某市供水管網水質化學穩定性研究及控制方法

彭思琪

（中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安 710043）

0 引言

近些年來，隨著水處理技術的不斷發展，城鎮供水廠的出廠水水質達標已經不再是問題。但是出廠水進入供水管網之后卻會產生水質化學穩定性問題，發生“黃水”“紅水”等現象。這將成為供水行業新的挑戰，而供水管網的水質化學穩定性也逐漸成為研究熱點。

1 化學穩定性的定義

供水管網的水質化學穩定性指的是在凈水廠的出廠水在進行輸配的過程中，在各種各樣的因素作用下，水中的各種化學物質之間或者與管道之間發生化學反應會使水體的穩定性發生改變，其中以各種化學變化為主，包括水解、氧化等化學作用。水質的化學穩定性研究主要關于水在供水系統中腐蝕或是結垢的傾向問題。一般情況下，水行業中定義CaCO3既不溶解也不沉淀的狀態為水質化學穩定性好。

2 化學穩定性的判別指數

現階段研究關于水質化學穩定的判別指數主要分為兩大類，一類主要是基于碳酸鈣溶解平衡的指數，其中主要有Langelier 飽和指數［1]、Ryznar 穩定指數［2]、AI 侵蝕指數等；另一類則是基于其他水質指標的判別指數，有LR 拉森比率［3]等。

2.1 基于碳酸鈣溶解平衡的判別指數

2.1.1 Langelier 飽和指數（LSI）

由碳酸鈣溶解平衡所得出的穩定性指數有很多，其中最早提出也是應用最廣泛的就是由朗格利爾（Langelier）所提出的飽和指數IL，又被稱為LSI。其定義式為:

pH 即水的實際pH 值，pHs 即水在碳酸鈣飽和平衡時的pH 值，稱之為飽和pH 值。Langelier 飽和指數是從熱力學平衡角度出發，在某一水溫下，水中溶解的碳酸鈣達到動態平衡狀態。以化學質量平衡為基礎，此時的水的pH 為一定值。當LSI=0 時，水質穩定；當LSI＞0 時，碳酸鹽處于過飽和，有結垢傾向。當LSI＜0 時，碳酸鹽未飽和，為腐蝕傾向。pHs 計算的一種常見方法是查表法，依靠待測水體的總堿度、鈣硬度、總溶解固體和水溫，通過查表得到所對應的常數值，代入式中進行計算。

2.1.2 Ryznar 穩定指數（RSI）

Langelier 飽和指數的計算公式中的熱力學數據是在水質條件簡單的理想條件下得出的，與復雜的實際情況顯然有所不同。所以在前人的基礎上雷諾茲（Ryznar）針對這個問題，又進行了大量的試驗研究之后推導出了Ryznar 穩定指數，這個指數是半經驗性的，又被稱為RSI，計算如下：

用Ryznar 穩定指數判斷水質化學穩定性的情況見表1。

表1 Ryznar 穩定指數判斷水質化學穩定性判別表

2.1.3 AI 侵蝕指數（AI）

侵蝕指數AI 是通過實際經驗總結出來以分析水質對含有水泥管材腐蝕性質的判別指數。水體對于某些管材的腐蝕過程，不能僅僅單純的考慮水體是否存在碳酸鈣的溶解平衡，仍需考慮鈣硬度和總堿度的影響。侵蝕指數AI 式計算如下：

式中：Ca 和Alk 分別代表所研究水體的鈣硬度和總堿度，都以mg/L（CaCO3）進行計量。

當AI＜10，水體對管材呈現出極高的腐蝕性；當AI=10～12，水體對管材具有中等程度的侵蝕性；當AI≥12，一般可認為水體對管材不具有腐蝕性。

2.1.4 LR 拉森比率（LR）

Skold 和Larson 在研究金屬尤其是鐵制管材的腐蝕速率時，發現碳酸氫根的存在對于抑制腐蝕起著獨有作用。他們研究后發現水體的腐蝕性是由水體中腐蝕性組分對于緩蝕性組分的比例取值決定，因此兩人在1957年合作提出了拉森比率（Larson Ratio）的定義，計算式如下：

拉森比率主要分析各種無機陰離子對腐蝕的影響。當LR值越低，一般認為水體的腐蝕性就越低。同時當拉森比例值小于0.2 時能夠使水體保持較低的腐蝕性，也有研究認為拉森比例在小于0.5 時也是可以接受的。

3 供水管網水質化學穩定性評價

本文收集了某城市2017年～2019年3年間東部沿海某市供水管網水的水質常規指標監測數據，對數據進行整理匯總后分別進行前文所述的化學穩定性指數計算及判別。

3.1 Langelier 飽和指數判別

圖1 Langelier 飽和指數年份及月份變化箱形圖

圖1 表示供水管網水LSI 指數按照年份及月份變化的箱形圖，由圖1 所示，管網水Langelier 飽和指數中位數于2017年～2019年間均保持在0 以上，主要位于0～0.5 區間，三年間變化較小。從季節變化分析可以看到LSI 指數在1月～6月呈現逐漸上升的趨勢，7月～12月呈現逐漸下降的趨勢，變化趨勢為倒“V”字型，根據判定依據呈現夏季結垢，冬季穩定的季節變化趨勢。

3.2 Ryznar 穩定指數判別

圖2 Ryznar 穩定指數年份及月份變化箱形圖

圖2 表示供水管網水RSI 指數按照年份及月份變化的箱形圖，由圖2 所示，管網水Ryznar 穩定指數中位數于2017年～2019年間均保持在7 以上，主要位于7～7.5 區間，三年間變化較小。從季節變化分析可以看到RSI 指數在1月～6月呈現逐漸下降的趨勢，7月～12月呈現逐漸上升的趨勢，變化趨勢為“V”字型，根據判定依據呈現冬季腐蝕，夏季穩定的季節變化趨勢。

3.3 AI 侵蝕指數判別

圖3 AI 侵蝕指數年份及月份變化箱形圖

圖3 表示供水管網水AI 指數按照年份及月份變化的箱形圖，由圖3 所示，管網水AI 侵蝕指數中位數于2017年～2019年間均保持在12 以上，主要位于12～12.5 區間，對于水泥砂漿管和水泥內襯金屬管無侵蝕性。從不同月份來看，AI 指數呈現1月～8月、12月份保持穩定，9月～11月降低的季節特性。總體而言，出廠水侵蝕指數AI 主要在每年的秋季出現低值，此時就需要在9月～11月加強對水泥砂漿管及水泥內襯金屬管腐蝕監控。

3.4 LR 拉森比率

圖4 LR 拉森比率年份及月份變化箱形圖

圖4 表示供水管網水LR 拉森比率按照年份及月份變化的箱形圖，由圖4 所示，管網水LR 拉森比率中位數于2017年～2019年間均保持在1 以上，主要位于1～2 區間，三年間變化較小。季節變化趨勢為1月～6月LR 拉森比率逐漸上升，6月～8月保持不變，9月～12月又再次上升。呈現夏、冬兩季高的季節變化特性。由箱式圖可以看出來6月、7月、8月三個月的LR拉森比率較其他月份有較大幅度的波動。

3.5 化學穩定性評價

經過對供水管網水質化學穩定性分析計算，得出四個化學穩定性判別指數的基本區間以及變化趨勢，將結果總結整理,見表2。

表2 水質化學穩定性評價表

4 水質化學穩定性的控制方法

控制水質化學穩定的方法主要分為兩類。一類是通過調整影響水體化學穩定性的水質指標，從而改變水體的化學穩定性；另一類則是通過監測、改進供水管網及管材來控制水質化學穩定性。

4.1 水質調節技術控制化學穩定性

（1）調節pH

pH 與水質化學穩定性關系密切，LSI 指數、RSI 指數、LR拉森比率都將直接受到pH 的影響，提高pH 可以有效的控制水質化學穩定性。常用的投加藥劑包括NaOH、Ca（OH）2、Na2CO3、NaHCO3，根據徐菲菲［4]的研究，在pH 為7.6 的水體中投加相同量的藥劑用來調整pH，效果由大到小依次為NaOH＞Ca（OH）2＞Na2CO3＞NaHCO3。也可以利用曝氣的手段來去除CO2，從而使水體的pH 升高。

（2）調節堿度和硬度

利用再礦化技術可以有效提高供水管網的硬度和堿度，常用的方法有：純堿與石灰聯用；二氧化碳與石灰或石灰石聯通；硫酸鈣氯化鈣與碳酸氫鈉聯用等。根據張芳［5]的研究利用氯化鈣和碳酸氫鈉的聯用對于水體硬度和堿度提升有限，而且會引入影響拉森比率LR 的腐蝕離子（Cl-）。該方法多用于工業水處理且適用于溶解性總固體大于200 mg/L 的情況。根據劉怡［6]等人的研究，利用二氧化碳與石灰聯用的再礦化技術可以有效提高水體硬度與堿度，并能夠對混凝、沉淀和臭氧生物活性炭過濾等水處理工藝帶來積極作用。

4.2 改進管網和管材控制化學穩定性

（1）加強管網水質監測工作。在供水管網中增設水質監測點，重點監測影響水質化學穩定性的水質指標，根據水質變化情況對水處理工藝進行實時調整。同時也要加強管網的腐蝕檢查與維護。

（2）改進供水管網所用管材。對于超出使用年限的管段要及時更換新的管材，盡量使用PE 管、UPVC 管以及復合塑料管等新型管材增強管道抗腐蝕能力［7]。

5 結論與建議

（1）研究某市供水水質化學穩定性，計算分析得到其LSI指數位于0～0.5 區間，均值0.2；RSI 指數位于7～7.5 區間，均值7.44；AI 侵蝕指數位于12～13 區間，均值12.26；LR 拉森比率位于1～2 區間，均值1.69。

（2）利用水質調節技術可以控制化學穩定性，通過投加藥劑或者曝氣技術可以調節pH，又礦化技術可以提升水體的硬度與堿度。

（3）通過加強水質監測，優化管網和改進管材可以有效提升管道抗腐蝕能力，從而控制水質化學穩定性。