某市给水管网中铁释放现象影响因素与控制对策分析.doc

某市给水管网中铁释放现象影响因素与控制对策分析牛璋彬 ，王洋 ，张晓健 ，何文杰 ，韩宏大 ，阴沛军(1．清华大学环境科学与工程系，北京100084；2．天津市自来水集团有限公司，天津300040)摘要：针对某市管网水中铁浓度的变化规律进行了系统的研究，确定了管垢向管网水中释放出的铁是管网水中铁超标的主要原因．研究中发现铸铁管和镀锌钢管中管垢的主要化学组分为铁．在给水管网中，管网水的溶解氧和余氯浓度低时，对应的管网水中铁释放现象严重，其原因是还原条件使管垢表面的致密钝化层被破坏，造成二价铁的大量释放．根据试验结果提出了给水管网中铁释放和“红水”现象的控制对策．关键词：给水管网；铁释放；管材；溶解氧；余氯目前，尽管很多水厂为了提高自来水水质采用了预处理和深度处理等工艺，但是用户出水仍然会出现浊度、铁含量和细菌总数超标的现象．美国自来水协会研究基金会(AWWARF)通过对其国内的100家大型水厂进行调研，认为现阶段给水管网中最普遍的问题就是由于铁制管材的腐蚀和铁释放现象引起的“红水”问题．铸铁管、钢管、镀锌钢管等铁制管材广泛地应用于我国的给水管网中，用户出水铁超标现象和出现“红水”问题普遍存在，“红水”现象给用户感观上带来不悦，是用户普遍投诉的问题．管网水的铁超标原因主要包括：①使用铁盐混凝剂；②管网中铁制管材腐蚀过程中生成的铁离子；③管壁管垢向管网水中过量释放铁．铁的腐蚀和释放是2个不同的现象．在铁管内表面发生腐蚀后，由于管垢铁锈的表面钝化层作用阻断了腐蚀过程中带电粒子的转移，破坏了腐蚀电池，从而阻止了铁制管材的进一步腐蚀，进入相对稳定状态．但是，如果管网水状态发生变化，钝化层被破坏，则大量的管垢铁锈物质将溶于水中，形成管垢向管网水中释放铁，也称铁释放现象，它不仅造成管网水铁含量超标，同时也大大加速了铁管的腐蚀速度 ．给水管网中铁释放现象的机理与控制对策是当前国际上管网水化学稳定性研究的热点问题．本文分析了我国北方某市用户出水中铁含量超标的原因，研究了该市给水管网中铁释放现象的主要影响因素，探讨了“红水”产生的原因和铁释放现象的控制对策．1 材料与方法1．1 取样点选取本试验采用现场实地采样分析的方法，沿北方某市给水管网中一条主干管进行取样分析(取样点布置见图1)，主干管的管材为铸铁管(使用年限为10a左右)，采样点分为出厂水、管网中间点(取样点1～7)和管网末梢点(取样点8、9)．根据该市的管材使用情况，选取了无衬铸铁管、有衬铸铁管(管内壁涂有水泥砂浆衬里)、PVC管3种管材组成的管网进行管材影响分析(取样点设在不同的小区内)．1．2 管垢分析方法选取该市给水管网中DN400的铸铁管和DN15的入户镀锌钢管上的管垢进行分析．使用KYKY一2800型扫描电镜(Scanning Electron Microscopy，SEM)观察管垢的微观结构，使用XRF一1700顺序式x 射线荧光光谱仪(X—ray Fluorescencespectroscopy，XRF)测定管垢的化学成分．1．3 水质参数检测方法溶解氧和余氯采用SenslON系列溶氧仪和联邻甲苯胺比色法现场测定 ．铁含量采用国标规定的邻菲啰啉分光光度法，取样前在100mL取样瓶内加2mL lmol／L的盐酸．2 结果与分析2．1 用户出水铁超标原因分析2．1．1 出厂水与管网水铁含量分析国家《生活饮用水水质规范》中规定的铁含量为0．30mg／L，调查发现采样点的铁含量超标率达到66．7％ ，有些取样点的铁含量甚至超过lmg／L．管网中间点和末梢点管网水的铁含量比水厂附近取样点高．该市的水厂使用聚合氯化铁为混凝剂，但水厂出水的铁含量在0．23～0．26mg／L的范围内．可知，管网中铁含量超标不是由于使用铁盐混凝剂造成的．2．1．2 管垢物理结构和化学成分分析由图2和图3可以看出，管内壁都有一层较厚的管垢．其厚度在0．5～3cm之间不等，外观结构凹凸不平，特别是铸铁管的管垢中包括许多瘤状物．管垢表面颜色基本上都是棕红色，内部颜色有黑色与棕红色2种．管垢的外部比较致密，内部则比较松散．在扫描电镜下，对管垢内部的微观形态进行观察，由图4可以看出，管垢内部为疏松多孔结构，且表面积大．由上可知，在管网中，一旦外部致密层被破坏，内部铁锈很容易发生铁释放现象进入管网水．使用XRF对管垢化学成分分析结果见表2．由表2可知，该市给水管网管垢的主要化学成分是铁元素，其铁含量(以铁计)分别为64．83％ 和66．59％ ，而钙、镁、铝等其它金属元素含量很少，都不超过1％．以上测试结果与文献中吴红伟和Sarin等人研究结果相似．McNeill和Sarinn 认为这些管垢并不是由于自来水中所含铁沉积而形成的，而是在铁制管材腐蚀过程中生成的腐蚀产物经过复杂的物理化学变化形成的．管垢在铁释放现象中起着重要的作用，是铁释放现象中铁的来源．由以上分析可知，该市管网水铁超标的主要原因是发生在给水管网中的铁释放现象．2．2 铁释放现象影响因素分析影响管网水铁释放的主要因素有：溶解氧、余氯、pH值、碱度、温度、管道材质及其新旧程度等．在实际管网测试中，管网水的pH、碱度等水质参数基本保持不变，发生较大变化的水质参数是溶解氧和余氯．因此本文重点讨论管材、溶解氧和余氯对铁释放现象的影响．2．2．1 管材对铁释放的影响无衬铸铁管、有衬铸铁管(管内壁涂有水泥砂浆衬里)、PVC管是常用的典型管材．试验共设置4个取样点，其中选取采样点A为PVC管，采样点B为有衬铸铁管，采样点C也为有衬铸铁管，采样点D为无衬铸铁管．为了便于不同管材对铁释放影响的比较，设定的采样点A与采样点B距水厂的距离相同，采样点C与采样点D距水厂的距离相同．采样点C、D的距离远大于采样点A、B．不同取样点的管网水中铁含量比较见表3．可以看出，在管线长度相当的前提下，PVC管中的铁含量小于有衬铸铁管，但差别不大；无衬铸铁管中铁含量约是有衬铸铁管的2倍．以上结果与对管网腐蚀和铁释放现象的一般认识相一致．2．2．2 溶解氧对铁释放的影响管网水中溶解氧的浓度与铁含量的关系见图5．可以看出，管网水中溶解氧浓度高，管网水铁含量就低，反之管网水溶解氧浓度低则铁含量高．对一般的管网中间取样点，水中溶解氧浓度一般为7～9mg／L，相应的铁含量低于0．20mg／L；但在管网末梢，溶解氧浓度为2-4mg／L，相应的铁含量在0．6Omg／L以上，最高铁含量为1．3mg／L．以上管网铁释放与溶解氧浓度的关系，与Satin_1 J通过实验室中试规模的环状闭路管试验系统(pipe—loop)研究结果相似．溶解氧作为水中重要的氧化剂，影响着管网管垢形成反应和铁释放反应．由于管垢的外部与含有溶解氧的管网水接触，处于高氧化状态，其构成大部分是三价铁的化合物，表面形成了致密的含有三价铁化合物的钝化层．而管垢内部处于低氧化状态，其构成为二价铁和三价铁的混合物．当管网水中溶解氧被耗尽时，管垢外部三价铁化合物被还原成二价铁，致使致密钝化层被破坏，内部的铁被释放出来．根据水化学知识，二价铁的溶解度高于三价铁，低氧化状态下的二价铁容易被溶出，造成水中铁超标．因此较高的溶解氧浓度可以防止铁释放现象的发生．2．2．3 余氯对铁释放的影响该市给水管网中余氯浓度与铁含量关系如图6．由图6可看出，和溶解氧与铁含量的关系相似，管网水中余氯浓度越高，铁含量(铁释放量)越低；反之余氯浓度低，铁含量就高．管网水中的余氯含量高于0．3mg／L时，相应的管网水中铁含量基本不超标；但当管网水中的余氯浓度低至0．3mg／L时，管网水铁含量全部超标．根据文献，在管网腐蚀过程中，余氯起着重要的作用，但余氯对管网铁释放现象的影响尚未见明确报道．以下从化学和生物化学2个角度进行原因分析：从化学反应角度分析，类似于溶解氧对铁释放的影响，高浓度的余氯具有强氧化性，可以防止管垢外部致密钝化层的破坏，从而降低铁释放量．由于余氯和溶解氧都是维持管垢和水接触面高氧化态的重要因素，因此余氯对于管网铁释放影响应该与溶解氧相似．在铁释放过程中释放出的二价铁是还原性物质，它与余氯和溶解氧可以发生复杂的氧化还原反应，引起余氯和溶解氧等当量的减小，研究中发现管网水中溶解氧和余氯的变化具有一定的线性相关关系．从生物化学角度分析，作为消毒剂氯可以杀灭管垢中的微生物，这可以降低管壁微生物活性．当余氯量降低时，管壁微生物活性增加，一些代谢产物将造成管垢与水接触面微环境pH值的改变，从而破坏管垢外部的结构，造成二价铁的释放，从而引起铁超标现象．此外，铁细菌等的过量生长也将产生铁腐蚀释放现象．关于微生物生物作用引起铁释放的作用机理尚待进一步验证．2．3 铁释放和“红水”现象的控制对策分析现阶段我国大多数城市的给水管网主要是由铸铁管等铁制管材组成的，管内壁已经形成了一定的管垢，铁释放现象是给水管网中发生的普遍现象．当铁释放量很大时，用户龙头就会出现“红水”问题．“红水”现象在地点上出现在管网末梢点、管网死端处，在时间上出现早晨以及停水一段时间恢复供水时．可以看出容易出现“红水”现象的时间和地点有一个共同的特点．这就是管网水处于长期停滞的条件下．在这种条件下，管网水中的溶解氧和余氯浓度已经大量被消耗，浓度降到很低，从而造成铁大量释放的现象．根据上述分析，控制铁释放和“红水”现象具体的控制对策应包括：①替代原有的旧无衬铸铁管，使用有衬铸铁管和PVC塑料管；②维持管网中一定浓度的溶解氧和余氯；③管网改造，减少管网的死水区和滞留区，使管网水一直处于流动状态；④定期进行管网清洗，去除管内壁的管垢．3 结论(1)某市管网水的铁超标现象十分严重，但出厂水的铁含量并不超标．管垢向管网水中释放铁(铁释放现象)是管网水铁超标的主要原因．(2)铸铁管和镀锌钢管内壁都有较厚的管垢，管垢的主要化学成分是铁，垢外部比较致密，内部是松散多孔的结构．(3)不同管材的铁释放量不同，无衬铸铁管中的铁释放现象比较严重，铁释放量约是PVC管和有衬铸铁管的2倍．(4)管网水质参数对铁释放现象有很大影响，溶解氧和余氯浓度越高，铁的释放量越低．较低的氧化剂(溶解氧和余氯)浓度造成还原条件，使管垢外部致密钝化保护层破坏，从而明显加大了铁的释放量．(5)控制管网中铁的过量释放和产生“红水”现象的建议措施为：保持管网水高溶解氧、高余氯条件，减少管网中的滞水区，更换管材和定期清洗管网．。