水源切換對黃水問題的影響

水源切換對黃水問題的影響

隨著社會和經(jīng)濟的發(fā)展，人們對水資源的需求增加，尤其是飲用水資源的需求。水通過水庫處理后進入配水系統(tǒng)。對于大型管網(wǎng)，水在管道中停留了很長一段時間，并與管道壁發(fā)生了一些化學和生物反應。如果管道二次污染不好，管道水將惡化，用戶龍頭中的細菌、濁度和總鐵含量將超過標準，甚至出現(xiàn)“綠水”現(xiàn)象，嚴重影響了人們的正常生活。北方地區(qū)缺水城市采用多水源供水,季節(jié)性的水源切換和長距離調(diào)水工程,使得城市供水系統(tǒng)面臨因原水水質(zhì)變化產(chǎn)生的供水管網(wǎng)化學穩(wěn)定問題.調(diào)來的水源水質(zhì)與當?shù)厮此|(zhì)可能具有較大差異,集中表現(xiàn)在腐蝕性離子(硫酸鹽、氯離子等)、pH、堿度、硬度等指標.特別是在水源周期性切換后,短時期內(nèi)水中離子組分發(fā)生較大變化,極有可能引起管網(wǎng)內(nèi)管垢表面原有的穩(wěn)定保護層發(fā)生破壞,加速管道腐蝕,促進鐵等金屬元素釋放,引發(fā)“黃水”等問題.本試驗主要針對水源切換引起的A市部分地區(qū)用戶出水發(fā)生黃水現(xiàn)象展開研究,分析水源切換對管網(wǎng)水質(zhì)穩(wěn)定性的影響,確定此次黃水問題產(chǎn)生的原因.1材料和方法1.1用戶牛水水質(zhì)指標的監(jiān)測對新水源和原有水源水質(zhì)指標進行檢測,水質(zhì)指標包括pH、硫酸鹽、氯離子、電導率、堿度、總硬度、鈣離子等.對發(fā)生黃水問題的用戶龍頭隔夜初始水水質(zhì)進行近3個月的連續(xù)跟蹤監(jiān)測,水質(zhì)指標包括pH、溫度、余氯、溶解氧(DO)、電導率、濁度、色度、總鐵、溶解性鐵、硫酸鹽、氯離子、堿度、總硬度、鈣離子等,具體指標和監(jiān)測方法見表1.1.2管垢表觀形態(tài)表征從發(fā)生黃水問題地區(qū)的DN100鑄鐵管段內(nèi)取得管垢樣品,放入充滿氮氣的瓶中干燥后,分別進行XRD(XRayDiffraction,BRUKER2P4型X射線單晶衍射儀)、SEM(ScanningElectronMicroscope,JSM-6460LV型掃描電鏡)和EDS(EnergyDisperseSpectroscopy,JSM-6460LV型,分析元素Be～U)分析,測定管垢表觀形態(tài)、元素組成、晶體結(jié)構(gòu)等.1.3腐蝕速率的測定利用AnnularReactor反應器比較研究2種水源水質(zhì)對鑄鐵掛片腐蝕速率的影響.試驗用水分別取2種水源水,經(jīng)過混凝、沉淀、過濾處理后使用.掛片材料為鑄鐵(HT200),密度7.2g/cm3,試驗運行時間為117h.采用失重法測定掛片的腐蝕速率.1.4管段和試驗裝置取得發(fā)生黃水問題地區(qū)的管段進行管段模擬試驗,比較不同水源水質(zhì)條件對鐵釋放速率的影響.管段為DN100鑄鐵管,使用時間為15a.每節(jié)管段長10cm,外壁及切口處用環(huán)氧樹脂包埋避免與水接觸,試驗裝置如圖1所示.試驗運行周期為8h,分別取反應器運行前后水樣測定.其余時間管段仍浸泡在相應水質(zhì)條件的水中,每天換水1次.2結(jié)果與分析2.1水源切換后新水源的使用比例原水部分水質(zhì)指標檢測結(jié)果見表2,出現(xiàn)黃水問題區(qū)域以往季節(jié)性切換使用地表水源A和地下水源B.新水源硫酸鹽、氯離子、電導率、總硬度、鈣離子高于原水源,堿度低于原水源,其中硫酸鹽濃度是原水源的5～6倍.水源切換后新水源的使用比例情況見圖2.水源由原水源A切換為新水源,切換后第5d新水源使用比例增加到50%,個別用戶出現(xiàn)黃水問題;第10～14d使用100%新水源,黃水問題加劇,隨后降低新水源的使用比例,第19d開始維持在20%新水源和80%原水源A混合使用;第39d開始,原80%的原水源A更換為原水源B;第57～67d之間,因施工原因停止使用新水源10d.2.2水源切換后水質(zhì)指標對出現(xiàn)黃水問題的用戶家中龍頭隔夜初始水進行連續(xù)跟蹤監(jiān)測.監(jiān)測從換水后第15d開始,此時新水源比例已經(jīng)降低到20%左右.隔夜初始水中總鐵、濁度、色度變化見圖3(其中虛線標出的為相應水質(zhì)指標標準值).監(jiān)測結(jié)果表明,在水源切換后,用戶水龍頭隔夜初始水水質(zhì)明顯惡化,總鐵、濁度、色度嚴重超標;水源切換40d后,用戶隔夜初始水水質(zhì)逐漸好轉(zhuǎn),但水質(zhì)波動較大超標現(xiàn)象仍較嚴重;水源切換55d后,用戶隔夜初始水水質(zhì)進一步好轉(zhuǎn),并逐漸穩(wěn)定.2.3解管垢內(nèi)外側(cè)形態(tài)觀察分別對出現(xiàn)黃水問題管段的管垢外觀特征、微觀形態(tài)、元素組成、晶體結(jié)構(gòu)等進行了分析測試.該管垢呈片狀,其外觀形態(tài)如圖4所示.管垢與管壁接觸的一面(內(nèi)層)和與水相接觸的一面(外層)相比,更加疏松多孔.為了進一步了解管垢特征,對其微觀形態(tài)進行分析,利用掃描電鏡分別觀察管垢內(nèi)外層的形態(tài),如圖5所示.內(nèi)層呈疏松多孔;外層相對致密,并且表面覆蓋的晶體物質(zhì)為goethite.利用與SEM配套的能譜儀EDS對管垢內(nèi)外層化學元素進行分析,管垢內(nèi)層除鐵(54.14%)、氧(30.35%)元素外,還包括鈣(2.74%)、硅(5.19%)、碳(7.58%)等元素,管垢外層主要是鐵(76.22%)元素和氧(23.78%)元素.對管垢內(nèi)外層進行XRD試驗,測定管垢內(nèi)外層的晶體結(jié)構(gòu)組成.管垢內(nèi)層的晶體組成主要是γ-FeOOH(Lepidocrocite).管垢外層晶體組成主要是Fe3O4(magnetite)和α-FeOOH(goethite).2.4腐蝕速率運行情況利用AR反應器,比較研究鑄鐵掛片在2種水源水質(zhì)條件下的腐蝕速率.運行117h后,原水源A條件下掛片平均腐蝕速率為0.49mm/a,新水源條件下掛片平均腐蝕速率為0.60mm/a.2.5管段鐵釋放速率管段改造液對管網(wǎng)水的強化利用管段反應器,研究不同水質(zhì)配比條件對鐵釋放速率的影響.配水水質(zhì)指標如表3所示.穩(wěn)定運行后,不同水質(zhì)條件下管段鐵釋放速率如圖6所示.對于發(fā)生黃水問題的管段,新水源使其鐵釋放速率發(fā)生明顯升高,該水質(zhì)條件下的鐵釋放速率約是原水源A條件下鐵釋放速率的12倍.換水后期采用的20%新水源和80%原水源A混合配水水質(zhì),其鐵釋放速率仍是單獨使用原水源A條件下鐵釋放速率的8倍,對管網(wǎng)水質(zhì)產(chǎn)生嚴重負面影響.3討論3.1管垢內(nèi)部三價鐵測試管段腐蝕后,腐蝕產(chǎn)物在管道內(nèi)壁形成管垢,管垢具有分層的結(jié)構(gòu)特征,對出現(xiàn)黃水問題管段的管垢特性分析結(jié)果表明,管垢內(nèi)外層組成成分和特性存在較大差異(圖7).(1)管垢表面是一層較薄的由三價鐵氧化物例如α-FeOOH等組成的表面沉積層.(2)表面沉積層下面是一層堅硬、致密的殼層,主要成分是α-FeOOH(goethite,針鐵礦)和Fe3O4(magnetite,磁鐵礦).(3)殼層與管材基質(zhì)之間的管垢內(nèi)層是以二價鐵為主的疏松多孔的半固體物質(zhì),但是在管段樣品制備和檢測過程中,二價鐵很容易被空氣中的氧化成三價鐵,因此利用XRD等技術(shù)對管垢內(nèi)部物質(zhì)進行檢測,一般情況下較難直接測定出二價鐵的化合物.測定管垢內(nèi)層主要成分為:γ-FeOOH(lepidocrocite,纖鐵礦)、α-FeOOH(geothite)、FeCO3(sidetite,菱鐵礦)等.出現(xiàn)“黃水”問題的地區(qū)主要是在水源切換前長期使用硫酸鹽、氯離子濃度較低的地下水的地區(qū),并位于管網(wǎng)末梢,管網(wǎng)水中余氯、溶解氧濃度較低,使得該地區(qū)管垢致密殼層較薄并且脆弱,當水質(zhì)條件發(fā)生變化時易被破壞.鐵釋放現(xiàn)象是腐蝕產(chǎn)物(管垢)或金屬以溶解的或者顆粒的形式向水中輸送鐵,它是腐蝕、水力沖刷以及管垢的溶解三者累積作用效果.當管網(wǎng)水中溶解氧或余氯濃度較高時,能夠促進管垢致密殼層的形成,降低管垢外層的通透性,形成鈍化保護層,阻止管材的過快腐蝕和二價鐵的過量溶出.因此正常條件下,管垢相對穩(wěn)定,鐵腐蝕和鐵釋放速度很小,水中鐵濃度不會超標.如果管垢表面鈍化層被破壞,管垢內(nèi)層松散結(jié)構(gòu)的二價鐵和三價鐵就會大量進入水流主體.其中的二價鐵在主體水流中被余氯和溶解氧氧化成三價鐵,形成不溶于水的氫氧化鐵膠體顆粒,再凝聚長大為鐵銹懸浮顆粒,增加了水的濁度與色度,即產(chǎn)生黃水問題.使管垢殼層破壞的影響因素主要包括:低溶解氧、低余氯條件下,發(fā)生還原反應使三價鐵化合物被還原;高氯離子、高硫酸根離子條件下,促進溶解和電子、離子遷移速率;低堿度、低pH值條件下,促進溶解并阻礙致密殼層的形成.3.2預注劑2.3+3.4feoh2o4h2o4h2o4feoh2o4h2o4feoh2+均衡對管網(wǎng)水電導率的影響硫酸根離子和氯離子能夠與管垢表面的FeOOH發(fā)生反應,生成(FeO)2SO4和FeOCl增加溶解性,同時較高的電導率加快反應速率,從而增加鐵釋放速率.有研究表明,硫酸鹽和氯離子促進管垢溶解,破壞管網(wǎng)鐵穩(wěn)定性.2FeOOH+SO42-→(FeO)2SO4+2OH-(FeO)2SO4+2H2O→2Fe3++SO42-+4OH-水中較高濃度的硫酸鹽、低余氯和低溶解氧條件還可以促進硫酸鹽還原菌的過量生長,通過微生物反應,增加管材腐蝕.Fe2++4Fe+SO42-+4H2O→4Fe(OH)2+FeS硫酸鹽濃度的增加使得管網(wǎng)水電導率增加,離子和電子的遷移速率都明顯提高,加快了電化學腐蝕速率在管垢內(nèi)部生成大量的二價鐵,管垢內(nèi)部壓力增加導致殼層破裂,大量的鐵釋放到水中.另一方面,根據(jù)Kuch的理論,低余氯和低溶解氧條件下,管垢外層的三價鐵作為電子受體發(fā)生還原反應,電導率的增加加速了表面三價鐵變成二價鐵釋放到水中.Fe→Fe2++2e-Fe3++e-→Fe2+水源切換后,管網(wǎng)水中硫酸鹽濃度大幅度增加,破壞了原有管垢的平衡,管網(wǎng)用戶水質(zhì)很快發(fā)生惡化,出現(xiàn)黃水現(xiàn)象.隨著新水源比例的下降硫酸鹽濃度降低,但對于管垢鈍化層已經(jīng)破壞的管段,建立新的平衡需要較長時間,因此黃水問題仍會持續(xù)數(shù)周.掛片試驗結(jié)果表明,與原水源相比,新水源對于新的金屬腐蝕速率增加了22%.管段試驗結(jié)果表明,新水源條件下鐵釋放速率是原有水源條件下的12倍.因此對于舊管,高濃度硫酸鹽對鐵釋放的影響要大于對管材基質(zhì)腐蝕的影響.水源切換后,管網(wǎng)水中高濃度的硫酸鹽促進了管垢表面三價鐵氧化物溶解,使得管垢致密殼層破壞,造成管垢內(nèi)部大量的二價鐵化合物進入水中,從而引起“黃水”問題.3.3管網(wǎng)水拉森指數(shù)變化情況對于硫酸根、氯離子等中性離子的侵蝕主要利用拉森指數(shù)(Larsonratio)來判別.拉森指數(shù)是在對新管進行腐蝕試驗的基礎(chǔ)上提出的,使用離子活度進行計算.當拉森指數(shù)>1時,水具有嚴重腐蝕性.拉森指數(shù)(LR)的計算公式如下:LR=2{SO2?4}+{Cl?}{HCO?3}LR=2{SΟ42-}+{Cl-}{ΗCΟ3-}水源切換后,管網(wǎng)水拉森指數(shù)由原來的0.4左右增加到1.7～1.9之間,說明新水源具有嚴重腐蝕性,因此當水源突然切換為新水源后,管網(wǎng)出現(xiàn)了黃水問題.圖8是管網(wǎng)水拉森指數(shù)變化情況,結(jié)合圖3管網(wǎng)水質(zhì)變化情況分析比較可以看出,隨著新水源比例的調(diào)整,管網(wǎng)水拉森指數(shù)降低到0.7～0.8之間,用戶水質(zhì)略有好轉(zhuǎn),但仍超標嚴重并存在較大波動.換水39d后使用原有水源B,進一步降低硫酸鹽濃度,提高管網(wǎng)水堿度,拉森指數(shù)進一步降低到0.4～0.5之間,管網(wǎng)水質(zhì)開始逐漸好轉(zhuǎn).因此對于舊管,拉森指數(shù)也可以作為硫酸鹽、氯離子影響下鐵釋放判別指標,隨著拉森指數(shù)的增加,管垢鐵釋放速率升高.對于相同管垢,隨著拉森指數(shù)的增加,管垢鐵釋放速率升高,如圖9所示.從圖9中不同管段試驗結(jié)果還可看出,即使在相同拉森指數(shù)水質(zhì)條件下,未發(fā)生黃水問題的管段鐵釋放速率僅是發(fā)生黃水問題的管段的1/3.這是由于未發(fā)生黃水問題地區(qū)的管段管垢致密殼層更厚、更加堅硬,對于硫酸鹽等腐蝕離子的耐受能力更強,當水源切換后拉森指數(shù)增加到1.9時,管垢鐵釋放速率增加,但是管垢沒有立即發(fā)生明顯破壞,沒有出現(xiàn)嚴重的黃水問題.拉森指數(shù)只是從水質(zhì)角度判斷硫酸根和氯離子對鐵釋放的影響,鐵釋放速率同時還受管垢自身特性的影響,但目前對此影響尚無定量關(guān)系進行描述.3.4管垢血污水排除鹽污染機理由實際管網(wǎng)監(jiān)測數(shù)據(jù)、試驗室模擬試驗以及上述分析,可以確定這次水源切換造成管網(wǎng)部分地區(qū)用戶龍頭出現(xiàn)黃水問題的原因是:水源切換后水源水化學組分發(fā)生了很大的改變,特別是硫酸鹽濃度大幅度增加,打破了供水管網(wǎng)中管道內(nèi)的管垢與原有水質(zhì)之間的平衡,高濃度硫酸鹽會使管垢鐵銹發(fā)生溶解,破壞表面鈍化層,造成管垢過量鐵釋放,從而在管垢表面鈍化層較為薄弱的地區(qū)產(chǎn)生了黃水問題,自來水管道和入戶管中管壁上原有的鐵銹部分溶出,有的用戶家中出現(xiàn)了自來水發(fā)黃發(fā)渾的現(xiàn)象.由于隔夜滯留時間較長,并且在停滯水的低溶解氧和低余氯條件下鐵釋放現(xiàn)象更為嚴重,因此早晨初期龍頭水水質(zhì)超標現(xiàn)象嚴重.為了解決黃水問題,水廠通過降低新水源使用比例降低硫酸鹽濃度,并且使用堿度較高的地下水進一步降低拉森指數(shù).但是由于管垢鈍化層被破壞后,即使水質(zhì)恢復到原有情況,建立新的平衡仍需要較長時間,因此用戶水質(zhì)超標現(xiàn)象仍持續(xù)了2～3個月.4水源切換后配方優(yōu)化后出現(xiàn)的黃水問題(1)本次水源切換后管網(wǎng)部分用戶出現(xiàn)黃水問題的原因是由于水源水水質(zhì)化學組分發(fā)生了很大的改變,特別是硫酸鹽濃度大幅度增加,破壞了管垢原有鈍化層,使得管垢發(fā)生過量鐵釋放.拉森指數(shù)從原來的0.4左右增加到1.7～1.9,水源切換后數(shù)天內(nèi)部分管網(wǎng)用戶出水出現(xiàn)