管網水質化學穩定性對給水水質的影響研究

高 源

（南寧鐵路局南寧鐵路樞紐工程建設指揮部，工程師，廣西 南寧 530001）

管網水質化學穩定性是指水在輸配過程中，由于各種因素的影響，水中各化學物質之間或者與金屬管道之間發生化學變化而引起的穩定性改變，主要的化學變化有氧化、水解和還原等。出廠水水質狀況包括合格率和化學穩定性2個方面。

當前鐵路給水所的水質在出廠時合格率都達標且比較好，而用戶在用水時常反映水質存在渾濁、有色、異味等問題。為何在給水所對出廠水的水質合格率進行監測達標的情況下，通過給水管網輸送后就會出現或多或少的水質問題，這與在給水管網中發生的各種化學變化有關。若管網水質化學穩定性差，當受水中化學變化的影響，就會產生腐蝕和結垢沉淀的機理，從而造成水質腐蝕性傾向的機率增大，極易對給水水質造成不良影響。若不采取有效措施控制管網水質化學穩定性，嚴重時將會產生給水的二次污染。

1 影響給水水質的原因分析

通過對柳州鐵路地區2009年至2010年出廠水與管網水的水質情況進行抽查統計，并對一些指標變化的比較可知，以地表水或地下水為水源時，其管網水與出廠水相比，濁度、鐵含量都略有增加，而余氯含量略有下降。管網水濁度一般比出廠水高3.3%～15%，管網水的鐵含量一般比出廠水高15.3%～22.5%，管網水的余氯一般比出廠水低37.5%～64%。而原水為地下水的供水管網，其濁度和鐵含量的增幅相對更大些。濁度、鐵和其他金屬含量的變化與管網水中的各種化學變化有直接關系，并對管網水質化學穩定性的好壞起決定性的作用。因此，有必要通過對管網水質化學穩定性影響給水水質的原因分析，來提供改善和提高給水水質的輔助措施。

1.1 水中的二氧化碳 在所有的天然水中幾乎都含有鈣（鎂）離子，并且水中的重碳酸根離子分解出二氧化碳和碳酸根離子。以鈣離子為例，鈣離子和碳酸根離子化合成碳酸鈣，難溶于水而變為沉渣，形成水垢。管網水質化學穩定性與水中CaCO3溶解平衡體系有關，而水中CaCO3溶解平衡體系一般是指重碳酸鈣、碳酸鈣和二氧化碳之間的平衡。其化學反應式為

如水中游離二氧化碳含量少時，則發生碳酸鈣沉淀，當水中的CaCO3過飽和時，則傾向于沉淀出CaCO3沉積在管壁上，引起結垢，稱之為結垢性的水。此現象以地下水為水源時尤為突出[1]。例如煮水的鍋易結垢，飲水時有時略帶澀感和水中易產生沉淀物等現象。若水中有過剩的二氧化碳時，即超過平衡量時，則會發生二氧化碳腐蝕。這時水中CaCO3含量低于飽和值，則傾向于使已沉淀的CaCO3溶解[1]。這種水遇到混凝土管道和構筑物就會產生侵蝕作用，在金屬管道中流動時則會溶解管道內壁碳酸鈣保護摸，并同時對金屬管產生腐蝕作用，稱之為腐蝕性的水。結垢性的水和腐蝕性的水都是化學不穩定性的水，所以既無沉淀CaCO3傾向，也無溶解CaCO3傾向的水，才是化學穩定的水。即水中游離二氧化碳含量高低會造成管道輸送過程中沉淀結垢或化學腐蝕，從而影響水質的化學穩定性，將會對管網水濁度的增大甚至水質不達標造成直接影響。

1.2 水的PH值 對于偏堿性水（PH值大于8），且無侵蝕性二氧化碳時，水中首先生成的是氫氧化亞鐵Fe（OH）2，然后被水中溶解氧氧化，生成氫氧化鐵Fe（OH）3，形成鈍化保護膜，使管壁的腐蝕速度減緩。其化學反應式為

但其中部分脫水形成的鐵銹Fe2O3·nH2O，質地疏松，不能起到保護作用，若以上反應繼續進行，鐵銹就會不斷沉積于管內表面形成銹垢。

對于偏酸性水（PH值小于6.5），生成的氫氧化亞鐵與二氧化碳作用生成重碳酸亞鐵。其化學反應方程式為

碳酸亞鐵具有可溶性而溶于水中，然后被水中的溶解氧氧化，若水中的二價重碳酸亞鐵被氧化成三價鐵，三價鐵和水中的氫氧根結合生成不溶于水的氫氧化鐵沉淀并由水中析出，便會使水帶色而出現“有色水”?；瘜W反應方程式為

從以上化學原理進行分析可知，對堿性、酸性和中性的水質而言，銹垢的形成只是時間的問題，而水的PH值直接影響著管道腐蝕的速度。受水的PH值影響，因溶解氧（DO）及二氧化碳（CO2）對管壁的腐蝕而出現“有色水”是有可能的（特別是使用年代舊的供水管網）[2]，近年來，在搶修管路時也可看到老供水鑄鐵管路的內壁總有厚厚的銹垢。因此，當出廠水的PH值過低則會導致供水管道受腐蝕而出現“有色水”，嚴重時將使管網水的濁度和鐵含量超標，威脅著飲用水的衛生安全。

1.3 管內水流速度 管內水流速度的變化對水質化學的不穩定性有催化作用。在與水接觸的管內壁表面，有一層似乎不流動的薄水層，流速增大，該水層減薄，通過該水層水流中氧的擴散，造成氧化；當管內流速再加快，氧的補給量同時增多，金屬管道的表面由于氧過剩，就趨于鈍化，反而使腐蝕減小[2]。若流速繼續增大，劇烈的紊流就會導致氣蝕現象，因機械作用使金屬管道的表面產生空隙腐蝕。因此，在配水管網末端的小口徑管道，由于管內流速較小，甚至有時不流動，使水中氧氣難以補充，故銹蝕較嚴重，特別是在流量偏低或當水呈滯流狀態時，鐵銹易沉積，這時就會造成局部時間的“有色水”現象。相反，輸水干管通常流速較大，氧不斷由水帶入，由于氧過剩則管內壁趨于鈍態，腐蝕的速度這時就會放慢，即使發生腐蝕，也往往因較大的管內流速使銹垢剝離，故發生銹垢沉積的機率將有效減少。因此，合理的管內水流速度是保證水質化學穩定性的重要因素之一。

1.4 水中有機物及鐵細菌 若管網水中氯的含量下降或達不到余氯的標準，水中就會產生有機物及鐵細菌的繁殖。鐵細菌是一種特殊營養菌類。鐵細菌附著在管內壁上，在生存過程中能吸收亞鐵離子，在鐵細菌表面通過化學變化生成和排出氧化后的產物（三價鐵的氫氧化合物）為棕色粘泥，形成凸起物，并且沿著管內壁四周生長，此現象為金屬管材最具代表性。其結垢層的厚度和供水管道輸配水的年數有關，隨著時間延續和不斷進行的化學變化，金屬管內壁就會腐蝕結垢和沉積（含有大量的鐵、鉛、鋅和各種細菌及藻類），出現鐵、錳、色度、濁度和細菌等水質指標值的大幅度上升。同時造成供水管道有效截面積縮小，并直接影響供水管道的輸配水能力甚至堵塞[2]。有研究表明，對于未作防腐處理的金屬管道，使用年限超過5～10年時，由于水中有機物及鐵細菌腐蝕產生的污垢，就已達到了惡化水質的程度。對于防腐處理較差的金屬管道，3～5年就開始出現腐蝕現象，金屬管道使用年限越長，腐蝕越嚴重，水質狀況也就越差[3]。這種現象在給水管網的日常維修過程中可常看到。

水中有機物及鐵細菌腐蝕產生的結垢層同時又是水中各類細菌孽生的場所，會形成“生物膜”。當這些“生物膜”使水中鐵的含量超過3 mg/L時，是造成“有色水”的主要原因，并直接威脅著飲用水的衛生安全[3]。另外，給水管網中的消火栓、閥門、水表、管件由于長期浸泡在水中，質量差的就容易在水中產生化學腐蝕，使水中的鐵、錳、色度、濁度和細菌等水質指標值大幅度上升，給水質造成了不同程度的污染。若水中有機物及鐵細菌繁殖造成水質化學的不穩定性得不到控制，將會造成管網水濁度的增大甚至水質不達標的嚴重影響。

1.5 水中無機懸浮物 未經凈化處理直接向管網輸送的地下水或凈水工藝不完善向管網輸送的地表水，往往容易把粉砂、細砂帶入管網中，這就形成了水中無機懸浮物。但當出廠水濁度長期保持在0.5～1.0NTU時，這樣的沉淀應該是微弱的。水中無機懸浮物的沉淀是形成沉渣最簡單的過程，盡管多數給水管道所輸送的水中無機懸浮物含量很少，但仍然有沉淀物形成。在用水低峰時，由于配水管道的水流流速較小，甚至停留，這就為水中微粒的自然沉降創造了條件，由于水中無機懸浮物也具有集聚粘附的性能，很容易在供水管道內進行沉淀。隨著時間的延續，水中無機懸浮物的存在，加大了給水管道輸送過程中結垢或腐蝕的機率，也是造成管網水濁度變化和水中各種化學變化的不利因素[1]。

2 改善水質化學穩定性的措施

當前，用戶對水質的要求越來越高，雖然出廠水的各項指標都能達到國家水質標準，但出廠水經輸配管網送至用戶的用水設備前，常常會受到二次污染，造成到戶水質的變壞。通過對影響給水水質的原因分析得知，當水中游離二氧化碳及氧的含量不穩定、水中PH值小于6.5、管道為金屬管，水中有有機物及鐵細菌，或水中有無機懸浮物時，將導致給水濁度、色度、鐵等其他金屬含量的指標上升，均會對管網水質化學穩定性造成影響。

若管網水質化學穩定性差，將導致水中其它微生物的生長繁殖，從而造成管網中的生物性污染。這時管網水由化學性和物理性變化造成的給水污染，可發展轉化為生物性變化的給水污染，如此循環將使給水水質日趨下降甚至不達標。為此要采取措施控制好管網水質化學穩定性，以提高給水水質。

2.1 曝氣去除CO2當水中CO2濃度很高時，采用曝氣的方法可以去除CO2，結合傳統的除鐵、除錳工藝，曝氣的主要目的是向水中充氧，使[H2CO3]/[HCO-3]的比值降低，從而使水體的PH值升高，并充分散除水中的CO2[4]。實驗表明，曝氣若能去除60%的CO2時，可使水的PH值升高20%～30%，從而使管網的管道腐蝕得到有效控制。曝氣形式可選擇噴淋式曝氣和跌水曝氣，其形式簡單、節省能耗。在噴淋曝氣或跌水曝氣中，曝氣高度在0.5～1.0 m范圍內，原水的DO就能達到4～5mg/L，同時也可以滿足生物除鐵除錳過濾濾層的要求。跌水曝氣適用于大中型水廠（如：柳州鐵路第一給水所宜采用該方法），噴淋曝氣則較多應用于中小型水廠。

2.2 控制出廠水PH在8.0～8.5之間 管網水具有腐蝕性源于出廠水的化學穩定性差，在各給水所出水中適量投加堿劑（NaOH），投加NaOH雖然會影響出廠水的濁度，但適量投加NaOH效果會更好，并保持出廠水的PH值到7.5以上。通過投加堿劑控制出廠水化學穩定性的試驗表明，控制出廠水PH值在8.0～8.5之間，可使出廠水的化學穩定性接近穩定[1]，鐵細菌的生長可基本抑制，延緩了生物膜的發育，生成鈍化膜，不利于細菌的孽生，從而降低管網水對管網的腐蝕作用。堿劑堿性的大小依次為 NaOH＞Ca（OH）2＞Na2CO3＞NaHCO3。以柳州鐵路水廠的原水為例，在凈水前加堿劑以投加Ca（OH）2為宜，投加時間點在投加混凝劑后的1 m in左右為宜，投加量為3～5 mg/L；凈水后加堿劑宜采用NaOH，投加點選在濾后，投加量為2～3mg/L，如此可使出廠水的PH值控制在8.0～8.5之間。凈水前加堿劑Ca（OH）2比凈水后加堿劑成本更低。實踐證明，投加Ca（OH）2和NaOH控制出廠水PH值在8.0～8.5之間，可有效解決管網大面積的“有色水”問題。另外，對化學穩定性差的出廠水，還需在供水管道（特別是金屬管）內做好防腐蝕的措施的同時，也要調整好出廠水的PH值。投加堿劑應以出廠水的濁度、色度符合國家飲用水衛生標準及PH值的適用范圍進行嚴格控制。

2.3 控制管內水流速度 在整個供水管網中，由于有些管段的輸配水能力超越實際需要太多，致使配水管道中流速過低，此時的供水管網就會形成出廠水的“沉淀池”，容易導致供水管網的水質受到影響。對此，可通過閥門的啟閉調控，使部分流速偏低的管段，周期性增大流速，從而減少供水管網中沉淀物的形成。另外，出廠水在供水管網內停留時間越長，則水體自身及水體與管道接觸面之間越可能發生各種化學反應，逐漸造成水質化學穩定性差，從而影響給水水質。

造成管網水停留時間過長的原因，主要是部分大口徑管道流速較低[1]。因此，應盡可能地將枝狀供水管路進行連通改造，使其形成環狀布置，并做好統一優化整個供水管網水量和水壓的動態平衡的工作。同時也要避免管網水流速過大對供水管道造成撞擊和沖刷，盡可能合理控制管網水的管內停留時間和保證管網水的合理流速。通過定期開展供水管道的測流、測壓，摸清供水管道的實際運行情況，為供水管網改造提供技術依據。對嚴重不滿足輸配水要求的應優先改造。

2.4 管材及其附屬設備的選用和防腐 水中有機物及鐵細菌除了受出廠水水質影響外，主要與輸配水管道的材質、使用年限和施工質量等因素有關[3]。目前鐵路水廠常用的輸配水管材有鑄鐵管、鋼管、球墨鑄鐵管、給水塑料管（UPVC管、PE管）和水泥管等。雖然建設部已禁止使用鑄鐵管，但是鑄鐵管目前在已鋪設的管道中仍占相當大的比例，且相當一部分未做內防腐。因此，要借著舊城改造的契機加快舊管網改造步伐。在有條件開挖的地區，可廢除舊管敷設性能優良的管材和管網設備，新安裝和維修更換的給水管道，應選用球墨鑄鐵管及塑料管等耐腐蝕、水力條件好的管材。在無條件開挖的地區，可采用免開挖修復技術。免開挖修復技術方法較多，其中復合材料軟管翻轉法和異徑HDPE管穿插法，進行修復舊管道的技術較為適用。對金屬管道而言，在內表面噴涂衛生級的不飽和聚酯樹脂也是較好的辦法，既可減緩管材（水泥、金屬）有害成分的析出，又可減少管網水與各管材（水泥、金屬）之間發生化學變化而引起水質穩定性發生改變的機率，在延長供水管道的使用壽命同時，對管網輸送水的水質起到保證作用。另外，對管網閥門的防腐要求在其內腔，一律采用環氧混合粉末涂裝，涂裝前均必須作除油、噴砂處理。當大批量選用一類管材或防腐材料時，應委托水質監測中心作浸泡水后的水質分析，對多次檢測仍有某些元素含量超標的管材及防腐材料，不宜選用。

2.5 周期進行管網沖洗 出廠水雖經過凈化處理，但不一定是純凈的水，它仍含有某些無機物、有機物及微生物。無論何種材質的管道，水在管網的流動過程中都會出現管道結垢的情況。因此，應根據使用情況對管網進行周期沖洗，以清除水中懸浮物和沉淀物。管網沖洗主要是利用消防栓和排污閥，消防栓一般有5～10 m左右的管段水為不流動的“死水”。為此必須定期排放消防栓內的水，一般每半年對消防栓必須進行排放一次，并視情況制訂臨時排放措施。對管網末梢、居民集中的小區及用戶投訴水質較差的地區，還要增設排污閥，并對管網進行單向沖洗，即沖洗時把一端閥門關閉，使單向來水，然后再關閉另一端閥門，沖洗另一段管段。因維修管道停水造成的水質污染，應視情況修好之后給予適當沖洗消毒；對于新敷設的管道在并網之前，必須經過認真地沖洗消毒。當然，對于供水管道內襯符合要求，管內流速能周期性大于自凈流速的管段，原則上不需要定期沖排。但對于管內流速長期偏低的管段，特別是枝狀布置的末端管段，定期沖排是十分必要的。通過對管網的周期清洗，可減少因水中無機懸浮物化學變化而引起水質化學穩定性發生改變的有害化學成分[1]。

3 結束語

本文通過分析管網水質化學穩定性影響給水水質的原因，提出改善和控制管網水質化學穩定性的措施，為鐵路給水部門今后在給水管道施工如何規范，管網布置如何優化，管網運行如何管理，管網材質如何選用等提供參考。

改善或提高管網水質化學穩定性的措施，歸結起來主要有：一是建立符合各地區實際的水質化學穩定性控制標準；二是在生活飲用水水質標準中，對水質化學穩定性提出指導性的要求；三是改進、改良堿劑投加的工藝；四是要對管材及其附屬設備的選用及防腐進行評價，不宜選用檢測超標的管材及防腐材料。

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[2]牛樟彬.給水管網中金屬離子化學穩定性分析[J].北京：中國給水排水，2005（5）：19～21.

[3]王蕾.給水管網中管材對水質變化的影響研究[J].北京：給水排水，2006（合期Z1）：213～214

[4]許保玖.給水處理理論[M].北京：中國建筑工業出版社，2000：661～711