城市供水水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性的影響因素綜述

劉濤利

（天津生態(tài)城能源投資建設(shè)有限公司天津300467）

水質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性是指水在管道輸送過程中既不結(jié)垢又不腐蝕管道，在水工業(yè)中常被定義為既不溶解又不沉積碳酸鈣。水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性主要表現(xiàn)為腐蝕性和結(jié)垢性兩方面，根據(jù)調(diào)查，我國供水行業(yè)中水質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定問題普遍存在，又以腐蝕問題更為嚴(yán)重[1]。

腐蝕性的水在管網(wǎng)中不僅會腐蝕金屬管道，縮短管道的使用壽命，還會增加管材的維護、更換費用[2]，而且當(dāng)供水管網(wǎng)內(nèi)水流狀況發(fā)生突然變化時，管道內(nèi)壁的腐蝕產(chǎn)物很可能脫落到自來水中，產(chǎn)生一些“紅水”、“黃水”現(xiàn)象[3]。因此，提高供水管網(wǎng)的水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性，控制管網(wǎng)的腐蝕，對保護管網(wǎng)和提高管網(wǎng)水質(zhì)具有雙重意義。

1 水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性的判別

為了對水質(zhì)的腐蝕性和結(jié)垢性進行控制，必須要有一個能評價水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性的指標(biāo)體系，以便對水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性進行鑒別，從而采取相應(yīng)的穩(wěn)定性控制措施。水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性的判別指數(shù)分為兩大類，一類主要是基于碳酸鈣溶解平衡理論為基礎(chǔ)的指數(shù)，主要是Langelier飽和指數(shù)和Ryznar穩(wěn)定指數(shù)。此類指數(shù)的指標(biāo)值與水中的堿度、硬度、溶解性總固體等指標(biāo)有關(guān)，其中推薦Langelier飽和指數(shù)范圍為±0.5，當(dāng)超過±0.5時，應(yīng)該采取措施。Ryznar穩(wěn)定指數(shù)也有相應(yīng)的判別值。

另一類則是基于其它水質(zhì)參數(shù)的指數(shù)，如Larson比率等。其反應(yīng)式為：LR([Cl-]+[SO42-]/[HCO3-]，其考慮到了氯離子和硫酸根等無機陰離子對腐蝕的影響。

以上兩類指標(biāo)的判別，或直視簡單的從理論或從經(jīng)驗出發(fā)，以水中某幾個化學(xué)指標(biāo)的變化來判別水質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定，通過指標(biāo)值的計算，大體上可以判斷對水質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性，但是水中的化學(xué)成分很復(fù)雜，影響機理也多種多樣，而且水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性的影響不僅受水質(zhì)的影響，還受水源、管材、水處理工藝等因素的影響。

2 影響管網(wǎng)水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性的因素

2.1 水源的影響

地下水出廠水與地表水出廠水相比較，總硬度，溶解性總固體、硫酸鹽、氯化物等含量較高。因此，從兩類判別指標(biāo)的影響因素來看，一般地下水的腐蝕性要大些。

海水淡化水中的氯化物、硫酸鹽、硬度、堿度、溶解性總固體、總硬度等值均遠小于自來水的。所以其Langelier飽和指數(shù)也很小，飽和性很低并具有嚴(yán)重腐蝕傾向，易造成管網(wǎng)腐蝕，產(chǎn)生“黃水”現(xiàn)象[4]。

為了應(yīng)對突發(fā)性水源污染事件，我國多地水廠均采用多水源供水，但水源在切換的過程中也能造成水質(zhì)的變化。在換水過程中新水源水與原水源水在化學(xué)組分上的差異，可能會引起穩(wěn)定性判別指數(shù)的變化，進而會破壞管垢原有的平衡，同時加劇鐵制管道的腐蝕，使鐵溶解并積累沉積，最終會導(dǎo)致管網(wǎng)水因鐵銹增多而變紅，產(chǎn)生“黃水、紅水”現(xiàn)象。例如天津市和石家莊市在切換水源的過程中，就曾出現(xiàn)過大范圍的黃水問題[5,6]。

2.2 管材的影響

自來水的管網(wǎng)水與出廠水的水質(zhì)相比較，影響水質(zhì)穩(wěn)定性的水質(zhì)指標(biāo)溶解性總固體和總硬度等的含量一般會增大。因此，水質(zhì)變化情況與所用管材關(guān)系密切。

目前常用的管材有金屬管道、塑料管材和復(fù)合管等。其中舊管網(wǎng)大多采用鑄鐵管，而其輸送介質(zhì)水由于含有好多化學(xué)成分和離子，本身就有一定的腐蝕性，同時供水管網(wǎng)中的消毒劑余氯離子也增加了水對管道的侵蝕性，所以水在管內(nèi)流動過程中易形成管內(nèi)腐蝕現(xiàn)象，導(dǎo)致水產(chǎn)生鐵銹等。而塑料管和復(fù)合管，隨著時間的延長，一定程度上也會溶解到水中一些化學(xué)物質(zhì)，但從水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性的定義來看，其主要指的是金屬管道，塑料管道和復(fù)合材料管道的水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性要好得多。以下文中提到的也主要是指金屬鑄鐵管道。

2.3 管網(wǎng)中某系水質(zhì)指標(biāo)的影響

給水鑄鐵管網(wǎng)腐蝕現(xiàn)象與管網(wǎng)水質(zhì)密切相關(guān)，大量研究表明溶解氧濃度、溫度、余氯和細菌等水質(zhì)參數(shù)對管網(wǎng)腐蝕起著重要的影響。

（1）溶解氧

溶解氧作為水中重要的氧化劑，影響著鐵制管網(wǎng)的腐蝕。研究表明，高溶解氧濃度條件下，鐵制管道腐蝕小；而低溶解氧濃度條件下，鐵制管道腐蝕較大[7]。因為在低含氧量情況下，管網(wǎng)水的氧化性降低，還原性增強，所以開始是沉淀的三價鐵銹垢外部可能成為電子受體，被還原成溶解度高的二價鐵化合物，隨后管垢內(nèi)部也會被慢慢被還原腐蝕，最終導(dǎo)致整個管垢被破壞腐蝕，造成大量鐵釋放。

（2）溫度

根據(jù)氧的溶解度原理，溫度越高，水中的溶解氧含量越低，反之高。所以，溫度的變化會影響到溶解氧的變化，進而影響管網(wǎng)的腐蝕。另外，根據(jù)化學(xué)動力學(xué)規(guī)律，水溫的變化也會影響溶解氧和離子在水中的擴散速度，進而引起水溶液的電阻的變化，影響管網(wǎng)腐蝕的速度。經(jīng)驗表明，水溫過高，管網(wǎng)的腐蝕速度會加快。

（3）細菌

自養(yǎng)型鐵細菌生長繁殖過程中，會吸收大量亞鐵鹽，代謝產(chǎn)物為氫氧化鐵，其逐漸沉積致使管壁結(jié)垢；管壁上附著一定量的細菌生物膜為防止腐蝕可以起到一定的屏障作用，但是生物膜也可以形成一種大小不均的曝氣間，使氧濃度和電位勢發(fā)生局部變化，致使生物膜內(nèi)的生物同時可以吸收溶解金屬，造成管道的腐蝕。所以，管網(wǎng)中要保證有一定濃度的消毒劑，來控制細菌的數(shù)量。

（4）余氯

高濃度的余氯具有強氧化性[8]，可以使管垢形成致密層，防止鐵的釋放。而余氯含量過低，其消毒效果會降低，對細菌的殺滅作用減小，大量的鐵細菌會在管壁上滋生，對管壁產(chǎn)生腐蝕作用。所以，管網(wǎng)中要保證有一定濃度的余氯。

2.4 常規(guī)水處理工藝對水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性的影響

研究表明水廠的源水對金屬管道不一定有太大的腐蝕性，而水的腐蝕性往往是在水處理過程中增強的[9]。混凝工藝中，無機聚合鋁鹽或鐵鹽混凝劑的投加，會導(dǎo)致水的pH值和堿度下降。另外混凝劑本身所包含的氯離子、硫酸鹽釋放到水中，判別指數(shù)Larson比率增大，管網(wǎng)水質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性會變差，從而加劇對金屬管道的腐蝕[10]；現(xiàn)在水廠最常用的消毒方式是液氯消毒，而采用液氯消毒時，液氯與水反應(yīng)生成HOCl和HCl，會中和水中的一部分堿度，使水的pH值和堿度降低，使Langelier飽和指數(shù)降低。另外，水中氯離子濃度也會增加，使判別指數(shù)Larson比率增大，進而會造成管網(wǎng)水的化學(xué)穩(wěn)定性變差，腐蝕性增強。

3 水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性的控制方法

（1）加快對輸水干管的改造，盡快更新超出使用年限的管段，盡量采用PE管、UPVC管、以及塑料復(fù)合管等新型管材。

（2）加強管網(wǎng)水質(zhì)監(jiān)測工作?？梢栽诠芫W(wǎng)中設(shè)置在線水質(zhì)監(jiān)測點，隨時監(jiān)測影響管網(wǎng)水質(zhì)穩(wěn)定性的水質(zhì)指標(biāo)的變化情況，并及時根據(jù)變化情況，對水處理工藝做出調(diào)整，加強對管網(wǎng)的維護，降低水質(zhì)變化對管網(wǎng)的腐蝕。

（3）定期對管網(wǎng)進行沖洗消毒，保證管道內(nèi)壁的清潔。對給水管網(wǎng)內(nèi)壁已發(fā)生腐蝕的，尤其用戶投訴黃水問題較多的區(qū)域，要增加沖洗頻率。

（4）改進常規(guī)處理工藝

混凝階段，投加 NaHCO3、Na2CO3、NaOH、石灰等堿性物質(zhì)來調(diào)節(jié)水的pH值。但考慮到石灰來源廣泛，價格低廉，也易于控制，盡量采用投加石灰的方法，調(diào)節(jié)水的pH值；

當(dāng)水中CO2濃度很高時，可以曝氣去除CO2，使得[H2CO3]/[HCO3]的比值降低，從而使水體的pH值升高；

相對于液氯消毒，次氯酸鈉消毒，水解過程中會產(chǎn)生一定的堿度，能提高Langelier飽和指數(shù)，從而提高水的穩(wěn)定性；二氧化氯溶于水，它幾乎不與水發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，對水pH值的影響也很小。所以可采用這兩種消毒方法代替氯消毒。

（5）水源方面的控制

由于地表水和地下水水質(zhì)差異較大，在進行水源切換時，地表水源和地下水源盡量不要摻混，即使摻混也要經(jīng)試驗得出合適的摻混比例。

切換水源過程中，可以通過提高pH值、增加堿度、投加緩蝕劑、嚴(yán)格保證余氯指標(biāo)等方法來控制管網(wǎng)水質(zhì)穩(wěn)定性，減輕“紅水”現(xiàn)象。

根據(jù)海水淡化水的不飽和性及強腐蝕性，建議可以通過三種方法來降低其對管網(wǎng)的腐蝕。一是，應(yīng)優(yōu)先選用防腐較好的管材，如PE管材等進行輸送；二是，對淡化水的pH、硬度和堿度等指標(biāo)進行調(diào)節(jié)，然后再進行輸配，以保證其在管網(wǎng)中的化學(xué)穩(wěn)定性；三是，按照一定的比例和腐蝕性小的地表水進行摻混后，再進行輸送。

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