以地下水為水源的飲用水分層結(jié)垢分析

鹿欽禮，馬貴陽(yáng)*，王青梅，郭宏亮，楊 超

（1.遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001；2.中國(guó)石化集團(tuán)河南石油勘探局，河南南陽(yáng)473132；3.大連港油品碼頭公司，遼寧 大連 116600）

以地下水為水源的飲用水分層結(jié)垢分析

鹿欽禮1，馬貴陽(yáng)1*，王青梅2，郭宏亮2，楊 超3

（1.遼寧石油化工大學(xué)石油天然氣工程學(xué)院，遼寧 撫順 113001；2.中國(guó)石化集團(tuán)河南石油勘探局，河南南陽(yáng)473132；3.大連港油品碼頭公司，遼寧 大連 116600）

很多地區(qū)采用地下水為飲水水源，飲用水在加熱過程中，出現(xiàn)分層結(jié)垢現(xiàn)象，下層為白色沉淀，上層為白色晶體片狀漂浮物，對(duì)飲水安全形成了一定的負(fù)面影響。通過實(shí)驗(yàn)分析，確定了水中所含離子的性質(zhì)及含量，得出了水中存在的形成垢質(zhì)的主要成分為鈣鎂硬度和碳酸鹽堿度。在結(jié)垢離子含量達(dá)標(biāo)的情況下，對(duì)分層結(jié)垢機(jī)理給予了科學(xué)合理的解釋，消除了飲水安全顧慮，為水處理設(shè)施改造和建設(shè)提供科學(xué)依據(jù)。

分層結(jié)垢；漂浮物；鈣鎂硬度；碳酸鹽堿度；氣浮作用

河南油田生活飲用水取自于150~300 m左右地下水，經(jīng)過簡(jiǎn)單處理過程，并經(jīng)二氧化氯消毒后，用于生產(chǎn)和日常生活。然而自來水在使用過程中，出現(xiàn)分層結(jié)垢現(xiàn)象，下層為白色沉淀，上層為白色晶體片狀漂浮物，對(duì)正常的生產(chǎn)過程和生活需要形成了一定的影響。為消除飲用水中存在的安全隱患，保障人們的身體健康，必須對(duì)原水及處理后自來水進(jìn)行全面系統(tǒng)的分析，分析水中是否存在的有害成分，尋求結(jié)垢的原因和垢質(zhì)的主要成分，論證水質(zhì)及垢質(zhì)對(duì)人體健康的危害。根據(jù)實(shí)驗(yàn)分析和論證結(jié)論，從人類健康和安全生產(chǎn)的角度為水處理設(shè)施改造提供科學(xué)依據(jù)。

1 水質(zhì)狀況分析及主要儀器

1.1 水質(zhì)狀況分析

地下水中經(jīng)常含有的陽(yáng)離子為鈣、鎂、鐵、錳等，陰離子主要有碳酸氫根、碳酸根、硫酸根、氯、氟等，常規(guī)檢測(cè)中除上述主要離子外，經(jīng)常檢查的還包括飲用水安全的毒理性指標(biāo)，主要有鉻、鉛、砷化物等重金屬離子[1]。其中鈣、鎂離子以游離態(tài)存在，在碳酸系堿度存在情況下，加熱后易于形成白色沉淀，鐵、錳離子在水中呈現(xiàn)游離態(tài)或絡(luò)合態(tài)，與陰離子結(jié)合多形成具有一定顏色的沉淀或漂浮物質(zhì)。另外，如果地下水遭受有機(jī)物污染，有機(jī)物在加熱過程中，發(fā)生絡(luò)合作用，也會(huì)形成漂浮物[2]。

1.2 主要儀器

根據(jù)河南油田提供的水樣對(duì)水的各種指標(biāo)進(jìn)行化驗(yàn)分析。

采樣地點(diǎn)：進(jìn)廠水、出廠水、管網(wǎng)水和S1井水

執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)：《水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法》（第四版）提供的標(biāo)準(zhǔn)方法[3]。

實(shí)驗(yàn)設(shè)備：pH值測(cè)定儀、UV754型紫外-可見光光度儀、HH-6型COD測(cè)定儀、3510型原子吸收光譜儀和分析天平等。

1.3 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

分析過程采用原子吸收光譜法及滴定分析法等相結(jié)合的方式，對(duì)水樣中能夠結(jié)垢的成分進(jìn)行定性、定量分析。為保證分析問題的針對(duì)性，在對(duì)原水水樣進(jìn)行結(jié)垢成分分析的基礎(chǔ)上，將水樣煮沸時(shí)上層漂浮物質(zhì)和底層形成的沉淀進(jìn)行分離析出，放至烘箱內(nèi)烘干，在分別以鹽酸溶液溶解后，再通過上述方法進(jìn)行成分確認(rèn)。

通過原子吸收光譜分析及滴定分析等實(shí)驗(yàn)手段，得出了能夠在水中形成垢質(zhì)的主要物質(zhì)成分及其含量，將水樣中主要成分列于表1中。實(shí)驗(yàn)分析顯示，鐵、錳、鋅、鉻、鉛等金屬離子含量很低，遠(yuǎn)小于國(guó)家生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)，CODMn值反映有機(jī)物污染狀況，該值≤5（國(guó)標(biāo)要求值），不存在有機(jī)物污染情況。鈣、鎂離子及碳酸系堿度較高，但均不超過國(guó)家生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)[1]。

表1 水質(zhì)分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果Table 1 Water quality analysis results mg/L

為進(jìn)一步驗(yàn)證垢質(zhì)組分，將進(jìn)廠水水樣 1 000 mL煮沸冷卻，分離上層漂浮物質(zhì)和底層沉淀物，分別以鹽酸溶液消解，進(jìn)行原子吸收光譜分析，測(cè)定漂浮物及沉淀物質(zhì)成分及含量，詳見表2。

表2 進(jìn)廠水垢質(zhì)組分情況Table 2 In plant water scale components

2 分層結(jié)垢機(jī)理及對(duì)人體健康影響

2.1 結(jié)垢物質(zhì)來源分析

地下水中大多含有鈣鎂離子，構(gòu)成了水中的硬度，是形成垢質(zhì)的主要物質(zhì)，鐵、錳、鋇等金屬離子也會(huì)與一些陰離子結(jié)合形成垢質(zhì)[4]。通過對(duì)河南油田地下水多個(gè)水樣的分析，結(jié)果顯示各項(xiàng)指標(biāo)均符合國(guó)家生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)，沒有超標(biāo)物質(zhì)。但實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示地下水總硬度在140~200 mg/L，鈣離子濃度在40~60 mg/L，鎂離子濃度在10~15 mg/L，屬于中度硬度的水；油田地下水碳酸系總堿度在 250 mg/L左右，而一般地下水的總堿度在120~180 mg/L之間，堿度顯著偏高。中度硬度的水遇到較高濃度的碳酸系堿度，在加熱情況下必然發(fā)生反應(yīng)，形成的物質(zhì)即為白色懸浮物。

2.2 結(jié)垢分層機(jī)理

鈣、鎂、鋇等金屬離子在加熱沸騰情況下，與碳酸系堿度發(fā)生反應(yīng)，多以 CaCO3、MgCO3（不穩(wěn)定，易轉(zhuǎn)化為Mg（OH）2）和BaCO3形式沉淀析出，且其溶解度隨溫度升高而增加，表現(xiàn)為水樣沸騰時(shí)，底部沉淀量不多，在降溫之后，沉淀量逐漸增加。

通過對(duì)垢質(zhì)形成過程的分析，結(jié)垢分層現(xiàn)象是水中多種結(jié)垢離子、碳酸系堿度及溶解性氣體共同作用的結(jié)果。其對(duì)應(yīng)的金屬離子與 HCO3-在加熱條件下逐漸形成對(duì)應(yīng)的碳酸鹽微小晶體，雖然這些碳酸鹽的比重都＞1，但是水樣加熱升溫過程中，水樣中溶解性氣體不斷以微氣泡的形式析出，微氣泡與微小晶體碰撞結(jié)合，形成氣浮作用，使得原本比重就不是很大的微小晶體在微氣泡的浮力作用下出現(xiàn)部分上浮現(xiàn)象。同時(shí)伴有水溫升高導(dǎo)致的強(qiáng)對(duì)流過程，這些微小晶體在水中相互碰撞，同種類晶體碰撞后易于結(jié)合，產(chǎn)生了絮凝作用，形成稍大的絮凝體，同時(shí)不斷捕獲其周圍的其他游離同種（或異種）微小晶體，顆粒增大重力增加，形成了白色沉淀。

水中溶解性氣體的來源主要有3個(gè)方面：水中碳酸系堿度加熱分解形成的二氧化碳；地下水中的溶解氧（DO）；水中溶解的其他氣體。

加熱過程中，微氣泡形成主要原因是溫度升高時(shí)，溶解性氣體DO、N2的溶解度逐漸降低，同時(shí)升溫使得部分 HCO3-發(fā)生反應(yīng)形成CO2氣體，主要反應(yīng)式：HCO3-+ H+→H2CO3→CO2↑+ H2O[4]。同時(shí)水樣沸騰時(shí)形成強(qiáng)對(duì)流過程，會(huì)攜帶部分空氣進(jìn)入水樣當(dāng)中，增加氣泡析出的數(shù)量。這樣，小部分微小晶體被微氣泡包裹，在浮力作用下形成白色漂浮物；而絕大多數(shù)微小晶體，在顆粒間的碰撞過程中產(chǎn)生絮凝作用，形成比重較大的絮凝體，形成白色沉淀。

2.3 對(duì)人體健康的影響

鈣鎂離子并不對(duì)健康造成直接危害，而且飲適度硬水，有益健康。但是會(huì)給生活帶來很多麻煩，如用水器結(jié)垢，肥皂清潔劑效率低，皮膚干燥，衣物發(fā)硬等。水中鈣、鎂等金屬離子可通過離子交換法、藥劑軟化法和膜分離法等方法去除[5]。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過以上實(shí)驗(yàn)分析及結(jié)垢機(jī)理論述，可以得出如下結(jié)論：

（1）河南油田生活飲用水中重金屬離子含量很低，無超標(biāo)現(xiàn)象；

（2）很多以地下水為水源的生活飲用水，在使用過程中形成的白色沉淀及白色漂浮物為 CaCO3、Mg（OH）2及少量 BaCO3，上層漂浮物成分與之相同，為特定條件下（即加熱）物化作用的結(jié)果；

（3）從檢測(cè)數(shù)據(jù)看，河南油田地下水水質(zhì)類型為Ca(HCO3)2-Na型水，其中鈣、鎂離子含量較高，堿度偏高，但不超過國(guó)家生活飲用水標(biāo)準(zhǔn)，其他主要陽(yáng)離子及部分陰離子含量很低，符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

[1] GB 5749—2006 中華人民共和國(guó)生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)[S]．

[2] 陸柱，陳中興.水處理技術(shù)[M].上海：華東理工大學(xué)出版社，2006．

[3] 國(guó)家環(huán)境保護(hù)總局.水和廢水監(jiān)測(cè)分析方法[M].北京：中國(guó)環(huán)境科學(xué)出版社，2002．

[4] 黃君禮.水分析化學(xué)[M]. 3版.北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

[5] 楊云龍，盧建國(guó). 飲用水硬度去除效果試驗(yàn)研究[J].山西建筑，2007，36：11-12．

Drinking Water From Underground Water Layer Scaling Analysis

LU Qin-li1，MA Gui-yang1*，WANG Qing-mei2，GUO Hong-liang2，YANG Chao3
(1．Academy of Petrol and Natural Gas Engineering, Liaoning Shihua University, Fushun Liaoning 113001，China；2．China Petroleum & Chemical Corporation He-nan Oil Exploration Bureau, Nanyang Henan 473132，China；3．Dalian Port Oil Terminal Company, Dalian Liaoning 116600，China）

Many areas use the ground water as the potable water source, the tap water in the heating process presents the lamination scaling phenomenon, the lower level is white precipitates, the upper formation is the white crystal shape floating matter, it has formed certain negative influence safely to the potable water. In this paper, ions and their properties in the water were analyzed by experiments. The results show that formation of the scale principal constituent depends on calcium-magnesium hardness and carbonate alkalinity in the water. At last, the science reasonable explanation to the lamination scaling mechanism was given, which can eliminate worry about drinking water safety and provide a scientific basis for transformation and construction of the water treatment facility.

lamination scale; floating matter; calcium-magnesium hardness; carbonate alkalinity; flotation

TQ 085+.1

A

1671-0460（2011）01-0023-03

2010-08-25

鹿欽禮（1977-） 男，講師，碩士，吉林白城人，研究方向：主要從事長(zhǎng)輸管道輸送技術(shù)及給排水管網(wǎng)優(yōu)化運(yùn)行的研究。E-mail：luqinli@sina.com，電話：0413-6861812。