關(guān)于含鐵地下水取水構(gòu)筑物一些問題的分析與商討

1、    關(guān)于含鐵地下水取水構(gòu)筑物一些問題的分析與商討            作者：董輔祥 龐馬平時(shí)間：2007-11-24 17:38:00                     摘要：地下水取水構(gòu)筑物早期報(bào)廢的原因錯(cuò)綜復(fù)雜。如地下水水質(zhì)

2、，取水構(gòu)筑物的型式、材料構(gòu)造、施工、運(yùn)行管理等都可能產(chǎn)生不同程度的影響，這些因素常常又互相作用、互為因果。因此，對(duì)不同情況下的早期報(bào)廢問題應(yīng)作具體分析，而從予防角度則當(dāng)綜合考慮各種因素的影響。由于含鐵地下水取水構(gòu)筑物的早期報(bào)廢問題常常比一般情況更為突出，本文擬對(duì)含鐵地下水構(gòu)筑物的有關(guān)問題提出一些初步看法，供分析研究。 關(guān)鍵詞：含鐵地下水 取水構(gòu)筑物  一、地下水取水構(gòu)筑物進(jìn)水面上的腐蝕與沉積凡是由金屬濾管（如管井的濾管、輻射井的水平集水管等）在地下水中都存在著不同程度的腐蝕。而沉積則存在于所有地下水取水構(gòu)筑物的進(jìn)水面上，如大口井井底。腐蝕與沉積?；ハ嗦?lián)系，密不可分。1.腐蝕問題腐蝕分

3、電化學(xué)腐蝕與化學(xué)腐蝕兩種情況，金屬濾管的腐蝕幾乎都是電化學(xué)腐蝕。由于具有不同的電極電位，組成原電池。例如，由穿孔鋼管外包銅網(wǎng)組成的濾管即相當(dāng)于原電池，電子將通過金屬支撐線導(dǎo)線由鋼管（負(fù)極）流向銅網(wǎng)（正極）。這時(shí)在溶液中發(fā)生的反應(yīng)如下；在負(fù)極FeFe2+2e-(1)離子Fe2+進(jìn)入溶液，即發(fā)生氧化反應(yīng)，因而對(duì)溶液來說又是陽極。在陽極Fe2+將發(fā)生各種二級(jí)反應(yīng)，例如：Fe2+2OH-Fe(OH)2(2)當(dāng)水中有溶解氧時(shí)，則4 Fe(OH)2+O2+2H2O4 Fe(OH)3(3)在正極2H+2e-2HH2(4)即發(fā)生還原反應(yīng)，因而對(duì)溶液來說又是陰極。實(shí)際上，只有當(dāng)溶液中沒有溶解氧時(shí)，電極反應(yīng)生成的

4、H才結(jié)合為H2。如果溶液中存在溶解氧且在酸性條件下，陰極反應(yīng)為：4H+ O22H2O(5)如果在溶液中有溶解氧且在中性或堿性條件下，陰極反應(yīng)為：O2+2H2O +4e-4OH-(6)下面分別討論濾管腐蝕過程中的各種影響因素。(1)pH值的影響由(4)、(5)式可知，H+在陰極放電，不斷地從陽極接受電子是使反應(yīng)得以繼續(xù)進(jìn)行。因此水的pH值越低，即H+濃度越高越易使陽極的腐蝕作用加劇。當(dāng)H+濃度很高時(shí)腐蝕作用可變?yōu)榻饘偃苡谒嶂械淖饔?。可見，低pH值是濾管電化學(xué)腐蝕的重要因素之一。PH值低的地下水一般具有硬度低，游離碳酸等含量多的特點(diǎn)。地下水中的鐵質(zhì)含量雖然與pH值沒有直接的關(guān)系，但據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我

5、國大多數(shù)(>80%)含鐵地下水的pH值小于7.0，僅少數(shù)(10-20%)pH=7.0-7.5，個(gè)別pH>7.5。這就是含鐵地下水中濾管腐蝕的主要原因之一。(2)溶解氧的影響當(dāng)溶液中沒有溶解氧時(shí)，陰極反應(yīng)按(4)式進(jìn)行，生成的原子態(tài)H和氫氣將復(fù)蓋在陰極表面，產(chǎn)生超電壓的極化作用，只有在Ph<4時(shí)，電極作用才能持續(xù)進(jìn)行。當(dāng)pH>5時(shí)，腐蝕將會(huì)停止下來。當(dāng)水中有溶解氧時(shí)，反應(yīng)按(5)或(6)式進(jìn)行，此時(shí)氧化為去極劑使腐蝕作用加劇。實(shí)際上，當(dāng)pH6時(shí)溶解氧是決定腐蝕的主要因素。實(shí)踐證明，這時(shí)腐蝕速度與溶解氧含量成正比。由于含鐵地下水中鐵質(zhì)為F2+e形式存在，一般不含溶解氧。這時(shí)

6、參與腐蝕、沉積的溶解氧的來源是一個(gè)值得探討的問題。我們認(rèn)為形成的水位降落漏斗以及間斷抽水時(shí)的水位波動(dòng)是造成井周圍地下水充氣溶氧的條件，這一因素的影響對(duì)埋藏淺的潛水層尤為突出。由于溶氧范圍只限于地下水的表層和濾管上部，但是由于地下水流在濾管外圍一般都有濾流重分布現(xiàn)象，從而使表層含氧較多的地下水向沿濾管的深層分布，是含鐵地下水取水構(gòu)筑物同樣遭受腐蝕沉積的原因。(3)水流速度的影響在濾管及取水井設(shè)備的腐蝕過程中，水流速度影響甚大。大致有以下幾方面。首先是水流的機(jī)械沖刷作用。實(shí)際上可以觀察到，濾管或深井設(shè)備腐蝕嚴(yán)重的部位往往是水流集中、流速較大的部位。因此，減少濾管進(jìn)水面的流速、使濾流均勻分布可以減緩

7、濾管的腐蝕。其次是水流作用造成的濃差影響。水流速度大時(shí)，水中的溶解氧易于向?yàn)V管的陰極擴(kuò)散，從而形成一種氧濃差電池，使腐蝕過程加劇。實(shí)際上影響電化學(xué)腐蝕過程的因素還很多。如組成濾管的材料與構(gòu)造形式，金屬結(jié)構(gòu)、表面加工處理與各種應(yīng)力的不均勻性，地下水與濾管周圍含水層的物理化學(xué)性質(zhì)，生成物的物理化學(xué)性質(zhì)，微生物作用與施工運(yùn)行條件等。隨著這些因素的變化，濾管的腐蝕情況往往表現(xiàn)出不同的形式。例如，我們通常采用的纏絲濾管一穿孔鋼（或鑄鐵管）外纏鍍鋅鐵絲，由于鋅的電極電位(-0.76v)比鐵的(-0.44v)還要低，因此濾管原電池的極性與前述濾管的相反，這時(shí)首先是鍍鋅鐵絲遭到腐蝕，由此可見不同的材料與構(gòu)造形

8、式?jīng)Q定了電化學(xué)腐蝕過程。又如由于金屬結(jié)構(gòu)等因素的影響引起的局部原電池作用，使濾管骨架表面呈現(xiàn)麻坑狀腐蝕，再如，腐蝕生成物較堅(jiān)實(shí)時(shí)會(huì)影響氧向陽極擴(kuò)散，產(chǎn)生氧濃差電池作用，還可能在堅(jiān)實(shí)的沉積物下面造成一種厭氧條件有利于硫酸還原菌的生存繁殖，會(huì)使腐蝕過程加劇，這些情況在實(shí)際工作中都應(yīng)加以區(qū)別。(4)沉積問題按(3)式生成的Fe(OH)3沉淀物就是造成濾管沉積堵塞的主要成份之一。可見，對(duì)金屬濾管而言腐蝕與沉積是伴生的。對(duì)由銅網(wǎng)與穿孔鋼管組成的濾管而言，在鋼管發(fā)生電化腐蝕的同時(shí)即伴隨著Fe(OH)3在銅網(wǎng)里側(cè)面的沉積與堵塞。水流速度較大時(shí)，因沖刷作用銅網(wǎng)被堵塞的速度較慢；反之，銅網(wǎng)即被迅速堵塞。這就是一

9、些管井在長(zhǎng)時(shí)間停用以后出水量明顯下降甚至不出水的原因。此外，由(6)式可知，由電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的OH將在濾管附近造成一種特殊的pH濃差變化，其分布情況與濾管的材料結(jié)構(gòu)及水流狀況有關(guān)，結(jié)果將產(chǎn)生不同部位的沉積堵塞。例如，對(duì)上述網(wǎng)式濾管而言，作為陰極的銅網(wǎng)上形成的OH在水流的影響上，常常在銅網(wǎng)和穿孔鋼管骨架的間隙內(nèi)形成pH值較高的“隔層”。地下水中的Fe2+通過濾網(wǎng)后與這一“隔層”相遇，即迅速生成Fe(OH)3沉淀，結(jié)果使間隙和骨架孔眼被堵塞。PH值較高的“隔層”照理應(yīng)偏向骨架的里側(cè)。濾管的堵塞同時(shí)還伴隨著Ca、Mg及其他金屬鹽類的沉積。后一情況主要是因?yàn)榈叵滤飨蛉∷畼?gòu)筑物時(shí)水頭損失增加破壞了地

10、下水中的氣相平衡與化學(xué)平衡，引起各種金屬鹽類的沉積。同樣的情況也產(chǎn)生于大口井等取水構(gòu)筑物的進(jìn)水面上。由此可見，地下水流向取水構(gòu)筑物的水頭損失越大，越易產(chǎn)生金屬鹽類的沉積。這是所有地下水取水構(gòu)筑物進(jìn)水面沉積堵塞的另一個(gè)主要原因。實(shí)際情況表明，在同樣條件下，兩個(gè)出水流量不同的取水構(gòu)筑物，出水流量大的使用期短，出水流量小的使用期長(zhǎng)；如就使用期的總出水量而論，前者的總出水量往往遠(yuǎn)低于后者的總出水量。為此，需要對(duì)井的出水流量和進(jìn)口流速加以限制。除上述沉積之外，還存在著硅酸、有機(jī)物（包括各類菌體，如鐵細(xì)菌和硫酸還原菌）及泥沙的沉積與膠結(jié)。因此，如果不去追究各種沉積堵塞的原因，單就地下水取水構(gòu)筑物進(jìn)水面上沉積物的沉積過程、組成情況、沉積形態(tài)而言就有很多不同的情況。為了便于解釋某些實(shí)踐問題，大致可作如下說明：(1)進(jìn)水面上的沉積過程因?yàn)樵跒V管電化學(xué)腐蝕過程中形成的特殊pH值濃差環(huán)境的影響，以及Fe(OH)3的溶度積比其它金屬鹽低，所以在地下水中特別是含鐵地下水中將