水力停留時間對由水源更換引起管網鐵釋放影響的分析.pdf

摘要 I 水力停留時間 對 由 水源更換 管網鐵釋放影響的研究 摘 要 隨著 國民經濟和社會的發展，水資源短缺問題日益成為人們關注的焦點。 尤其是近二十年來，我國的工業化和城市化的進程突飛猛進的發展，消耗了大量的水資源 。 解決水資源不足的主要 方法就是跨區域調水， 如我國重大的南水北調工程，引灤入津工程等。由于 各區域的水質不盡相同，常規處理工藝甚至某些深度處理工藝對水中的可溶性鹽類的去除率非常低，本區域的給水管網已經適應了本地的水，如果兩地水質差異較大的話，就會引起已經 成熟的的管垢（ 主要是鐵質管材 ） 出現鐵釋放現象，從而引起水質變差，俗稱“黃水”。 在以往跨區域調水過程 中 曾出現過“黃水”現象。 南水北調中線 工程 即將在 2014 年通水， Z 市作為南水北調 中線工程 的主要受水城市， 面臨 著可能發生“黃水”的風險 。 為此需要對“黃水”的成因，及在 應對“ 黃水 ”的有效 控制措施進行研究。 本實驗即在該 背景下進行研究。 通過對丹江口市某給水廠和 Z 市某給水廠出廠水的水質參數進行對比， 發現兩者差別較大，尤其是 對鐵釋放影響較大的硫酸根離子和氯離子， 因此，在水源切換后， Z 市發生“黃水”的風險較大。 在 Z 市選 取 4 根不同管齡 的 DN100 管段，將其運至丹江口水庫， 組件一套實驗裝置 ， 采用 “單循環，多 串聯 ”的方式 ， 用于模擬 水源更換后， Z 市給水管網中 鐵釋放量的變化 情況 。 通過 121 個周期的實驗分析 ， 發現 ： 在水源 更 換后的 20 周期內，水中的鐵釋放量波動較大， 水源更換 70 周期后，各管段的鐵釋放量基本穩定，管齡越長鐵釋放量的值越大 ，管齡越長發生“黃水”的風險越大 。 通過對 4 段管段的鐵釋放量均值進行對比，發現 3#和 4#管段發生“黃水”的風險較大， 也就是水力停留時間在 36 小時以上時會發生“黃水”現象。 在實驗過程中 ，選取 鐵釋放量適中且 變 化 趨勢具有代表性的 3#管段作為研究對象，研究 3#管段 各水質參數隨周期的變化。 通過約 121 個周期的實驗分析，發現： 濁度 曲線和鐵釋放曲線極為相似 ， 可以用濁度粗略的反映 鐵釋放的變化； 鈣離子、硬度、硫酸根離子 曲線 與鐵釋放曲線 趨勢基本一樣 ； 堿度、總堿度 與鐵釋放曲線呈相反狀態， 可以通過增加堿度來減緩鐵釋放現象； 總氯、余氯、溶解氧、 色度、 TDS、電導率與鐵釋放曲線規律性不強 ，總氯、余氯和溶解氧受外界因素影響較大 。 在第 80 周期，對 3#管段的流速進行調整，觀察流速與鐵釋放的關系， 發現，流速萬方數據華北水利水電大學 碩士學位論文 II 越大，鐵釋放量越大，而且流速有個 臨界值，一旦超過臨界值，鐵釋放量的增幅大于流速的增幅。 關鍵詞： 南水北調； 水源更 換； HRT；鐵釋放 ； 管垢萬方數據ABSTRACT I STUDY ON THE INFLUENCE OF HYDRAULIC RETENTION TIME ON IRON RELEASE IN DRINKING WATER DISTRIBUTION SYSTEMS CAUSED BY WATER SOURCE CHANGE ABSTRACT With the development of national economy and society, the shortage of water resource has gradually become the focus of attention. Especially, in the past twenty years, industrialization and urbanization made a great development, which also consumed a lot of water. The quantity of water is not enough, and cannot meet demand. In view of this situation, the most effective solution is water diversion, such as south-north water diversion, water diversion project from Luanhe River to Tianjin city. The raw water quality varies from one area to another, and removal rate of soluble salts in conventional treatment process and some advanced treatment process is very low, therefore, the water supply network has adapted to the local water quality and produced a lot of corresponding pipe scale. When the water supply network introduces another source of water, the stability of water quality will be damaged and it will cause iron release, commonly known as “red water”. “ Red water” has happened in several previous water diversion engineers. The south-north diversion will complete in 2014, and Z city which will benefit from the south-north diversion project will face the risk of “red water”. Therefore, we must do some research on the cause of “red water” and effect control measures of“ red water” . Under this background, this paper mainly study on iron release. Through a comparison of water quality of waterworks in Danjiangkou and Z city, we find that the difference is great, especially the concentration of chloride ions and sulfate ions which have great impact on iron release. Therefore the risk of “red water” is great while the water source changes. We select four pipes whose pipe age is different in Z city, and transport them to Dangjiankou. Then we built a set of experiment device using “single cycle, multi series” 萬方數據華北水利水電大學 碩士學位論文 II method. Through the 121 cycle, we found that: in the first 20 cycles, the fluctuation of iron release is great. Iron release will be stable after seventieth cycle. The older the pipe, the greater the value of iron release. The older the pipe, the greater the risk of “red water”. Through the contrast of iron release in 4 pipes, we found that the risk of “red water” in 3# and 4# pipe is great, that is to say “red water” will happen in the areas whose HRT is above 36 hours. In the experiment process, the iron release in3# pipe is good and representative， so we chose 3# pipe as the object of study to study the changes of water quality with time. Through the 121 cycles of experiment, we found that: turbidity curves and iron release curves are very similar, and we can use turbidity changes to reflect the iron release changes. Calcium ions, hardness, sulfate ions and iron release curves are basically similar. Alkalinity, total alkalinity and iron release curves are opposite, we can increase the alkalinity to reduce the value of iron release. Total chlorine, residual chlorine, dissolved oxygen, TDS, conductivity and iron release curves are different, and the effect of external factors on total chlorine, residual chlorine and dissolved oxygen are great. In the eightieth cycle, in order to study the relationship between velocity and iron release, we change the velocity in 3# pipe. We found that the greater the velocity, the greater the value of iron release. We also found that when the velocity exceeds the critical value, the iron release rate will increase a lot. KEY WORDS: South-North Water Diversion; Water source change; HRT; Iron release; Water pipe scale萬方數據目錄 III 目 錄 摘 要 ........................................................................................................................................... I ABSTRACT ............................................................................................................................... I 1 緒論 ........................................................................................................................................ 1 1.1 課題背景 ....................................................................................................................... 1 1.2 研究意義和目的 ........................................................................................................... 2 1.3 研究內容 ....................................................................................................................... 2 2 文 獻綜述 ................................................................................................................................ 5 2.1 給水管網問題 ............................................................................................................... 5 2.1.1 給水管材及管垢概述 .......................................................................................... 5 2.1.2 給水管網水力特性 .............................................................................................. 7 2.1.3 給水管網化學環境 .............................................................................................. 8 2.1.4 給水管網生物環境 .............................................................................................. 8 2.1.5 給水管道腐蝕的危害 .......................................................................................... 9 2.2 給水管網穩定性 ......................................................................................................... 10 2.2.1 給水管網穩定性機理 ........................................................................................ 10 2.2.2 給水管網穩定性的形成 .................................................................................... 12 2.2.3 給水管網穩定性理論分析 ................................................................................ 12 2.2.4 給水管網穩定性影響因素 ................................................................................ 13 2.2.5 給水管網穩定性判斷依據 ................................................................................ 15 3 實驗方法 .............................................................................................................................. 19 3.1 實驗思路 ..................................................................................................................... 19 3.1.1 運行方式的選擇 ................................................................................................. 19 3.1.1 運行中存在的問題 ............................................................................................. 20 3.2 實驗裝置 ..................................................................................................................... 20 3.2.1 管段的選取 ......................................................................................................... 20 3.2.2 裝置的搭建 ......................................................................................................... 21 3.3 實驗用水及分析方法 ................................................................................................. 22 3.3.1 兩種水源的概況 ................................................................................................ 22 3.3.2 兩種水源經處理后水質參數的對比 ................................................................ 23 3.3.3 水質分析方法 ..................................................................................................... 24 3.4 實驗方案 ..................................................................................................................... 25 萬方數據華北水利水電大學 碩士學位論文 IV 3.4.1 第一階段 ............................................................................................................ 25 3.4.2 第二階段 ............................................................................................................ 26 3.4.3 第三階段 ............................................................................................................ 26 4 數據分析 .............................................................................................................................. 27 4.1 各管段的鐵釋放量隨周期的變化分析 ..................................................................... 27 4.2 鐵釋放穩定狀態分析 ................................................................................................. 29 4.3 各管段的鐵釋放量對比分析 ...................................................................................... 29 4.4 各參數隨周期的變化分析 .......................................................................................... 30 4.5 各參數與鐵釋放的變化分析 ...................................................................................... 39 4.6 流速與鐵釋放數據分析 ............................................................................................. 42 4.7 控 制措施 ..................................................................................................................... 43 5 結論及展望 .......................................................................................................................... 45 5.1 實驗結論 ..................................................................................................................... 45 5.2 展望 ............................................................................................................................. 46 5.2.1 研究深度方面 ..................................................................................................... 46 5.2.2 實驗操作方面 ..................................................................................................... 47 攻讀學位期間參加的科研項目及發表的學術論文 .............................................................. 49 致 謝 ........................................................................................................................................ 51 參考文獻 .................................................................................................................................. 53 萬方數據緒論 1 1 緒論 1.1 課題背景 隨著 國民經濟和社會的發展，水資源短缺問題日益成為人們關注的焦點。尤其是近二十年來，我國的工業化和城市化的進程突飛猛進的發展，消耗了大量的水資源，然而環境問題沒有得到 有效 重視或者說發展比較緩慢，生活 污水和工業廢水沒有得到有效的處理，水環境遭到非常嚴重的破壞 ，特別是在經濟較發達的中東部地區，該現象尤為嚴重 。 水環境的破環出現了兩種情況。第一種：水量也很充足，但是水質非常差而不能被有效利用的情況。為了解決這一問題，專家和學著對改善處理工藝進行了深度的研究，出現了一些比較成熟的深度處理工藝，如臭氧 — 活性炭工藝等，但是制水成本也大幅度提高。第二種，水量不足，針對這一情況，主要的解 決方法就是跨區域調水，如我國重大的南水北調工程，引灤入津工程等。 跨區域調水， 可以緩解調入地用水量的問題， 但是由于水域不同，水質會有 所差別，而且供水管網都是已經建好的， 供水管網也主要是鐵質管材， 有的使用時間久沒有得到及時的更換， 里面形成了大量的管垢， 這些管垢已經適應了調入地的 水質特性，存在這一種相對平衡， 一旦調出地的水進入調入地， 調入地的供水管網就有可能不適應調出地的水質，平衡就有可能被打破 ，引發一系列的問題， 如：河北的水調入北京后，局地出現“黃水”現象 ， 天津市在進行 黃河、灤河 水源切 換 出現“黃水”現象 [1]， 石家莊市在切換地表水 與地下水 時 ，也在一定時期出現“黃水”現象 [2]。 國外也有 因水源切換引起的“黃水”現象的相關 例子。 目前我國的供水廠大多采用常規處理，部分城市發達的地區個別供水廠采用臭氧 —活性炭等深度處理工藝， 城市供水廠幾乎沒有采用膜處理工藝的。 常規處理工藝 通過混凝、沉淀、過濾可以將水中的懸浮物，膠體 等祛除， 在沉淀過程中也能祛除一定的鹽類，但作用甚微。 常見的臭氧 — 活性炭深度處理工藝除了在可以去除常規的物質外，對水中的 有機物去除效果較好，但對鹽類的祛除效果也不明顯 。 要想有效去除水中的鹽類必須采用膜處理工藝，然而由于該工藝耗能較大，因此目前只用于處理規模小或水質要求高的地方。 有大量研究發現，引發“黃水”現象主要是由于水質中無機鹽離子的差別 。 我國的水廠對水中的無機鹽離子祛除能力較差， 可見在跨區域調水后“黃水”風險還是存在的 。 Z 市是一座缺水的城市，而且近年來經濟快速發展，人口急劇增多，水資源不足情況非常嚴重，南水北調中線工程的建設解決了 Z 市的燃眉之急。 南水北調 干渠 （中線）經過 Z 市，待通水后，可以解決 Z 市水量不足的問題， 然而 ， Z 市 目前的主要水源為黃萬方數據華北水利水電大學 碩士學位論文 2 河地表水，與丹江口水庫水質差別較大， 該市將來可能存在“黃水”風險。 Z 市 有 A、 B、 C、 D 四座水廠， A、 B 水廠 （規模較大） 采用 黃河地表水 作為水源，從建廠至今一直 采用 常規處理工藝（混凝、沉淀、過濾、消毒），由于自來水口感不佳，目前正在進行 臭氧 — 活性炭深度處理工藝 改造 。 C、 D 水廠 （規模較小） 采用 黃河側滲水作為水源， 采用 曝氣加 常規處理工藝。 隨著南水北調中線工程的推進， 2014 該工程 將全線貫通 。為此 Z 城市 規劃新建一座 E 水廠，該水廠全部采用南水北調水源， A、 B 水廠 屆時也將采用南水北調水源 。該市給 水管網歷時較長， 管網規模比較龐大， 且 在我國某些城市已經發生過類似的由于水源跟換引起的“黃水”現象， 形式相當嚴峻， 若不采取有效的措施，“黃水”現象發生的可能性較大。 鑒于 該 區域 可能 引起的“黃水”問題，就要 對“黃水”的成因進行深入的 分析 研究，在研究的基礎上提出一些合理的、可實行的控制措施，來避免或減緩“黃水”現象的發生 ， 保障供水安全。 1.2 研究意義和目的 本實驗的研究， 可以 預測 Z 市在 水源更換后 ，供水情況會發生什么變化，水質參數會發生如何變化，是否會發生“黃水”現象，如果發生“黃水” 現象， 發生的區域 會在哪里 ， 范圍有多大， 并提出解決 上述 問題的 有效 控制措施 。 針對水源切換引起的“黃水”現象 不是全城范圍 ， 而 是出現在這些城市的 某些 局部區域， 這些局部區域與其他沒有出現“黃水”區域除了管材可能有些變化外， 水力停留時間（ HRT） 肯定是不一樣的， 因此 水力停留時間 對管道鐵釋放的影響尤為重要 。 有了水力停留時間，就可以通過供水模型找出相對應的供水區域。 研究 水力停留時間 對由于水源更 換引起“黃水”現象可以 預測水源更 換后可能出現“黃水”的區域 。 本實驗主要從 水力停留時間 方面對 由于水源切換引起的 “黃水”現象進行研究 。 通過本實驗的研究可以預 測 Z 城市 未來出現“黃水”的區域。 對該區域的管網 采取一定的措施 ，從而避免“黃水”的發生 。 本實驗在研究過程中， 對其他水質參數（ 濁度、色度、堿度、 TDS、電導率、硫酸根離子、氯離子、鈣離子、硬度、總氯、余氯、溶解氧、總堿度和碳酸氫根堿度 ） 隨 水源更換 后的時間 進行研究，并對這些參數與鐵釋放曲線的相似性進行分析。 本實驗還對 鐵釋放從大的波動到趨 于相對穩定（即鐵釋放隨時間不再發生大的變化）所需的時間進行研究，并提出在這一階段有效地控制措施來減緩鐵釋放現象 。 1.3 研究內容 本實驗主要從 HRT 方面對“黃水”現象進行研究 。 主要研究內容如下： 1 研究 Z 市 和南水北調水源 的出廠水水質特點及變化規律 ，并根據相關理論研究兩萬方數據緒論 3 水源出廠水的化學穩定性。 2 選取 Z 市 具有代表性的 4 段給水管道，將其運至丹江口水庫，建設一套實驗裝置，進行水源更換后的實驗。 3 根據實驗數據，研究不同 HRT 條件下，管網在水源更換后的 鐵 釋放含量。 4 研究各水質參數 隨周期的變化，并對其進行分析。 5 研究各水質參數的變化與鐵釋放的變化分析。 6 研究流速與鐵釋放的變化分析。 7 根據實驗數據預測未來 Z 市 可能出現“黃水”問題的區域， 并提出相應的控制措施。 萬方數據華北水利水電大學 碩士學位論文 4 萬方數據