提高出厂水化学稳定性的试验研究

提高出厂水化学稳定性的试验研究给水排水专业摘要当前国内供水行业中水质的化学稳定问题普遍存在，又以腐蚀问题更为严重。为了全面、客观地评价水质化学稳定性问题，本文采用5种稳定指数来综合评价水质化学稳定性。通过对深圳特区供水系统水质化学稳定性的调查发现，各水厂原水、出厂水、管网水常年具有腐蚀性、侵蚀性；而且水处理工艺中，混凝、消毒都会降低水质化学稳定性。本课题通过投加碱剂提高pH的效果，控制出厂水pH在8.0~8.5之间，可使出厂水基本稳定；采用再矿化工艺，深圳原水投加CO₂18mg/L,石灰20mg/L,可使出厂水水质完全稳定。关键词供水系统；化学稳定性；水质稳定；再矿化。universallyinthedomThroughtheinvestigationaboutthewaterstabilizationofShenZhenSpecialZone'swatersupplysystem,wecanfindthattheoriginalwaterofallthewaterplants,theoutgoingwaterfromthewaterplantsandthewaterofdistcorrosiveandaggressive.Andinthewatertreatmenttechnology,coagulationanddisinfectionwillcutthewaterstafromthewaterplantsbetween8.0~8.5tomaketheoutgoingwaterfromthewaterplantsthroughtheadditionofalkaliinthistopic.ItcanstabilizethequalityoftheoutgoingwaterfromthewaterplantsbytherecarbonationtechKEYWORDSwatersupplysystem;chemrecarbonation.目录 I I第1章绪论 11.1课题背景与研究意义 11.1.1课题背景 11.1.2研究意义 11.2国内外研究进展 21.3课题来源与研究内容 31.3.1课题来源 31.3.2研究内容 3第2章深圳特区供水系统水质化学稳定性调查 42.1深圳特区供水系统概况 42.2水质化学稳定性的评价体系 52.3原水化学稳定性现状 62.3.1原水的水质特征 62.3.2原水化学稳定性概况 62.3.3原水化学稳定性季节性变化规律 72.4出厂水化学稳定性现状 92.4.1出厂水化学稳定性概况 92.4.2出厂水化学稳定性季节性变化规律 2.5管网水化学稳定性现状 2.6本章小结 第3章供水系统水质化学稳定性变化规律研究 3.1材料与方法 3.1.1实验装置 3.1.2检测指标与方法 3.2水处理工艺对水质化学稳定性的影响 3.2.1混凝工艺对水质化学稳定性的影响 3.2.2过滤工艺对水质化学稳定性的影响 3.2.3消毒工艺对水质化学稳定性的影响 3.3供水系统水质化学稳定性变化规律 3.3.1常规处理工艺 3.3.2臭氧活性碳处理工艺 3.4本章小结 第4章供水系统水质化学稳定性控制措施研究 4.1以出厂水pH为控制目标的控制措施 4.1.2不同碱剂投加效果分析 4.1.3碱剂投加点的选择 4.2以出厂水总碱度为控制目标的控制措施 4.2.1控制出厂水总碱度的意义 4.2.2再矿化工艺的提出 4.2.3出厂水总碱度的控制值 4.2.4原水水质 4.2.5材料与方法 4.2.6石灰的投加量 4.2.7二氧化碳投加量对水质稳定的影响 4.2.8成本估算 4.3管网改造及科学管理 4.4本章小结 结论 参考文献 致谢 第1章绪论1.1课题背景与研究意义随着社会发展居民及工业用水水质标准不断提高，我国主要城市水厂不断完善处理工艺，多数水厂都能满足国家标准，但是在输配过程中即用户终端管网水的浊度、色度、细菌总数、铁、铜等离子浓度都比出厂水要高，配水管网有时出现黄、黑水，给工业生产(印染、电池、化工等)及居民日常生活造成较大影响。另外，给水管道内壁的腐蚀和结垢更是普遍的现象。其主要原因是，存在管网的结构问题、管网的运行管理问题，同时也存在出厂水的水质稳定问题。管网水质稳定性指化学稳定性及生物稳定性两个方面，在不少城市供水系统中这两个方面都存在着不同程度的问题。而出厂水水质化学稳定性差别是造成管网腐蚀和结垢的内因。水质的化学稳定性是指水在管道输送过程中既不结垢又不腐蚀管道，在水工业中常被定义为既不溶解又不沉积碳酸钙。水质化学稳定性主要表现为腐蚀性和结垢性两方面，根据《城市供水行业2000年技术进步发展规划》的调查，地表水厂出厂水水质基本稳定的只有21%,有腐蚀倾向的为50%,有结垢倾向的为29%;地下水厂出厂水水质基本稳定的为50%,有腐蚀倾向的为30%,有结垢倾向的为20%[1]。由此可见，供水行业中水质的化学稳定问题普遍存在，又以腐蚀问题更为严重。腐蚀性的水在管网中长期停留，会腐蚀金属管道，产生腐蚀产物，聚集在管道内壁。给水管道内壁生长的腐蚀产物也称之为生长环[2],会缩小管道的有效过水段面，增加管道的阻力系数，降低管道的输送能力，极严重时甚至使管道不能通水。美国新英格兰区19个城市通过调查发现：沥青衬里的铸铁管在使用30年后，平均输水能力损失52%[3]。金属管道内壁的腐蚀，缩短了管道的使用寿命，增加了管材的维护、更换费用。美国供水协会(AWWA)于1999年估计，美国的供水企业在今后20年内将花费3250亿美元来更新城市供水管网[4]。这个数值是以美国环保署(EPA)估计在今后20年里要花费772亿美元来新敷和更新输配水管线为基础的[5]。城市供水系统中管道的漏损，也有相当部分是由于金属管道内壁腐蚀引起的。给水管道内壁腐蚀产物的释放，也是人们关心的一大问题。当供水管网内水流速度或水流方向发生突然变化时，给水管道内壁的腐蚀产物很可能脱落，并释放到自来水中。据芝加哥1968年供水管网水样与出厂水水样的水质对比得出，镉、铬、钴、铜、铁、铅、锰、镍、银、锌等元素的浓度在15%～67%的水样中有所增加[3]。城市供水系统中常见的“黄水”问题，就是由钢管、铸铁管等管道内壁铁腐蚀产物的释放而引起的。铁腐蚀产物释放到水中，恶化了水的感观性质，对印染、化工、电池等工业生产造成很大影响，也常引起居民用户的投诉。腐蚀不仅仅是金属管道的问题，腐蚀性的水同样会侵蚀金属表面的水泥砂浆、非金属保护层和非金属管材。美国某市的一座供水量为20.8万m³/d的水厂，其配水管网中的钢筋混凝土管、石棉水泥管及水泥砂浆衬里的铸铁管，受腐蚀性水的侵蚀，每年估计管材损失以CaCO₃计约为453吨[3]。金属管道衬里的水泥砂浆或钢筋混凝土管受腐蚀性水的侵蚀时，CaO会从水泥中浸出，这种现象被称之为“脱钙”。当水体缓冲能力很弱时，释放到水体中的CaO会导致水体的pH值剧烈上升，甚至超过8.5以上。因此，提高供水系统的水质化学稳定性，控制管网的腐蚀，具有经济和卫生双重作用，对保护管网和提高管网水质都具有至关重要的意义。国内供水行业在管网水质稳定上的研究处于起步阶段，在饮用水水质标准中，还没有相关的要求。因此，进行管网水质化学稳定性及控制方法的研究，采取有效措施缓解城市给水管网的腐蚀、改善管网水质具有迫切的现实意义。供水系统水质的化学稳定性是指水在输配过程中，由于各种因素的影响，水中含有的各化学物质之间或者与外部特别是管道之间发生化学反应而引起稳定性改变，主要的化学变化有氧化、水解、还原等。水质的化学稳定性研究涉及到水在管道输送过程中结垢或腐蚀的倾向，水质化学稳定性好，在水工业中常被定义为既不溶解又不沉积CaCO₃。水中的CaCO₃溶解平衡体系一般是指重碳酸钙、碳酸钙和二氧化碳之间的平衡。如水中游离二氧化碳含量少时，则发生碳酸钙沉淀；如超过平衡量时，则发生二氧化碳腐蚀，反应式如下：当水中的CaCO₃过饱和时，倾向于沉淀出CaCO₃。这种水在管道中流动时，会产生CaCO₃沉淀，沉积在管壁上，引起结垢，称之为结垢性的水。当水中CaCO₃含量低于饱和值时，则倾向于使已沉淀的CaCO₃溶解。这种水遇到混凝土的管道和构筑物就会产生侵蚀作用，在金属管道中流动时则会溶解管道内壁碳酸钙保护膜，对金属产生腐蚀作用，称之为腐蚀性的水。二者都是不稳定性的水。既无沉淀CaCO₃倾向，也无溶解CaCO₃倾向的水，才是化学稳定的水。国内外学者对供水系统水质化学稳定性的研究主要集中在水质化学稳定性的判别指数及模型、管道内壁腐蚀瘤的形态特征及结构分析、腐蚀产物的释放及有色水形成的机理、水质化学稳定处理及腐蚀控制方法等方面，但还没有得出具体结论，本课题对水质化学稳定处理及腐蚀控制方法做重点研究。1.3课题来源与研究内容本课题研究来源为国家十五“863”重大专项—南方地区安全饮用水保障技术 (2002AA601120)子专题“出厂水的二次污染控制及安全输配”及深圳水务集团有限公司2006年度科技项目“供水系统水质化学稳定性”研究。研究目的在于通过对深圳市供水系统水质的系统监测与分析，发现典型供水系统水质化学稳定性变化规律，并提出改善南方地区供水系统水质化学稳定性的技术措施，缓解给水管网的腐蚀，改善管网水质。1.3.2研究内容本文针对供水系统水质化学稳定性及其控制策略与方法，主要研究内容为：1)深圳特区供水系统水质化学稳定性现状调查；2)水处理工艺对水质化学稳定性的影响；3)供水系统水质化学稳定性的控制方法。第2章深圳特区供水系统水质化学稳定性调查供水系统由取水构筑物、水处理构筑物和输配水管网组成。通过对供水系统各环节水质的监测、分析，探寻水质化学稳定性在供水系统中的变化规律，是解决水质化学稳定性带来的诸多问题、并提供相应的控制对策而必不可少的研究手本课题研究的典型供水系统主要在深圳经济特区，系统地掌握深圳特区内供水系统的水质化学稳定性现状，是完成本课题研究的基础。本课题从2002年1月开始，对深水集团各水厂原水、出厂水进行每月一次的取样分析，测定的水质参数包括：水温、pH、总溶解固体、总硬度、总碱度、钙硬度、铁、锰等，水质化学稳定性判别指数采用饱和指数IL、稳定指数IR、碳酸钙沉淀势CCPP、侵蚀指数AI、拉森比率LR等。2.1深圳特区供水系统概况深圳市地处我国广东省中南沿海，陆域为东经113°46'至114°37',北纬22°27'至22°52’。根据1995年深圳市土地资源详查成果，全市总面积1948.69km²,其中特区内391.71km²。深圳市距广州160km,距香港、九龙35km。东临大鹏湾，西连珠江口，南与香港新界接壤，北靠东莞、惠州两市。深圳市人口近1000万。深圳常年气温高，生活节奏快，生活消费水平也较高，对水量的需求相对也较大。深圳人均综合生活用水量高达427L/d,而南方各大城市人均综合生活用水量仅为深圳水库-东深供水渠流域和观澜河流域是深圳市的两大供水流域。目前深圳市的境外水源有东深供水工程和东部供水水源工程。深圳市境内水资源仅为少量水库蓄水，总量有限，被列为全国缺水城市之一。本地水源只能满足需求量的20%,80%的用水需要外地输送。深圳经济特区内最大的供水企业是深圳水务集团有限公司，该公司供水区域占特区面积的95%以上。深水集团现有5座水厂，供水量达167万吨/日。深圳特区内水厂使用的水源均为水库原水，主要来自东深供水工程和东部供水水源工程，由深圳水库、西丽水库、铁岗水库等水库供水。其中深圳水库是各水厂最主要的水源，目前年供水量占全年总水量的90%以上。深水集团供水管网全长约821.4475km,其中钢筋混凝土管174.6km,钢管216.8km,铸铁管210.8km,球墨铸铁管359.24km,PCCP管108km,因资料不全未知管材属性的管道172.5km。2.2水质化学稳定性的评价体系饱和指数IL是Langelier在1936年最早提出的水质化学稳定性判别指数。饱和指数从热力学平衡角度出发，以碳酸钙的溶解平衡为基础，在国内外得到了广泛的应用，在今天仍是最常用的判别指数之一。饱和指数在实际应用中有两个弊端，一是对两个同样的IL值不能进行水质化学稳定性的比较。例如pH分别为7.5和9.0的两个水样，其pHs分别为6.65和8.14,计算的IL值分别为0.85和0.86,就IL而言两者都是结垢性的，但实际上第一个水样是结垢性的，而第二个水样是腐蚀性的。二是当IL值在0附近时，容易得出与实际相反的结论。Ryznar在Langelier工作的基础上，对大量的生产数据进行总结，于1946年提出了半经验性的Ryznar稳定指数。该指数在一定程度上避免了饱和指数的上述两个弊端，使得判断结果更加趋于可靠。国内一般采用饱和指数和稳定指数共同来分析评价水质化学稳定性。这两个指数只能给出水质化学稳定性的定性分析，判别的结果只能表示水的腐蚀或结垢的倾向。对于腐蚀性或结垢性的水来说，究竟每升水中应该沉淀或溶解多少碳酸钙才能使水质稳定，饱和指数和稳定指数都是无能为力的。况且，Langelier提出饱和指数的初衷只是用于评价钢管、铸铁管、镀锌钢管等未内防腐铁质金属管道的水质化学稳定性。只采用上述两个指数来判别整个配水管网的水质化学稳定性，显然是不够准确的。为了全面、客观地评价水质化学稳定性问题，还需采用多种指数来建立水质化学稳定性的综合评价体系。碳酸钙沉淀势CCPP能给出碳酸钙沉淀或溶解量的数值，它从定量的角度来分析水质化学稳定性，因而是个更好的判别指数。对于石棉管、水泥管及水泥砂浆衬里的金属管材，侵蚀指数AI能更准确的评价水质化学稳定性。另外，在一定条件下，氯离子、硫酸根离子等阴离子能够增加水的导电性，破坏金属表面的钝化膜和穿透非金属管材，降低水质化学稳定性。拉森比率LR能够评价氯离子、硫酸根离子等阴离子对水质化学稳定性的影响。因此，本课题采用5种稳定指数来综合评价水质化学稳定性：对于无内防腐的金属管材，用饱和指数IL、稳定指数IR定性分析，用碳酸钙沉淀势CCPP来定量分析；对于水泥管、水泥砂浆衬里的金属管材，用侵蚀指数AI来分析；对于各种管材，还采用拉森比率LR来评价氯离子、硫酸根离子等阴离子对水质化学稳定性的影响。当饱和指数IL和稳定指数IR的评价结果与碳酸钙沉淀CCPP2.3原水化学稳定性现状深水集团的水厂原水主要来自深圳水库，根据《地面水环境质量标准》(GB3838-2002),原水水质除总氮、总磷、铁、锰、石油类等个别指标有时超标外，其它水质项目检测值均达到Ⅱ类水体标准，具有明显的低浊、高藻、微污染特征，表现为：1)浊度常年维持在10NTU以下；2)藻类常年处于10⁶~107个/L的水平，最高时达10⁸个/L数量级，其中微囊藻、鱼腥藻和颤藻等多种藻类都是能产生有毒有害藻毒素的藻种；3)氨氮、亚硝氮、总氮、总磷、石油类等指标，随季节、气候的变化而经常波动；4)铁、锰含量在春夏雨季时较高。在水质化学稳定性相关的判别指数计算中，常用的水质参数有水温、pH、总溶解固体、总碱度、总硬度、钙、氯化物、硫酸盐等。各水厂原水水温呈季节性变化，冬季最低(1月),夏季最高(7～9月),并有较好的重现性。各水厂原水水温基本相同，水温总体较高，常年不结冰，平均23.4℃,最低14℃,最高31℃。pH、总溶解固体、总硬度、总碱度、氯化物、硫酸盐等水质参数无明显季节性变化规律，但均在一定范围之内。原水pH在6.56~8.03之间，平均值为7.00,最大值8.03,最小值6.56;原水总溶解固体在19～140mg/L之间，平均值81,最大值140,最小值19;原水总硬度在10～91mg/LCaCO₃之间，平均值46.8,最大值91,最小值10;原水总碱度在5.7～44.5mg/LCaCO₃之间，平均值28.6,最大值44.5,最小值5.7;原水氯化物在2.2～24.8mg/L之间，平均值13.2,最大值24.8,最小值2.2;原水硫酸盐在2.0～27.2mg/LCaCO₃之间，平均值12.8,最大值27.2,最小值2.0。为全面掌握深圳特区原水化学稳定性概况，本课题研究人员已经从2002年1月至2004年5月，对深水集团各水厂原水进行每月一次的取样分析，测定的水质pH、总溶解固体、总碱度、钙硬度、铁、锰等，水质化学稳定拉森比率LR等。在2002年1月～2004年5月的调查期内：深水集团各水厂原水的pHs均大于8.20,79.3%的数值大于8.50,最高达到饱和指数IL均小于0,其中14.8%的数值处于-0.50~-1.50之间，65.3%的数值处于-1.50~-2.00之间，19.9%的数值小于-2.00。各水厂原水均具腐蚀性。稳定指数IR均大于9.00,其中17.2%的数值处于9.00~10.00之间，69.7%的数值处于10.00~11.00之间，13.1%的数值处于11.00~12.00之间。碳酸钙沉淀势CCPP均小于0,其中68.3%的数值小于-10mg/LCaCO₃,28.2%的数值处于-5～-10mg/LCaCO₃之间，3.5%的数值大于-5mg/LCaCO₃,综合IL、IR和CCPP,深水集团各水厂的原水68.3%具有严重腐蚀性，28.2%具有中度腐蚀性，3.5%具有轻度腐蚀性，常年为腐蚀性水。各水厂原水的侵蚀指数AI均小于12,原水对钢筋混凝土管、水泥砂浆衬里的管材具有侵蚀性。其中40%的数值小于10,原水具有高度侵蚀性；60%的数值处于10～12之间，原水具有中等程度的侵蚀性。拉森比率LR在62.1%的时段小于1,37.9%的时段大于1。2003年2月份以后，拉森比率LR整体上数值有所下降，基本上都小于1。但各水厂原水的拉森比率仅有10.3%的数值小于0.5;2.1%的数值小于0.2,存在阴离子穿透管道内壁腐蚀瘤，引发黄水问题的一定风险。2.3.3.1pHs、饱和指数及稳定指数Langelier认为在某一水温下，水中溶解的碳酸钙达到饱和状态时，此时水的pH值是个定值。水在碳酸钙饱和平衡时的pH值，称之为饱和pH值，也就是pHs。各水厂原水的pHs在每年的1～5月均有逐渐降低的趋势，在6～12月又有逐渐升高的趋势。总体上，2002年各厂原水pHs小于2003年，更小于2004年。2002年1月～2004年5月间，各厂原水的pHs均大于8.20,79.3%的数值大于8.50,最高达到9.47。各水厂原水的饱和指数IL除个别月份外，在1～5月有逐渐升高的趋势，在6～12月又有逐渐降低的趋势。饱和指数均小于0,14.8%的数值处于-0.50~-1.50之间，65.3%的数值处于-1.50~-2.00之间，19.9%的数值小于-2.00。稳定指数IR在1～5月有逐渐降低的趋势，在6～12月又有逐渐升高的趋势，稳定指数均大于9.00,17.2%的数值处于9.00～10.00之间，69.7%的数值处于10.00～11.00之间，13.1%的数值处于11.00～12.00之间。综合饱和指数和稳定指数，2002年1月~2004年5月间，各水厂原水均具有极强腐蚀性。ST水厂的稳定指数IR在大部分时间内较其它水厂要高，其原水的腐蚀性稍强于其它水厂。与饱和指数和稳定指数只能定性分析水质化学稳定性不同的是，碳酸钙沉淀势CCPP能定量分析水中碳酸钙的溶解平衡状态。在2002年1月～2004年5月之间，各水厂原水的碳酸钙沉淀势CCPP均小于0,原水为腐蚀性的水，这和饱和指数IL的分析结论也是一致的。其中68.3%的数值小于-10mg/LCaCO₃,28.2%的数值处于-5～-10mg/LCaCO₃之间，3.5%的数值大于-5mg/LCaCO₃,深水集团各水厂的原水常年具有严重腐蚀性。从时间上看，2003年和2004年原水的CCPP平均水平明显高于2002年，原水的腐蚀性有所好转。2002年，原水的CCPP随时间的变化较为杂乱，规律性不强，但在2月和7月出现“波谷”,数值最低。在2003年，碳酸钙沉淀势CCPP在1～3月逐渐降低，在4～8月逐渐升高，8月～12月又逐渐降低；2004年的前5个月也有类似的规律。由于取样分析的年限和数据量有限，尚无定论，但每年3月左右原水的腐蚀性可能更强。如前文所示，结合饱和指数IL和稳定指数IR进行分析，ST水厂原水的腐蚀性稍强于其它水厂。在2002年1月～2004年5月的29个月中，各水厂原水的CCPP值，ST水厂有5次最低，BJ水厂有5次最低，DC水厂有7次最低，DH水厂有2次最低，ML水厂有10次最低。在大部分的时间内，ST水厂原水的CCPP值并不比其它水厂原水的值低，其腐蚀性不是最强的，倒是ML水厂原水的腐蚀性最强。饱和指数及稳定指数判断得出的结论与CCPP存在一定的矛盾。这也说明用饱和指数、稳定指数去判别腐蚀或结垢的倾向是可行的，但用它们去判别腐蚀或结垢的严重程度并不是完全准确的。当需要定量分析水质化学稳定性问题时，使用碳酸钙沉淀势CCPP来判断更为合适。在2002年1月～2004年5月之间，各水厂原水的侵蚀指数AI均小于12,原水对钢筋混凝土管、水泥砂浆衬里的管材具有侵蚀性。其中40%的数值小于10,原水具有高度侵蚀性；60%的数值处于10～12之间，原水具有中等程度的侵蚀性。每年的3～5月，侵蚀指数逐渐上升，5～11月又逐渐降低。在其它月份，侵蚀指数随时间变化的规律不太明显。总体上，各水厂原水的AI值绝大部分时间内小于10.5,侵蚀性都较强。在2002年1月～2004年5月之间，各水厂原水的拉森比率LR在62.1%的时段小于1,37.9%的时段大于1。2003年2月份以后，拉森比率LR整体上数值有所下降，基本上都小于1。拉森比率LR无明显季节性变化规律。但各水厂原水的拉森比率仅有10.3%的数值小于0.5;2.1%的数值小于0.2,存在阴离子穿透管道内壁腐蚀瘤的一定风险。而深圳原水氯化物和硫酸根的浓度不是很高，应尽可能提高水体的总碱度，以降低拉森比率。在2002年1月～2004年5月的调查期内：深水集团各水厂出厂水的pHs均大于7.90,59.2%的数值大于8.50,最高达到9.28。饱和指数IL均小于0,其中0.6%的数值处于0~-0.50之间，74.7%的数值处于-0.50~-1.50之间，24.1%的数值处于-1.50~-2.00之间，0.6%的数值小于-2.00。各水厂出厂水均具腐蚀性。稳定指数IR均大于8.30,其中8.6%的数值处于8.30~9.00之间，91.4%的数值大于9.00。出厂水碳酸钙沉淀势CCPP均小于0,其中28.7%的数值小于-10mg/LCaCO₃,63.3%的数值处于-5～-10mg/LCaCO₃之间，8.0%的数值大于-5mg/LCaCO₃。综合IL、IR和CCPP,深水集团各水厂的出厂水，28.7%具有严重腐蚀性，63.3%具有中度腐蚀性，8.0%具有轻度腐蚀性，常年为腐蚀性水。各水厂出厂水的侵蚀指数AI均小于12,出厂水对钢筋混凝土管、水泥砂浆衬里的管材具有侵蚀性。其中0.4%的数值小于10,出厂水具有高度侵蚀性；96.6%的数值处于10～12之间，出厂水具有中等程度的侵蚀性。拉森比率LR在69.0%的时段小于1,31.0%的时段大于1。2003年2月份以后，拉森比率LR整体上数值有所下降，基本上都小于1。但各水厂出厂水的拉森比率仅有5.7%的数值小于0.5;所有数值均大于0.2,存在阴离子穿透管道内壁腐蚀瘤，引发黄水问题的一定风险。由于各水厂均采用了石灰投加工艺，出厂水化学稳定性较原水有所好转，腐蚀性有一定程度的降低。调查期间，深水集团各水厂出厂水化学稳定性指数的平均值、最大值、最小值、总平均值如表2-1所示。表2-1出厂水化学稳定性概况取样点AI水厂出厂水平均值最大值最小值水厂出厂水平均值最大值最小值厂一期出厂水平均值最大值最小值厂二期出厂水平均值最大值最小值水厂出厂水平均值最大值最小值ML水厂出厂水平均值最大值最小值总平均饱和指数及稳定指数各水厂出厂水的pHs在每年的1～5月均有逐渐降低的趋势，在6～12月又有逐渐升高的趋势。总体上，2002年各厂出厂水pHs小于2003年，更小于2004年。2002年1月～2004年5月间，各厂出厂水的pHs均大于7.90,59.2%的数值大于8.50,最高达到9.28。出厂水pHs的季节性变化规律与原水基本相同。各水厂出厂水的饱和指数IL除个别月份外，在1～5月有逐渐升高的趋势，在6～12月又有逐渐降低的趋势。饱和指数均小于0,其中0.6%的数值处于0~-0.50之间，74.7%的数值处于-0.50~-1.50之间，24.1%的数值处于-1.50~-2.00之间，0.6%的数值小于-2.00。稳定指数IR在1～5月有逐渐降低的趋势，在6~12月又有逐渐升高的趋势，稳定指数IR均大于8.30,其中8.6%的数值处于8.30~9.00之间，91.4%的数值大于9.00。综合饱和指数和稳定指数，2002年1月~2004年5月间，各水厂出厂水91.4%具有极严重腐蚀性，8.6%具有严重腐蚀性。ST水厂出厂水的稳定指数IR在大部分时间内较其它水厂要高，其腐蚀性稍强于其它水厂。在2002年1月～2004年5月之间，各水厂出厂水的碳酸钙沉淀势CCPP均小于0,原水为腐蚀性的水，这和饱和指数IL的分析结论也是一致的。其中28.7%的数值小于-10mg/LCaCO₃,63.3%的数值处于-5～-10mg/LCaCO₃之间，8.0%的数值大于-5mg/LCaCO₃。深水集团各水厂的出厂水，28.7%具有严重腐蚀性，63.3%具有中度腐蚀性，8.0%具有轻度腐蚀性，常年为腐蚀性水。从时间上看，2003年和2004年出厂水的CCPP平均水平明显高于2002年，出厂水的腐蚀性有所好转。2002年，出厂水的CCPP随时间的变化较为杂乱，规律性不强，但在4月和7月份左右出现“波谷”,数值最低。在2003年，碳酸钙沉淀势CCPP在1～3月逐渐降低，在4～8月逐渐升高，8月～12月又逐渐降低；2004年的前5个月也有类似的规律。由于取样分析的年限和数据量有限，尚无定论，但每年3月左右原水的腐蚀性可能更强，建议水厂在该时间段内采用针对性的措施。在2002年1月～2004年5月之间，各水厂出厂水的侵蚀指数AI均小于12,出厂水对钢筋混凝土管、水泥砂浆衬里的管材具有侵蚀性。其中0.4%的数值小于10,出厂水具有高度侵蚀性；96.6%的数值处于10～12之间，出厂水具有中等程度的侵蚀性。从时间上看，除个别时间点外，每年的3～5月，侵蚀指数逐渐上升，5～11月又逐渐降低。在其它月份，侵蚀指数随时间变化的规律不太明显。在2002年1月～2004年5月之间，各水厂出厂水的拉森比率LR在69.0%的时段小于1,31.0%的时段大于1。2003年2月份以后，拉森比率LR整体上数值有所下降，基本上都小于1。拉森比率LR无明显季节性变化规律。但各水厂出厂水的拉森比率仅有5.7%的数值小于0.5;所有数值均大于0.2,存在阴离子穿透管道内壁腐蚀瘤，引发黄水问题的一定风险。而深圳出厂水氯化物和硫酸根的浓度不是很高，应尽可能提高出厂水的总碱度，以降低拉森比率。2.5管网水化学稳定性现状在ST、BJ、DC、DH、ML等水厂的供水区域内，各选择一个典型管网点，取样分析其水质化学稳定性。各水厂对应的管网点分别为保税区、八卦岭、南山工区、布心和市政公司。在2002年1月～2004年5月的调查期内：深水集团各典型管网点的pHs均大于7.90,54.5%的数值大于8.50,最高达到9.29。饱和指数IL除布心管网点2002年8月为0.04外，其余均小于0,其中4.1%的数值处于0~-0.50之间，86.9%的数值处于-0.50~-1.50之间，9.0%的数值处于-1.50~-2.00之间。管网水常年具有腐蚀性。稳定指数IR均大于7.90,其中19.3%的数值处于7.90~9.00之间，80.7%的数值大于9.00。管网水碳酸钙沉淀势CCPP除布心管网点2002年8月为0.2外，其余均小于0,其中13.8%的数值小于-10mg/LCaCO₃,63.4%的数值处于-5～-10mg/LCaCO₃之间，22.8%的数值大于-5mg/LCaCO₃。综合IL、IR和CCPP,深水集团管网水，13.8%具有严重腐蚀性，63.4%具有中度腐蚀性，22.8%具有轻度腐蚀性，常年为腐蚀性水。管网水的侵蚀指数AI均小于12,管网水对钢筋混凝土管、水泥砂浆衬里的管材具有侵蚀性。其中0.7%的数值小于10,管网水具有高度侵蚀性；99.3%的数值处于10～12之间，管网水具有中等程度的侵蚀性。拉森比率LR在71.7%的时段小于1,28.3%的时段大于1。2003年2月份以后，拉森比率LR整体上数值有所下降，基本上都小于1。但各水厂出厂水的拉森比率仅有3.4%的数值小于0.5;所有数值均大于0.2,存在阴离子穿透管道内壁腐蚀瘤，引发黄水问题的一定风险。各管网点水质化学稳定性与相应的出厂水水质化学稳定性相比，差别不大；但较原水有所好转，腐蚀性有一定程度的降低。调查期间，深水集团各水厂出厂水化学稳定性指数的平均值、最大值、最小值、总平均值如表2-2所示。表2-2管网水化学稳定性概况取样点AI水厂管网水平均值最大值最小值水厂管网水平均值最大值最小值水厂管网水平均值最大值最小值水厂管网水平均值最大值最小值ML水厂管网水平均值最大值最小值总平均2.6本章小结本章主要对2002年1月至2004年5月期间，深圳特区内供水系统的水质化学稳定性现状进行调查，并得出以下结论：1).深水集团各水厂原水、出厂水、管网水常年具有腐蚀性。其中原水68.3%具有严重腐蚀性，28.2%具有中度腐蚀性，3.5%具有轻度腐蚀性；出厂水28.7%具有严重腐蚀性，63.3%具有中度腐蚀性，8.0%具有轻度腐蚀性；管网水13.8%具有严重腐蚀性，63.4%具有中度腐蚀性，22.8%具有轻度腐蚀性。2).深水集团各水厂原水、出厂水、管网水常年对钢筋混凝土管、水泥砂浆衬里的管材具有侵蚀性，同时存在阴离子穿透管道内壁腐蚀瘤，引发黄水问题的风险。3).2002年以后，深水集团各水厂原水、出厂水、管网水的腐蚀性、侵蚀性均有所减弱，水质化学稳定性总体上略微有所好转。4).深水集团各水厂原水、出厂水、管网水pHs在每年的1～5月均有逐渐降低的趋势，在6～12月又有逐渐升高的趋势。饱和指数IL除个别月份外，在1~5月有逐渐升高的趋势，在6～12月又有逐渐降低的趋势。稳定指数IR在1～5月有逐渐降低的趋势，在6～12月又有逐渐升高的趋势。5).2002年，原水、出厂水、管网水的CCPP随时间的变化较为杂乱，规律性不强，但在4月和7月份左右出现“波谷”,数值最低。在2003年，碳酸钙沉淀势CCPP在1～3月逐渐降低，在4～8月逐渐升高，8月～12月又逐渐降低；2004年的前5个月也有类似的规律。6).拉森比率LR无明显季节性变化规律。但存在阴离子穿透管道内壁腐蚀瘤，引发黄水问题的风险。而深圳出厂水、管网水氯化物和硫酸根的浓度不是很高，应尽可能提高出厂水的总碱度，以降低出厂水和管网水的拉森比率。第3章供水系统水质化学稳定性变化规律研究本章主要研究城市供水系统内沿工艺流程水质化学稳定性的变化规律。沿工艺流程水质化学稳定性变化规律研究分为小试实验研究和中试实验研究两部分。小试实验研究分析了5种不同常用的混凝剂在不同投量下处理深圳原水，对沉后水水质化学稳定性的影响。中试实验研究探讨了常规工艺和深度处理工艺流程内，水质化学稳定性的变化规律。本章研究的目的是为了找出在该供水系统内哪个环节采取措施，以控制水质化学稳定性。3.1材料与方法小试实验选取聚合氯化铝PAC、Al₂SO₄、FeCl₃、聚合硫酸铁PFS、聚合氯化铝铁PAFC等5种常用的混凝剂，考察各种混凝剂在不同投量下，对沉后水水质化学稳定性的影响。实验装置采用深圳中润水工业发展有限责任公司生产的ZR4-6型6联混凝搅拌实验仪(如图3-1所示),5种混凝剂均为深圳清源净水器材有限公司生产。实验条件为：快速搅拌30s,转速为250r/s;慢速搅拌15min,转速为50r/s;沉淀图3-1小试实验装置图中试实验装置采用南方S市的一套设计流量为10m³/h的臭氧生物活性碳中试装置(如图3-2所示),进行工艺流程内水质化学稳定性变化规律研究。当中试装置超越预臭氧及深度处理单元时，模拟常规处理工艺；当中试装置采用臭氧生物活性碳处理工艺时，模拟深度处理工艺。图3-2臭氧生物活性碳中试装置工艺流程图3.1.2检测指标与方法取样检测水样的pH、水温、浊度、总溶解固体、总硬度、总碱度、钙、氯化物、硫酸盐等水质指标，各指标检测方法如下：pH采用玻璃电极法测定，采用美国YSI-100型pH计，可同时测定水温。浊度采用美国哈希公司生产的HACH2100A型便携式浊度仪。将混合均匀的水样，在称至恒重的蒸发皿中于水浴中蒸干，放在103~105℃的烘箱内烘至恒重，增加的总量即为总溶解固体。总硬度和钙采用DR/2400便携式分光光度计测定。总碱度采用酸碱指示剂滴定法测定。氯化物和硫酸盐采用离子色谱法测定，采用DionexICS-2500型离子色谱测沉后水pH沉后水pH沉后水pH3.2水处理工艺对水质化学稳定性的影响3.2.1混凝工艺对水质化学稳定性的影响实验原水采用深圳水库原水，往原水中分别投加0、1、2、5、10、20、30mg/L6个梯度的聚合氯化铝PAC、Al₂SO₄、FeCl₃、聚合硫酸铁PFS、聚合氯化铝铁PAFC分析不同混凝剂在不同投量下，对沉后水水质及化学稳定性的影响。为保证实验结果可信，进行了两次实验，考察其重现性。根据实验结果，确定中试实验研究使用的混凝剂种类和投加量。第一次实验和第二次实验，原水pH分别为6.71和6.85。原水投加不同量的混凝剂后，沉后水的pH的变化规律如图3-3所示。混凝剂投加量(mg/L)Al2(SO4)3—Al2(SO4)3—PACPFS(a)第一次实验(b)第二次实验图3-35种混凝剂不同投加量对沉后水pH的影响从图3-3可以看出，在两次实验中，原水投加不同量的混凝剂后，沉后水的pH有相同的变化规律，重现性良好。对深圳原水而言，随着每种混凝剂投加量的增加，沉后水的pH不断降低。5种混凝剂在相同投量下，铝盐混凝剂与铁盐混凝剂相比，引起沉后水pH下降的幅度相对较小；聚合态混凝剂与传统的铝盐、铁盐混凝剂相比，引起沉后水pH下降的幅度相对较小；降低沉后水pH的幅度PAC<PAFC<Al₂(SO₄)₃<PFS<FeCl₃。第一次实验和第二次实验，原水总碱度分别为30.83和27.17mg/LCaCO₃。原水投加不同量的混凝剂后，沉后水总碱度的变化规律如图3-4所示。混凝剂投加量(mg/L)PFS混凝剂投加量(mg/L)(a)第一次实验(b)第二次实验图3-45种混凝剂不同投加量对沉后水总碱度的影响从图3-4可以看出，在两次实验中，原水投加不同量的混凝剂后，沉后水的总碱度有相同的变化规律，重现性良好。对深圳原水而言，随着每种混凝剂投加量的增加，沉后水的总碱度不断降低。铁盐混凝剂在投加量在10mg/L以上时，沉后水中碱度全部耗尽，无法检出。5种混凝剂在相同投量下，铝盐混凝剂与铁盐混凝剂相比，引起沉后水总碱度下降的幅度相对较小；聚合态混凝剂与传统的铝盐、铁盐混凝剂相比，引起沉后水总碱度下降的幅度相对较小；降低沉后水总碱度的幅度PAC<PAFC<Al₂(SO₄)₃<PFS<FeCl₃。第一次实验和第二次实验，原水浊度分别为15.4和8.8NTU。原水投加不同量的混凝剂后，沉后水浊度的变化规律如图3-5所示。混凝剂投加量(mg/L)—PAC一■—PA混凝剂投加量(mg/L)一◆—PAC一◆—PAC一*—FeC13(a)第一次实验(b)第二次实验图3-55种混凝剂不同投加量对沉后水浊度的影响从图3-5可以看出，对深圳原水而言，铝盐混凝剂的最佳投量均在2mg/LAl₂O₃左右，铁盐混凝剂中PFS最佳投量在5mg/LFe左右，FeCl₃最佳投量在2mg/LFe左右。3.2.1.4不同混凝剂对沉后水化学稳定性的影响从上面两节，我们已知：在相同投加量下，降低沉后水pH和总碱度的幅度PAC<PAFC<Al₂(SO₄)₃<PFS<FeCl₃。由于铁盐混凝剂在投加量在10mg/L以上时，沉后水中碱度全部耗尽，无法检出。此时，其化学稳定性指数无法计算。原水水质条件为：水温23.6℃,pH6.71,总碱度30.83mg/LCaCO₃,总硬度42mg/LCaCO₃,钙硬度32mg/LCaCO₃,氯化物11.6mg/L,硫酸盐10.2mg/L。投加不同量的混凝剂后，沉后水化学稳定性的变化规律如表3-1所示。表3-1不同混凝剂对沉后水化学稳定性的影响投加量0125饱和指数—稳定指数一—— 碳酸钙沉淀势-144.62-351.84一 -160.89-520.11 -775.22— 侵蚀指数AI—— 拉森比率一一 计算结果表明，随着每种混凝剂投加量的增加，沉后水的化学稳定性不断降低。5种混凝剂在相同投量下，铝盐混凝剂与铁盐混凝剂相比，引起沉后水化学稳定性下降的幅度相对较小；聚合态混凝剂与传统的铝盐、铁盐混凝剂相比，引起沉后水化学稳定性下降的幅度相对较小；降低沉后水化学稳定性的幅度PAC<PAFC<Al₂(SO₄)₃<PFS<FeCl₃。混凝剂投量在5mg/L以上时(PAC、PAFC、Al₂SO₄投量以Al₂O₃计，PFS、FeCl₃投量以Fe计),沉后水化学稳定性下降的幅度尤为明显，为极强腐蚀性、侵蚀性水。由于混凝工艺需消耗原水中的碱度，降低原水的pH,混凝沉淀工艺必然会降低水体的化学稳定性。在保证工艺除浊、除有机物等要求的前提下，应尽可能降低混凝剂的投加量。从保证沉后水乃至出厂水化学稳定性的角度，PAC是最适合处理深圳原水的混凝剂，因此后续的中试实验采用PAC做为混凝剂，投加量以Al₂O₃计为2mg/L。3.2.2过滤工艺对水质化学稳定性的影响过滤工艺对水质化学稳定性的影响，主要体现在过滤过程中，滤料本身性能对出水pH的影响。本节主要针对被广泛使用的石英砂滤料和普及程度越来越高的活性炭滤料。3.2.2.1石英砂过滤工艺对水质化学稳定性的影响实验装置采用中试基地1#石英砂滤池。石英砂滤池的滤速为8m/h,接触时间为9分钟，砂上水深1.0m、砂滤层1.5m(含承托层),底部空间0.7m,石英砂产地福建漳州，粒径为0.6~1.0mm,采用气、水反冲洗，过滤周期为10h。砂滤池运行初期，出水pH较进水pH,有较大程度的升高，一个过滤周期内进出水pH变化曲线如图3-6所示。舌时间(h)在整个过滤过程中,滤池进水pH在6.98~7.12之间变化，出水的pH在7.17~7.54之间变化，其中进水的平均pH为7.07,出水的平均pH为7.32,出水的平均pH比进水高出0.25。进出水pH的最大变化值发生在过滤1小时，此时出水pH比进水pH高出0.52,在此之后的过滤过程中，进出水pH变化幅度减小，最后稳定在0.22~0.25的范围内。为探明砂滤出水pH升高的原因，对石英砂滤料进行了浸泡实验。取自1#石英砂滤池内的石英砂，用1#沉淀池出水进行浸泡，浸泡前水的pH值为7.01,每半个小时测定一次水体pH,随着浸泡时间的延长，水体pH的变化规律如图3-7所示。舌在浸泡8.5个小时的过程中，pH值的变化最大值为0.31,发生在浸泡4小时的时候，而后水的pH值开始小幅度的下降，并趋于稳定，在很长一段时间内，pH值稳定在7.22~7.26之间，浸泡初期2个小时范围内，pH值的增长速度最快，在此之后开始平缓并有少许降低，在2.0~8.5小时的时段内，pH值有小幅度的波动，但主要在7.24左右波动。整个过程中，pH值的变化范围为0.14~0.31,平均变化幅度为0.24。这同中试实验中一个过滤周期内，过滤出水的pH值平均变化值0.25也是比较接近的。可见，砂滤出水pH升高的主要原因可能是砂滤料表面含有碱性物质。砂滤池运行初期，出水pH上升，出水的化学稳定性也有所好转，如图3-8所示。砂滤池稳定运行6个月后，进出水pH变化不大，一个过滤周期内进出水pH变化曲线如图3-9所示。舌图3-9砂滤池稳定运行期一个过滤周期内进出水pH变化曲线在整个过滤过程中,滤池进水pH在6.98~7.12之间变化，出水的pH在6.92~7.13之间变化，其中进水的平均pH为7.07,出水的平均pH为7.05,进出水pH变化不大，化学稳定性变化也不大，出水化学稳定性略有下降，如图3-10图3-10石英砂滤池稳定运行期进出水化学稳定性对比上述实验主要得出以下主要结论：1.砂滤池运行初期，出水pH与进水相比，有所升高，出水化学稳定性有所好转。出水pH虽然有所升高，但仍小于8.5,在水质标准范围内，无需采取措施，降低砂滤出水pH。2.砂滤池稳定运行期间，进出水pH变化不大，化学稳定性变化也不大，出水化学稳定性略有下降。活性炭的主要成分为C元素、其次为O、H等元素，据原材料的不同还含有一些金属元素，如K、Al、Si、Na、Fe₂O₃及少量的Mg、Ca、B、Cu、Ag、Zn、Sn和痕量的Li、Rb、Pb[6]。在活化以及后处理(酸洗或碱洗)的过程中，活性炭表面易产生在水溶液中呈酸性或碱性的化合物，液相吸附时可以改变溶液的pH值[7]。当前，国内外生产的用于饮用水处理的活性炭表面通常显碱性，这是由于在活性炭生产过程中设定的活性炭活化温度通常有利于活性炭表面形成碱性官能团[8]。张文辉[9]等指出，不管采用粒状活性炭、破碎活性炭、煤质活性炭，均不同程度存在活性炭净化水pH升高的问题。实验装置采用中试基地1#活性炭滤池。活性炭滤池采用煤质颗粒活性炭，滤速为10m/h,空床接触时间为10.8分钟，砂滤层1.8m(含0.05m砂垫层),采用气、水反冲洗。活性炭的性能参数如表3-2所示：表3-2炭滤池活性炭性能参数灰分水分强度碘吸附值亚甲兰吸附值装填密度活性炭滤池运行初期，炭滤出水pH剧烈上升，大部分时刻超过了8.5,如图舌时间(h)为探明炭滤出水pH剧烈升高的原因，对活性炭滤料进行了浸泡实验。称取100g活性炭放入烧杯中，加入300mL的实验用蒸馏水，每小时测定一次pH及金属离子浓度。其中水样1为蒸馏水，其余水样为活性炭浸泡水。表3-3活性炭浸泡水pH及金属离子浓度水样金属离子浓度(mg/L)KB12345从表3-3可以看出，随着浸泡时间的增加，活性炭浸泡出水的pH显著上升，并且伴随着Ca、Mg、K和Na离子浓度的增加。这可能是因为活性炭表面的金属化合物(灰分的组成部分)不断地与水反应，生成的碱性化合物溶于水中使出水溶液pH明显升高。当活性炭内外达到离子平衡时水溶液的pH基本保持恒定。可以推断在活性炭表面Ca和Mg等金属化合物的存在导致了初期运行活性炭滤池出水的pH升高。需要说明的是水溶液中各种金属离子含量均未超过生活饮用水卫生标准，见GB5749-85[10]。虽然pH的升高，有利于提高水质化学稳定性，但必须满足生活饮用水卫生标准。因此，活性炭过滤初期，必须采取稀释、浸泡等方法，避免出厂水pH超在活性炭滤池运行6个月后，我们发现，炭滤出水pH与进水相比，有所下降，如图3-12所示。智7.3图3-12炭滤池运行稳定期进出水pH变化曲线滤池进水pH在7.05~7.31之间变化，出水的pH在6.89~7.15之间变化，其中进水的平均pH为7.21,出水的平均pH为7.05,出水pH平均下降0.16。活性炭滤池稳定期间，出水pH下降的主要原因可能与氨氮的去除有关。氨氮要通过微生物的催化作用进行氧化还原反应，氨氮首先被氧化为亚硝酸盐氮，随后被氧化成硝酸盐氮(硝化反应);形成的硝酸盐氮还会一部分还原为氮气，氨氮结合到含氮的有机物中进行胺化作用是一个非氧化还原反应[11]。胺化作用氨氮的硝化反应式如下：NH₃NO₂NO₂NO₃反硝化作用图3-13氨氮的反应途径NH₄^+1.86O₂+1.98HCO;→0.02C₃H,NO₂+1.04H₂O+0.98NO₅+1.88H₂CO₃(3.1)通过式3.1可以计算出硝化反应去除每mg/L氨氮需要要消耗7.14mg/LCaCO3的碱度[12]。随着氨氮的去除，反应式向右而活性炭滤池运行初期，炭滤出水pH并未降低，反而大幅上升，则是因为此时活性炭表面的微生物群落尚未成熟，硝化细菌和亚硝化细菌的含量有限，活性炭对氨氮的去除主要通过吸附作用完成。活性炭表面的大量碱性化合物溶于水中，造成出水pH显著上升。活性炭滤池稳定运行期间，出水pH降低，出水的化学稳定性也有所下降，图3-14活性炭滤池运行稳定期进出水化学稳定性对比上述实验主要得出以下主要结论：1).炭滤池运行初期，活性炭表面的碱性化合物溶于水中，导致出水pH与进水相比，剧烈升高。但出水pH超标，需要采取稀释、浸泡等方法，避免出厂水pH超标，使得炭滤出水化学稳定性有所改善的意义不大。2).炭滤池稳定运行期间，由于硝化反应的影响，去除氨氮的同时导致出水pH和总碱度降低，炭滤出水的化学稳定性也有所下降。ALKALK消毒工艺对水质化学稳定性的影响，主要体现消毒剂溶于水后，发生的化学反应对水体pH和碱度的影响。本节实验选用了当前最常用的液氯和次氯酸钠两种消毒剂，进行对比，分析消毒工艺对水质化学稳定性的影响。液氯被普遍使用于国内大中小型各类水厂出厂水的消毒工艺。而次氯酸钠由于安全性较好，在小型水厂及管网二次消毒中，也得到了较为广泛的应用。上海及周边地区的管网加压泵站大多采用补加次氯酸钠的方式，提高用户饮用水的微生物安全性。实验用水为中试砂滤出水，pH为7.0、总碱度为30mg/LCaCO₃、水温为24.1℃。两种不同的消毒剂在不同投量下，接触时间为30min时，对水体pH和总碱度的影响，如图3-15和3-16所示。罗投加量(mg/L)图3-15不同消毒剂不同投量对pH的影响图3-16不同消毒剂不同投量对总碱度的影响从图3-15和3-16可以很明显的看出，随着消毒剂投加量的增加，投加液氯的水样，pH和总碱度不断降低；投加次氯酸钠的水样，pH和总碱度不断增加。上述实验现象与它们各自与水的反应有关：Cl₂+H₂O⇔HCl+HCIONaClO+H,O⇔NaOH+HCIO虽然液氯和次氯酸钠本质都是依靠与水反应成生次氯酸消毒，但它们水解的不同产物导致了液氯会降低水体的pH和总碱度，而次氯酸钠会增加水体的pH和总碱度。通过上面几节的分析，显而易见使用液氯消毒会降低水质化学稳定性，而使用次氯酸钠则能略微提高水质化学稳定性。当然从消毒效果而言，液氯要强于次氯酸钠。鉴于目前国内大多数已建成的水厂仍采用液氯消毒，若使用消毒效果相对较差且同样存在消毒副产物问题的次氯酸钠替代，以提高出厂水的化学稳定性，工程改造投资与药剂成本将会增加，实际意义不大。但在新建水厂工程尤其是防氯气泄漏安全措施不甚完善的小水厂、管网二次消毒设施，使用次氯酸钠仍有积极意义。本着从实际出发的原则，中试实验仍采用液氯消毒。3.3供水系统水质化学稳定性变化规律在中试装置上模拟常规工艺及深度处理工艺，共进行了一个月的实验研究。实验期间，原水水质情况如表3-4所示。表3-4实验期间原水水质水质项目最大值最小值平均值总碱度(mg/LCaCO₃)总硬度(mg/LCaCO₃)氯化物(mg/L)硫酸盐(mg/L)总溶解固体(mg/L)当中试装置以常规工艺运行时，不投加臭氧，并超越深度处理单元。消毒剂采用液氯，投加量为1.5mg/L。用饱和指数IL、稳定指数IR、碳酸钙沉淀势CCPP、侵蚀指数AI和拉森比率LR分析原水、沉后水、砂滤出水、工艺出水的水质化学稳定性，其平均值变化规律如表3-4所示。表3-4常规处理工艺中水质化学稳定性沿工艺流程变化规律取样点原水沉后砂滤后工艺出水从表3-4可以看出，常规工艺流程中，各工艺段出水IL、CCPP均小于0,IR均大于9.0,AI均小于12,LR均大于0.2,具有强腐蚀性。沿水流前进方向，LSI、CCPP、AI不断降低；RSI、LR逐渐增大，这说明沿水流前进方向，水质对铁制管材的腐蚀性逐渐增强，对水泥砂浆衬里及水泥管材的侵蚀性也逐渐增强，阴离子对管材的腐蚀性也逐渐增强。混凝沉淀、过滤、消毒工艺都会引起水质化学稳定性的降低，尤其是混凝和消毒工艺对水质化学稳定性影响较大，腐蚀性增加较明显。这与本章第二节的实验结论是一致的。中试装置采用臭氧活性碳工艺时，预臭氧投量为1mg/L,主臭氧投量为2mg/L。沿工艺沿程水质化学稳定性变化规律如表3-5所示。表3-5臭氧活性碳工艺中沿水流前进方向水质化学稳定性变化规律取样点原水预臭氧沉后砂滤后主臭氧碳滤后工艺出水从表3-5可以看出，臭氧活性碳工艺流程中，各工艺段出水IL、CCPP均小于0,IR均大于9.0,AI均小于12,LR均大于0.2,具有强腐蚀性。沿水流前进在经过预臭氧和主臭氧工艺前后，存在明显的拐点。预臭氧和主臭氧使得IL、CCPP、AI值升高，IR、LR值降低，腐蚀性有所下降。主要原因是投加臭氧后，水体溶解氧浓度增加，CO₂含量降低，从而提高了水体的pH和总碱度。而其它工艺对水质化学稳定性的影响与常规工艺相同，均会引起水质化学稳定性的降低，水体对铁制管材的腐蚀性、对水泥砂浆衬里及水泥管材的侵蚀性及阴离子对管材的腐蚀性都有所增强。而活性炭工艺，则由于硝化反应的影响，去除氨氮的同时导致出水pH和总碱度降低，炭滤出水的化学稳定性也有所下降。由于臭氧能提高水质化学稳定性，较常规工艺相比，臭氧活性碳工艺的出水化学稳定性有所改善；但与原水相比，化学稳定性还是略有下降。通过对整个供水系统内沿水流前进方向水质化学稳定性变化规律的研究，得到以下结论：1).混凝工艺必然会降低水质化学稳定性，增强水体的腐蚀性，铝盐混凝剂与铁盐混凝剂相比，引起化学稳定性下降的幅度相对较小；聚合态混凝剂与传统的铝盐、铁盐混凝剂相比，引起化学稳定性下降的幅度相对较小；降低化学稳定性下降的幅度PAC<PAFC<Al₂(SO₄)₃<PFS<FeCl₃。2).石英砂滤池运行初期会提高砂滤出水的pH和总碱度，改善砂滤出水的化学稳定性；石英砂滤池运行稳定期，砂滤进出水的化学稳定性变化不大。3).炭滤池运行初期，活性炭表面的碱性化合物溶于水中，导致出水pH与进水相比，剧烈升高。但出水pH超标，需要采取稀释、浸泡等方法，避免出厂水pH超标，使得炭滤出水化学稳定性有所改善的意义不大。炭滤池稳定运行期间，由于硝化反应的影响，去除氨氮的同时导致出水pH和总碱度降低，炭滤出水的化学稳定性也有所下降。4).使用液氯消毒会降低水质化学稳定性，而使用次氯酸钠则能略微提高水质化学稳定性。5).投加臭氧，能改善水质化学稳定性，同样的水源，采用臭氧活性碳工艺的出水化学稳定性比常规工艺要好，但出水水质化学稳定性都比原水差。第4章供水系统水质化学稳定性控制措施研究从第3章的分析可知，水处理工艺流程会降低水质化学稳定性，因此改善管网水质化学稳定性的关键是控制出厂水的化学稳定性。pH和总碱度是影响水质化学稳定性的两个关键因素。本章分别从控制出厂水的pH和总碱度两方面出发，进行供水系统水质化学稳定性的研究。为达到水质化学稳定，各稳定指数所要达到的数值如表4-1所示。水质稳定指数AI最佳值可接受值需要指出的是，饱和指数、稳定指数、碳酸钙沉淀势三者之间，以控制CCPP达到可接受的范围为主，LSI和RSI为辅。4.1以出厂水pH为控制目标的控制措施通过对深圳特区供水系统水质化学稳定性的调查，发现深圳特区原水水温平均值为23.4℃,pH平均值为7.00,总碱度平均值为28.6mg/LCaCO₃,总硬度平均值为46.8mg/LCaCO₃,钙离子浓度平均值为13.4mg/L,总溶解固体平均值为81mg/L;投加石灰后，出厂水水温平均值为23.5℃,pH平均值为7.28,总碱度平均值为35.4mg/LCaCO₃,总硬度平均值为59.5mg/LCaCO₃,钙离子浓度平均值为18.3mg/L,总溶解固体平均值为92.8mg/L。结合深圳特区原水及出厂水水质特征，对pH在6~9范围内，水温25℃,总钙离子浓度15mg/L总溶解固体90mg/L的水样，进行稳定指数、饱和指数、侵蚀指数、碳酸钙沉淀势等水质稳定指数的计算，分析不同pH对水质稳定指数的影响。由于拉森比率的数值只与总碱度、氯化物、硫酸盐有关，与pH的变化无关，本节不做讨论。不同pH对水质稳定指数的影响，如图4-1所示。pH图4-1不同pH对水质稳定指数的影响从图4-1可以看出，饱和指数、稳定指数和侵蚀指数都和pH呈线性关系，随着pH的不断升高，饱和指数和侵蚀指数不断增加，稳定指数不断降低。碳酸钙沉淀势也随着pH的升高而增加，在pH6.0~8.0的范围剧烈增加，pH大于8.0后，增加幅度趋缓。总体上，随着pH的升高，腐蚀性与侵蚀性都随之降低。当pH大于8.0时，稳定指数、饱和指数、侵蚀指数、碳酸钙沉淀势都在可以接受的范围内。因此，投加碱剂提高出厂水的pH,是控制出厂水水质化学稳定性的有效措施之一。控制出厂水pH在8.0~8.5之间，可使出厂水基本稳定。选用Ca(OH)₂、NaOH、Na₂CO₃、NaHCO₃等几种常用碱剂，进行不同碱剂投加效果分析，包括不同碱剂在不同投量下对pH的影响和对化学稳定性的影响两部分。所用药剂均为分析纯。实验水样的pH为7.10,往水样中投加不同种类、不同量的碱剂后，其pH的变化如图4-2所示。贯图4-2不同碱剂投加对pH的影响从图4-2中可以看出，随着碱剂投加量的增加，水样的pH也不断增加，但增加速率随之逐渐变缓。在相同投量的情况下，投加碱剂后的pH值NaOH>Ca(OH)₂>Na₂CO₃>NaHCO₃。投加NaHCO₃时，水体的pH变化较缓慢，投加50mg/L后pH也仅为7.65。根据水化学的相关理论，投加NaHCO₃后，水体的pH最大为4.1.2.2不同碱剂投加对水质化学稳定性的影响投加不同种类、不同量的碱剂后，其水质稳定指数的变化如图4-3所示。(a)不同碱剂投加对饱和指数的影响投加量(mg/L)-NaDH——Ca(OH)2—A—Na2C03+—NaHC03(b)不同碱剂投加对稳定指数的影响气投加量(mg/L)(c)不同碱剂投加对碳酸钙沉淀势的影响(d)不同碱剂投加对侵蚀指数的影响号投加量(mg/L)—NaOH——Ca(0H)2—*—Na2C03*—NaHCO3(e)不同碱剂投加对拉森比率的影响图4-3不同碱剂投加对水质化学稳定性的影响从图4-3中可以看出，随着碱剂投加量的增大，LSI、CCPP、AI不断上升，而RSI、LR不断下降。这表明，随着碱剂投加量的增大，水体的腐蚀性、侵蚀性和阴离子穿透腐蚀瘤的可能性都不断降低，水质化学稳定性提高。综合4.1.2.1和4.1.2.2的实验结果，NaOH和Ca(OH)₂是提高水体pH,改善水质化学稳定性的较为有效的碱剂，在后续实验采用这两种碱剂。将碱剂的投加点分成两类：前加碱和后加碱。前加碱是指碱剂投加点在沉淀工艺之前，后加碱是指碱剂投加点在沉淀工艺之后。前加碱和后加碱的目标均是使出厂水pH在8.0~8.5之间。前加碱后的水，经混凝、沉淀、过滤、消毒工艺后，pH下降到8.0~8.5之间。很显然，前加碱与后加碱相比，药耗量更大。前加碱是否可行，关键取决于高pH对于原水混凝效果的影响。对于深圳原水，原水pH对沉后水浊度的影响如图4-4所示。原水pH7.13,浊度18.7NTU,投加HCl和NaOH,调整原水pH在2~12之间。PAC投量为2mg/L图4-4原水不同pH对沉后水浊度的影响从图4-4中可以看出，在混凝剂投量相同的情况下，当pH小于9时，随着pH的增加，沉后水浊度不断降低；当pH大于9时，随着pH的增加，沉后水浊度不断升高。由此可见，对于深圳原水，前加碱有一定的助凝效果，但投加碱剂后，水体pH不得高于9.0,否则混凝效果反而变差。而控制出厂水pH在8.0~8.5之间，也要求沉后水pH不得过高，从这一点看，恰好可以利用碱剂的助凝效果。为保障出厂水pH在8.0~8.5之间，前加碱后，水体pH不宜超过9.0。将碱剂直接投加在原水，NaOH和Ca(OH)₂在不同投量下，引起水体pH的变化如图4-5所示。88投加量(mg/L)(a)NaOH不同投量对原水pH的影响(b)Ca(OH)₂不同投量对原水pH的影响图4-5碱剂不同投量对原水pH的影响相同投量下，NaOH引起pH升高的幅度略大于Ca(OH)₂,考虑到混凝和消毒引起pH的下降，两者有效投量均需3~5mg/L,方可保障出厂水pH在8.0~8.5之的助凝效果更明显，主要原因是石灰溶液中含有很多颗粒物，增加了絮凝颗粒碰撞形成大矾花的机率。石灰的价格也较为低廉，约800元/吨，而NaOH则需3000~4000元/吨。两者前加碱的有效投加量基本相同，石灰助凝效果更佳。因此，对于深圳原水，前加碱控制出厂水化学稳定性是可行的，建议投用石灰3~5mg/L,投加点在投加混凝剂后1min左右。深圳特区的水厂多采用滤后消毒，后加碱投加在滤后出水总管，投加点在消毒后。后加碱对滤后水浊度的影响，如图4-6所示。图4-6后加碱时碱剂投加对出厂水浊度的影响从图4-6可以看出，滤后投加石灰，引起滤后水浊度的剧烈上升，而投加NaOH则对滤后水浊度影响不大。这是因为石灰中含有大量的杂质，若投加在滤后，必定引起出厂水浊度的上升。因此，后加碱的碱剂只采用NaOH。NaOH不同投量下，对出厂水pH的影响如图4-7所示。贯图4-7后加碱时NaOH投加量对出厂水pH的影响从图4-7可以看出，后加碱时，投加NaOH2~3mg/L,即可保证出厂水pH在8.0~8.5之间。与前加碱相比，后加碱的药耗量有所降低。从上面的实验结论可知，对于深圳原水，前加碱投加Ca(OH)₂为宜，投加点在投加混凝剂后1min左右，投加量为3~5mg/L;后加碱宜采用NaOH,投加点在滤后，投加量为2~3mg/L。石灰投量按4mg/L计，NaOH投量按2.5mg/L计，石灰价格按800元/吨计，NaOH价格按3500元/吨计，则前加碱每方水药剂成本为0.0032元，后加碱每方水药剂成本为0.0875元。对于大型水厂而言，显然前加碱成本更低。4.2以出厂水总碱度为控制目标的控制措施4.2.1控制出厂水总碱度的意义提高出厂水的总碱度，能降低拉森比率，降低阴离子穿透管网内壁腐蚀瘤，引发“黄水”问题的风险。总碱度的增加会降低FeCO₃的溶解度，使水溶液中溶解的二价铁化合物浓度降低，从而减缓了给水管网中铁的释放。总碱度增加的同时，水体的缓冲强度也增大。4.2.2再矿化工艺的提出化学稳定性的一种有效方法，在欧洲得到了广泛应用。其工艺核心是使用二氧化碳和饱和石灰水，提高水体的钙硬度、总碱度和pH,使之达到水质稳定。碱剂投加工艺虽然能提高出厂水的pH,使饱和指数、稳定指数、侵蚀指数、碳酸钙沉淀势处于可接受水平，但无法有效降低拉森比率。再矿化工艺能通过调整CO₂和石灰的投量控制出厂水总碱度，从而降低拉森比率，降低阴离子穿透管网内壁腐蚀瘤，引发“黄水”问题的风险。图4-8是采用再矿化工艺的瑞典Arvika水厂工艺流程图。图4-9和图4-10分别是二氧化碳投加系统和石灰饱和器图。TreatedWaerFlocculationSedimentationRawWater图4-9二氧化碳投加系统图4-10石灰饱和器深圳原水，常年总碱度较低，采用再矿化工艺控制水质化学稳定性，提高出厂水的pH、总碱度，可降低给水管网内壁腐蚀瘤中铁的释放，引发“黄水”问题的风险。Larson认为水体的腐蚀性取决于水中腐蚀性组分对于缓蚀性组分的比例，并提出了拉森比率的概念，其被定义为LR=([CI]+[SO₄²])/[HCO₃]。AWWA建议LR应小于0.2,以降低给水管网内壁腐蚀瘤中铁的释放，引发“黄水”问题的风险。Imran则认为LR小于0.5即可接受。当水体pH小于8.31时，水中总碱度的主要成分为HCO₃,因此提高出厂水的总碱度，可降低LR值。对于深圳特区的出厂水，氯化物和硫酸盐浓度一般在10~20mg/L左右，而LR值较高的主要原因是出厂水总碱度较低。以氯化物和硫酸盐均为15mg/L计，出厂水不同的总碱度所对应的拉森比率如图4-11所示。总碱