輸配水過程中管網(wǎng)鐵釋放規(guī)律的研究及應(yīng)用

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，它嚴重影響著供水水質(zhì)．特別是當(dāng)水源切換時，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、色度嚴重超標，造成“黃水”現(xiàn)象［1-2］． B 市曾經(jīng)因為調(diào)用河北水庫水替換原有水源進行供水，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，也同樣面臨著發(fā)生“黃水”的風(fēng)險．

目前對鐵釋放的研究規(guī)模尚處于管段反應(yīng)器的試驗階段［4］，對于在實際水力學(xué)影響下的管道研究并不多見，本試驗基于對實際管網(wǎng)模擬的需求，設(shè)計了一套管網(wǎng)水齡水質(zhì)模擬裝置，以達到接近實際管網(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，研究了各項水質(zhì)參數(shù)對鐵釋放的影響，開發(fā)了一種有效預(yù)測管網(wǎng)“黃水”的方法，并對Z 市管網(wǎng)“黃水”風(fēng)險爆發(fā)的高敏感區(qū)域進行預(yù)測．水管網(wǎng)DN100 配水管)等部件組成，各個部件由管道連接成一個整體，裝置除試驗管道外，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)水泵和試驗管道(截取的Z 市給

1．2 試驗方法

(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)啟動循環(huán)水泵，模擬實際管網(wǎng)水的流動狀態(tài)12 h;

(3)而后取各試驗管道水樣，檢測總鐵含量、濁度、電導(dǎo)率、溶解氧等水質(zhì)指標后，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，模擬實際管網(wǎng)水的滯留狀態(tài)12 h，而后依照步驟(3)取樣、檢測、換水;

(5)重復(fù)步驟(2)～(4)至試驗結(jié)束．

1．3 檢測方法

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

表1 檢測方法Tab．1 Detection method

利用裝置模擬的水質(zhì)指標中，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)對管道的影響較大，導(dǎo)致感官性指標濁度增長較快，但是從趨勢上來看，與實際管網(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到模擬實際管網(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為:濁度＞水齡＞溶解氧＞電導(dǎo)率．

2．2 濁度對管網(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，濁度將會升高，而升高的濁度又會加劇鐵釋放現(xiàn)象．因為濁度的升高，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)出三個階段，第一階段是濁度處于2 NTU 以下，此時總鐵釋放率與濁度增大無關(guān)，呈現(xiàn)略微下降趨勢，這是因為此階段鐵釋放主要以化學(xué)溶解的方式進行，濁度達到2 NTU 左右時，水體中的鐵元素基本處于飽和狀態(tài)，而此時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，此時水中的懸浮物質(zhì)已經(jīng)達到一定數(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，此時水中的懸浮物質(zhì)進一步增大，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，故普遍認為鐵釋放也遵循這個規(guī)律． 本試驗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，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，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)率等對鐵釋放的貢獻將超越總鐵濃度差的貢獻，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．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:溶解氧達到4．5 mg/L 是總鐵釋放率的一個分界線，低于這個含量時的總鐵釋放率明顯大于高于這個含量時的總鐵釋放率．

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)率對管網(wǎng)總鐵釋放率的影響

電導(dǎo)率對管網(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，特別是在電導(dǎo)率處于300 ～325 μs/cm 之間時，總鐵釋放率有個明顯的階梯式突變．這是因為鐵質(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，反應(yīng)的幾率就會增大，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

根據(jù)以上討論，預(yù)測在水源切換后，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Z 市可能爆發(fā)“黃水”的區(qū)域進行了預(yù)測，如圖6 所示．

圖6 Z 市“黃水”爆發(fā)區(qū)域預(yù)測圖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6 個，低余氯點5 個．由于管網(wǎng)水低余氯點一般都是管網(wǎng)末梢，此處水中溶解氧較低，水齡較長，結(jié)合以上結(jié)論，可推斷高濁度點和低余氯點附近的管道鐵釋放有可能較為嚴重，水源切換初期，爆發(fā)“黃水”的可能性極大．同時結(jié)合地理管網(wǎng)信息系統(tǒng)(GIS)中管道材質(zhì)屬性，預(yù)測Z 市“黃水”可能爆發(fā)的區(qū)域存在4 處，如圖6 圓圈標示處．

4 結(jié)論

(1)設(shè)計了一套管網(wǎng)水齡水質(zhì)模擬裝置，水質(zhì)檢測結(jié)果及變化規(guī)律與實際管網(wǎng)接近，為研究各項水質(zhì)指標對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)率等指標與總鐵釋放率成正相關(guān)性，溶解氧與總鐵釋放率成負相關(guān)性;影響總鐵釋放率能力的大小排序為: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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