樊 娟， 李浩賓， 王文琴， 王淑靜， 鄭 波

(1.天津大學(xué)仁愛學(xué)院，天津301636；2.天津城建設(shè)計(jì)院有限公司，天津300122)

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海水淡化水進(jìn)入市政管網(wǎng)的水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性研究進(jìn)展

樊 娟1， 李浩賓2， 王文琴1， 王淑靜1， 鄭 波1

(1.天津大學(xué)仁愛學(xué)院，天津301636；2.天津城建設(shè)計(jì)院有限公司，天津300122)

近年海水淡化發(fā)展較快，用途也逐漸從工業(yè)擴(kuò)大到市政供水。為確保海水淡化水的安全和對(duì)供水管網(wǎng)的保護(hù)，在對(duì)淡化水的后處理方法進(jìn)行總結(jié)的基礎(chǔ)上，從再礦化穩(wěn)定水質(zhì)、投加緩蝕劑、管材及管網(wǎng)運(yùn)行狀況三方面詳細(xì)探討了淡化水作為城市供水時(shí)的水質(zhì)穩(wěn)定性研究現(xiàn)狀，并提出當(dāng)前研究中存在的主要問題。

海水淡化水； 化學(xué)穩(wěn)定性； 市政管網(wǎng)； 后處理； 再礦化

隨著淡水資源的日益匱乏，海水淡化已成為解決全球淡水資源不足的一個(gè)重要途徑。尤其是中東缺水地區(qū)，如以色列80%的海水淡化水用于飲用水的供給[1]。我國(guó)的海水淡化技術(shù)還處在起步階段，未被大規(guī)模地用于飲用水的供給[2]。海水淡化水作為高純度、高品質(zhì)的非常規(guī)水源，具有硬度小、堿度低、水質(zhì)偏酸性，緩沖能力低等特點(diǎn)[3]，在進(jìn)入既有市政管網(wǎng)后會(huì)改變管網(wǎng)中的化學(xué)平衡，加速管道內(nèi)水垢的溶解，從而造成“紅水”和“黃水”現(xiàn)象。因此淡化水在進(jìn)入市政管網(wǎng)之前都需經(jīng)過復(fù)雜的后處理，主要通過再礦化和調(diào)值等方法[4]，以提高淡化水的化學(xué)穩(wěn)定性使之與管網(wǎng)兼容。本文在介紹目前常見后處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)分析淡化水作為城市供水時(shí)水質(zhì)穩(wěn)定性的研究現(xiàn)狀，提出當(dāng)前研究中存在的主要問題，以期為我國(guó)開展淡化水進(jìn)入市政管網(wǎng)的研究工作提供參考。

1 淡化水后處理方法

淡化水的后處理方法包括投加化學(xué)藥劑法、摻混法、石灰石溶解法等常規(guī)方法，以及對(duì)常規(guī)方法的改進(jìn)及不同處理方法的聯(lián)合。這些方法一方面可以增加部分人體所需的礦物質(zhì)，另一方面可使淡化水在管網(wǎng)中滿足化學(xué)穩(wěn)定性的條件，減緩對(duì)管道的腐蝕，提高出水水質(zhì)。

1.1 常規(guī)方法

將淡化后的水與礦化度高的其他水源混合可提高其礦化度，比如與礦物質(zhì)含量豐富的地下水進(jìn)行混合。目前在新加坡已經(jīng)出現(xiàn)將其他水源與淡化水以2 ∶1的比例混合后再通入市政管網(wǎng)的實(shí)例。但單純的摻混受季節(jié)影響波動(dòng)大，不是安全利用淡化水的可靠方案[5]。

1.2 方法的改進(jìn)和聯(lián)合

為了彌補(bǔ)傳統(tǒng)工藝的不足，學(xué)者們開始對(duì)現(xiàn)有工藝進(jìn)行改進(jìn)。為了改善傳統(tǒng)石灰石溶解法出水總硬度偏高、總堿度與總硬度比例難以平衡和依賴NaOH調(diào)節(jié)pH的缺陷，Birnhack等[6]將傳統(tǒng)基于H2SO4溶解石灰石法進(jìn)行改進(jìn)，即依靠CO2或者用CO2+H2SO4共同溶解石灰石。該方法的最大特點(diǎn)是通過脫除CO2提高出水pH，而不再依靠投加NaOH來實(shí)現(xiàn)，能夠增加產(chǎn)水總硬度與堿度比率的靈活性，可作為輔助措施應(yīng)用在現(xiàn)有的以CO2溶解石灰石的后處理系統(tǒng)中或者對(duì)產(chǎn)水總硬度有限制的場(chǎng)合。

通過將傳統(tǒng)處理工藝和其他方法進(jìn)行聯(lián)合，可降低礦化成本。如因以色列發(fā)布的海水淡化水作為飲用水的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)中未對(duì)Mg2+做出要求[7]，Birnhack等[8]從人體對(duì)Mg2+的健康需求考慮，利用離子交換樹脂從海水中提取Mg2+，將石灰石溶解反應(yīng)器的出水流經(jīng)被Mg2+飽和的交換樹脂反應(yīng)柱中，這樣過量的Ca2+和Mg2+發(fā)生交換，使出水中Ca2+濃度降低，而Mg2+濃度升高，鈣鎂離子比例達(dá)到預(yù)定值。另有學(xué)者[9]將石灰石溶解法與雙極膜電滲析法結(jié)合，即通過雙極膜電滲析對(duì)海水預(yù)處理，酸室及堿室得到相應(yīng)的混合酸(HCl和H2SO4)以及純度較高的NaOH溶液，分別作為溶解石灰石的酸源及調(diào)節(jié)pH的堿源。通過不同方法的聯(lián)合，有利于資源的充分合理利用。

2 淡化水作為城市供水時(shí)的水質(zhì)穩(wěn)定性研究

水質(zhì)的穩(wěn)定性是指管網(wǎng)水在給水管道的輸送過程中既沒有腐蝕也沒有結(jié)垢的傾向。淡化水影響市政管網(wǎng)腐蝕的主要因素包括管網(wǎng)水水質(zhì)、水力條件和管材本身等。因此，除經(jīng)過后處理再礦化穩(wěn)定水質(zhì)之外，投加緩蝕劑以及選取合適的管材和控制管網(wǎng)運(yùn)行狀況等措施均可以起到穩(wěn)定水質(zhì)的作用，保證淡化水安全可靠地通過市政管網(wǎng)輸配到用戶。

2.1 再礦化穩(wěn)定水質(zhì)

投加藥劑法通過調(diào)節(jié)堿度增加水體的緩沖能力，調(diào)節(jié)硬度控制鐵離子的溶出，對(duì)pH、硬度和堿度三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可以較好地控制淡化水的水質(zhì)穩(wěn)定性，達(dá)到供水安全的目的。劉楊等[10]通過采用CaCl2調(diào)節(jié)淡化水的鈣離子濃度，NaHCO3調(diào)節(jié)淡化水的堿度，得出淡化水輸配過程中水質(zhì)穩(wěn)定時(shí)的最佳Ca2+濃度和堿度。研究表明，投加一種藥劑的方法不能同時(shí)對(duì)pH、硬度和堿度三個(gè)指標(biāo)進(jìn)行調(diào)節(jié)，而需要額外投加的藥劑可能與已經(jīng)投加的藥劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，難以定量，故投加藥劑法僅適用于較小型的淡化水裝置[11]。

摻混在一定程度上可以起到穩(wěn)定水質(zhì)的作用，史昱驍?shù)萚12]通過中試管網(wǎng)平臺(tái)研究不同摻混比的水樣在管網(wǎng)中pH和總鐵含量變化，研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)自來水與淡化水的摻混比為3 ∶1～5 ∶1時(shí)水質(zhì)較穩(wěn)定。楊洋等[9]研究發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)V化水與淡化水以體積比6 ∶1混合后，為滿足出水堿度，再加入100 mg/L NaHCO3能夠改善水質(zhì)條件，減緩其對(duì)管網(wǎng)的腐蝕?？梢?，如果將摻混之后的水體通過調(diào)節(jié)pH或調(diào)質(zhì)等方法進(jìn)行再處理，同樣也可以滿足城市用水的需求[13]。

溶解石灰石法因其產(chǎn)水水質(zhì)受運(yùn)行參數(shù)直接影響，研究主要集中在探索不同參數(shù)對(duì)產(chǎn)水水質(zhì)的影響。Lehmann等人[14]研究了石灰石溶解反應(yīng)器中不同淡水流速和不同硫酸用量對(duì)產(chǎn)水水質(zhì)的影響。左世偉等[15]研究了pH、石灰石顆粒粒徑和裝填高度、淡水流量及反應(yīng)溫度等因素對(duì)硫酸溶解石灰石法礦化效果的影響。Hasson 等[16]認(rèn)為石灰石溶解的速率是海水淡化水水質(zhì)的函數(shù)，正確預(yù)測(cè)這個(gè)函數(shù)是安全設(shè)計(jì)和運(yùn)行石灰石溶解塔的重要理論依據(jù)。Chen等[17]采用溶解礦石法對(duì)反滲透淡化水的水質(zhì)進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)麥飯石、白云石、石灰石、進(jìn)口礦石的理化性能進(jìn)行了分析，并在此基礎(chǔ)上對(duì)比分析了4種礦石對(duì)反滲透淡化水的調(diào)質(zhì)效果。結(jié)果表明，進(jìn)口礦石經(jīng)人為加工后孔隙增多，溶出速率明顯變快，調(diào)質(zhì)后出水的硬度、堿度、Mg2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)均高出其他3種原礦石50%以上，但其出水pH值過高，Ca2+質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于石灰石，與自來水相比仍有一定差距，未來應(yīng)致力于研制一種比表面積大、溶解速率快、無需對(duì)淡化水酸化而直接調(diào)質(zhì)的調(diào)質(zhì)劑。

近些年，對(duì)溶解石灰石反應(yīng)器在工程上的應(yīng)用研究日漸增多。如以色列Palmachim反滲透海水淡化廠采用溶解石灰石工藝，實(shí)踐證明出水水質(zhì)較穩(wěn)定。Azhar等[18]通過中試實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)石灰石溶解反應(yīng)器可以降低出水腐蝕性，且出水水質(zhì)滿足摩洛哥飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)對(duì)溶解石灰石法的應(yīng)用研究尚停留在實(shí)驗(yàn)室小試階段，如何國(guó)華等[19]通過對(duì)CO2溶解石灰石法進(jìn)行實(shí)驗(yàn)室研究，利用正交實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)通過調(diào)節(jié)CaCO3投加量、CO2通入體積流量和攪拌速率可使水質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，達(dá)到在現(xiàn)有鑄鐵管道安全送水的目的?？梢?，當(dāng)前國(guó)內(nèi)多數(shù)研究集中在加藥礦化淡化水，對(duì)溶解石灰石法的實(shí)驗(yàn)研究及其工程應(yīng)用還較少。

2.2 投加緩蝕劑

通過投加緩蝕劑同樣也可以降低淡化水的腐蝕性。當(dāng)前飲用水中常用的腐蝕抑制劑有正磷酸鹽、聚磷酸鹽、混合磷酸鹽(正磷酸鹽和聚磷酸鹽的混合物)和硅酸鹽等[20]。硅酸鹽緩蝕劑比較適于低硬度、低堿度和低pH的水體[21]。硅和磷的混合物也常用于控制給水系統(tǒng)的水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性。傅文華等[22]介紹了德國(guó)GINLIN公司生產(chǎn)的 “歸麗晶”，它是聚磷酸鹽和硅酸鹽的混合物，可以有效減緩腐蝕，解決由腐蝕引起的“紅水”問題。

當(dāng)前國(guó)內(nèi)外在供水系統(tǒng)緩蝕劑的選擇和用量方面的研究偏少。研究表明磷酸鹽緩蝕劑可能會(huì)增強(qiáng)鐵腐蝕速率，且具有一定潛在危害。如Birnhack等[11]研究指出某些緩蝕劑會(huì)導(dǎo)致管道中鉛的釋放，對(duì)人體安全存在潛在隱患；Chu等[23]和Hozalski等[24]均指出向飲用水中投加小劑量的磷酸鹽緩蝕劑會(huì)造成管網(wǎng)配水系統(tǒng)中總細(xì)菌濃度的升高，這個(gè)問題目前仍存爭(zhēng)議。另有研究表明，緩蝕劑中的磷進(jìn)入飲用水中可以發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成有毒的PH3[25]?；谝陨希谝恍┑貐^(qū)明確禁止向飲用水中投加緩蝕劑，對(duì)于腐蝕的控制僅依靠調(diào)節(jié)水體中堿度、鈣離子濃度、碳酸鈣沉淀勢(shì)(CCPP)來改善。

2.3 管材及管網(wǎng)運(yùn)行狀況

不同管材、不同使用年限的管網(wǎng)中，淡化水在其中運(yùn)行條件不同，會(huì)導(dǎo)致腐蝕程度有所差異，尤其是鐵制管材。McNeilll等[26]對(duì)美國(guó)供水管網(wǎng)的管材分布進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，灰口鑄鐵、球墨鑄鐵和鋼管所占比例分別為 36%、22%和5%。1999年美國(guó)自來水廠協(xié)會(huì)就指出，在未來20年美國(guó)水業(yè)需要投入3250億美元對(duì)受損的配水系統(tǒng)進(jìn)行升級(jí)。我國(guó)供水管網(wǎng)系統(tǒng)中管網(wǎng)的材質(zhì)中鑄鐵管比例達(dá)到51.67% ，鋼管占23.85%。研究者已經(jīng)開始針對(duì)不同管材對(duì)淡化水水質(zhì)穩(wěn)定性影響的研究。如李振中研究發(fā)現(xiàn)在保持管網(wǎng)內(nèi)淡化水化學(xué)穩(wěn)定性方面PE管網(wǎng)優(yōu)于鑄鐵管網(wǎng)[27]。姜松等[28]指出在管網(wǎng)中的腐蝕結(jié)垢方面，PE管優(yōu)于塑鋼管，其次為鑄鐵管。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)。研究表明淡化水的pH、余氯濃度對(duì)帶水泥砂漿內(nèi)襯球磨鑄鐵供水管網(wǎng)腐蝕速率影響較小，堿度、硬度對(duì)其影響較大[29]。

給水管網(wǎng)內(nèi)水的流速會(huì)影響溶解氧的擴(kuò)散速度和擴(kuò)散層的厚度，從而間接影響鐵質(zhì)管網(wǎng)內(nèi)壁的腐蝕。研究表明，水流速度為1.1 m/s時(shí)的水質(zhì)變化要大于0.6 m/s時(shí)的水質(zhì)變化，尤其是濁度與總鐵[30]。其次，隨著淡化水在管道中滯留時(shí)間的延長(zhǎng)，管材的腐蝕程度加劇，水質(zhì)逐漸變差。黃純凱通過在鑄鐵管網(wǎng)中進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)鐵的釋放量與淡化水停留時(shí)間和水溫呈正相關(guān)關(guān)系[31]。史昱驍?shù)萚12]發(fā)現(xiàn)，支管的鐵釋放現(xiàn)象比干管嚴(yán)重，運(yùn)行12 h后支管中總鐵含量均超標(biāo)。當(dāng)水力停留時(shí)間低于2 h時(shí)，大多數(shù)支管中總鐵含量并未超標(biāo)?？梢娏魉俸屯Ａ魰r(shí)間兩者對(duì)水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性影響程度也有所不同，需要根據(jù)實(shí)際的管網(wǎng)系統(tǒng)來確定最合理的流速及停留時(shí)間，以使處理后的淡化水水質(zhì)化學(xué)穩(wěn)定性最高。

3 后處理工程案例

采用后處理技術(shù)再礦化穩(wěn)定水質(zhì)是解決淡化水的金屬腐蝕性的根本途徑[32-33]。杭州水處理中心承建的曹妃甸日產(chǎn)5萬噸海水淡化項(xiàng)目，采用上升流向的石灰石接觸器和二氧化碳后礦化工藝，主要由CaCO3的濾床系統(tǒng)和CO2投加系統(tǒng)兩部分組成[34]。CaCO3濾床系統(tǒng)包含水/空氣進(jìn)入系統(tǒng)、水/空氣分配區(qū)、石英砂填層區(qū)、石灰石填層區(qū)、礦化后上層水上升溢流和石灰石投送區(qū)以及后礦化池頂和石灰石貯料倉等。二氧化碳投加系統(tǒng)包含二氧化碳儲(chǔ)槽、室溫蒸發(fā)器、減壓和穩(wěn)壓裝置、RO產(chǎn)水旁路增壓裝置、CO2混合和投加裝置等。通過調(diào)節(jié)閥、流量計(jì)和微孔投加器定量地把低壓氣態(tài)CO2投入旁路RO產(chǎn)水增壓系統(tǒng)，并在靜態(tài)混合器中充分混合加大CO2的溶解量，再將此溶解CO2的水通入到RO產(chǎn)水主管路中，然后進(jìn)入石灰石填層的后礦化濾池。經(jīng)過實(shí)踐，以1×104m3/d的項(xiàng)目為例，年運(yùn)行時(shí)間按照330 d(每天運(yùn)行24 h)，處理淡化水年運(yùn)行耗費(fèi)為：CaCO3年耗量約17萬kg，CO2年耗量約8萬kg，年電耗約2.5萬kWh，年費(fèi)用總計(jì)約38萬元，每噸水耗費(fèi)約0.12元。Lehmann等人[14]通過對(duì)以H2SO4為基礎(chǔ)的方解石溶解后處理工程進(jìn)行分析，得出噸水耗費(fèi)在0.049～0.054美元，指出耗費(fèi)與工藝選擇及運(yùn)行參數(shù)具有一定關(guān)系。

4 總結(jié)

隨著海水淡化技術(shù)日益成熟，淡化水將大規(guī)模地應(yīng)用到市政供水。為確保海水淡化水的安全使用和對(duì)市政管網(wǎng)的保護(hù)，當(dāng)前國(guó)內(nèi)外在后處理技術(shù)研究、提高淡化水的水質(zhì)穩(wěn)定性以確保與供水管網(wǎng)兼容這兩方面做了大量的研究工作，但仍存在一些問題亟待解決。

① 石灰石溶解的動(dòng)力學(xué)研究能夠有助于合理準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)礦化水出水水質(zhì)，但當(dāng)前對(duì)石灰石溶解動(dòng)力學(xué)的研究較少，且大多數(shù)是基于二氧化碳的溶解動(dòng)力學(xué)研究，無法用來預(yù)測(cè)基于硫酸的溶解動(dòng)力學(xué)。

② 由于一般緩蝕劑具有一定的副作用，因而緩蝕劑的成分和投加量必須得到嚴(yán)格的控制。所使用的緩蝕劑必須達(dá)到食品級(jí)，經(jīng)嚴(yán)格的檢驗(yàn)程序后才可投入使用。國(guó)內(nèi)外對(duì)此方面的研究較少。

③ 我國(guó)市政供水管網(wǎng)多為鑄鐵管材，因此有必要對(duì)淡化水進(jìn)入既有管網(wǎng)后的水質(zhì)變化情況進(jìn)行研究。其次，應(yīng)從優(yōu)化管網(wǎng)結(jié)構(gòu)，縮短輸送距離，在枝狀管網(wǎng)末端增加回路，在擴(kuò)建改造時(shí)使用新型管材等方面進(jìn)一步研究，以保證市政供水的安全性與可靠性。

④ 海水淡化水進(jìn)入市政管網(wǎng)需要建立合理的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)門檻。當(dāng)前國(guó)內(nèi)應(yīng)用海水淡化水的地區(qū)仍在沿用傳統(tǒng)水源的現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)，建議國(guó)家相關(guān)部門和機(jī)構(gòu)盡快制訂合理的海水淡化水水質(zhì)控制標(biāo)準(zhǔn)、工程規(guī)范，加快淡化水的后處理技術(shù)研究。

隨著城市的可持續(xù)發(fā)展，海水淡化水的利用將形成許多城市尤其是沿海城市多水源綜合利用的發(fā)展趨勢(shì)。由于淡化水水質(zhì)不穩(wěn)定，容易腐蝕既有管網(wǎng)，產(chǎn)生“黃水”等現(xiàn)象。故在進(jìn)入市政管網(wǎng)前，需結(jié)合海水淡化工程工藝與規(guī)模和管網(wǎng)供水的其他水源特點(diǎn)選擇合適的后處理技術(shù)對(duì)淡化水進(jìn)行再礦化。除此之外，選擇安全可靠的緩蝕劑，優(yōu)化市政管網(wǎng)管材和水力條件等能進(jìn)一步提高淡化水在市政管網(wǎng)中的水質(zhì)穩(wěn)定性，這對(duì)于海水淡化水進(jìn)入市政管網(wǎng)中的穩(wěn)定輸配和水質(zhì)的安全保障同樣重要。

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Research on chemical stability of water quality in municipal distribution system using desalinated water

Fan Juan1, Li Haobin2, Wang Wenqin1, Wang Shujing1, Zheng Bo1

(1.Ren’aicollegeofTianjinUniversity,Tianjin301636,China; 2.TianjinUnbanConstructionDesignInstituteCo.,Ltd.,Tianjin300122,China)

In recent years, there is a rapid development of seawater desalination in China, and the using of desalinated seawater extends from industrial to municipal supply. In order to ensure the safety of desalinated seawater and protect distribution system, the post-treatment methods were summarized here. Furthermore, the research status about municipal water supply system using desalinated water was illustrated from the three aspects, i.e. the water quality stability by remineralization, the addition of corrosion inhibitor, and the pipe and water distribution system running status. Based on the results, the issues in the current study were proposed.

desalinated seawater； chemical stabilization； municipal distribution system； post-treatment； remineralization

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目“供水管網(wǎng)性能綜合評(píng)價(jià)與多目標(biāo)更新優(yōu)化模型研究”(51178303)

研 究 論 述

TU991.33

A

1673-9353(2016)05-0001-05

10.3969/j.issn.1673-9353.2016.05.001

樊 娟(1984- )， 女， 陜西西安人， 碩士研究生， 講師， 從事環(huán)境工程(給排水)專業(yè)教學(xué)與科研工作。E-mail：fanjuan001@163.com

2016-06-06