給水管網(wǎng)鐵釋放現(xiàn)象及影響因素分析

給水管網(wǎng)鐵釋放現(xiàn)象及影響因素分析1、研究背景2、給水管網(wǎng)中的腐蝕和鐵釋放現(xiàn)象3、管垢結(jié)構(gòu)分析4、鐵釋放現(xiàn)象影響因素分析5、控制方法1、研究背景

隨著生活水平的日益提高,人們對(duì)于飲用水水質(zhì)的要求也越來(lái)越高,供水行業(yè)面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的混凝、沉淀、過(guò)濾、消毒，甚至增設(shè)預(yù)處理、深度處理等工藝，用戶用水仍然會(huì)出現(xiàn)超標(biāo)問(wèn)題。事實(shí)上,自來(lái)水廠的出水并未超標(biāo)，由于自來(lái)水在給水管網(wǎng)中發(fā)生了各種復(fù)雜的物理、化學(xué)和生物變化,從而造成自來(lái)水管網(wǎng)水質(zhì)二次污染。鐵超標(biāo)是破壞管網(wǎng)水化學(xué)穩(wěn)定性的重要因素之一。2、給水管網(wǎng)中的腐蝕和鐵釋放現(xiàn)象

在鐵管內(nèi)表面發(fā)生腐蝕后，由于管垢鐵銹的表面鈍化層作用阻斷了腐蝕過(guò)程中帶電粒子的轉(zhuǎn)移，破壞了腐蝕電池，從而阻止了鐵制管材的進(jìn)一步腐蝕，進(jìn)入相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)。但是，如果管網(wǎng)水狀態(tài)發(fā)生變化，鈍化層被破壞，則大量的管垢鐵銹物質(zhì)將溶于水中，形成管垢向管網(wǎng)水中釋放鐵，即鐵釋放現(xiàn)象。[1]3、管垢結(jié)構(gòu)分析

王洋[2]對(duì)管垢的宏觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，管內(nèi)壁存在一層較厚的管垢，外觀結(jié)構(gòu)凹凸不平，特別是鑄鐵管的管垢中存在許多瘤狀物。管垢表面顏色基本上都是棕紅色，內(nèi)部顏色有黑色與棕紅色兩種。管垢的外部比較致密，內(nèi)部則比較松散。中間存在一層致密殼層。

牛璋彬等人[1]利用掃描電鏡對(duì)管垢微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：在掃描電鏡下，對(duì)管垢內(nèi)部的微觀形態(tài)進(jìn)行觀察可以看出，管垢內(nèi)部為疏松多孔結(jié)構(gòu)，且表面積大。

由上可知，在管網(wǎng)中，一旦外部致密層被破壞，內(nèi)部鐵銹很容易發(fā)生鐵釋放現(xiàn)象進(jìn)入管網(wǎng)水。4、鐵釋放現(xiàn)象影響因素分析

國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)研究，定性得出了影響管網(wǎng)水鐵釋放的主要因素，包括pH、堿度、溶解氧、余氯、氯離子濃度、硫酸根離子濃度等。本篇重點(diǎn)介紹了以上因素對(duì)鐵釋放現(xiàn)象的影響，以期為實(shí)際給水管網(wǎng)中控制鐵釋放現(xiàn)象提供重要的支持。4.1PH

牛璋彬等人[3]研究了兩種水樣在不同PH條件下的鐵釋放速率曲線，結(jié)果表明：高pH條件下鐵釋放量小，鐵釋放速率隨著pH值的升高而降低。

分析其原因：

1）增加pH會(huì)降低氫氧化亞鐵和碳酸亞鐵等鐵化合物的溶解度，從而減少鐵釋放的量

2）提高pH能加快二價(jià)鐵的氧化速率，使得管垢表面三價(jià)鐵鈍化層穩(wěn)定，從而控制鐵釋放。

鄭毅等人[4]對(duì)PH影響鐵釋放現(xiàn)象的原因分析更加詳細(xì)。水中存在下列平衡：

pH值增大會(huì)降低氫氧化亞鐵和碳酸亞鐵的溶解度，從而減少鐵的釋放量；另一方面，pH值增大可以加快二價(jià)鐵的氧化速率，使管垢表面氫氧化亞鐵的空隙容易固定，從而減緩鐵釋放。其氧化機(jī)理如下:4.2堿度

牛璋彬等人[3]在保證PH不變的條件下研究堿度對(duì)鐵釋放的影響，結(jié)果表明：在相同的PH條件下，堿度值越低，鐵釋放量越大，相應(yīng)的釋放速率就越高。

含碳酸鹽系統(tǒng)的水體中，pH<10.5的情況下，碳酸根控制著水中鐵的溶解度，水中存在著鐵與碳酸根反應(yīng)的沉淀溶解平衡。當(dāng)堿度高時(shí)，水中的碳酸根含量高，反應(yīng)向鐵的碳酸鹽化合物沉積方向進(jìn)行，水中鐵含量減小；當(dāng)堿度低時(shí)，水中的碳酸根含量低，反應(yīng)向溶解方向進(jìn)行，引起鐵釋放。4.3溶解氧

牛璋彬等人[1]對(duì)溶解氧濃度及管網(wǎng)中鐵含量進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果表明：管網(wǎng)水中溶解氧濃度高,管網(wǎng)水鐵含量則低,反之管網(wǎng)水溶解氧濃度低則鐵含量高.

溶解氧作為水中重要的氧化劑，影響著管網(wǎng)管垢形成反應(yīng)和鐵釋放反應(yīng)。由于管垢的外部與含有溶解氧的管網(wǎng)水接觸，處于高氧化狀態(tài)，其構(gòu)成大部分是三價(jià)鐵的化合物，表面形成了致密的含有三價(jià)鐵化合物的鈍化層。而管垢內(nèi)部處于低氧化狀態(tài),其構(gòu)成為二價(jià)鐵和三價(jià)鐵的混合物。當(dāng)管網(wǎng)水中溶解氧被耗盡時(shí)，管垢外部三價(jià)鐵化合物被還原成二價(jià)鐵，致使致密鈍化層被破壞，內(nèi)部的鐵被釋放出來(lái)。而二價(jià)鐵溶解度大于三價(jià)鐵，低氧化狀態(tài)下的二價(jià)鐵容易被溶出，造成水中鐵超標(biāo)。4.4余氯

牛璋彬等人[1]對(duì)管網(wǎng)中余氯濃度與含鐵量的關(guān)系進(jìn)行了研究。結(jié)果表明：和溶解氧與鐵含量的關(guān)系相似，管網(wǎng)水中余氯濃度越高，鐵含量越低，反之余氯濃度越低，鐵含量就越高。

作者從化學(xué)和生化兩個(gè)角度進(jìn)行原因分析：

1）從化學(xué)角度分析，高濃度的余氯具有強(qiáng)氧化性，可以防止管垢外部致密鈍化層的破壞，從而降低鐵釋放量。由于余氯和溶解氧都是維持管垢和水接觸面高氧化態(tài)的重要因素，因此余氯對(duì)于管網(wǎng)鐵釋放影響應(yīng)該與溶解氧相似。

2）從生化角度分析，作為消毒劑氯可以殺滅管垢中的微生物，降低管壁微生物活性。當(dāng)余氯量降低時(shí)，管壁微生物活性增加，其代謝產(chǎn)物將造成管垢與水接觸面的微環(huán)境pH值改變，從而破壞管垢外部的結(jié)構(gòu)，造成二價(jià)鐵的釋放，引起鐵超標(biāo)現(xiàn)象。此外，鐵細(xì)菌等的過(guò)量生長(zhǎng)也將產(chǎn)生鐵腐蝕釋放現(xiàn)象。4.5氯離子濃度

劉揚(yáng)[5]研究了不同氯離子濃度對(duì)總鐵含量的影響。

結(jié)果表明：氯離子的含量越少對(duì)應(yīng)的鐵含量減少，尤其是在浸泡時(shí)間大于4h之后，氯離子濃度較高的水樣中鐵濃度迅速升高。

分析其原因

1）由于氯離子對(duì)三價(jià)Fe釋放反應(yīng)起到催化的作用，與管垢中的FeOOH(堿式氧化亞鐵)

和FeOCl(改性氧基氯化鐵)發(fā)生如下反應(yīng)：氯離子能夠取代鈍化層金屬離子內(nèi)相互連接的氫鍵，從而破壞鈍化層，生成溶解態(tài)的亞鐵離子從而造成總鐵含量升高。

2）氯離子濃度的提高會(huì)增加水中的離子強(qiáng)度，增大離子的遷移速率，進(jìn)而促進(jìn)鐵的釋放。4.6硫酸根離子濃度

劉揚(yáng)[5]研究了不同硫酸根離子濃度對(duì)總鐵含量的影響。

結(jié)果表明：隨著離子濃度的增大，總鐵含量增加。

其原因分析與氯離子濃度相似，硫酸根與堿式氧化亞鐵發(fā)生如下反應(yīng)：

硫酸根離子能夠取代鈍化層金屬離子內(nèi)相互連接的氫鍵，從而破壞鈍化層，生成溶解態(tài)的亞鐵離子，造成鐵釋放；

此外，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(jìn)硫酸鹽還原菌的過(guò)量生長(zhǎng)，通過(guò)微生物的作用，增加管材的腐蝕。

對(duì)于以硫酸根、氯離子等中性離子的侵蝕為基礎(chǔ)的鐵穩(wěn)定性判別指數(shù)主要是拉森指數(shù)（LarsonRatio）[2]。拉森指數(shù)的計(jì)算公式如下式

式中的離子需使用離子活度進(jìn)行計(jì)算。由4.5、4.6恰好可以驗(yàn)證拉森指數(shù)的正確性。硫酸根離子、氯離子濃度增大，則腐蝕性越大，鐵釋放現(xiàn)象就越嚴(yán)重。5、控制方法

由上述分析可知，可以通過(guò)適當(dāng)調(diào)高PH，增大堿度、提高溶解氧和余氯值，盡量去除水中氯離子和硫酸鹽離子，則鐵釋放現(xiàn)象將會(huì)緩解。需要強(qiáng)調(diào)的是，余氯的提高是有限度的，過(guò)高的余氯會(huì)產(chǎn)生消毒副產(chǎn)物，危害人體健康。此外，還應(yīng)綜合考慮調(diào)整上述各指標(biāo)增加的費(fèi)用問(wèn)題。參考文獻(xiàn)[1]牛璋彬，王洋，張曉健，何文杰，韓宏大，陰沛軍.某市給水管網(wǎng)中鐵釋放現(xiàn)象影響因素與控制對(duì)策分析[J].環(huán)境科學(xué)：2006，27（2）：310-314.[2]王洋.給水管網(wǎng)鐵穩(wěn)定性特性及控制技術(shù)研究[D].北京：清華大學(xué)土木學(xué)院，2010.[3]牛璋彬，王洋，張曉健，陳超，王生輝.給水管網(wǎng)中鐵釋放現(xiàn)象的影響因素研究[J]