周 全，韓 珀，徐 娟，蘇 喆，焦志剛，沈 磊，李政帥

(鄭州自來水投資控股有限公司，河南 鄭州450007)

0 引言

鐵質(zhì)管道腐蝕和鐵釋放是給水管網(wǎng)普遍存在的問題，它嚴(yán)重影響著供水水質(zhì)．特別是當(dāng)水源切換時(shí)，新水源打破了管垢與水之間的原有平衡，破壞管垢原有的鈍化層，造成鐵銹大量釋放溶入水中，使水中總鐵含量、濁度、色度嚴(yán)重超標(biāo)，造成“黃水”現(xiàn)象［1-2］． B 市曾經(jīng)因?yàn)檎{(diào)用河北水庫(kù)水替換原有水源進(jìn)行供水，使用新水源后管網(wǎng)部分地區(qū)用戶家中龍頭出水出現(xiàn)黃水問題［3］，因此當(dāng)Z 市面臨南水北調(diào)工程建成后的水源切換時(shí)，也同樣面臨著發(fā)生“黃水”的風(fēng)險(xiǎn)．

目前對(duì)鐵釋放的研究規(guī)模尚處于管段反應(yīng)器的試驗(yàn)階段［4］，對(duì)于在實(shí)際水力學(xué)影響下的管道研究并不多見，本試驗(yàn)基于對(duì)實(shí)際管網(wǎng)模擬的需求，設(shè)計(jì)了一套管網(wǎng)水齡水質(zhì)模擬裝置，以達(dá)到接近實(shí)際管網(wǎng)的目的，從而獲得一種快速便捷的研究途徑．通過該模擬裝置，研究了各項(xiàng)水質(zhì)參數(shù)對(duì)鐵釋放的影響，開發(fā)了一種有效預(yù)測(cè)管網(wǎng)“黃水”的方法，并對(duì)Z 市管網(wǎng)“黃水”風(fēng)險(xiǎn)爆發(fā)的高敏感區(qū)域進(jìn)行預(yù)測(cè)．水管網(wǎng)DN100 配水管)等部件組成，各個(gè)部件由管道連接成一個(gè)整體，裝置除試驗(yàn)管道外，使用的管件及管道均為非鐵質(zhì)材料．

圖1 管網(wǎng)水齡水質(zhì)模擬裝置Fig．1 Simulation device of the water distribution networks

1 材料與方法

1．1 試驗(yàn)裝置

管網(wǎng)水齡水質(zhì)模擬裝置(見圖1)主要由控制閥門、水箱、循環(huán)水泵和試驗(yàn)管道(截取的Z 市給

1．2 試驗(yàn)方法

(1)分別向管網(wǎng)水齡水質(zhì)模擬裝置1 ～4#水箱依次注入不同水齡的自來水;

(2)啟動(dòng)循環(huán)水泵，模擬實(shí)際管網(wǎng)水的流動(dòng)狀態(tài)12 h;

(3)而后取各試驗(yàn)管道水樣，檢測(cè)總鐵含量、濁度、電導(dǎo)率、溶解氧等水質(zhì)指標(biāo)后，各水箱自來水依次向下一水箱置換，1#水箱置換為新鮮自來水，4#水箱自來水排放地溝;

(4)關(guān)閉循環(huán)水泵，模擬實(shí)際管網(wǎng)水的滯留狀態(tài)12 h，而后依照步驟(3)取樣、檢測(cè)、換水;

(5)重復(fù)步驟(2)～(4)至試驗(yàn)結(jié)束．

1．3 檢測(cè)方法

本研究主要檢測(cè)總鐵含量、濁度、電導(dǎo)率和溶解氧，檢測(cè)方法及儀器設(shè)備型號(hào)見表1．

表1 檢測(cè)方法Tab．1 Detection method

利用裝置模擬的水質(zhì)指標(biāo)中，除濁度以外，電導(dǎo)率和溶解氧的偏差都在10%以內(nèi)，原因在于模擬裝置使用的管道較短，水力學(xué)對(duì)管道的影響較大，導(dǎo)致感官性指標(biāo)濁度增長(zhǎng)較快，但是從趨勢(shì)上來看，與實(shí)際管網(wǎng)一致，故可以證明管網(wǎng)水齡水質(zhì)模擬裝置基本可以達(dá)到模擬實(shí)際管網(wǎng)的預(yù)期效果．

2 結(jié)果與討論

2．1 各因素與總鐵釋放率之間的相關(guān)性分析

總鐵釋放率是指管道內(nèi)壁每小時(shí)向每升自來水中釋放的總鐵含量，單位是mg·L-1·h-1． 通過模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，相同管道的總鐵釋放率主要與濁度、水齡、溶解氧和電導(dǎo)率等因素有關(guān)［6-7］，通過對(duì)以上因素的相關(guān)性分析，得出總鐵釋放率與各因素之間的相關(guān)系數(shù)(見表2)，由此可以判斷各因素的影響顯著性．

表2 各影響因素與總鐵釋放率之間的相關(guān)系數(shù)表Tab．2 Correlation coefficient between iron release and influencing factors

由表可以看出，管網(wǎng)中的總鐵釋放率與水齡和水質(zhì)指標(biāo)密切相關(guān)，包括水中的濁度、電導(dǎo)率和溶解氧等，根據(jù)相關(guān)系數(shù)的正負(fù)判斷總鐵釋放率與水齡、濁度和電導(dǎo)率呈正相關(guān)關(guān)系，與溶解氧呈負(fù)相關(guān)關(guān)系;根據(jù)相關(guān)系數(shù)的大小可知，眾多因素影響總鐵釋放率能力的大小排序?yàn)?濁度＞水齡＞溶解氧＞電導(dǎo)率．

2．2 濁度對(duì)管網(wǎng)鐵釋放率的影響

管網(wǎng)水齡水質(zhì)模擬裝置白天模擬管網(wǎng)水的流動(dòng)狀態(tài)，夜晚模擬管網(wǎng)水的停滯狀態(tài)．當(dāng)管網(wǎng)水力條件發(fā)生變化時(shí)，濁度將會(huì)升高，而升高的濁度又會(huì)加劇鐵釋放現(xiàn)象．因?yàn)闈岫鹊纳?，意味著水中的懸浮物質(zhì)增多，水體與管垢層之間的摩擦力增大，相同流速下水體的剪切力增大，從而加大了管垢脫落的幾率，增大了總鐵釋放率．

圖2 濁度與總鐵釋放率關(guān)系圖Fig．2 Effect of turbidity on iron release

從圖2 來看，總鐵釋放率隨濁度的變化呈現(xiàn)出三個(gè)階段，第一階段是濁度處于2 NTU 以下，此時(shí)總鐵釋放率與濁度增大無關(guān)，呈現(xiàn)略微下降趨勢(shì)，這是因?yàn)榇穗A段鐵釋放主要以化學(xué)溶解的方式進(jìn)行，濁度達(dá)到2 NTU 左右時(shí)，水體中的鐵元素基本處于飽和狀態(tài)，而此時(shí)水體的剪切力還不足以將管垢剝離管道內(nèi)壁，故總鐵釋放率略微下降;第二階段是濁度處于2 NTU 和8 NTU 之間，此時(shí)水中的懸浮物質(zhì)已經(jīng)達(dá)到一定數(shù)量，水體的剪切力已經(jīng)開始緩慢剝離管垢，總鐵釋放率也開始隨著濁度的增加而增大;第三階段是濁度處于8 NTU 以上，此時(shí)水中的懸浮物質(zhì)進(jìn)一步增大，鐵釋放的方式也以物理形式的釋放為主，總鐵釋放率增大十分明顯．

2．3 水齡對(duì)管網(wǎng)鐵釋放率的影響

自來水的水齡是影響自來水水質(zhì)的關(guān)鍵因素，它從時(shí)間的角度衡量自來水的品質(zhì)，一般地說，水質(zhì)惡化隨水齡呈正比關(guān)系，故普遍認(rèn)為鐵釋放也遵循這個(gè)規(guī)律． 本試驗(yàn)水齡與總鐵釋放率關(guān)系如圖3 所示，可以發(fā)現(xiàn)，隨著自來水水齡的增長(zhǎng)，管道的總鐵釋放率并不是持續(xù)上升，而是呈現(xiàn)出一種先下降后上升的趨勢(shì)，原因是在流速相同的情況下，低水齡的自來水中鐵含量較低，管垢層與自來水之間總鐵濃度差較大，所以釋放率也較大;自來水與管垢層經(jīng)過一段時(shí)間的接觸，鐵含量逐漸上升，管垢層與自來水之間總鐵濃度差減小，總鐵釋放率也隨之減小;此后，由于自來水水齡的增大，影響鐵釋放的其他因素諸如濁度、溶解氧和電導(dǎo)率等對(duì)鐵釋放的貢獻(xiàn)將超越總鐵濃度差的貢獻(xiàn)，從而占據(jù)主導(dǎo)地位，造成總鐵釋放率又呈現(xiàn)指數(shù)增長(zhǎng)．圖中陰影面積表示各水齡段平均12 h 總鐵釋放量．

圖3 水齡與總鐵釋放率關(guān)系圖Fig．3 Effect of water age on iron release

2．4 溶解氧對(duì)管網(wǎng)總鐵釋放率的影響

Benjamin、Sontheimer 和Leroy 等人研究發(fā)現(xiàn)有溶解氧存在的時(shí)候，腐蝕速率受溶解氧傳遞到管壁表面的速率限制，且溶解氧對(duì)鐵釋放有抑制作用，提高溶解氧可以降低總鐵釋放率［8］．由圖4可知:溶解氧達(dá)到4．5 mg/L 是總鐵釋放率的一個(gè)分界線，低于這個(gè)含量時(shí)的總鐵釋放率明顯大于高于這個(gè)含量時(shí)的總鐵釋放率．

圖4 溶解氧與總鐵釋放率關(guān)系圖Fig．4 Effect of dissolved oxygen on iron release

2．5 電導(dǎo)率對(duì)管網(wǎng)總鐵釋放率的影響

電導(dǎo)率對(duì)管網(wǎng)總鐵釋放率的影響如圖5 所示，由圖5 可見，總鐵釋放率隨電導(dǎo)率的增加呈現(xiàn)增大的趨勢(shì)，特別是在電導(dǎo)率處于300 ～325 μs/cm 之間時(shí)，總鐵釋放率有個(gè)明顯的階梯式突變．這是因?yàn)殍F質(zhì)管道的腐蝕，主要是由于鐵質(zhì)層與水接觸發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)引起的，當(dāng)水中的離子增多時(shí)，反應(yīng)的幾率就會(huì)增大，從而導(dǎo)致更多的亞鐵離子和氫氧根離子等腐蝕產(chǎn)物進(jìn)入水體中，形成大規(guī)模的鐵釋放．

圖5 電導(dǎo)率與總鐵釋放率關(guān)系圖Fig．5 Effect of conductivity on iron release

3 應(yīng)用與預(yù)測(cè)

根據(jù)以上討論，預(yù)測(cè)在水源切換后，Z 市管網(wǎng)中水濁度高于2 NTU、溶解氧含量低于4．5 mg/L以及水齡大于36 h 的區(qū)域?qū)O有可能成為鐵釋放嚴(yán)重的區(qū)域．結(jié)合Z 市管網(wǎng)水質(zhì)調(diào)查和地理管網(wǎng)信息系統(tǒng)(GIS)，對(duì)Z 市可能爆發(fā)“黃水”的區(qū)域進(jìn)行了預(yù)測(cè)，如圖6 所示．

圖6 Z 市“黃水”爆發(fā)區(qū)域預(yù)測(cè)圖Fig．6 Prediction of the“red water”area

通過Z 市管網(wǎng)水質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，全市共有高濁度點(diǎn)6 個(gè)，低余氯點(diǎn)5 個(gè)．由于管網(wǎng)水低余氯點(diǎn)一般都是管網(wǎng)末梢，此處水中溶解氧較低，水齡較長(zhǎng)，結(jié)合以上結(jié)論，可推斷高濁度點(diǎn)和低余氯點(diǎn)附近的管道鐵釋放有可能較為嚴(yán)重，水源切換初期，爆發(fā)“黃水”的可能性極大．同時(shí)結(jié)合地理管網(wǎng)信息系統(tǒng)(GIS)中管道材質(zhì)屬性，預(yù)測(cè)Z 市“黃水”可能爆發(fā)的區(qū)域存在4 處，如圖6 圓圈標(biāo)示處．

4 結(jié)論

(1)設(shè)計(jì)了一套管網(wǎng)水齡水質(zhì)模擬裝置，水質(zhì)檢測(cè)結(jié)果及變化規(guī)律與實(shí)際管網(wǎng)接近，為研究各項(xiàng)水質(zhì)指標(biāo)對(duì)總鐵釋放率的影響提供了快速便捷的途徑．

(2)水齡、濁度、電導(dǎo)率等指標(biāo)與總鐵釋放率成正相關(guān)性，溶解氧與總鐵釋放率成負(fù)相關(guān)性;影響總鐵釋放率能力的大小排序?yàn)?濁度＞水齡＞溶解氧＞電導(dǎo)率;濁度、溶解氧和電導(dǎo)率的限值分別為2 NTU、4．5 mg/L 和300 μs/cm．

(3)結(jié)合管網(wǎng)水質(zhì)調(diào)查和地理管網(wǎng)信息系統(tǒng)，發(fā)現(xiàn)Z 市存在4 處“黃水”可能爆發(fā)的區(qū)域．

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