高 源

（南寧鐵路局南寧鐵路樞紐工程建設(shè)指揮部，工程師，廣西 南寧 530001）

管網(wǎng)水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)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(xué)物質(zhì)之間或者與金屬管道之間發(fā)生化學(xué)變化而引起的穩(wěn)定性改變，主要的化學(xué)變化有氧化、水解和還原等。出廠水水質(zhì)狀況包括合格率和化學(xué)穩(wěn)定性2個方面。

當前鐵路給水所的水質(zhì)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(zhì)存在渾濁、有色、異味等問題。為何在給水所對出廠水的水質(zhì)合格率進行監(jiān)測達標的情況下，通過給水管網(wǎng)輸送后就會出現(xiàn)或多或少的水質(zhì)問題，這與在給水管網(wǎng)中發(fā)生的各種化學(xué)變化有關(guān)。若管網(wǎng)水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性差，當受水中化學(xué)變化的影響，就會產(chǎn)生腐蝕和結(jié)垢沉淀的機理，從而造成水質(zhì)腐蝕性傾向的機率增大，極易對給水水質(zhì)造成不良影響。若不采取有效措施控制管網(wǎng)水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性，嚴重時將會產(chǎn)生給水的二次污染。

1 影響給水水質(zhì)的原因分析

通過對柳州鐵路地區(qū)2009年至2010年出廠水與管網(wǎng)水的水質(zhì)情況進行抽查統(tǒng)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(wǎng)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(wǎng)水濁度一般比出廠水高3.3%～15%，管網(wǎng)水的鐵含量一般比出廠水高15.3%～22.5%，管網(wǎng)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(wǎng)，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(wǎng)水中的各種化學(xué)變化有直接關(guān)系，并對管網(wǎng)水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性的好壞起決定性的作用。因此，有必要通過對管網(wǎng)水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性影響給水水質(zhì)的原因分析，來提供改善和提高給水水質(zhì)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?yōu)槌猎?，形成水垢。管網(wǎng)水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性與水中CaCO3溶解平衡體系有關(guān)，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(xué)反應(yīng)式為

如水中游離二氧化碳含量少時，則發(fā)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(jié)垢，稱之為結(jié)垢性的水。此現(xiàn)象以地下水為水源時尤為突出[1]。例如煮水的鍋易結(jié)垢，飲水時有時略帶澀感和水中易產(chǎn)生沉淀物等現(xiàn)象。若水中有過剩的二氧化碳時，即超過平衡量時，則會發(fā)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(gòu)筑物就會產(chǎn)生侵蝕作用，在金屬管道中流動時則會溶解管道內(nèi)壁碳酸鈣保護摸，并同時對金屬管產(chǎn)生腐蝕作用，稱之為腐蝕性的水。結(jié)垢性的水和腐蝕性的水都是化學(xué)不穩(wěn)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(xué)穩(wěn)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(jié)垢或化學(xué)腐蝕，從而影響水質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性，將會對管網(wǎng)水濁度的增大甚至水質(zhì)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(xué)反應(yīng)式為

但其中部分脫水形成的鐵銹Fe2O3·nH2O，質(zhì)地疏松，不能起到保護作用，若以上反應(yīng)繼續(xù)進行，鐵銹就會不斷沉積于管內(nèi)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(xué)反應(yīng)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(jié)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(xiàn)“有色水”?；瘜W(xué)反應(yīng)方程式為

從以上化學(xué)原理進行分析可知，對堿性、酸性和中性的水質(zhì)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(xiàn)“有色水”是有可能的（特別是使用年代舊的供水管網(wǎng)）[2]，近年來，在搶修管路時也可看到老供水鑄鐵管路的內(nèi)壁總有厚厚的銹垢。因此，當出廠水的PH值過低則會導(dǎo)致供水管道受腐蝕而出現(xiàn)“有色水”，嚴重時將使管網(wǎng)水的濁度和鐵含量超標，威脅著飲用水的衛(wèi)生安全。

1.3 管內(nèi)水流速度 管內(nèi)水流速度的變化對水質(zhì)化學(xué)的不穩(wěn)定性有催化作用。在與水接觸的管內(nèi)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(nèi)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(xù)增大，劇烈的紊流就會導(dǎo)致氣蝕現(xiàn)象，因機械作用使金屬管道的表面產(chǎn)生空隙腐蝕。因此，在配水管網(wǎng)末端的小口徑管道，由于管內(nèi)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(tài)時，鐵銹易沉積，這時就會造成局部時間的“有色水”現(xiàn)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(nèi)壁趨于鈍態(tài)，腐蝕的速度這時就會放慢，即使發(fā)生腐蝕，也往往因較大的管內(nèi)流速使銹垢剝離，故發(fā)生銹垢沉積的機率將有效減少。因此，合理的管內(nèi)水流速度是保證水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性的重要因素之一。

1.4 水中有機物及鐵細菌 若管網(wǎng)水中氯的含量下降或達不到余氯的標準，水中就會產(chǎn)生有機物及鐵細菌的繁殖。鐵細菌是一種特殊營養(yǎng)菌類。鐵細菌附著在管內(nèi)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(xué)變化生成和排出氧化后的產(chǎn)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(nèi)壁四周生長，此現(xiàn)象為金屬管材最具代表性。其結(jié)垢層的厚度和供水管道輸配水的年數(shù)有關(guān)，隨著時間延續(xù)和不斷進行的化學(xué)變化，金屬管內(nèi)壁就會腐蝕結(jié)垢和沉積（含有大量的鐵、鉛、鋅和各種細菌及藻類），出現(xiàn)鐵、錳、色度、濁度和細菌等水質(zhì)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(chǎn)生的污垢，就已達到了惡化水質(zhì)的程度。對于防腐處理較差的金屬管道，3～5年就開始出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，金屬管道使用年限越長，腐蝕越嚴重，水質(zhì)狀況也就越差[3]。這種現(xiàn)象在給水管網(wǎng)的日常維修過程中可常看到。

水中有機物及鐵細菌腐蝕產(chǎn)生的結(jié)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(wèi)生安全[3]。另外，給水管網(wǎng)中的消火栓、閥門、水表、管件由于長期浸泡在水中，質(zhì)量差的就容易在水中產(chǎn)生化學(xué)腐蝕，使水中的鐵、錳、色度、濁度和細菌等水質(zhì)指標值大幅度上升，給水質(zhì)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(zhì)化學(xué)的不穩(wěn)定性得不到控制，將會造成管網(wǎng)水濁度的增大甚至水質(zhì)不達標的嚴重影響。

1.5 水中無機懸浮物 未經(jīng)凈化處理直接向管網(wǎng)輸送的地下水或凈水工藝不完善向管網(wǎng)輸送的地表水，往往容易把粉砂、細砂帶入管網(wǎng)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(yīng)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(shù)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(chuàng)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(nèi)進行沉淀。隨著時間的延續(xù)，水中無機懸浮物的存在，加大了給水管道輸送過程中結(jié)垢或腐蝕的機率，也是造成管網(wǎng)水濁度變化和水中各種化學(xué)變化的不利因素[1]。

2 改善水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性的措施

當前，用戶對水質(zhì)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(zhì)標準，但出廠水經(jīng)輸配管網(wǎng)送至用戶的用水設(shè)備前，常常會受到二次污染，造成到戶水質(zhì)的變壞。通過對影響給水水質(zhì)的原因分析得知，當水中游離二氧化碳及氧的含量不穩(wěn)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(dǎo)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(wǎng)水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性造成影響。

若管網(wǎng)水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性差，將導(dǎo)致水中其它微生物的生長繁殖，從而造成管網(wǎng)中的生物性污染。這時管網(wǎng)水由化學(xué)性和物理性變化造成的給水污染，可發(fā)展轉(zhuǎn)化為生物性變化的給水污染，如此循環(huán)將使給水水質(zhì)日趨下降甚至不達標。為此要采取措施控制好管網(wǎng)水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性，以提高給水水質(zhì)。

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(jié)合傳統(tǒng)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(wǎng)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(jié)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(nèi)，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(yīng)用于中小型水廠。

2.2 控制出廠水PH在8.0～8.5之間 管網(wǎng)水具有腐蝕性源于出廠水的化學(xué)穩(wěn)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(xué)穩(wěn)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(xué)穩(wěn)定性接近穩(wěn)定[1]，鐵細菌的生長可基本抑制，延緩了生物膜的發(fā)育，生成鈍化膜，不利于細菌的孽生，從而降低管網(wǎng)水對管網(wǎng)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(wǎng)大面積的“有色水”問題。另外，對化學(xué)穩(wěn)定性差的出廠水，還需在供水管道（特別是金屬管）內(nèi)做好防腐蝕的措施的同時，也要調(diào)整好出廠水的PH值。投加堿劑應(yīng)以出廠水的濁度、色度符合國家飲用水衛(wèi)生標準及PH值的適用范圍進行嚴格控制。

2.3 控制管內(nèi)水流速度 在整個供水管網(wǎng)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(wǎng)就會形成出廠水的“沉淀池”，容易導(dǎo)致供水管網(wǎng)的水質(zhì)受到影響。對此，可通過閥門的啟閉調(diào)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(wǎng)中沉淀物的形成。另外，出廠水在供水管網(wǎng)內(nèi)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(fā)生各種化學(xué)反應(yīng)，逐漸造成水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性差，從而影響給水水質(zhì)。

造成管網(wǎng)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(yīng)盡可能地將枝狀供水管路進行連通改造，使其形成環(huán)狀布置，并做好統(tǒng)一優(yōu)化整個供水管網(wǎng)水量和水壓的動態(tài)平衡的工作。同時也要避免管網(wǎng)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(wǎng)水的管內(nèi)停留時間和保證管網(wǎng)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(wǎng)改造提供技術(shù)依據(jù)。對嚴重不滿足輸配水要求的應(yīng)優(yōu)先改造。

2.4 管材及其附屬設(shè)備的選用和防腐 水中有機物及鐵細菌除了受出廠水水質(zhì)影響外，主要與輸配水管道的材質(zhì)、使用年限和施工質(zhì)量等因素有關(guān)[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(shè)部已禁止使用鑄鐵管，但是鑄鐵管目前在已鋪設(shè)的管道中仍占相當大的比例，且相當一部分未做內(nèi)防腐。因此，要借著舊城改造的契機加快舊管網(wǎng)改造步伐。在有條件開挖的地區(qū)，可廢除舊管敷設(shè)性能優(yōu)良的管材和管網(wǎng)設(shè)備，新安裝和維修更換的給水管道，應(yīng)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(qū)，可采用免開挖修復(fù)技術(shù)。免開挖修復(fù)技術(shù)方法較多，其中復(fù)合材料軟管翻轉(zhuǎn)法和異徑HDPE管穿插法，進行修復(fù)舊管道的技術(shù)較為適用。對金屬管道而言，在內(nèi)表面噴涂衛(wèi)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(wǎng)水與各管材（水泥、金屬）之間發(fā)生化學(xué)變化而引起水質(zhì)穩(wěn)定性發(fā)生改變的機率，在延長供水管道的使用壽命同時，對管網(wǎng)輸送水的水質(zhì)起到保證作用。另外，對管網(wǎng)閥門的防腐要求在其內(nèi)腔，一律采用環(huán)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(yīng)委托水質(zhì)監(jiān)測中心作浸泡水后的水質(zhì)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(wǎng)沖洗 出廠水雖經(jīng)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(zhì)的管道，水在管網(wǎng)的流動過程中都會出現(xiàn)管道結(jié)垢的情況。因此，應(yīng)根據(jù)使用情況對管網(wǎng)進行周期沖洗，以清除水中懸浮物和沉淀物。管網(wǎng)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(nèi)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(wǎng)末梢、居民集中的小區(qū)及用戶投訴水質(zhì)較差的地區(qū)，還要增設(shè)排污閥，并對管網(wǎng)進行單向沖洗，即沖洗時把一端閥門關(guān)閉，使單向來水，然后再關(guān)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(zhì)污染，應(yīng)視情況修好之后給予適當沖洗消毒；對于新敷設(shè)的管道在并網(wǎng)之前，必須經(jīng)過認真地沖洗消毒。當然，對于供水管道內(nèi)襯符合要求，管內(nèi)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(nèi)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(wǎng)的周期清洗，可減少因水中無機懸浮物化學(xué)變化而引起水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性發(fā)生改變的有害化學(xué)成分[1]。

3 結(jié)束語

本文通過分析管網(wǎng)水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性影響給水水質(zhì)的原因，提出改善和控制管網(wǎng)水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性的措施，為鐵路給水部門今后在給水管道施工如何規(guī)范，管網(wǎng)布置如何優(yōu)化，管網(wǎng)運行如何管理，管網(wǎng)材質(zhì)如何選用等提供參考。

改善或提高管網(wǎng)水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性的措施，歸結(jié)起來主要有：一是建立符合各地區(qū)實際的水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性控制標準；二是在生活飲用水水質(zhì)標準中，對水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性提出指導(dǎo)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(shè)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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