0371-60972711
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2016-11-01 08:24:58 來(lái)源： 點(diǎn)擊：
1 引言“紅水”問(wèn)題一直是供水管網(wǎng)研究與關(guān)注的焦點(diǎn), 而引發(fā)“紅水”的因素眾多, 過(guò)程復(fù)雜, 機(jī)理尚未明確.供水管網(wǎng)“紅水”的出現(xiàn)會(huì)嚴(yán)重影響人們的生活和工業(yè)生產(chǎn), 這是供水企業(yè)一直想要解決的問(wèn)題.眾多學(xué)者對(duì)“紅水”形成的原因開(kāi)展了大量的研究, 其中, 水源切換是引起給水管網(wǎng)“紅水”最主要的因素之一, 通常認(rèn)為, 無(wú)內(nèi)襯的鐵質(zhì)管材在長(zhǎng)時(shí)間輸配水之后, 在管道內(nèi)壁會(huì)形成較為穩(wěn)定的管垢層, 能夠防止水對(duì)管壁金屬的繼續(xù)腐蝕.而當(dāng)切換水源時(shí), 如果新水源的水質(zhì)與原水源差別較大, 管垢與原水間的平衡就會(huì)被打破, 導(dǎo)致鐵溶出釋放到水中形成“紅水”;另一方面, 新水源會(huì)繼續(xù)對(duì)基體管壁金屬進(jìn)行電化學(xué)腐蝕產(chǎn)生Fe2+, Fe2+在水中被氧化形成Fe3+及其氧化物或氫氧化物, 而Fe2+也可以與CO32-形成碳酸亞鐵, 這些腐蝕產(chǎn)物會(huì)導(dǎo)致“紅水”的發(fā)生.水質(zhì)參數(shù)如pH、余氯、堿度、硬度、溶解氧、水質(zhì)的陰陽(yáng)離子濃度等也是影響鐵釋放產(chǎn)生“紅水”的重要因素, 不同水質(zhì)參數(shù)對(duì)鐵溶出釋放的作用也有所不同, 高pH值有助于鐵溶出物在管壁上沉積形成致密的管垢層, 并且可以有效減少鐵釋放;而低pH值會(huì)將使管垢層呈現(xiàn)疏松多孔狀結(jié)構(gòu), 促進(jìn)了鐵的溶解.而在固定pH下, 鐵腐蝕速率一般隨著總堿度的升高而降低;硬度通常與堿度有關(guān), 高堿度的水通常具有較高硬度, 高硬度的水通過(guò)形成CaCO3和Mg(OH)2增加了管垢的厚度, 抑制鐵的溶出.管網(wǎng)中水的流態(tài)也會(huì)對(duì)“紅水”的形成有一定的貢獻(xiàn), 在管網(wǎng)中, 水流的狀態(tài)一般可以分為兩種, 即單向流(如枝狀管網(wǎng)或末端管段)和循環(huán)流(如環(huán)狀管網(wǎng)).Vreeburg等認(rèn)為, 由于流速的不同水中鐵溶出顆粒物的狀態(tài)與沉淀趨勢(shì)也不同, 當(dāng)流速超過(guò)0.06 m·s-1時(shí).管壁上沉積的顆粒物有向水中釋放的趨勢(shì), 而當(dāng)流速小于0.06 m·s-1時(shí), 水中的顆粒物則有向管壁沉積的趨勢(shì).“紅水”現(xiàn)象和進(jìn)入到管網(wǎng)的顆粒物有關(guān), 這些顆粒物的體積、密度及來(lái)源都不相同, 其中, 一些顆粒物來(lái)自水源本身經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)的累積沉淀在管壁上;一部分來(lái)自管網(wǎng)管材本身, 主要與管道內(nèi)壁的腐蝕與結(jié)垢等因素有關(guān).水的化學(xué)穩(wěn)定性對(duì)“紅水”的形成有也有這一定的影響, 不同水源水質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性指數(shù)也差異較大, 通常飲用水的拉森指數(shù)小于1, 腐蝕性較為微弱, 易形成穩(wěn)定的管垢;再生水及海水淡化水拉森指數(shù)大于1, 腐蝕性較強(qiáng), 不易形成管垢, 容易出現(xiàn)“紅水”.再生水主要是以城市污水處理廠二級(jí)出水作為原水, 經(jīng)過(guò)再生工藝處理得到的水.再生工藝為常規(guī)的混凝沉淀過(guò)濾工藝和膜分離工藝.其中, 通過(guò)反滲透膜生產(chǎn)的再生水離子含量少, 其水質(zhì)和自來(lái)水有很大的區(qū)別, 更接近純水.再生水和自來(lái)水在輸水管網(wǎng)中會(huì)有不同的水質(zhì)穩(wěn)定性.目前, 國(guó)內(nèi)外對(duì)自來(lái)水的輸配管網(wǎng)研究較多, 而對(duì)再生水的輸配管網(wǎng)的研究卻很少.
為了了解“紅水”的產(chǎn)生過(guò)程及不同流態(tài)對(duì)其產(chǎn)生的影響, 本文采用腐蝕性較強(qiáng)的再生水為實(shí)驗(yàn)用水, 在中試不帶內(nèi)襯的鐵管管網(wǎng)平臺(tái)上模擬單向連續(xù)流動(dòng)和密閉循環(huán)流動(dòng)兩種流態(tài)模式的供水過(guò)程, 連續(xù)監(jiān)測(cè)模擬管網(wǎng)水質(zhì), 并在中試模擬平臺(tái)上觀察到“紅水”現(xiàn)象.同時(shí), 采用XRD結(jié)合XPS分析“紅水”中顆粒物的特征, 為解釋再生水管網(wǎng)中爆發(fā)“紅水”事件提供依據(jù).最后探討管網(wǎng)中出現(xiàn)“紅水”的原因, 以期為控制管網(wǎng)再生水水質(zhì)穩(wěn)定性提供依據(jù)參考.
2 材料與方法
2.1 管網(wǎng)中試平臺(tái)的搭建
中試管網(wǎng)模擬系統(tǒng)平臺(tái)(圖 1)由無(wú)內(nèi)襯鑄鐵管、彎頭、循環(huán)泵、緩沖水箱、補(bǔ)水泵組成.管道長(zhǎng)120 m, 內(nèi)徑為100 mm, 循環(huán)泵及緩沖水箱均為不銹鋼材質(zhì), 緩沖水箱的體積為30 L, 可以緩沖水頭對(duì)循環(huán)泵的沖擊作用, 循環(huán)泵流量范圍為40~60 m3·h-1, 補(bǔ)水泵用于向管網(wǎng)中注水.實(shí)驗(yàn)時(shí), 循環(huán)泵可以保持水在管道中穩(wěn)定循環(huán)流動(dòng), 補(bǔ)水泵一直開(kāi)啟能保持管網(wǎng)中的水壓恒定, 并在取水樣后自動(dòng)對(duì)管網(wǎng)進(jìn)行補(bǔ)水, 保持管網(wǎng)滿流狀態(tài).
圖 1管網(wǎng)中試模擬系統(tǒng)平臺(tái)
2.2 實(shí)驗(yàn)原水
本試驗(yàn)用水為北京某再生水廠出廠水, 該再生水廠以污水處理廠二級(jí)出水作為原水, 使用微濾結(jié)合反滲透工藝深度處理污水廠出水得到高品質(zhì)再生水.此工藝生產(chǎn)的再生水實(shí)測(cè)水質(zhì)和當(dāng)?shù)刈詠?lái)水水質(zhì)比較結(jié)果見(jiàn)表 1, 可以看出, 此再生水pH值較低, 而CODMn、BOD值高于自來(lái)水, 其他指標(biāo)都比較低.微濾和反滲透工藝去除了水中絕大部分的陰陽(yáng)離子和懸浮物;再生水的CODMn和BOD值高于自來(lái)水是由于再生水原水中的有機(jī)物經(jīng)雙膜處理后仍有少量殘留.
表 1 再生水與自來(lái)水水質(zhì)比較
2.3 試驗(yàn)系統(tǒng)的運(yùn)行操作
依據(jù)管網(wǎng)的特征設(shè)計(jì)兩種實(shí)驗(yàn)?zāi)M實(shí)際網(wǎng)管供水過(guò)程, 即單向連續(xù)流動(dòng)和密閉循環(huán)流動(dòng).平臺(tái)可以利用補(bǔ)水泵驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)低速單向流動(dòng), 也可以利用循環(huán)泵驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)高速循環(huán)流動(dòng).第一種模式為單向連續(xù)流動(dòng)實(shí)驗(yàn), 啟動(dòng)補(bǔ)水泵, 不啟動(dòng)管道泵, 關(guān)閉管道上的一個(gè)蝶閥, 同時(shí)打開(kāi)被關(guān)閉蝶閥對(duì)側(cè)管道最下端的排水閥, 使管道中的水從一端流入主體管道, 流經(jīng)120 m所有管程, 在另一端最底端管道折彎處的排水閥流出, 補(bǔ)水泵會(huì)持續(xù)為主管道系統(tǒng)補(bǔ)水, 使管道中的水處于滿流狀態(tài), 連續(xù)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)時(shí)間為10 d, 定時(shí)取樣, 監(jiān)測(cè)水質(zhì)的數(shù)據(jù)變化, 補(bǔ)水泵的流量為3 m3·h-1, 水的流速為0.03 m·s-1, 水在管道中的停留時(shí)間為1 h左右.第二種模式為密閉循環(huán)流動(dòng)實(shí)驗(yàn), 當(dāng)系統(tǒng)管道注滿后, 打開(kāi)管道上的兩個(gè)蝶閥, 使管道形成閉合的循環(huán)回路, 開(kāi)啟管道泵, 開(kāi)啟補(bǔ)水泵保持管道的壓力.取樣間隔為0 h、1 h、2 h、4 h、8 h、16 h、1 d、2 d、3 d…, 模擬足夠長(zhǎng)的水齡, 不同時(shí)刻測(cè)試得到的水質(zhì)參數(shù)反映出水質(zhì)的變化情況, 管道泵的流量為40 m3·h-1, 管道壓力為150 kPa, 水的流速為1.2 m·s-1, 水在管道中的停留時(shí)間為96 h左右.
2.4 水質(zhì)指標(biāo)測(cè)定方法
pH值、溶解氧、TDS、電導(dǎo)率采用多功能水質(zhì)分析儀檢測(cè)(哈納沃德), 總堿度采用酸堿指示劑滴定法測(cè)定, 總硬度采用EDTA滴定法測(cè)定, 總鐵采用電感耦合等離子光譜發(fā)生儀(ICP-EOS)測(cè)定.鐵管出水中同時(shí)存在顆粒物和鐵離子, 顆粒物不溶于水, 直接影響水的色度和濁度, 而水中的部分鐵離子也會(huì)吸附在顆粒物表面, 因此, 在對(duì)水中的鐵濃度進(jìn)行ICP測(cè)定之前需要對(duì)樣品進(jìn)行預(yù)處理, 對(duì)于溶解性鐵采用加硝酸的方式將水樣的pH調(diào)至1左右, 使吸附在顆粒物表面的鐵離子溶解, 再使用0.45μm的濾膜過(guò)濾進(jìn)行測(cè)定;而對(duì)于總鐵的測(cè)定采用常溫消解的方法將水中的顆粒物完全溶解成為鐵離子, 再使用0.45μm的濾膜過(guò)濾進(jìn)行測(cè)定.
3 結(jié)果與討論
3.1 再生水水質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性分析
為評(píng)價(jià)該廠再生水水質(zhì)的化學(xué)穩(wěn)定性和腐蝕性, 采用Langelier飽和指數(shù)(LSI)、Ryznar穩(wěn)定指數(shù)(RSI)、碳酸鈣沉淀勢(shì)CCPP(Calcium Carbonate Precipitation Potential)對(duì)此再生水進(jìn)行判別, 具體測(cè)定方法和計(jì)算方法見(jiàn)參考文獻(xiàn), 其化學(xué)穩(wěn)定性情況如表 2所示.
表 2 再生水化學(xué)穩(wěn)定性概況
多次檢測(cè)實(shí)驗(yàn)用水的LSI指數(shù)均小于0, 且平均值為-3.21, 說(shuō)明水中的碳酸鈣為未飽和狀態(tài), 具有強(qiáng)烈的溶解傾向;RSI指數(shù)都大于9.0, 平均值為12.87, 表明該水質(zhì)的腐蝕性是極為嚴(yán)重的;而CCPP指數(shù)的平均值為-44.28 mg·L-1, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于-10 mg·L-1, 同樣說(shuō)明該水質(zhì)具有極強(qiáng)的腐蝕性.
3.2 不同流動(dòng)實(shí)驗(yàn)出水水質(zhì)參數(shù)的變化
3.2.1 常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)的變化
圖 2顯示了兩種實(shí)驗(yàn)所產(chǎn)生的“紅水”現(xiàn)象和干燥的顆粒物粉末形態(tài).從圖中2a、2b可以看出, 循環(huán)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)的水質(zhì)比較污濁, 大量懸浮顆粒使清澈的再生水變成“黑水”.圖 2A、2B中單向連續(xù)實(shí)驗(yàn)的水質(zhì)較為清澈, 但水中有細(xì)小的紅色顆粒物.
圖 2兩種實(shí)驗(yàn)過(guò)程與鐵溶出顆粒物的狀態(tài)(a、b、c代表密閉循環(huán)流動(dòng)實(shí)驗(yàn), A、B、C代表單向連續(xù)流動(dòng)實(shí)驗(yàn), a、A.實(shí)驗(yàn)過(guò)程, b、B.實(shí)驗(yàn)出水, c, C.干燥的鐵溶出顆粒物)
圖 3為單向連續(xù)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)鑄鐵管出水常規(guī)水質(zhì)參數(shù)隨時(shí)間的變化情況.從圖 3可以看出, 在10 d的單向連續(xù)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中, 模擬鑄鐵管網(wǎng)出水pH范圍為6.0~6.4, 略高于出廠水;溶解氧的濃度范圍為2.0~3.2 mg·L-1, 低于出廠水, 說(shuō)明在流經(jīng)120 m長(zhǎng)的鑄鐵管后, 水中的溶解氧有消耗;水的TDS與電導(dǎo)率大致成正比關(guān)系, TDS和電導(dǎo)率呈現(xiàn)一致的變化趨勢(shì), 都略大于出廠水.TDS和電導(dǎo)率的增加與管壁腐蝕層的鐵溶出有關(guān), 鐵溶出導(dǎo)致了水中的亞鐵或鐵離子濃度的增加, 亞鐵或鐵離子是影響水的TDS和電導(dǎo)率變化的主要因素.
圖 3單向連續(xù)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)水質(zhì)參數(shù)變化
圖 4為密閉循環(huán)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)中鑄鐵管出水水質(zhì)的變化情況, 在前8 h再生水pH迅速上升, 從6.14上升到6.90左右, 而后緩慢下降, 并且維持在6.80左右, 趨于恒定;溶解氧濃度也是在前8 h迅速下降, 最后降至0.5 mg·L-1以下, 表明密閉循環(huán)實(shí)驗(yàn)水中的溶解氧被全部消耗;TDS和電導(dǎo)率都在實(shí)驗(yàn)前8 h迅速升高, 最后達(dá)到穩(wěn)定, TDS與電導(dǎo)率的穩(wěn)定值分別為55 mg·L-1和110μS·cm-1, 遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于出廠水.
圖 4密閉循環(huán)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)水質(zhì)參數(shù)的變化
3.2.2 鐵濃度的變化
鐵溶出是影響水質(zhì)的主要因素, 也是產(chǎn)生“紅水”現(xiàn)象的重要根源, 水的顏色與鐵的含量及形態(tài)有關(guān), 通常情況, 當(dāng)水中總鐵的濃度大于0.3 mg·L-1時(shí), 管網(wǎng)可能產(chǎn)生“紅水”現(xiàn)象.實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)了水中鐵濃度的變化, 結(jié)果如圖 5所示.
圖 5單向連續(xù)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)中總鐵(a)及密閉循環(huán)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)中總鐵和溶解性鐵(b)的變化
連續(xù)監(jiān)測(cè)在單向連續(xù)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)管網(wǎng)出水, 發(fā)現(xiàn)總鐵濃度比較高, 總鐵濃度均高于0.3 mg·L-1, 平均值為0.6 mg·L-1, 出現(xiàn)輕微的“黃水”現(xiàn)象, 管網(wǎng)出水中的鐵則主要來(lái)源于管壁腐蝕垢層的緩慢釋放.密閉循環(huán)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)則出現(xiàn)了嚴(yán)重的“黑水”現(xiàn)象, 水中的溶解性鐵和總鐵的平均值分別高達(dá)20 mg·L-1和50 mg·L-1, 管壁上大量顆粒物被水流沖刷到了水中, 在8 h鐵溶出達(dá)到了平衡, 這與水質(zhì)參數(shù)的變化規(guī)律一致.說(shuō)明水質(zhì)參數(shù)變化與鐵溶出有著密切的聯(lián)系, 在這種模式的實(shí)驗(yàn)過(guò)程中, 由于其管壁的腐蝕層較薄, 管垢易因外力擾動(dòng)脫落, 管網(wǎng)出水中的鐵來(lái)源于管壁上腐蝕產(chǎn)物的連續(xù)釋放.從圖 2可以看出, 在不同的流動(dòng)狀態(tài)產(chǎn)生的“紅水”的顏色不同, 在密閉循環(huán)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)中, 由于水流循環(huán)速度可以達(dá)到1.2 m·s-1, 水流對(duì)管壁的沖刷作用力比較大, 管壁上產(chǎn)生的腐蝕顆粒物會(huì)直接進(jìn)入的水中引起比較明顯的“紅水”現(xiàn)象;而在單向連續(xù)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)當(dāng)中, 水流的速度相對(duì)比較緩慢(0.03 m·s-1), 水中的顆粒物會(huì)在管道上蓄積, 在透明的塑料軟管形成了紅色的沉淀物附著在管壁上.在兩種實(shí)驗(yàn)過(guò)程獲得的顆粒物顏色也不相同, 密閉循環(huán)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)中得到的顆粒物為土黃色, 而單向連續(xù)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)中得到的顆粒物為褐紅色, 盡管顆粒物的顏色不相同, 但顆粒物的粒徑大致相同, 為0.005~0.01 mm, 這與相關(guān)文獻(xiàn)報(bào)道是一致的.通過(guò)兩種模式的實(shí)驗(yàn)對(duì)比發(fā)現(xiàn), 表面“紅水”的發(fā)生與水流對(duì)管壁上腐蝕層的作用力有直接聯(lián)系.
3.3 不同實(shí)驗(yàn)“紅水”的鐵形態(tài)分析
為了進(jìn)一步了解顆粒物的特征, 對(duì)兩種顆粒物進(jìn)行了物相分析、化學(xué)成分及價(jià)態(tài)分析, 對(duì)兩種顆粒物進(jìn)行XRD試驗(yàn), 測(cè)定兩種不同顏色的顆粒物的晶體結(jié)構(gòu)組成, 結(jié)果如圖 7所示.鐵的腐蝕產(chǎn)物主要包括α-FeOOH、γ-FeOOH、FeCO3、Fe2O3、Fe3O4及FeO, 但兩種實(shí)驗(yàn)方式所形成的腐蝕產(chǎn)物的成分差別較大.其中, 密閉循環(huán)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)的顆粒物中FeOOH含量較多, 而且α-FeOOH的特征峰強(qiáng)度大于γ-FeOOH, 說(shuō)明該模式下顆粒物中的α-FeOOH多于γ-FeOOH, 這是由于溶解氧存在的原因, 在有氧的情況下, α-FeOOH更容易形成.而單向連續(xù)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)的顆粒物中FeCO3的含量比較多, 這與水中的溶解二氧化碳有一定關(guān)系.通過(guò)XPS試驗(yàn)對(duì)兩種顆粒物進(jìn)行了定量分析, 考察了在兩種顆粒物中不同價(jià)態(tài)鐵的腐蝕產(chǎn)物含量(圖 8)
圖 7兩種鐵溶出顆粒物的XRD圖譜(a.單向連續(xù)流動(dòng)實(shí)驗(yàn), b.密閉循環(huán)流動(dòng)實(shí)驗(yàn))
圖 8單向連續(xù)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)(a)和密閉循環(huán)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)(b)鐵溶出顆粒物XPS圖譜
通過(guò)對(duì)兩種顆粒物的定量分析表明, 顆粒物中羥基氧化鐵與碳酸亞鐵是最主要的成分, 也是三價(jià)鐵和二價(jià)鐵的主要存在形式.但兩種價(jià)態(tài)鐵的化合物含量有較大的不同, 其中, 單向連續(xù)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)的土黃色顆粒中羥基氧化鐵與碳酸亞鐵的含量分別為38.15%和22.68%;而密閉循環(huán)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)的褐紅色顆粒中羥基氧化鐵與碳酸亞鐵的含量分別為29.60%和31.85%.顆粒物的顏色可能會(huì)與羥基氧化鐵和碳酸亞鐵的含量有關(guān), 也表明了不同“紅水”現(xiàn)象經(jīng)歷了不同的物理化學(xué)過(guò)程.在兩種實(shí)驗(yàn)條件下顆粒物中鐵的氧化物(氧化亞鐵、氧化鐵、四氧化三鐵)的總含量很接近, 分為39.17%和38.55%, 水中的鐵氧化物主要來(lái)源于羥基氧化鐵與碳酸亞鐵失水條件下的轉(zhuǎn)化, 因此, 在兩種顆粒采用相同的干燥過(guò)程所產(chǎn)生鐵的氧化物含量是相同的.說(shuō)明在同一水質(zhì)情況下, 鐵的腐蝕過(guò)程是相似的.
3.4 兩種實(shí)驗(yàn)方式鐵釋放及水質(zhì)轉(zhuǎn)化探討
無(wú)論是單向連續(xù)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)還是密閉循環(huán)流動(dòng)實(shí)驗(yàn), 管網(wǎng)出水呈現(xiàn)出一定的“紅水”現(xiàn)象, 水質(zhì)參數(shù)pH、TDS、電導(dǎo)率、溶解氧都有變化, 雖然產(chǎn)生的顆粒物有一定差別, 但顆粒物的產(chǎn)生及鐵腐蝕與水質(zhì)參數(shù)pH、溶解氧及堿度是相關(guān)的, 并影響“紅水”產(chǎn)生的過(guò)程.通過(guò)水質(zhì)參數(shù)的變化可以確定兩種實(shí)驗(yàn)方式情況下顆粒物產(chǎn)生的過(guò)程.
3.4.1 單向連續(xù)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)顆粒物形成的模式
由于本實(shí)驗(yàn)采用的再生水的堿度(7.9 mg·L-1)、硬度(10.6 mg·L-1)很低, 再生水中的重碳酸根含量比較低.然而本次實(shí)驗(yàn)的補(bǔ)水水箱不是密閉的, 因此, 空氣中的二氧化碳會(huì)源源不斷地在水中的溶解形成碳酸(H2CO3), 而碳酸是弱酸, 它的解離程度很弱, 其在水中的解離分兩步：一級(jí)解離(式(1))和二級(jí)解離(式(2)).
(1)
(2)
而該模式下生成顆粒物的反應(yīng)可以用Sontheimer等提出的管網(wǎng)鐵腐蝕過(guò)程的碳酸亞鐵模型(Siderite Model)來(lái)描述, 共分為3級(jí), 其中, 初級(jí)反應(yīng):
(3)
(4)
二級(jí)反應(yīng):
(5)
(6)
(7)
三級(jí)反應(yīng)：
(8)
(9)
(10)
在初級(jí)反應(yīng)過(guò)程中, 金屬鐵在電化學(xué)的作用下會(huì)在陽(yáng)極失去電子生成Fe2+, 同時(shí)一部分溶解氧在陰極會(huì)得到電子被還原生成OH-, 而且溶解二氧化碳會(huì)在水中不斷電離生成CO32-;由于該再生水的硬度很低, 水中的Ca2+不能夠產(chǎn)生碳酸鈣沉淀, 而在二級(jí)反應(yīng)過(guò)程中CO32-可以與Fe2+結(jié)合生成FeCO3沉淀, Fe2+也可直接被溶解氧氧化生成FeOOH, 另外, 水中的OH-也會(huì)與Fe2+生成Fe(OH)2.上述反應(yīng)過(guò)程既可在管壁界面上進(jìn)行從而使生成的FeCO3和FeOOH沉積在管壁上, 也可在水相中進(jìn)行造成總鐵濃度、TDS和電導(dǎo)率升高.這些反應(yīng)能解釋連續(xù)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)中鐵腐蝕現(xiàn)象所造成的總鐵濃度升高、溶解氧濃度降低及低堿度情況下生成顆粒物中FeCO3含量較高的原因.從第三級(jí)反應(yīng)可知, 二級(jí)反應(yīng)階段生成的FeCO3會(huì)進(jìn)一步氧化成Fe3O4, 而FeOOH與Fe(OH)2會(huì)失水產(chǎn)生Fe2O3和FeO, 第三級(jí)反應(yīng)是顆粒物中鐵的氧化物生成的過(guò)程.隨著試驗(yàn)的進(jìn)行, 系統(tǒng)穩(wěn)定后, 出水pH值基本變化不大, 且略大于進(jìn)水.這可能是由于管壁上逐漸積累了較多的腐蝕產(chǎn)物后上述各種反應(yīng)速度減緩, 而腐蝕過(guò)程生成的OH-部分進(jìn)入水相導(dǎo)致出水pH值升高.
3.4.2 密閉循環(huán)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)顆粒物形成的模式
在密閉循環(huán)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)中, 水在模擬管網(wǎng)中循環(huán)流動(dòng), 空氣中二氧化碳不會(huì)進(jìn)入到密閉的管道系統(tǒng)中, 因此, 該實(shí)驗(yàn)過(guò)程中消耗的碳酸根為進(jìn)水中自身堿度所提供的.在密閉的管網(wǎng)系統(tǒng)中, 水中的溶解氧被迅速消耗, 在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后, 系統(tǒng)中處于無(wú)氧狀態(tài).在該模式下生成顆粒物的反應(yīng)除了包括上述的碳酸亞鐵模型過(guò)程, 還包括無(wú)氧條件下鐵的腐蝕與釋放, Kuch提出, 在缺氧的條件下, 管壁上原先存在的三價(jià)鐵化合物會(huì)作為電子受體與金屬鐵發(fā)生如下反應(yīng)：Fe+2FeOOH+2H+→3Fe2++4OH-, 使得鐵的腐蝕反應(yīng)能夠繼續(xù)進(jìn)行, 致使在密閉循環(huán)流動(dòng)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)生了嚴(yán)重的“紅水”現(xiàn)象, 導(dǎo)致水中的總鐵和溶解性鐵濃度加劇上升, 因此, 在缺氧的情況下, 更容易導(dǎo)致紅水現(xiàn)象發(fā)生, FeOOH分解也致使出水的pH也明顯升高.
兩種實(shí)驗(yàn)分別模擬了管網(wǎng)中單向流和循環(huán)流的供水情況, 結(jié)果表明, 在不同管網(wǎng)模式產(chǎn)生“紅水”的情況及管壁腐蝕物的物相有明顯的區(qū)別, 在環(huán)狀管網(wǎng)中, 水中的溶解氧會(huì)快速的消耗, 無(wú)氧情況下的腐蝕是環(huán)狀管網(wǎng)的主要形式, 腐蝕產(chǎn)物中FeOOH占的比例較高;而在枝狀管網(wǎng)或末端管網(wǎng)中, 雖然水中的CO2與溶解氧會(huì)不斷消耗, 但空氣中CO2與O2對(duì)水體進(jìn)行補(bǔ)充, 維持原有的平衡, 溶解氧和CO2均對(duì)鐵管腐蝕的貢獻(xiàn)都比較大, 腐蝕產(chǎn)物中FeCO3含量會(huì)高一些, 通過(guò)對(duì)比可知, 循環(huán)流態(tài)管網(wǎng)中比單向流態(tài)管網(wǎng)更容易發(fā)生“紅水”現(xiàn)象。
4 結(jié)論
1)本次實(shí)驗(yàn)的再生水pH值在9.56左右, RSI指數(shù)在12.08以上, LSI < 0, CCPP指數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于-10, 該水質(zhì)總體上屬于腐蝕性極強(qiáng)水質(zhì).
2)在鑄鐵管網(wǎng)中模擬了單向流和循環(huán)流兩種供水模式, 兩種實(shí)驗(yàn)方式的出水水質(zhì)都發(fā)生了明顯變化;出水水質(zhì)的pH、TDS、電導(dǎo)率及總鐵都有明顯的升高, 說(shuō)明不帶內(nèi)襯的鑄鐵管不適合作該再生水的輸水管材.
3)在兩種實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ较碌玫搅瞬煌伾?、但粒徑相同的腐蝕顆粒物, 通過(guò)XRD、XPS分析發(fā)現(xiàn), 兩種顆粒物中都包括α-FeOOH、γ-FeOOH、FeCO3、Fe2O3、Fe3O4及FeO, 但顆粒中羥基氧化鐵與碳酸亞鐵的含量有所不同, 而顆粒物中鐵的氧化物的總含量很接近.
4)管網(wǎng)中水的循環(huán)流比單向流更容易發(fā)生“紅水”現(xiàn)象, 顆粒在水中存在的狀態(tài)和流速有一定關(guān)系.
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