《给水管材对水质化学稳定性影响研究进展 -杨龙.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《给水管材对水质化学稳定性影响研究进展 -杨龙.doc（11页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、给水管材对水质化学稳定性的影响研究进展杨龙北京工业大学建筑工程学院，北京，100124摘要：对于城市给水管网这个“巨型反应器”，管材对管中水的化学稳定性有着重要的影响，管材腐蚀恶化了水质,管材的特性影响着水质化学稳定性。文章主要综述了管材对水质化学稳定的研究进展，并提出管材选择的合理性、管网管理维护的科学性是控制管网水质化学稳定性的重要途径。关键词：给水管材；水质化学稳定性；影响研究Progress of influential researches of water supply pipes on chemical stability of water qualityAbstract: Wi
2、th regard to urban water supply network, namely “giant reactor”, pipes materials have great influence on chemical stability of water quality, the corrosion of pipes pollute the water quality, and the special characteristics of pipes materials affect the chemical stability of water quality. The paper
3、 mainly summarizes the progress of water supply pipes influence on chemical stability of water quality, meanwhile, the writer suggests that the important approaches of guarantying the chemical stability of water quality are the reasonableness of material selection and the scientific maintaining and
4、management of water supply network.Key words: Water supply pipes ；Chemical stability of water quality；Influential researches1.引言 城市给水管网是一个复杂庞大的“反应器”系统，不仅表示供水管线长度很长，也表示供水管道由多种管材组成，因此水在管网中的流经时间长，有足够的时间在管网内进行各种反应。据统计，我国在1985年，城市供水管道的总长度为45470.5km，到2003年城市供水管道的总长度为185968.1km，相比增加了4倍多1。管材材质影响着管中水的化学稳定性，管
5、材本身的腐蚀形成的腐蚀产物污染水质，管材在水的长期浸泡过程中会溶出一些对人体健康有害物质，管材的相互衔接不当也会影响水质的化学稳定性，管材内壁的内衬保护层的破损会造成水质污染。许仕荣等2研究了水处理及输配过程中水质化学稳定性的变化规律，结果表明水处理工艺增加了水的腐蚀倾向，而投机臭氧则可缓解其腐蚀倾向。对于供水系统水质化学稳定性的保障研究主要侧重于提高出厂水的pH和碱度，关于管材对水质化学稳定性的研究不多。 近年来，随着给水处理技术的完善，给水处理厂的出水水质基本都达到生活饮用水卫生标准（GB5749-2006）的要求，但是处理后经过管网输送，水质却发生了恶化。据统计3，我国自来水公司出厂水的
6、各项水质指标满足水质标准，全国大、中型水厂全年水质合格率在99%以上。但出厂水在管网中水质下降，管网水质合格率较出厂水下降0.88%，浊度平均高0.3NTU，细菌总数增加4倍，合格率为97%，而大肠杆菌的合格率下降到90%。因此，管网的更新改造逐渐被提上日程，但是对于供水管网这个庞大系统，改造并非易事，各城市都在改造和扩建供水管网，选取合适的供水管材、更新和维护已有的管材对保证水质化学稳定性起到很重要的作用。 水质化学不稳定性所造成的最常见的问题就是“有色水”问题。我国大部分地区出现过“黄水”问题。据一项统计，美国在5年期间，用水用户向美国水公司所反映的一系列用水不安全问题中，“有色水”问题占
7、34%4。水质化学稳定性是保证水质稳定的基本条件，只有保证水质的化学稳定性，各种微生物才没有赖以生存的营养环境。因此，研究水质化学稳定性，对于保障安全饮用水起到了很重要的作用。管网水质化学稳定性受管材、水力滞留时间、出厂水水质等多种因素的影响。管材的选用直接关系到管网水的水质和管网系统的可靠性。 目前，供水管材种类繁多，常用给水管材可分为金属管材、非金属管材和复合管材，管材都会对水质的化学稳定性产生直接的或者间接的影响。金属管材包括铸铁管、钢管和铜管等。非金属管材包括预应力钢筋混凝土管、玻璃钢管、塑料管。城市给水主干管采用钢筋混凝土管或水泥砂浆衬里的铸铁管等管材。配水管道以及城市供水系统中的支
8、管对管道中的水质化学稳定性影响更为严重。管材对水质的影响主要表现在管材与管中输送的水发生电化学反应，以至于管材对管中水质缓冲平衡产生影响。 对于管网中水质化学稳定性的判别指数仅是从水质成分方面考虑的，主要有LSI饱和指数、RSI稳定指数、PSI稳定指数、临界pH值、ME暂时过量、DFI推动力指数、碳酸钙沉淀势CCPP、拉森比率LR、侵蚀指数AI等。以上指数有的是从pH值角度定性分析水质稳定性，还有的是以碳酸钙溶度积常数和离子浓度方面定量的判断水质的化学稳定性。近年美国、德国、瑞典、丹麦、挪威等国家联合研讨了这一问题，主张要与管网所用材质结合起来考虑。不同的管材中水质的化学稳定性应有不同的判别指
9、数。2.管材腐蚀对水质化学稳定性的影响 无论是金属管材，还是非金属管材，都不可避免的会发生腐蚀，腐蚀后的管材与所输送的水发生一系列化学、电化学、生物反应，影响了水质化学稳定性。赵洪宾5详细地分析了给水管网中主要管材、管材防腐内衬层对供水水质的稳定性的影响，他指出选用合适管材是解决管网水质污染的有效途径。 2.1金属管材水质化学稳定性影响 对于金属管材而言，目前在给水管网中常用的是铁质性管道，主要包括铸铁管、球铁管和无缝钢管，金属管材中含有的铁含量很高，不同的金属管材其铁的含量也不同，不同厂家生产的同一金属管材含铁量也不同。据研究，钢中铁的质量分数超过99%,而在铸铁和球铁中为92%93%。这类
10、管材在没有衬里保护或衬里破坏的条件下容易腐蚀，从而导致铁等离子释放到管道水中，影响了水质的化学稳定性，也破坏了管道的水力特性。铁质型管材表面的除铁之外的杂质对金属管材的腐蚀反应有着很大的影响。铸铁管是供水管网中使用量最多的一种管材。目前世界上每年铸铁管的产量约700万吨，并每年以3的速度递增。目前对管道中铁释放的研究较多，其理论也较成熟。研究铁质性管材中铁释放的机理，有助于控制管道腐蚀，进而保障供水的化学稳定性。铁的释放过程6主要是指溶解态或颗粒态的铁由管壁向水相中的转移过程。给水管网铁的释放与管道腐蚀是相互作用的。国外对铁质管材中铁的释放机理研究主要包括以下几种7：Sontheimer等提出
11、管垢形成的Siderite模型；Kuch机理；铁化合物（碳酸亚铁和氢氧化亚铁）的溶解理论；瘤状物破坏理论；腐殖酸作用理论；微生物活动理论；溶解氧影响模型。理论上，铁相与水相共存时，发生腐蚀反应是不可避免的，铁的腐蚀产物在一定的水力和水质条件下会向水中释放铁。Zhijian Tang8等提出热力学平衡铁释放模型，他们认为铁管内表面溶解性铁释放量可以用热力学计算进行预测，这个计算基于与腐蚀结垢物固相界面的相关联的热力学平衡常数。热力学模型认为所有的溶解性铁与所有的固相建立平衡，所有的固相考虑到模型的建立。考虑到相关反应后，溶解性复杂化合物的浓度（例如碳酸盐，氯化物和硫酸盐）都被考虑在内。所有的溶解
12、性铁化合物之和就是水中总铁的含量，如下式等式所示：FeT=Fe2+FeOH+FeOH20+FeOH3-+FeHCO3+FeCO30+FeSO40+FeCl+FeT=10-10.89H+Alka10-10.31+10-9.5H+10-20.6H+2+10-32H+3+102Alka+104.38Alka10-10.3H+102.25SO42-+100.9Cl-Alka是碱度的缩写形式，单位为mol/L。需要说明的是该模型建立的实验条件为0.38V和25。；另外根据研究过程中所测量的ORP值，由于Fe2+的含量超过Fe3+。因此在建立此模型中忽略了Fe3+的化合物。 清华大学张晓健等7对给水管网中
13、的铁的稳定问题进行了深入的研究，通过调查发现各地给水管网中铁不稳定的最主要原因是管网腐蚀和铁释放造成的。同时研究发现在管壁微环境中发生着腐蚀反应、铁释放反应和铁沉积反应。铁质管材内表面形成的腐蚀层6的化学成分主要包括针铁矿（-FeOOH）、磁铁矿（Fe3O4）、纤铁矿（-FeOOH），同时还会有菱铁矿的存在（FeCO3）。有研究9对给水管网中铸铁管和镀锌钢管上的管内壁腐蚀管垢进行了分析，结果表明外层管垢可能的化学组成是-FeOOH、-FeOOH、-Fe2O3、-Fe2O3、FeCl3等三价铁化合物,而内层管垢则为Fe3O4、FeCl2、FeCO3等二价铁及二价铁与三价铁共同存在的化合物。王洋1
14、0对给水管网铁稳定性特性及控制技术进行了系统的研究。王利平11对给水管道中腐蚀和铁的稳定性进行了研究，结果表明金属管道的腐蚀导致腐蚀产物进水水中，对水质造成污染。Zhijian Tang8通过XRD,RMS,XPS对使用年限为1年PVC管、内衬球墨铸铁管（LDI）,无衬里铸铁管（UCI）和镀锌钢管（G）内部结垢物进行研究，四种管材中铁的释放速率顺序为UCIGLDIPVC。不同的管材所形成的铁的腐蚀产物不同，并且不同管材铁的释放速度也不同。给水管道的腐蚀和铁的释放不仅会对管网之中的水质造成污染，同时管网中的水质成分又会反过来抑制或促进腐蚀和铁的释放，影响腐蚀和铁的释放因素主要有：pH值、碱度、S
15、O42-、Cl-、Ca2+、Mg2+、溶解氧、余氯、硅酸盐、有机物、温度等。 给水管材对水质化学稳定性的影响，除了Fe的释放对水质化学性有影响外，还有Cu、Zn、Ni、Pb、Al、Mn等物质的释放，这些物质在水流的侵蚀和水的滞留作用下，会逐渐溶出，这些物质会与水中原有的化学物质相互作用，形成络合物或其他沉积物，也有可能会与管材材质形成原电池而影响了水质化学稳定性。M.R.Lasheen12等对埃及饮用水管道中影响Pb和Fe释放的影响因素进行了研究，研究表明，镀锌铁管（GI）最容易受到水质参数的影响，并且镀锌铁管（GI）中铁的释放量最大。PVC管Pb的释放量最大，而PP管Pb和Fe释放释放量最少
16、。Jos M.Cerrato13等研究了饮用水配水系统中PVC管材和铁管材对管道中Mn（）沉积物的影响。结果表明，从PVC管材中取得的水样，其Mn的浓度较高，并且比铁管中水的颜色深。PVC管中沉积物中Mn的含量高于铁管沉积物中Mn的含量；PVC管中沉积物很容易被水流冲刷。而在铁管中Mn与铁管铁锈中间层或底层发生电子交换使得Mn融进了铁锈中，Mn被铁锈包裹，而不容易被水流冲击。管材中除铁之外的物质的释放，不仅影响了水质化学稳定性，同时与铁的释放相互影响，管材中这些物质的释放也是一个逐渐累积的过程，会逐渐放大，从而污染了水质，对人体的健康产生了危害。管材中的这些物质造成的管材的腐蚀非常严重，以至于每年需要花费很大一部分资金去维护或更新管材。 2.2 非金属管材对水质化学稳定性影响 对于一些非金属管材，同样会对水质化
