水质变化对某市供水管网中铁释放的影响及控制作用研究

38城镇供水NO.42017CITYANDTOWNWATERSUPPLY·水质分析与监测·水质变化对某市供水管网中铁释放的影响及控制作用研究杨晓亮1姜海英2宋武昌1王瑞彬2孙韶华1贾瑞宝1（1.山东省城市供排水水质监测中心，山东济南250021；2.济南水务集团有限公司，山东济南250101）摘要：为研究某市供水管网中铁释放的控制技术措施，对管龄为20～30年的灰口铸铁管内壁的腐蚀瘤进行分析，主要组成物质为Fe3O4和FeOOH；利用实验室管段动态模拟反应器，选择腐蚀较严重的铸铁管进行浸泡试验，定量分析了水中无机化学水质参数的变化对水中铁释放能力的影响，并推导出该市管网铁临界释放速率。试验结果表明：铁释放速率与水中pH值、碱度浓度呈负相关性，与氯离子和硫酸根离子含量呈正相关性。对于此类水体，铁的临界释放速率为0.375mg/（m2·h），控制铁稳定的条件为pH大于7.5，碱度大于250mg/L，氯离子浓度小于94mg/L，硫酸根离子小于146mg/L。关键词：铁释放pH碱度氯离子硫酸根供水管网近年来，随着城镇净水厂处理工艺的逐步升级改造，出厂水水质不断提高，然而由于出厂水在管网中停留时间较长，使得出厂水同管道内壁发生一系列化学、生物反应，造成出厂水从出厂到用户其浊度、色度等水质指标逐渐恶化，问题严重时，会引起管壁的铁离子大量释放，进而引发“黄水”现象，造成供水管网二次污染问题时有发生[1～2]，严重影响居民的饮用水安全。在实际供水管网中，金属管壁长期与水接触易造成管道腐蚀生成腐蚀瘤，当水的速度、压力突然变大或水流方向发生改变时，管内壁腐蚀瘤的平衡被破坏，造成腐蚀瘤内部铁的二价及三价化合物释放到水中[3]，是引起管网水质恶化主要原因。而我国城市老旧供水管网普遍存在以铸铁管材为主，存在水质差异较大、多水源频繁切换、管网老化及管网材质复杂等问题，造成铁释放引起的“黄水”问题突出，因此研究铁释放现象的主要影响因素，对控制管网水中铁的释放，降低管网水的二次污染有重要意义。笔者选取某市典型供水管网采集的老旧铸铁管道为研究对象，利用设计加工的管道动态反应器，研究了不同水质化学条件下管段的铁释放量，分析了管段腐蚀产物的微观形态结构和化学组成特征，进而明确了该市供水管网中“黄水”形成机制，为当地供水管网铁稳定性控制提供理论与技术支持。1.试验装置及方法1.1管垢分析材料与方法根据某市供水管网实际状况，以最为典型的灰口铸铁管为研究对象，利用扫描电镜（AxioObserver.A1m型研究级倒置金相显微镜）、XRF（ZSXPrimusII型全自动扫描型X射线荧光光谱仪）、X射线衍射（D/max-rB型X射线衍射仪）等手段，对该市供水管网中管龄为20～30年的铸铁管内壁进行微观结构、元素组成和化学成分分析。1.2试验装置及方法试验管材选用当地供水管网中管龄20年、城镇供水NO.4201739CITYANDTOWNWATERSUPPLY·水质分析与监测·DN50的铸铁管材，将其加工成长20cm，宽5.2cm的挂片，将外壁进行环氧树脂涂层处理（见图1）。通过管道动态模拟反应器（见图2）实现管网实际流态的模拟，管件挂片通过电机联动保持与水的剪切力，并保证混合均匀，电机转速25r/min，挂片处的水流流速约为0.1m/s。图2装置示意图图1试验管件1.3管网水质状况采用某市政管网水为试验水样，其主要水质参数如表1所示：1.4水质检测项目与方法pH：pHB-4型便携式pH计；浊度：HACH2100N散光浊度仪；碱度：酸碱指示剂滴定法；Cl-：离子色谱法；SO42-：离子色谱法；Fe：火焰原子吸收分光光度法。2.结果与讨论2.1管垢特性分析对管段内壁的腐蚀瘤分析表明，在肉眼观察下，铸铁管内壁腐蚀瘤分布均匀，厚度基本在0.2～2cm之间，有明显的三层结构，最外层为约0.5mm厚的黄褐色或红褐色粉末状薄滑层，中间为黑色坚硬致密的金属层，最内层为酥松的黄褐色或深褐色固体（见下页图3）。而进一步通过扫描电子显微镜分析腐蚀瘤各层的微观结构（见下页图4），管垢呈针状或石林状，内部为疏松多孔结构，在实际供水管网中，一旦外部致密层被破坏，易导致管网中的铁释放。通过X射线能谱仪对腐蚀瘤产物分析表明（见表2），腐蚀瘤主要由铁的各种氧化物组成，其主要物相为α-FeO（OH）、Fe3O4、CaCO3，其中铁含量为83.3%（以Fe2O3计），主要来源于腐蚀金属管壁，其次是钙，其含量为8.44%（以CaO计），主要化学元素的含量依次为Ca、Si、S、Al，但含量均较低，均在1%以下。上述结论与牛璋彬[4]、周韬[5]、SarinP[6]等研究结果基本一致。表1管网水质项目pH碱度浊度色度Cl-SO42-Fe溶解氧单位mg/LNTUmg/Lmg/Lmg/Lmg/L范围7.43～7.8716