低pH低碱度水源水引起供水管网黄水的控制措施.pdf 5页

'第30卷第18期中国给水排水Vo1．30No．182014年9月CHINAWATER&WASTEWATERSep．2014低pH低碱度水源水引起供水管网黄水的控制措施米子龙，邬慧婷，张晓健，陈超，李越(1．清华大学环境学院，北京100084；2．清华大学深圳研究生院，广东深圳518055)摘要：针对我国南方水源水低pH值、低碱度水质特征引起供水管网“黄水”问题的控制技术开展了系统研究，确定了管网水pH调节技术和余氯保持技术为经济可行的控制措施。研究结果表明，提高管网水pH值对铁释放具有明显的控制作用，且总铁释放量与pH值呈现出显著负相关性。采用Ca(OH)调节管网水pH值对铁释放的控制效果略优于NaOH，分析原因是投加Ca(OH)，在提高管网水pH值的同时增加了管网水的硬度，有利于管垢稳定性。保持管网水较高的余氯浓度对管网铁释放具有一定的控制作用。关键词：供水管网；黄水控制；pH值调节；Ca(OH)；NaOH；余氯中图分类号：TU991文献标识码：C文章编号：1000—4602(2014)18—0023—05ControlMeasuresforRedWaterProblemCausedbyLowpHandLowAlkalinitySourceWaterinDrinkingWaterDistributionSystemsMIZi—long，WUHui—ting，ZHANGXiao—jian，CHENChao，LIYue(1．SchoolofEnvironment，TsinghuaUniversity，Beo"ing100084，China；2．GraduateSchoolatShenzhen，TsinghuaUniversity，Shenzhen518055，China)Abstract：ThecontroltechnologiesforredwaterproblemcausedbythelowpHandlowalkalinitysourcewaterindrinkingwaterdistributionsystemsinSouthChinawereinvestigated，anditwasproposedthatpHadjustmentandmaintainingchlorineresidualwerethecost—effectivecontrolmeasures．TheresultsshowedthatincreasingpHcouldeffectivelyrestrainironrelease，andthetotalironconcentrationshadanobviousnegativecorrelationwiththepHvalues．ThecontrollingeffectofincreasingpHbyCa(OH)2wasbetterthanusingNaOH，thereasonforthatwastheadditionofCa(OH)2couldelevatethehardnessofpipewateraccompaniedbyincreasingpHandwasbetterforironscalestability．Besides，maintaininghigherconcentrationofchlorineresidualcouldinhibittheironreleaseindrinkingwaterdistributionsys—tems．Keywords：drinkingwaterdistributionsystem；redwatercontrol；pHadjustment；Ca(OH)，；NaOH；chlorineresidual水源水在管网输配过程中会发生一系列复杂的南方地区地表水具有低pH值、低碱度、低硬度物理、化学和生物反应，造成供水管网水质二次污的水质特征，一般而言，出厂水不调节前pH值<7，染。更为严重的是，管网水质的剧烈变化会导致铁碱度为40～100mg／L(以CaCO，计)，硬度为100～质管道内壁管垢铁的过量释放，引起“黄水”问题。150mg／L(以CaCO，计)。该水质进入管网后存在基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2012ZX07404—002)·23· 第30卷第18期中国给水排水化学不稳定风险，对金属管道具有较强的腐蚀性，由第一阶段：使用地表水稳定管段，水质参数见表腐蚀产生凹凸不平的管垢影响管道输水能力，管壁1。所有管段每天换水一次并监测滞留8h后各管垢层引发水质恶化，导致出厂水经过长距离输配后段出水水质，待水质稳定(即总铁浓度、浊度和色度易出现细菌、浊度、色度和铁超标等管网水质问平稳且波动较小)后，再进行水质调节。题J。笔者针对我国南方某市供水管网“黄水”问表1地表水源水主要水质参数题，研究了管网水铁稳定性控制措施。Tab．1Waterqualityparametersofsurfacewater1材料与方法项目数值pH值6．511．1试验管段及装置溶解氧／(mg·L)7．62南方某海滨城市水源水由深井地下水切换为地电导率／(s·cm)122～162表水后，曾引发多个小区居民家中水龙头出现严重硫酸盐／(mg·L)75～102“黄水”问题[见图1(a)]。试验截取该市供水管网氯化物／(mg·L)85—131中黄水问题最为突出的DN100普通无衬铸铁管，使总碱度／(mg·L～，以CaCO计)72～95用年限20年以上，管道内壁覆盖有一层极薄的红棕总硬度／(mg·L～，以CaCO，计)152色腐蚀产物，约2～3mm，质地疏松且均匀分布于管TOC／(mg·L。。)3．93氨氮／(mg·L)0．25道内表面[见图1(b)]。将腐蚀管道截成10cm长硝酸盐氮／(mg·L)1．41的试验管段，制作成“管段铁释放模拟反应器”装置第二阶段：分别采用Ca(OH)：和NaOH调节管(见图2)。通过定速电机驱动搅拌桨对水体进行搅网水pH值，浓度梯度分别为6．5(本底值)、(7．0±拌，以横向环流来模拟实际管网中的纵向水流剪切0．1)、(7．5±0．1)、(8．0±0．1)。每天换水一次并条件，在试验管段内模拟研究水质调节技术对供水监测8h后各管段出水水质变化，考察pH调节技术管网铁释放的控制作用。对铁释放的控制效果。第三阶段：不调节pH值，投加NaC10改变管网水的消毒剂浓度，梯度增加余氯浓度分别为0．05(本底值)、(0．5±0．1)、(1．0±0．1)、(1．5±0．1)mg／L。每天换水一次并监测8h后各管段出水水质变化，考察余氯保持技术对铁释放的控制效果。主要水质指标包括pH值、溶解氧、电导率、硫a．黄水b．管道内壁酸盐、氯化物、碱度、硬度、TOC、氨氮、硝氮、游离氯、图1龙头水“黄水”问题及腐蚀管道总铁、浊度和色度。具体测试方法见文献[7]。Fig．1“Redwater’’problemintapwaterandCO1TOSiOI1pipe1．3管垢分析方法将管道内表面附着管垢刮下后放人氮气干燥器中干燥，后用研钵研磨成粉末。采用扫描电子显微镜(JSM一6460LV，Joel，Japan)对管垢微观形貌进行观测，采用x射线粉末衍射仪(D8AdvanceX—RayDiffraction，Bruker，Germany)测定管垢的晶体结构，采用x射线荧光光谱仪(XRF一1800，Shi—inadzu，Japan)测定管垢的化学成分。取2结果与讨论图2管段模拟反应器示意图2．1管垢特性Fig．2Schematicdiagramofpipesectionreactor试验管道内管垢的微观形貌SEM照片见图3。1．2试验运行条件及方法可见，管垢表面疏松，沟壑较多，孔隙度和比表面积试验分三个阶段运行。较大，呈松散堆积体，无致密平滑的硬壳层，并未发·24· 米子龙，等：低pH低碱度水源水引起供水管网黄水的控制措施第30卷第18期现文献中报道的常见腐蚀管瘤分层结构J。笔者、认为常年通深井地下水的管道内壁不易形成腐蚀严曼重的瘤状物管垢。XRD结果显示，管垢与溶解氧和Ⅲ】j余氯长期接触后，主要形成了OL—FeOOH、FeO、FeCO、o【一A1OOH等晶型结构。XRF结果显示，管垢的主要化学成分是铁元素，含量>90％，其他钙、镁、铝等金属元素均很少，含量<1％。0Z爱图3管垢SEM照片Fig．3SEMimageofcorrosionscales因此，管垢是铁释放现象中铁的重要来源，且疏松多孑L的结构特性使其对水质变化的耐受能力很弱，稳定性较差，当水质剧烈变化时，原有平衡被破坏，大量铁释放到主体水相中，引发管网“黄水”。如2．2pH值调节技术对铁释放的控制南方地区低pH值、低碱度、低硬度的地表水，对金属管道具有强烈的腐蚀性，因此需要综合考虑该种水质条件下管道的腐蚀结垢特性，建立有针对性的供水管网水质稳定控制技术。目前，我国生活饮用水卫生标准中规定pH值的合理范围为6．5～图4采用Ca(OH)2调节pH值对管网黄水的控制效果8．5，但南方水厂多需调节出厂水pH值，以控制管Fig．4EfectsofadjustingpHbyCa(on)2onredwater网腐蚀和铁释放，减少用户龙头“黄水”问题。control本研究投加Ca(OH)，提高管网水pH值，以总结果表明，提高管网水pH值有利于保障供水铁、浊度、色度为考察对象，分析了pH值调节技术管网水质铁稳定性，铁释放量随pH值的升高而降对管网铁释放的控制效果，结果见图4。可见，提高低。在高pH值条件下，腐蚀反应受到抑制，管垢稳管网水pH值后，管段总铁释放量、浊度和色度均明定性更强，铁释放现象得以控制，这与前期研究成果显下降，说明提高pH值能够抑制铁释放。当管网一致。相关研究还证实l1’，铁释放速率随着水由弱酸性(pH为6．5)提高至中性(pH为7．0)pH值的升高而降低，这与管垢中铁(氢)氧化物的时，总铁释放量平均降低约2mg／L，浊度平均降低溶解性密切相关，提高pH值可降低羟基氧化铁和约30NTU，色度平均降低约100度；当增加至弱碱碳酸亚铁等的溶解度，从而减少铁释放量；此外，提性(pH为7．5)时，总铁释放量平均降低约5mg／L，高pH值促进了二价铁的氧化速率，使其生成溶解浊度平均降低约40NTU，色度平均降低约200度；度更小的三价铁氧化物，从而抑制铁释放。当进一步增加pH值至8．0时，“黄水”现象得到有利用管段模拟反应器，对比研究了投加NaOH效控制，总铁释放量平均降低约7mg／L，浊度平均和投加ca(OH)调节管网水pH值对铁释放的控降低约70NTU，色度平均降低约250度。制效果，结果如图5所示。可见，无论是投加何种碱·25· 第30卷第18期中国给水排水性药剂，提高管网水pH值均能有效控制铁释放，且而出现上升趋势，上升至平均约6．5mg／L。总铁释放量与pH值呈显著负相关。同样将管网水=-、pH值由6．5调至8．0，投加NaOH可使平均总铁释鲁放量约8mg／L降低至约2mg／L，而投加Ca(OH)：咖l则可使平均总铁释放量约8mg／L降低至约1mg／L。可见，采用Ca(OH)：调节管网水pH值对铁释确放的控制效果略优于NaOH，原因是投加Ca(OH)在提高管网水pH值的同时增加了管网水的硬度，增加硬度能够调节水中碳酸钙的平衡，促进形成碳酸钙保护性垢层，有利于管垢稳定性，从而起到稳定图6余氯保持技术对管网铁释放的控制作用供水管网水质的效果H。因此，要有效地控制南方Fig．6Efectofchlorineresidualonironreleasecontrol地区低pH值低碱度水源水引发的“黄水”问题，可可见，提高管网水余氯浓度，对铁释放有一定选择投加Ca(OH)使出厂水pH值由6．5提高至的控制作用，但余氯浓度并非越高越好。余氯在铁8．0左右。腐蚀和铁释放过程中起着不同的作用。增加管网水中的余氯浓度，一方面可将管垢中释放出的可溶性二价铁化合物氧化成溶解性更差的三价铁化合物沉宕积到管垢表面，抑制铁释放；另一方面，根据Kuch理论，余氯维持了管垢表面较高的氧化势，可阻止三价铁化合物被还原为二价铁化合物。此外，维持较：曲高的余氯水平还可提高消毒效果从而抑制微生物腐蚀作用。因而，保持管网水较高的余氯浓度，对铁释pH值放具有一定的控制效果。然而，过高浓度的余氯又a．NaOH调节可穿透管壁较薄的腐蚀垢层与铸铁管基材接触，余=-、氯因其较高的氧化能力可作为电子受体促进基质铁的电化学腐蚀，从而导致铁释放现象加剧。故随鲁咖{着管网水余氯浓度的提高，总铁释放量呈现出先降餐低后升高的规律。因此，采用管网水余氯保持技术控制供水管网铁释放时，需综合考虑实际管垢特性及原水水质特征来确定合适的余氯浓度。2．4技术经济分析pH值b．Ca(OH)调节对pH值调节技术和余氯保持技术控制管网“黄水”问题的经济成本进行分析。在调节管网水图5oH调节技术对管网铁释放的控制作用Fig．5EfectsofpHadjustmentonironreleasecontrolpH值从6．5提高至8．0时，试验中采用ca(OH)2．3余氯保持技术对铁释放的控制溶液的投加量约为9．75mg／L，采用NaOH溶液的在不调节管网水pH值的情况下，采用次氯酸投加量约为7．5mg／L；水厂使用的食品级90％的熟钠作为消毒剂，不同余氯浓度对应的管段总铁释放石灰Ca(OH)价格约为1100t，食品级99％的量见图6。在未调节管网水余氯时(0．05mg／L，以片碱NaOH价格约为4000fr_／t，则投加Ca(OH)cl计)，平均总铁释放量约8mg／L；将余氯浓度提和NaOH增加的运行成本分别约为0．012in。和高至0．5mg／L(以cl计)时，平均总铁释放量降至0．03fr_／m。食品级次氯酸钠的价格约为3000约6mg／L；将余氯浓度提高至1．0mg／L(以cl：计)fr_／t，则投加1．0mg／L氯的成本约为0．003fr_／m’，时，平均总铁释放量降至约2．5mg／L；但继续增加由于在管网输配过程中会发生氯衰减，为了维持管余氯浓度至1．5mg／L(以cl计)时，总铁释放量反网末梢的余氯浓度，水厂加氯量一般为1～3mg／L，·26· www．watergasheat．con米子龙，等：低pH低碱度水源水引起供水管网黄水的控制措施第30卷第18期因此保持管网水余氯浓度1．0mg／L增加的运行成29(22)：44—48．本通常在0．01m以下。可见，通过投加NaOH[6]米子龙，张哓健，牛璋彬，等．给水管网中铁稳定性问调节管网水pH值的费用较高，而投加Ca(OH)：的题综合控制技术研究[J]．给水排水，2013，39(9)：149—154．．pH调节技术和余氯保持技术的费用较经济，可作为[7]国家环保总局．水与废水监测分析方法(第4版)应对供水管网“黄水”问题的控制技术。[M]．北京：中国环境科学出版社，2006．3结论[8]牛璋彬，王洋，张晓健，等．给水管网中管内壁腐蚀管①南方地区地表水由于低pH值低碱度的水垢特征分析[J]．环境科学，2006，27(6)：1150—质特征，对金属管道具有较强的腐蚀性，进入供水管1154．网后，与管道内壁较薄且表面疏松、孔隙发达的腐蚀[9]SarinP，SnoeyinkVL，BebeeJ，eta1．Physico—chemical垢层相接触，极易造成腐蚀产物的溶解释放，引起管characteristicsofcorosionscalesinoldironpipes[J]．网“黄水”问题。WaterRes，2001，35(12)：2961—2969．②pH值调节技术是一种应对低pH值低碱[10]米子龙，张晓健，王洋，等．调节pH值和碱度对给水管网铁释放的控制作用[J]．中国给水排水，2012，28度水源水引起管网“黄水”问题的控制措施，总铁释(13)：43—46．放量与pH值呈显著负相关，pH值越高，控制效果SarinP，SnoeyinkVL，LytleDA，eta1．Ironcorrosion越好，调节出厂水pH值至8．0时，能有效控制铁释scales：modelforscalegrowth，ironrelease，andcoloured放，且采用Ca(OH)调节管网水pH值对铁释放的waterformation[J]．JEnvironEng，2004，130(4)：365控制效果略优于NaOH。—373．③余氯保持技术也是一种应对低pH值、低[12]SarinP，ClementJA，SnoeyinkVL，eta1．Ironrelease碱度水源水引起管网“黄水”问题的控制措施，提高fromcoroded，unlinedcast—ironpipe[J]．JAWWA，管网水中的余氯对铁释放抑制作用明显，维持管网2003，95(11)：85—96．水余氯浓度为1．0mg／L时，能较好地控制铁释放。[13]米子龙，张晓健，陈超，等．淡化海水并网供水的管网④对于南方地区低pH值低碱度水质条件，铁释放控制技术研究[J]．中国给水排水，2012，28采用投加Ca(OH)的pH值调节技术增加的运行(19)：37—40．成本约为0．012131，余氯保持技术增加的运行[14]孙慧芳，石宝友，吴永丽，等．硫酸根、溶解氧和余氯对管垢铁释放的影响[J]．中国给水排水，2013，29成本也小于0．01m，两者均经济有效。(22)：58—63．参考文献：[1]ZhangXiaojian，MiZilong，WangYang，eta1．Aredwa—teroccurrenceindrinkingwaterdistributionsystemscausedbychangesinwatersourceinBeijing，China：mechanismanalysisandcontrolmeasures『J]．FrontiersEnvironSciEng，2014，8(3)：417—426．[2]米子龙，张晓健，陈超，等．硫酸根和碱度变化对管网铁释放的影响[J]．中国给水排水，2012，28(1)：31—34．[3]杨帆，石宝友，王东升，等．水质化学组分变化对管道铁释放及管垢特征的影响[J]．中国给水排水，2012，作者简介：米子龙(1988一)，男，山西晋中人，28(23)：59—64．[4]米子龙，张晓健，陆品品，等．硫酸根浓度突变对给水博士研究生，研究方向为供水管网水质稳管网铁释放的影响[J]．清华大学学报：自然科学版，定控制理论与技术。2013，53(5)：660—664．E—mail：mzllO@mails．tsinghua．edu．cn[5]米子龙，张晓健，邬慧婷，等．水源切换引发供水管网通讯作者：张晓健腐蚀产物释放的控制对策[J]．中国给水排水，2013，收稿日期：2014—05—23·27·'