给水管网铁释放现象及影响因素分析

1. 给水管网铁释放现象及影响因素分析 汇报人 韩漪 2011214094 2012.6.1

2. 1、研究背景 • 2、给水管网中的腐蚀和铁释放现象 • 3、管垢结构分析 • 4、铁释放现象影响因素分析 • 5、控制方法

3. 1、研究背景 • 随着生活水平的日益提高, 人们对于饮用水水质的要求也越来越高, 供水行业面临着严峻的挑战。传统的混凝、沉淀、过滤、消毒，甚至增设预处理、深度处理等工艺，用户用水仍然会出现超标问题。事实上, 自来水厂的出水并未超标，由于自来水在给水管网中发生了各种复杂的物理、化学和生物变化, 从而造成自来水管网水质二次污染。铁超标是破坏管网水化学稳定性的重要因素之一。

4. 2、给水管网中的腐蚀和铁释放现象 • 在铁管内表面发生腐蚀后，由于管垢铁锈的表面钝化层作用阻断了腐蚀过程中带电粒子的转移，破坏了腐蚀电池，从而阻止了铁制管材的进一步腐蚀，进入相对稳定状态。但是，如果管网水状态发生变化，钝化层被破坏，则大量的管垢铁锈物质将溶于水中，形成管垢向管网水中释放铁，即铁释放现象。[1]

5. 3、管垢结构分析 • 王洋[2]对管垢的宏观结构进行分析发现，管内壁存在一层较厚的管垢，外观结构凹凸不平，特别是铸铁管的管垢中存在许多瘤状物。管垢表面颜色基本上都是棕红色，内部颜色有黑色与棕红色两种。管垢的外部比较致密，内部则比较松散。中间存在一层致密壳层。

6. 牛璋彬等人[1]利用扫描电镜对管垢微观结构进行分析发现：在扫描电镜下，对管垢内部的微观形态进行观察可以看出，管垢内部为疏松多孔结构，且表面积大。牛璋彬等人[1]利用扫描电镜对管垢微观结构进行分析发现：在扫描电镜下，对管垢内部的微观形态进行观察可以看出，管垢内部为疏松多孔结构，且表面积大。 • 由上可知，在管网中，一旦外部致密层被破坏，内部铁锈很容易发生铁释放现象进入管网水。

7. 4、铁释放现象影响因素分析 • 国内外学者通过研究，定性得出了影响管网水铁释放的主要因素，包括pH 、碱度、溶解氧、余氯、氯离子浓度、硫酸根离子浓度等。本篇重点介绍了以上因素对铁释放现象的影响，以期为实际给水管网中控制铁释放现象提供重要的支持。

8. 4.1 PH • 牛璋彬等人[3]研究了两种水样在不同PH条件下的铁释放速率曲线，结果表明：高pH 条件下铁释放量小，铁释放速率随着pH 值的升高而降低。 • 分析其原因： 1）增加pH会降低氢氧化亚铁和碳酸亚铁等铁化合物的溶解度，从而减少铁释放的量 2）提高pH能加快二价铁的氧化速率，使得管垢表面三价铁钝化层稳定，从而控制铁释放。

9. 郑毅等人[4]对PH影响铁释放现象的原因分析更加详细。水中存在下列平衡：郑毅等人[4]对PH影响铁释放现象的原因分析更加详细。水中存在下列平衡： pH 值增大会降低氢氧化亚铁和碳酸亚铁的溶解度，从而减少铁的释放量； • 另一方面，pH 值增大可以加快二价铁的氧化速率，使管垢表面氢氧化亚铁的空隙容易固定，从而减缓铁释放。其氧化机理如下:

10. 4.2 碱度 • 牛璋彬等人[3]在保证PH不变的条件下研究碱度对铁释放的影响，结果表明：在相同的PH条件下，碱度值越低，铁释放量越大，相应的释放速率就越高。 • 含碳酸盐系统的水体中，pH< 10.5 的情况下，碳酸根控制着水中铁的溶解度，水中存在着铁与碳酸根反应的沉淀溶解平衡。当碱度高时，水中的碳酸根含量高，反应向铁的碳酸盐化合物沉积方向进行，水中铁含量减小；当碱度低时，水中的碳酸根含量低，反应向溶解方向进行，引起铁释放。

11. 4.3 溶解氧 • 牛璋彬等人[1]对溶解氧浓度及管网中铁含量进行测定，结果表明：管网水中溶解氧浓度高, 管网水铁含量则低, 反之管网水溶解氧浓度低则铁含量高. • 溶解氧作为水中重要的氧化剂，影响着管网管垢形成反应和铁释放反应。由于管垢的外部与含有溶解氧的管网水接触，处于高氧化状态，其构成大部分是三价铁的化合物，表面形成了致密的含有三价铁化合物的钝化层。而管垢内部处于低氧化状态, 其构成为二价铁和三价铁的混合物。当管网水中溶解氧被耗尽时，管垢外部三价铁化合物被还原成二价铁，致使致密钝化层被破坏，内部的铁被释放出来。而二价铁溶解度大于三价铁，低氧化状态下的二价铁容易被溶出，造成水中铁超标。

12. 4.4 余氯 • 牛璋彬等人[1]对管网中余氯浓度与含铁量的关系进行了研究。结果表明：和溶解氧与铁含量的关系相似，管网水中余氯浓度越高，铁含量越低，反之余氯浓度越低，铁含量就越高。

13. 作者从化学和生化两个角度进行原因分析： 1）从化学角度分析，高浓度的余氯具有强氧化性，可以防止管垢外部致密钝化层的破坏，从而降低铁释放量。由于余氯和溶解氧都是维持管垢和水接触面高氧化态的重要因素，因此余氯对于管网铁释放影响应该与溶解氧相似。 2）从生化角度分析，作为消毒剂氯可以杀灭管垢中的微生物，降低管壁微生物活性。当余氯量降低时，管壁微生物活性增加，其代谢产物将造成管垢与水接触面的微环境pH 值改变，从而破坏管垢外部的结构，造成二价铁的释放，引起铁超标现象。此外，铁细菌等的过量生长也将产生铁腐蚀释放现象。

14. 4.5 氯离子浓度 • 刘扬[5]研究了不同氯离子浓度对总铁含量的影响。 结果表明：氯离子的含量越少对应的铁含量减少，尤其是在浸泡时间大于4 h 之后，氯离子浓度较高的水样中铁浓度迅速升高。

15. 分析其原因 1）由于氯离子对三价Fe释放反应起到催化的作用，与管垢中的FeOOH(碱式氧化亚铁)和FeOCl(改性氧基氯化铁)发生如下反应： 氯离子能够取代钝化层金属离子内相互连接的氢键，从而破坏钝化层，生成溶解态的亚铁离子从而造成总铁含量升高。 2）氯离子浓度的提高会增加水中的离子强度，增大离子的迁移速率，进而促进铁的释放。

16. 4.6 硫酸根离子浓度 • 刘扬[5]研究了不同硫酸根离子浓度对总铁含量的影响。 结果表明：随着离子浓度的增大，总铁含量增加。

17. 其原因分析与氯离子浓度相似，硫酸根与碱式氧化亚铁发生如下反应：其原因分析与氯离子浓度相似，硫酸根与碱式氧化亚铁发生如下反应： 硫酸根离子能够取代钝化层金属离子内相互连接的氢键，从而破坏钝化层，生成溶解态的亚铁离子，造成铁释放； • 此外，水中较高浓度的硫酸盐、低余氯和低溶解氧条件还可以促进硫酸盐还原菌的过量生长，通过微生物的作用，增加管材的腐蚀。

18. 对于以硫酸根、氯离子等中性离子的侵蚀为基础的铁稳定性判别指数主要是拉森指数（Larson Ratio）[2]。拉森指数的计算公式如下式 式中的离子需使用离子活度进行计算。 • 由4.5、4.6恰好可以验证拉森指数的正确性。硫酸根离子、氯离子浓度增大，则腐蚀性越大，铁释放现象就越严重。

19. 5、控制方法 • 由上述分析可知，可以通过适当调高PH，增大碱度、提高溶解氧和余氯值，尽量去除水中氯离子和硫酸盐离子，则铁释放现象将会缓解。需要强调的是，余氯的提高是有限度的，过高的余氯会产生消毒副产物，危害人体健康。此外，还应综合考虑调整上述各指标增加的费用问题。

20. 参考文献 • [1]牛璋彬，王洋，张晓健，何文杰，韩宏大，阴沛军.某市 给水管网中铁释放现象影响因素与控制对策分析[J].环境科 学：2006，27（2）：310-314. • [2] 王洋.给水管网铁稳定性特性及控制技术研究[D].北京：清华大学土木学院，2010. • [3]牛璋彬，王洋，张晓健，陈超，王生辉.给水管网中铁释放现象的影响因素研究[J].环境科学：2007，28（10）：2270-2274. • [4]郑毅，彭晨蕊，谭浩，赵新华.给水管网内铁离子的释放 [J].天津大学学报：2008，41（2）：137-141. • [5]刘扬.水质变化对腐蚀管段中铁释放的影响[D].天津：天津大学环境学院，2011.

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