帶水泥砂漿內(nèi)襯鑄鐵管輸配海水淡化水水質(zhì)穩(wěn)定性控制研究

董 琪，趙 鵬，張宏偉，田一梅，黃純凱

（天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072）

帶水泥砂漿內(nèi)襯鑄鐵管輸配海水淡化水水質(zhì)穩(wěn)定性控制研究

董 琪，趙 鵬，張宏偉，田一梅，黃純凱

（天津大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072）

隨著老舊管網(wǎng)的改造，帶水泥砂漿內(nèi)襯的球墨鑄鐵管越來越廣泛地被應(yīng)用到城市供水系統(tǒng)。與鐵制管網(wǎng)基于鐵釋放和碳酸鹽體系的水質(zhì)穩(wěn)定性研究不同，帶水泥砂漿內(nèi)襯球磨鑄鐵管為硅酸鹽體系。因此，通過實(shí)驗(yàn)室動態(tài)模擬管網(wǎng)試驗(yàn)，分析了海水淡化水在帶水泥砂漿內(nèi)襯球磨鑄鐵供水管網(wǎng)輸配過程中的水質(zhì)穩(wěn)定性。通過對酸堿條件、堿度、硬度和余氯等不同的水質(zhì)參數(shù)研究發(fā)現(xiàn)，pH值、余氯濃度對管網(wǎng)腐蝕速率影響較小；堿度、硬度對其影響較大，腐蝕速率隨濃度的升高而降低。

球磨鑄鐵管；海水淡化水；水質(zhì)穩(wěn)定性；控制

隨著淡水資源的日益匱乏，海水淡化技術(shù)越來越受到沿海國家的重視，已成為解決淡水資源不足的一個重要途徑。近年來，我國的海水淡化技術(shù)發(fā)展迅速。據(jù)初步統(tǒng)計[1]，截止2010年底，我國建成并投產(chǎn)的海水淡化裝置總數(shù)為76套，總產(chǎn)水能力55.78萬m3/d。其中，38套用于市政供水，占總裝置數(shù)的49%。我國《海水利用專項(xiàng)規(guī)劃》發(fā)布以后，沿海各省市相繼制定海水淡化利用規(guī)劃，預(yù)計未來5～10 a內(nèi)，累計產(chǎn)水量超過200萬m3/d，其中約有1/3為市政供水。

海水淡化水礦物質(zhì)含量少，鈣、鎂離子濃度低，硬度小；具有輕微腐蝕性，容易造成管道和設(shè)備腐蝕，傾向于溶解接觸到的金屬以達(dá)到自身穩(wěn)定；水質(zhì)還有偏酸性（pH6.5～7.5）等特點(diǎn)[2]，使得利用海水淡化水時，管網(wǎng)輸配的過程中出現(xiàn)“黃水”現(xiàn)象[3]，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)生活用水的安全性，必須進(jìn)行后處理工藝。同時，城市化建設(shè)的快速發(fā)展，老舊管網(wǎng)的改造，使得帶水泥砂漿內(nèi)襯球磨鑄鐵管憑借其更穩(wěn)定的化學(xué)性質(zhì)，更大的延伸率、剛度、抗拉強(qiáng)度，更長的使用壽命[4]，越來越廣泛的被應(yīng)用到市政供水系統(tǒng)。水泥砂漿內(nèi)襯原料包括水泥、沙子和水[5]。水泥以硅酸鈣為主要成分，硅酸三鈣（3CaO·SiO2）、硅酸二鈣（2 CaO·SiO2）占總量的 75%以上；鋁酸三鈣（3 CaO·Al2O3）、鐵鋁酸四鈣（4CaO·Al2O3·Fe2O3） 占總量的25%左右[6]。然而，以往國內(nèi)外對淡化水后處理穩(wěn)定性的研究大多基于鐵制管網(wǎng)的鐵釋放和CaCO3沉淀[7-8]，并不適用于帶水泥砂漿內(nèi)襯球墨鑄鐵管的硅酸鹽體系。本文通過對帶水泥砂漿內(nèi)襯球墨鑄鐵管網(wǎng)輸配淡化水時管網(wǎng)的穩(wěn)定性進(jìn)行影響因素分析，以滿足淡化水進(jìn)入市政管網(wǎng)的要求。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

動態(tài)管網(wǎng)模擬試驗(yàn)裝置采用DN100的新的帶水泥砂漿內(nèi)襯的球墨鑄鐵管（長約3 m）和U-PVC塑料管連接而成，裝置如圖1所示。其中板式換熱器主要調(diào)節(jié)由于水泵運(yùn)行導(dǎo)致的水溫變化，電磁流量計用于測定管網(wǎng)中瞬時流量和流速，流量Q約為10 m3/h。整個管網(wǎng)處于密封狀態(tài)，裝置頂端設(shè)有配水箱，用于配置試驗(yàn)水樣。水箱內(nèi)設(shè)有攪拌裝置，水樣經(jīng)變頻離心泵，進(jìn)入板式換熱器，然后經(jīng)過裝置底端的試驗(yàn)管段，回到水泵形成循環(huán)，模擬管網(wǎng)運(yùn)行。

1.2 試驗(yàn)水樣及水質(zhì)特點(diǎn)

試驗(yàn)水樣采用天津市濱海新區(qū)某自來水廠的出廠水和某電廠生產(chǎn)的海水淡化水。自來水廠的原水為灤河地表水，經(jīng)過傳統(tǒng)處理工藝，選擇鋁鹽作為混凝劑，水廠出水中堿度、總硬度含量相對較高。電廠生產(chǎn)的淡化水采用低溫多效蒸餾出水，水質(zhì)較好，堿度、硬度和各種離子的含量都很低，對管網(wǎng)具有較強(qiáng)的腐蝕性。自來水與淡化水出廠水質(zhì)指標(biāo)見表1。

表1 自來水與淡化水常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)比較

1.3 水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)及方法

主要的水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)和監(jiān)測方法見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)監(jiān)測指標(biāo)及方法

2 結(jié)果及討論

2.1 淡化水對球墨鑄鐵管水泥內(nèi)襯的影響

分別采用1.2中的自來水和海水淡化水通入帶水泥砂漿內(nèi)襯球墨鑄鐵管，連續(xù)監(jiān)測5 d，同時定時投加氯。由圖2可知，在自來水的連續(xù)停留試驗(yàn)中，鈣離子和硅酸根離子的含量趨于穩(wěn)定。在實(shí)驗(yàn)周期末，兩種離子的含量略有降低的趨勢，可能是鈣離子和硅酸根離子被管壁和塑料水箱吸附。由圖3可知，在海水淡化水的連續(xù)停留試驗(yàn)中，鈣離子與硅酸根離子濃度急劇上升。這是因?yàn)楹Ｋ畨A度、硬度、離子含量低，水質(zhì)穩(wěn)定差，對水泥砂漿內(nèi)襯層的腐蝕能力強(qiáng)。因此，在海水淡化水進(jìn)入帶水泥砂漿內(nèi)襯管網(wǎng)前，必須通過后處理來提高淡化水的水質(zhì)穩(wěn)定性，從而控制海水淡化水對水泥砂漿防腐層的腐蝕。

2.2 帶水泥砂漿內(nèi)襯鑄鐵管網(wǎng)輸配淡化海水水質(zhì)穩(wěn)定性研究

穩(wěn)定海水淡化水水質(zhì)可以通過調(diào)節(jié)pH、提高堿度、硬度達(dá)到，淡化中稱此為再礦化。再礦化可增加海水淡化水的緩沖能力，有效降低水的腐蝕性，達(dá)到穩(wěn)定水質(zhì)的目的[9]。

試驗(yàn)采用1.2中的淡化水進(jìn)行動態(tài)管網(wǎng)模擬試驗(yàn)，連續(xù)監(jiān)測24 h管網(wǎng)水中的硅酸鹽、鈣離子濃度，濁度以及其他相關(guān)水質(zhì)指標(biāo)。試驗(yàn)每3～4 h取樣一次，每次的取水量約為500 mL。

2.2.1 pH值對帶水泥內(nèi)襯鑄鐵管的影響

通過投加NaOH溶液和HCl溶液調(diào)節(jié)水樣初始pH值，研究初始pH分別為6.10、7.04、8.10和9.07四個梯度時，海水淡化水對水泥內(nèi)襯鑄鐵管腐蝕速率的影響。

如圖4所示，硅酸鹽濃度隨停留時間的延長而增加，當(dāng)停留時間為6 h時，pH值為6.10，7.04，8.10，9.07時水樣中的硅酸鹽濃度分別為 2.586 mg/L，2.403 mg/L，2.175 mg/L，2.288 mg/L；當(dāng)停留時間為13 h時，水樣中的硅酸鹽濃度分別為3.453 mg/L，3.475 mg/L，3.075 mg/L，3.303 mg/L。

如圖5所示，pH值為6.10，7.04，8.10，9.07時的硅酸鹽溶解速率分別為 7.23 mg/h，8.21 mg/h，7.48 mg/h，8.01 mg/h。

綜上，調(diào)節(jié)pH值與水泥砂漿內(nèi)襯防腐層的腐蝕無關(guān)。而對于鐵制管網(wǎng)，大量的文獻(xiàn)中認(rèn)為：控制pH值緩解管網(wǎng)腐蝕是極為有效的手段，pH值越大越有利于腐蝕的控制[10-12]。可見，海水淡化水在帶水泥砂漿內(nèi)襯球墨鑄鐵管的硅酸鹽體系中穩(wěn)定性控制指標(biāo)與鐵制管網(wǎng)的碳酸鹽體系不同。

2.2.2 總堿度對帶水泥內(nèi)襯鑄鐵管的影響

通過投加Na2CO3來調(diào)節(jié)水樣初始總堿度，研究初始堿度分別為 8.21 mg/L，53.94 mg/L，112.58 mg/L，170.04 mg/L 四個梯度時，海水淡化水對水泥內(nèi)襯鑄鐵管腐蝕速率的影響，結(jié)果如圖6、圖7。

硅酸鹽溶解速率隨堿度的增大明顯降低，這是因?yàn)榭倝A度的增加使水體的緩沖強(qiáng)度增大，水體的侵蝕性、腐蝕性降低，水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性增加。同時，堿度的提高，水中電導(dǎo)率也顯著增大，如表3。因此，增大總堿度可能并不能有效地抑制管網(wǎng)的腐蝕，而應(yīng)當(dāng)注意控制堿度大小。Pisigan等人[13]研究堿度對鐵制管網(wǎng)腐蝕影響時得到同樣的結(jié)論，認(rèn)為由于堿度的提高會增加水中的離子強(qiáng)度和電導(dǎo)率，使得提高堿度不能有效地控制管網(wǎng)腐蝕。因此，淡化水在水泥砂漿內(nèi)襯球墨鑄鐵管輸配時，應(yīng)適當(dāng)增大其總堿度。

表3 堿度與電導(dǎo)率的關(guān)系

2.2.3 總硬度對帶水泥內(nèi)襯鑄鐵管的影響

通過投加CaCl2和MgSO4來調(diào)節(jié)水樣初始總硬度分別為0 mg/L（實(shí)驗(yàn)用淡化水總硬度幾乎為零），107.64 mg/L，210.56 mg/L，309.81 mg/L等四個硬度梯度時，海水淡化水對水泥內(nèi)襯鑄鐵管腐蝕速率的影響。

圖8和圖9顯示，硅酸鹽溶解速率隨總硬度的上升而明顯降低，說明總硬度的提高使淡化水的化學(xué)穩(wěn)定性增加，從而使淡化水的腐蝕性降低，緩解了淡化水對水泥砂漿防腐層的溶解。當(dāng)總硬度濃度在約100 mg/L時，硅酸鹽溶解速率急速降低，出現(xiàn)拐點(diǎn)，隨后溶解速率并沒有隨總硬度濃度增加而呈現(xiàn)明顯降低趨勢。

2.2.4 余氯對帶水泥內(nèi)襯鑄鐵管的影響

通過投加NaClO來調(diào)節(jié)水樣初始余氯的濃度分別為0 mg/L，1.3 mg/L，2.2 mg/L，3.0 mg/L等四個余氯濃度梯度時，海水淡化水對水泥內(nèi)襯鑄鐵管腐蝕速率的影響。

圖10和圖11分別為硅酸鹽含量隨停留時間變化趨勢圖和硅酸鹽溶解速率隨余氯含量的變化趨勢圖。余氯為0 mg/L，1.3 mg/L，2.2 mg/L，3.0 mg/L 時的硅酸鹽溶解速率分別為 8.21 mg/h，6.82 mg/h，7.12 mg/h，8.19 mg/h。

適當(dāng)增加余氯濃度使硅酸鹽溶解速率降低，但隨余氯濃度的增大，硅酸鹽溶解速率也隨之增大。這可能是因?yàn)楦叩穆入x子濃度增加了溶液中水的離子強(qiáng)度，從而增強(qiáng)離子遷移的速率，加快了腐蝕速率[9]。綜上，淡化水在水泥砂漿內(nèi)襯球墨鑄鐵管內(nèi)輸配時，應(yīng)適當(dāng)控制余氯的濃度，過高的余氯不僅加快淡化水對水泥砂漿內(nèi)襯防腐層的腐蝕，同時也會使海水淡化水后處理成本增加。

3 結(jié)論

（1）與鐵制管網(wǎng)基于鐵釋放和碳酸鹽體系的水質(zhì)穩(wěn)定性研究不同，帶水泥砂漿內(nèi)襯球磨鑄鐵管為硅酸鹽體系。因此，水質(zhì)穩(wěn)定性差、腐蝕性強(qiáng)的海水淡化水在帶水泥砂漿內(nèi)襯球墨鑄鐵管內(nèi)輸配時，必須進(jìn)行不同于鐵制管網(wǎng)的后處理。

（2）調(diào)節(jié)pH值對海水淡化水在帶水泥砂漿內(nèi)襯球墨鑄鐵管的腐蝕無關(guān)。

（3）堿度和硬度對海水淡化水在帶水泥砂漿內(nèi)襯球墨鑄鐵管網(wǎng)的溶解速率影響十分顯著，隨著堿度和硬度的濃度升高硅酸鹽溶解速率降低，但水質(zhì)離子強(qiáng)度也隨之增大。為保證海水淡化水在帶水泥砂漿內(nèi)襯管網(wǎng)內(nèi)輸配的穩(wěn)定性，應(yīng)適當(dāng)增大水中的堿度和硬度。

（4）余氯濃度對海水淡化水在帶水泥砂漿內(nèi)襯球墨鑄鐵管網(wǎng)的溶解速率影響較小，當(dāng)余氯濃度較低時，水質(zhì)穩(wěn)定性有所增加，隨著余氯濃度的增大，硅酸鹽溶解速率上升。

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Water Quality Stability of Desalinated Water in Cement Mortar Lined Cast Iron Water Supply Systems

DONG Qi,ZHAO Peng,ZHANG Hong-wei,TIAN Yi-mei,HUANG Chun-kai
(School of Environmental Science and Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

With the reconstruction of old pipelines,cement mortar lined cast iron pipe is more and more extensively used to the urban water supply system.The silicate system of the cement mortar lined cast iron pipe network is different from iron pipe network which is based on iron release and carbonate system.Batch-scale dynamic simulation experiments were done to analyze the water quality stability of desalinated water in cement mortar lined cast iron water supply system.The parameters include acid-base condition,alkalinity,hardness and residual chlorine.It was found that pH and residual chlorine had a small influence upon the pipeline corrosion rate,and alkalinity and hardness had a great impact on the pipeline corrosion rate.The pipeline corrosion rate increases with the increasing concentration of alkalinity and hardness.

milling of cast iron pipe;desalinated seawater;stability of water quality;control

TU991

A

1003-2029（2013）01-0069-05

2012-09-27

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目——給水管網(wǎng)腐蝕層中穩(wěn)態(tài)水對管網(wǎng)水質(zhì)影響機(jī)制及調(diào)控方法（51208353）；國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目——供水管網(wǎng)漏失及管道損傷的早期聲波診斷技術(shù)（51278333）

董琦（1987-），女，碩士研究生，主要研究方向?yàn)轱嬘盟踩Ｕ稀mail：dongqi_tju@126.com