Xi’anUniversityofArchitectureandTechnology，Xi’an710055，China;2．TianjinWaterworksGroupCo.Ltd.，Tianjin300040，China)AbstractThephenomenonthatwaterqualitydoesnotreachthestandardalwaysoccurafterthewatersourceisswitched，theresearchoftheironreleaselawinwatersupplynetworkwithmultiplewaterresourceswascarriedout.Waterqualitycharacteristicsofbothwaterresources(theLuanＲiverwaterandtheYangtzeＲiverwater)ofanortherncitywereanalyzed，andironreleaseinthezoneofwatercompletelyreplacementandwatersupplydividinglinewereresearchedrespectivelybytheexperimentalreactor.Theresultshowsthattheironre-2－leaserateiscloselyrelatedtothewaterquality.EspeciallywhenthewatercontainshighconcentrationofSO4andchloride，theironreleaseratewillspeedup.Thefrequentswitchingbetweenthedifferentwaterresourceswilldestroythepassivationlayeronthesurfaceofthepipescale，theironreleaseratewillrapidlychange，andthenwillbeeased，butitrequiresalongertimetotheformationofanewequilibrium.Tothemixedwaterindi-vidingline，itisdifficulttoformthestablepassivationlayerbecauseofthewaterqualitychangesconstantly，thecontinuedhighrateofironreleaseoccurs.ItcanbesuppressedonlywhentheproportionoftheYangtzeＲiverwaterisashighas75%ormore.Keywordsmultiplewaterresources;watersourceswitching;watersupplydividingline;ironrelease;watersupplynetwork［4-9］城市饮用水安全是保障城市安全、居民生活稳响供水水质安全。定的关键环节之一。目前，国内各水厂所采用的处引起铁质管材的腐蚀和铁释放的原因较多，但理技术和工艺一般均能保证出厂水水质达到甚至超由于水源的更换而引起的“黄水”问题频频出现。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，水体水质出现恶基金项目:国家自然科学基金资助项目(50978213);天津市科技支化，严重影响居民使用。其中一个重要的原因就是撑计划项目(11ZCKFSF01700)［1-3］铁的释放。铁的释放现象是由管垢向水体中释收稿日期:2013－02－24;修订日期:2013－04－01放铁，造成管网水中铁、浊度、色度等指标严重超标。作者简介:黄廷林(1963～)，男，教授，博士生导师，主要从事水处理同时，铁释放现象的发生会破坏管垢结构，加剧铁质及水资源保护研究。E-mail:huangtinglin@xauat.edu.cn管材的腐蚀，严重时就会出现“黄水”现象，严重影*通讯联系人，E-mail:daixuefeng1988@163.com 第3期黄廷林等:多水源供水管网中铁释放规律研究835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20cm的管段，并用环氧树脂涂抹其外壁和切口。装置密闭运行并图1实验装置示意图进行遮光。实验用水采用滦河水和长江水2种水Fig．1Sketchmapoftheexperimentalfacility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2结果和分析程分为2个阶段:第1阶段模拟完全切换过程，先进2．1完全切换条件下铁释放规律滦河水，运行稳定后置换为长江水，再置换为滦河实验系统首先注入滦河水，连续运行若干天待水;第2阶段模拟供水分界线上铁释放，分别将2种出水铁浓度稳定后，切换注入长江水，在相同条件下水源按不同配比混合后进入系统。每次进水均连续连续运行若干天，待出水铁浓度稳定后，再次切换注搅拌运行24h，每隔4h取样，每天更换新水。入滦河水，连续监测出水铁浓度，结果如图2～图41．2检测指标和方法所示。从图2可以看出，滦河水条件下实验管段铁每次取样后均检测DO、pH、温度、电导率、TDS、释放速率较大，系统稳定条件下24h后出水Fe浓2－总Fe、余氯、浊度、SO4、硬度、碱度、氯化物等指标。度均大于0.4mg/L。查阅实际供水管网中水力停其中，DO采用HACHHQ系列溶氧仪测定;pH、温留时间近似24h区域的监测数据，发现与实验结果度、电导率、TDS均采用HACHsension系列便携仪接近，故可排除系统初始状态的影响。利用LＲ=器测定;余氯采用HACH便携余氯仪测定;浊度采2－－2［SO4］+［Cl］2－计算滦河水的拉森指数(Larson用HACH2100N型浊度仪测定;SO4采用离子色谱［HCO］3法测定;硬度、碱度、氯化物均采用滴定法测定，详细［11-15］ratio)，发现LＲ＞2.0。可见滦河水具有较强的检测步骤可参考《生活饮用水标准检验方法(GB/T2－腐蚀性，高浓度的SO4和氯化物增加了水体的电［10］5750-2006)》。表12种水源出厂水质指标Table1Waterqualityindexoftwowaterresourcesoutofthefactory水源DO(mg/L)pHT(℃)电导率(μS/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硬度(以CaCO3计)总碱度(以HCO3)氯化物2－水源余氯(mg/L)浊度(NTU)SO4(mg/L)(mg/L)(mg/L)(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1.07～1.340.126～0.17324.97～27.72111.05～116.89112.06～116.986.44～7.92 836环境工程学报第8卷导率(电导率＞370μS/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2－铁的释放速率。同时，有研究表明，SO4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［16，17］释放。将进水切换为长江水后，出水Fe浓度显著降低，均小于0.25mg/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LＲ＜0.6，可见2－长江水腐蚀性较小。同时其SO4和氯化物浓度均图2完全切换条件下24h后出水铁浓度变化明显小于滦河水，电导率也大大降低(电导率＜210Fig．2ChangesofironconcentrationineffluentunderμS/cm)，从而对管垢中的铁释放起到了明显的抑制conditionofcompletelyswitchedafter24h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0.12mg/L迅速增加到0.22mg/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，再次图3第1次切换后连续5d出水铁浓度变化切换滦河水后虽然水质相差不大，但出水Fe浓度与Fig．3Changesofironconcentrationineffluentfor初始时相差很大，铁释放速率明显偏小。笔者分析fivedaysafterthefirstswitch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124mg/L升高到143mg/L，氯2－化物由51mg/L减低到47mg/L，SO4由120mg/L降低到110mg/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2d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图4第2次切换后连续4d出水铁浓度变化立刻发生的，均在切换后几日逐渐减小，4d后趋于Fig．4Changesofironconcentrationineffluentfor稳定。可见，由于水质变化会导致管垢表层特性的fourdaysafterthesecondswitch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管网系统供水分界线处水源混合区域铁释放规律，小，但这一过程需要较长的时间。在考虑2种原水水质的基础上，分别研究了2种水2．2供水分界线上铁释放规律源的3种配比(滦河水∶长江水=3∶1，1∶1，1∶3)的以2种原水的混合水为进水来模拟多水源供水情况。实验过程中，先进100%滦河水，再逐步切换 第3期黄廷林等:多水源供水管网中铁释放规律研究837为100%长江水，每种配比下均连续运行若干天，待(3)多水源供水的原水混合区域，由于水源水出水稳定后再切换到下一配比。连续运行24h后质的不断变化，使得管垢表面很难形成稳定的钝化监测出水铁浓度，结果如图5所示。从图中可以看层，造成铁释放速率持续偏高。实验结果表明，当长出，当长江水比例由0增加到25%时，铁释放速率江水所占比例超过75%时，这一现象能够得到抑开始逐渐增加，随后几日并未出现下降。当长江水制。因此，相对于完全切换区域而言，多种水源联合比例由逐渐增加到50%、75%和100%时，除置换初供给的供水分界线处的铁释放风险更高，并且持续期铁释放速率出现增加外，后期均逐渐下降，不同配存在，应长期重点监测。比条件下稳定的铁释放速率也呈下降趋势。可见，参考文献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［1］牛璋彬，王洋，张晓健，等．某市给水管网中铁释放现象过75%时，由于水体腐蚀性的明显改善，稳定条件影响因素与控制对策分析．环境科学，2006，27(2):下的铁释放速率接近或低于100%滦河水，管垢中310-314NiuZ．B．，WangY．，ZhangX．J．，etal．Analysisofinflu-铁的释放得到抑制。因此，对于管网系统供水分界encefactorsandcontrolmethodsonironreleasephenome-线处水源混合区域的管段，由于水源水质的不断变nonindrinkingwaterdistributionsystem．Environmental化，使得管垢表面很难形成稳定的钝化层，造成铁释Science，2006，27(2):310-314(inChinese)放速率持续偏高。结果表明，当长江水所占比例超［2］赵乐乐，李星，杨艳玲，等．南方某城市供水管网红水过75%时，这一现象能够得到抑制。原因调查与研究．环境科学，2011，32(11):3235-3239ZhaoL．L．，LiX．，YangY．L．，etal．Ｒesearchonthereasonsofredwaterinasoutherncityinchina．Environ-mentalScience，2011，32(11):3235-3239(inChinese)［3］牛璋彬，张晓健，韩宏大，等．给水管网中金属离子化学稳定性分析．中国给水排水，2005，21(5):18-21NiuZ．B．，ZhangX．J．，HanH．D．，etal．Analysisonchemicalstabilityofmetalioninwaterdistributionsystem．ChinaWater＆Wastewater，2005，21(5):18-21(inChi-nese)［4］张晓健，牛璋彬．给水管网中铁稳定性问题及其研究进图5不同比例混合水条件下24h后出水铁浓度变化展．中国给水排水，2006，22(2):13-16Fig．5ChangesofironconcentrationineffluentunderZhangX．J．，NiuZ．B．Progressinthestudyoftheironsta-conditionofdifferentproportionmixedwaterafter24hbilityproblemindrinkingwaterdistributionsystem．ChinaWater＆Wastewater，2006，22(2):13-16(inChinese)［5］SarinP．，SnoyinkV．L．，LytleD．A．，etal．Ironcorrosion3结论scales:Modelforscalegrowth，ironrelease，andcolored(1)管网中的铁释放速率与原水水质密切相waterformation．JournalofEnvironmentalEngineering，2－2004，130(4):365-373关，特别是原水中SO4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［6］牛璋彬，王洋，张晓健，等．给水管网中铁释放现象的影响因素研究．环境科学，2007，28(10):2270-2274起“黄水”问题。NiuZ．B．，WangY．，ZhangX．J．，etal．Effectonironre-(2)在多水源供水系统中，不同水源之间的切leaseindrinkingwaterdistributionsystems．Environmental换会引起水源水质的变化，从而导致管垢表面钝化Science，2007，28(10):2270-2274(inChinese)层的破坏，造成铁释放速率的变化。铁释放速率变［7］牛璋彬，王洋，张晓健，等．给水管网中管内壁腐蚀管化的响应是伴随水源切换过程立即发生的，随后会垢特征分析．环境科学，2006，27(6):1150-1154有所缓解，但是新的平衡的形成则需要较长的时间。NiuZ．B．，WangY．，ZhangX．J．，etal．Analysisofthe因此，在实际切换过程中，切换后一段时间铁释放的characteristicsofcorrosionscaleindrinkingwaterdistribu-风险较高，有关部门应加强监测。tionsystems．EnvironmentalScience，2006，27(6):1150- 838环境工程学报第8卷1154(inChinese)phateandalkalinitychangeonironreleaseindrinkingwa-［8］SarinP．，SnoeyinkV．L．，BebeeJ．，KrivenW．M．，etterdistributionsystem．ChinaWater＆Wastewater，2011，al．Physico-chemicalcharacteristicsofcorrosionscalesin28(1):31-34(inChinese)oldironpipes．WaterＲes．，2001，35(12):2961-2969［15］米子龙，张晓健，陈超，等．水源切换期用户水质跟踪［9］YangF．，ShiB．Y．，GuJ．N．，etal．Morphologicaland监测及铁稳定性分析．给水排水，2011，48(3):physicochemicalcharacteristicsofironcorrosionscales151-155formedunderdifferentwatersourcehistoriesinadrinkingMiZ．L．，ZhangX．J．，ChenC．，etal．Analysisofwaterwaterdistributionsystem．WaterＲesearch，2011，46(16):qualitymonitoringandironstabilityindrinkingwaterdis-5423-5433tributionsystemamongwatersourceswitch．Water＆［10］国家环境保护总局．水和废水监测分析方法(第4版)．WastewaterEngineering，2011，48(3):151-155(inChi-北京:中国环境科学出版社，2002nese)［11］StummW．，SulzbergerB．Thecyclingofironinnatural［16］王洋，张晓健，陈超，等．水源切换引起给水管网黄水environments:Considerationbasedonlaboratorystudiesof问题原因分析．环境科学，2009，30(12):3555-3561heterogeneousredoxprocesses．GeochimicaetCosmochim-WangY．，ZhangX．J．，ChenC．，etal．CasestudyofredicaActa，1992，56(8):3233-3257waterphenomenonindrinkingwaterdistributionsystems［12］MiyataY．，AsakuraS．Oxygenreductionreactionatrustcausedbywatersourceswitch．EnvironmentalScience，freeironsurfaceinneutralunbufferedchloridesolutions．2009，30(12):3555-3561(inChinese)CorrosionScience，2002，44(3):589-602［17］王洋，牛璋彬，张晓健，等．水源更换对给水管网水质［13］LarsonT．E．Ｒeportonlossincarryingcapacityofwater的影响研究．环境科学，2007，28(10):2275-2279mains．JournalofAmericanWaterWorksAssociation，WangY．，NiuZ．B．，ZhangX．J．，etal．Influenceof1955，47(11):1061-1072watersourceswitchingonwaterqualityindrinkingwater［14］米子龙，张晓健，陈超，等．硫酸根和碱度变化对管网distributionsystem．EnvironmentalScience，2007，28铁释放的影响．中国给水排水，2011，28(1):31-34(10):2275-2279(inChinese)MiZ．L．，ZhangX．J．，ChenC．，etal．Influenceofsul-'