CN109813647B - 饮用水管网腐蚀层的稳定性判别及调控方法 - Google Patents

Abstract

一种饮用水管网腐蚀层的稳定性判别及调控方法，该稳定性判别方法结合管网进水的硝酸盐氮浓度和铁循环相关的微生物群落进行有效判定；在管网长期运行条件下，如果进水NO₃ ^‑‑N小于3mg/L，管网中硝酸盐还原菌和铁还原菌会引发铁的氧化还原过程，使得腐蚀层中形成大量的Fe₃O₄，腐蚀层致密稳定；如果进水NO₃ ^‑‑N大于7mg/L，腐蚀层不稳定，换水时易发生黄水。该调控方法对腐蚀层不稳定区域通过把饮用水处理工艺增加臭氧生物活性炭深度处理或紫外氯联合消毒，调控管网进水硝酸盐还原菌和铁还原菌含量在60％以上，经过6个月以上运行可以很好的形成稳定腐蚀层。

Description

饮用水管网腐蚀层的稳定性判别及调控方法

技术领域

本发明涉及管道腐蚀技术领域，具体涉及一种饮用水管网腐蚀层的稳定性判别及调控方法，即一种多水源供水模式下利用管网进水中硝酸盐氮浓度和微生物群落组成判断管网腐蚀层稳定性，并利用臭氧-生物活性炭深度处理工艺与紫外-氯联合消毒来调控微生物群落结构，从而增强管网腐蚀层稳定性，控制“黄水”发生的技术。

背景技术

长期以来，我国很多大中城市输配水管网系统输送水体相对单一，在长时间输配过程中管壁形成了腐蚀层，输配水过程对水质的影响较小。但是随着我国北方城市面临严重的缺水问题，我国开始实施“南水北调”工程，工程实施以来很多城市形成多水源供水格局。

多水源的供水模式将为很多城市的经济快速发展提供重要的水资源支撑，有效保障其对水量的需求。随着多水源供水局面的形成，管网系统内水质将与原来水质明显不同，并可能出现频繁变化的现象，从而可能导致原先稳定的腐蚀层被破坏并脱落释放铁离子，供水水质会恶化甚至出现大面积“黄水”的现象。因此，需要形成多水源供水条件下饮用水管网腐蚀层稳定性判别及控制技术，以更好的确保供水安全。

传统观点认为，为了减少黄水发生应该降低管网进水的化学稳定性和腐蚀性，因而通常采用由实际水体的酸碱性(pH值)和由碳酸钙(CaCO₃)在水体中达到饱和时的pH值等形成的稳定指数和碳酸钙沉淀势(CCPP)等判断。随着人们认识的深入，研究发现除了碳酸根以外，氯离子和硫酸根也会影响水体的腐蚀性，因此由氯离子、硫酸根和碳酸根等构成的拉森比值(LR)被认为是判断水体腐蚀性的重要参数。该观点认为拉森比值(LR)应该小于0.2，而如果高于0.5就会产生强烈的腐蚀性，进入管网很容易发生腐蚀。

然而，本发明人针对南水北调受水区现场调研发现，即使换水后水体拉森比值(LR)高于0.5，有些管网出水水质仍然很好，没有出现“黄水”现象。但是，有些管网进水拉森比值(LR)小于0.5，可是进水后管网出水却发生了明显的“黄水”。该调研说明除了管网进水会影响“黄水”现象的发生外，更换水体前管网是否形成了稳定的腐蚀层才是问题的关键。如果一个稳定的腐蚀层，那么更换水体后其抗腐蚀性较强，就不容易释放金属离子，如果腐蚀层不稳定，那么一旦更换水体其就容易进一步腐蚀，从而释放金属离子导致“黄水”发生。因此，对管网腐蚀层稳定性进行提前预判并进一步采取措施是解决问题的关键。

发明内容

有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种饮用水管网腐蚀层的稳定性判别及调控方法，以期待解决上述技术问题中的至少部分之一。

为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种饮用水管网腐蚀层的稳定性判别方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据饮用水管网进水硝酸盐氮浓度对管网腐蚀层稳定性进行初判；

(2)根据饮用水管网进水微生物群落组成对管网腐蚀层稳定性做进一步判别。

其中，步骤(1)具体包括：

如果进水NO₃ ^--N浓度小于3mg/L，则腐蚀层致密稳定；

如果进水NO₃ ^--N浓度大于7mg/L，则腐蚀层不稳定，换水时发生黄水概率变大。

其中，步骤(2)中所述的饮用水管网进水微生物群落组成中包括硝酸盐还原菌和铁还原菌的含量。

其中，步骤(2)中如果检测发现饮用水管网中硝酸盐还原菌和铁还原菌比例在20％以下，且进水NO₃ ^--N浓度大于7mg/L，则腐蚀层不稳定；

如果检测发现饮用水管网中硝酸盐还原菌和铁还原菌比例高于60％，则长时间运行条件下所述管网腐蚀层会逐渐稳定。

其中，所述长时间运行条件是指运行6个月以上。

其中，所述饮用水管网腐蚀层的稳定性判别方法不需要实地挖开饮用水管网进行检测判断。

作为本发明的另一个方面，还提供了一种饮用水管网腐蚀层稳定性的调控方法，其特征在于，包括以下步骤：

对饮用水管网腐蚀层不稳定的区域采用臭氧生物活性炭或紫外氯联合消毒调控饮用水管网进水微生物群落组成一段时间，增强管网腐蚀层的稳定性。

其中，所述对饮用水管网腐蚀层不稳定的区域采用臭氧生物活性炭调控饮用水管网进水微生物群落组成的步骤具体包括：

增加臭氧生物活性炭深度处理，调整臭氧投加量0.8～1.2mg/L，活性炭接触时间10～15min，把管网进水生物可同化有机碳AOC浓度控制在100μg/L以下，限制异养菌生长，从而改变饮用水管网进水微生物群落结构，并调节管网进水硝酸盐还原菌和铁还原菌比例在60％以上。

其中，所述对饮用水管网腐蚀层不稳定的区域采用紫外氯联合消毒调控饮用水管网进水微生物群落组成的步骤具体包括：

增加紫外氯联合消毒，控制紫外剂量30～40mJ/cm²，改变管网进水微生物群落结构，并调节管网进水硝酸盐还原菌和铁还原菌比例在60％以上。

其中，所述一段时间为6个月以上。

基于上述技术方案可知，本发明相对于现有技术具有如下有益效果：

本发明是在长期调研和实验室研究基础上总结凝练而得出的，本发明通过管网进水NO₃ ^--N浓度可以首先对管网腐蚀层稳定性进行预判，然后对管网进水微生物群落进行分析可以很好的确定管网腐蚀层稳定性，该成果结合大量调研发现在低NO₃ ^--N浓度下微生物特别是硝酸盐还原菌和铁还原菌确实能够引发铁的氧化还原循环反应，使得管网腐蚀层形成了致密的Fe₃O₄组分，因而腐蚀层致密稳定；针对不稳定腐蚀层，换水前增加臭氧生物活性炭和紫外-氯联合消毒处理，且通过调控管网进水微生物群落结构可以显著抑制“黄水”发生概率；该成果结合“南水北调”工程在北京、河北等地都进行了验证，完全有希望应用于实际管网水质控制领域。

附图说明

图1为低硝酸盐氮浓度下微生物抑制铁离子释放的结果柱状图和折线图；

图2为臭氧生物活性炭深度处理及紫外-氯联合消毒控制管网水质效果的折线图；

图3为该方案应用于北京市管网腐蚀层预判及水质控制的结果显示。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

传统观点认为由氯离子、硫酸根和碱度构成的拉森比值(LR)是影响管网腐蚀层稳定性的重要因素。本发明人经研究发现，除拉森比值以外，可以在不用挖管的情况下结合管网进水的硝酸盐氮浓度和铁循环相关的微生物群落对管网腐蚀情况进行有效判定。管网长期运行条件下，如果进水NO₃ ^--N小于3mg/L，管网中硝酸盐还原菌和铁还原菌会引发铁的氧化还原过程，使得腐蚀层中形成大量的Fe₃O₄，腐蚀层致密稳定；如果进水NO₃ ^--N大于7mg/L，腐蚀层不稳定，换水时易发生黄水。针对容易发生黄水的区域，可以采用臭氧活性炭深度处理工艺或者紫外-氯联合消毒通过调控管网生物膜群落组成，使得硝酸盐还原菌和铁还原菌成为优势菌属，从而可以有效保障管网腐蚀层中磁铁矿Fe₃O₄成为主要成分，更好的控制管网腐蚀层稳定性，因此“黄水”发生的概率明显降低。该成果结合“南水北调”工程在北京、河北等地都进行了验证，完全有希望应用于实际管网水质控制领域。

具体实施方式一：低硝酸盐氮浓度下微生物抑制铁离子释放结果

从北京自来水九厂取回砂滤出水，该水体中硝酸盐氮NO₃ ^--N浓度为2mg/L左右，硝酸盐还原菌为腐蚀相关菌中优势菌属。实验室条件下用次氯酸钠1mg/L进行加氯消毒，消毒剂投加量与北京自来水九厂相同，然后通入模拟管网，长期运行。图1为低硝酸盐氮浓度下微生物抑制铁离子释放的结果柱状图和折线图。研究发现，腐蚀初期生物膜中铁氧化菌为优势菌属，其加快了溶解氧和氯的腐蚀，使得腐蚀层形成了大量的针铁矿α-FeOOH。随着腐蚀继续进行，硝酸盐还原菌和铁还原菌在生物膜上成为优势菌属，其比例高于60％。此时由于水体中NO₃ ^--N浓度低，其不能满足微生物硝酸盐还原的作用，微生物为了生存就会进一步还原三价铁，结果腐蚀层中开始出现大量的磁铁矿Fe₃O₄组分，腐蚀层也变得非常稳定，铁离子释放明显降低。

基于上述研究，另外本发明还对不同硝酸盐氮浓度的水源水引起的管网腐蚀层稳定性问题进行了研究，并根据对管网腐蚀层和管网水质的大量调查后得出结论：通常情况，特别是管网进水中NO₃ ^--N大于7mg/L的条件下，硝酸盐还原菌主要作用是还原硝酸盐氮氧化铁，其和铁氧化菌一起加速铁的氧化使得管网腐蚀产物中针铁矿α-FeOOH，一旦换水，其容易被还原形成二价铁(Fe²⁺)释放到水体，然后在水中溶解氧的作用下氧化成铁氧化物小颗粒形成“黄水”。如果换水前管网进水NO₃ ^--N浓度小于3mg/L，水中硝酸盐氮浓度不能满足管网进水微生物群落中硝酸盐还原菌的生长需求，因而硝酸盐还原菌还要继续去还原腐蚀层中的三价铁氧化物特别是针铁矿α-FeOOH，因而其和铁还原菌等共同作用使得腐蚀层中容易形成磁铁矿Fe₃O₄，该成分成小球状，其成为主要的腐蚀产物后腐蚀层就比较致密稳定，换水时腐蚀层不容易释放铁离子，可以明显抑制“黄水”的发生。

在该方法中，输配水管网换水前管网进水NO₃ ^--N浓度是判定管网腐蚀层稳定性的重要参数，通常情况下管网进水NO₃ ^--N浓度小于3mg/L，长期运行条件下管网腐蚀层致密稳定，如果管网进水NO₃ ^--N浓度大于7mg/L，长期运行条件下管网腐蚀层不稳定。

具体实施方式二：臭氧生物活性炭深度处理及紫外-氯联合消毒控制管网水质效果

采用北京自来水九厂砂滤出水进行实验，一个采用砂滤出水进行消毒后直接进入管网，一个增加臭氧生物活性炭和紫外-氯联合消毒进行对比研究。结果发现，增加臭氧生物活性炭深度处理后，调整臭氧投加量0.8～1.2mg/L，活性炭接触时间为10～15min，可以把管网进水有机物中生物可同化有机碳(AOC)浓度控制在100μg/L以下，限制异养菌生长，从而改变管网进水微生物群落结构，并调节管网进水硝酸盐还原菌和铁还原菌比例在60％以上，经过6个月以上时间运行可以使管网腐蚀层逐渐稳定。另外可以通过增加紫外-氯联合消毒，控制紫外剂量为30～40mJ/cm²，改变管网进水微生物群落结构，同样调节管网进水硝酸盐还原菌和铁还原菌比例在60％以上，经过6个月以上时间运行可以使管网腐蚀层逐渐稳定，换水时调高管网进水拉森比值，紫外与氯联合消毒管网也可以明显降低铁离子释放，有效减少“黄水”发生的概率。

图2即为臭氧生物活性炭深度处理及紫外-氯联合消毒控制管网水质效果的折线图。在该方法中，管网进水中微生物群落特别是硝酸盐还原菌和铁还原菌的含量也起到重要的作用。对已判定为不稳定的腐蚀层可以通过增加臭氧生物活性炭深度处理把管网进水AOC浓度控制在100μg/L以下，这样非常有利于自养菌硝酸盐还原菌的生长，另外可以通过紫外氯联合消毒进一步对管网进水微生物群落进行调控，使得硝酸盐还原菌和铁还原菌在管网中成为优势菌属，利用硝酸盐还原菌和铁还原菌的还原作用使得腐蚀层中主要腐蚀产物为磁铁矿Fe₃O₄，使得管网形成致密腐蚀层。

具体实施方式三：该方案应用于北京市管网腐蚀层预判及水质控制

“南水北调”工程实施后，在方案保密的状态下本发明人与北京自来水集团开展合作，首先通过本发明的腐蚀层稳定性判定方法对北京输配水管网进行预判，然后进行挖管进行了进一步验证。在此基础上，对不稳定供水区域采用臭氧生物活性炭深度处理，而在郭公庄水厂也增加了紫外-氯联合消毒。“南水北调”水进京后本发明人开展了涉及800万供水人口的管网区域示范，并委托第三方进行长达一年的长期监测，结果表明本发明的成果预判准确，采用的技术可以明显降低“黄水”发生的概率，为南水北调工作的顺利实施提供了有利的技术支撑。图3即为该方案应用于北京市管网腐蚀层预判及水质控制的结果显示。

具体实施方式四：该方案应用于河北省管网腐蚀层预判

在方案保密的状态下，中国城市规划设计研究院与本发明人开展合作，共同对河北省石家庄、保定、邯郸、衡水、廊坊、沧州、邢台、高碑店等市县进行输配水管网腐蚀层稳定性进行判定，同时也结合实际现场挖管进行验证，同时对不稳定腐蚀层供水区域提出了接纳“南水北调”水的合理化建议。该方案为河北省各地顺利接纳“南水北调”水、合理配置水资源提供了重要技术支持。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种饮用水管网腐蚀层的稳定性判别方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)根据饮用水管网进水硝酸盐氮浓度对管网腐蚀层稳定性进行初判；

(2)根据饮用水管网进水微生物群落组成对管网腐蚀层稳定性做进一步判别；

所述的饮用水管网进水微生物群落组成包括硝酸盐还原菌和铁还原菌的含量；

如果检测发现饮用水管网中硝酸盐还原菌和铁还原菌比例在20％以下，且进水NO₃ ^--N浓度大于7mg/L，则腐蚀层不稳定；

如果检测发现饮用水管网中硝酸盐还原菌和铁还原菌比例高于60％，则长时间运行条件下所述管网腐蚀层会逐渐稳定。

2.根据权利要求1所述的判别方法，其特征在于，步骤(1)的初判步骤具体包括：

如果进水NO₃ ^--N浓度小于3mg/L，则腐蚀层致密稳定；

如果进水NO₃ ^--N浓度大于7mg/L，则腐蚀层不稳定，换水时发生黄水概率变大。

3.根据权利要求1所述的判别方法，其特征在于，所述长时间运行条件是指运行6个月以上。

4.根据权利要求1所述的判别方法，其特征在于，所述饮用水管网腐蚀层的稳定性判别方法不需要实地挖开饮用水管网进行检测判断。

5.一种饮用水管网腐蚀层稳定性的调控方法，其特征在于，包括以下步骤：

对饮用水管网腐蚀层不稳定的区域采用臭氧生物活性炭或紫外氯联合消毒调控饮用水管网进水微生物群落组成一段时间，增强管网腐蚀层的稳定性；

所述对饮用水管网腐蚀层不稳定的区域采用臭氧生物活性炭调控饮用水管网进水微生物群落组成的步骤具体包括：

增加臭氧生物活性炭深度处理，调整臭氧投加量0.8～1.2mg/L，活性炭接触时间10～15min，把管网进水生物可同化有机碳AOC浓度控制在100μg/L以下，限制异养菌生长，从而改变饮用水管网进水微生物群落结构，并调节管网进水硝酸盐还原菌和铁还原菌比例在60％以上。

6.根据权利要求5所述的调控方法，其特征在于，所述对饮用水管网腐蚀层不稳定的区域采用紫外氯联合消毒调控饮用水管网进水微生物群落组成的步骤具体包括：

增加紫外氯联合消毒，控制紫外剂量30～40mJ/cm²，改变管网进水微生物群落结构，并调节管网进水硝酸盐还原菌和铁还原菌比例在60％以上。

7.根据权利要求5所述的调控方法，其特征在于，所述一段时间为6个月以上。

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