1引言

1.1研究背景

1.1.1给水管网管材及水质现状

我国供水管网的常用管材为灰口铸铁管、球墨铸铁管和水泥管。据《全国城市供水管网改造近期规划》（2006-2007）对我国部分城市总计8.4万公里的公共供水管道不完全统计，灰口铸铁管43362公里，占50.8%；球磨铸铁管14135公里，占16.8%；水泥管为11133公里，占13.0%。而一般来说供水管道的更换周期较长，这些管道中服务时间超过40年有12015公里，占14.3%；10-40年的42751公里，占50.7%；10年以内的29583公里，占35.1%。可见我国供水管网中最为普遍的是服务时间10-40年耐腐姓性差的灰口铸铁管。

给水系统的主要任务是从水源取水，按照用户对水质的要求进行处理，然后将水输送到用水区，并向用户配水⑴。水质保证是整个任务中的重要一环，随着自来水厂对传统常规工艺（混凝、沉淀、过滤和消毒）改进，并在部分情况下增加了预处理和深度处理，我国的大部分城市自来水厂的出厂水巳能达到生活饮用水卫生标准。然而这些本巳达标的自来水在经过输配水系统到达用户时，水质情况往往会发生明显下降。通过对比分析出厂水和用户端的水质情况，可以发现铁、浊度从1.3NTU增加到1.6NTU，平均色度从5.2度上升到6.7度，平均铁含量由0.09mg/L变为0.11mg/L，细菌总数从6.6CFU/L增加至29.2CFU/L。

牛璋彬等人对北方某城市的水质调查发现：该市出厂水的铁含量浓度仅为0.25mg/L左右，但管网水中的铁含量却严重超标，取样点的铁超标率为55.6%，个别取样点的铁含量超过1mg/L。英国自来水公司对5年内用户投诉的情况进行统计发现对红黄水现象的投诉占总投诉数的34%，是用户最为关心的水质问题。美国学者M.Edwards在2003年IWA年会的报告中更是提出给水管网中出现的各种水质问题将成为21世纪世界各国供水行业面临的最大挑战而因管道腐姓引起的水质问题更是重中之重。

1.2国内外研究现状

给水管网铁释放是一个受物理、化学、生物三方面共同影响的复杂问题。一般认为其主要有以下三大原因：（1）管道腐姓；（2）管柜中二价铁化合物的溶解；（3）水力冲刷造成的颗粒性铁脱落。管道腐烛可以造成金属管材中的铁单质发生阳极反应，释放电子，成为二价铁离子。而这些二价铁离子部分可以扩散至水中造成铁释放，其余则沉积在管壁表面形成管柜，而管港会持续向管网水释放铁是管网水中铁的主要来源。然而尽管腐姓是铁释放最主要的原因，但两者见的关系却相当复杂丨因此针对铁释放的影响因素，国内外学者进行了大量研究。

1.2.1物理因素对铁释放的影响

物理因素对铁释放的影响主要是指管网水流速流态变化对铁释放的影响。流速对铁释放的影响是多方面的。一般认为主要分为以下两种：一方面流速提高可以使水中的溶解氧浓度上升进而对铁释放产生影响；另一方面提高流速也会加速形成管坂外层的保护层，但流速过快也会造成保护层的脱落形成频粒性铁释放。

1960年，Copson讨论了流速对金属腐姓速率的影响。他指出由于pH、DO、电流賴合、极化和电极电位等因素不同，不同水质条件下的流速变化会对腐蚀速率产生不同的影响。1956年，Eliassen等人通过研究流速对钢管腐蚀的影响指出提高流速可以加快腐蚀速率。1993年，Gedge指出当水中的溶解氧饱和时，提高流速可以明显提高钢管的腐姓速率。

一般认为铁释放现象主要发生在水流停滞时，铁释放量也会随着停滞时间的增长而上升。为了解释水流停滞时发生的铁释放现象，Kuch提出了铁释放的Kuch机理。该机理认为水流停滞会造成铁释放的原因主要有以下几点：1.管网水从流动变为停滞时水中的溶解氧会与管括发生反应而被消耗；2.水流停滞导致管拒附近无法补充新的溶解氧，致使管柜陷入缺氧环境；3.为维持管祐周围水体的氧化还原平衡，管港中的三价铁会成为新的电子受体发生如下腐姓反应继续生成二价铁：

2实验材料与方法

本章介绍后续实验涉及的实验材料与方法，主要内容包括ORP的测定方法，铁—细菌的测定方法，实验用管道的物理化学特性，实验管道的加工方法与水质检测方法。

2.1ORP的测定方法

2.1.1ORP的检测原理

ORP的测定方法属于电化学检测方法（图2.1），基本原理为：将工作电极与参匕检测原理示意图电极同时浸入待测溶液形成原电池。此时两电极间会存在一定的电位差，此电位差既代表了溶液的氧化还原能力，既该溶液的氧化还原电位（ORP）。

（1）工作电极

工作电极又称为测量电极，由金属基电极中的零类电极制成。金属基电极是以金属为基体，其特点是电极上有进行电子交换的氧化还原反应。零类电极亦称惰性电极，电极本身不发生氧化还原反应，只提供电子交换场所。镍、银、铜、银、钻、金等离子晶格结构的金属均可以作为ORP的工作电极。电子可在这些金属的晶格内部运动，而电极因同种离子的存在会产生电位差。在这些金属中，钻与金的测量灵敏度较高，对ORP的测量结果影响也较小，故通常釆用钻或者金作为工作电极。

（2）参比电极

原电池中的总反应是由两个独立的半反应组成的，这两个半反应分剧在两个电极上进行描述的是电极上真正发生的化学变化。大多数情况下人们感兴趣的往往是其中的一个反应，就是工作电极上所发生的反应。为了集中研究工作电极，就需要使另一电极标准化，其方法为使用组分恒定的相构成另一电极。这一电极就是参比电极，用以提供标准电位，电位不随测量体系组分及浓度的改变而变化。因此这种电极必须具有良好的可逆性、重现性、稳定性。

2.2铁细菌的测定方法

铁细菌通常是指能够将二价铁或三价铁溶液中转换并沉淀大量氢氧化铁的细菌。一般认为铁细菌可以加速管道腐烛，，但近年来某些学者指出在特定条件下铁细菌也可以抑制管道腐烛。根据所处位置不同，给水管网中的铁细菌可以分为水中的悬浮铁细菌与管塘中的管壁铁细菌。铁细菌主要生活在贫营养环境中，其营养源主要或部分为无机物。根据营养类型，可以将铁细菌分为自养性、异养性与兼性。针对这些不同的铁细菌国内外学者提出了大量相应的培养基与培养方法。为了使检测结果接近实际情况，需要一种适合大多数给水管网中的铁细菌生长的培养基。

2.2.1管壁铁细菌的测定

饮用水为贫营养环境，且往往含有一定浓度的消毒剖以防止细菌在输送过程中发生再生长。因此给水管网中的铁细菌主要为管壁铁细菌。直接测定管壁铁细菌比较困难，需要通过适当的方法将其转移到水溶液中，才能进行测定。将附着于金属挂片上的管壁生物膜分离并转移到水中的常用方法主要有两种。一是先将挂片放入装有灭菌水的烧杯中，然后使用无菌水浸湿的棉签从上至下地擦拭挂片，擦拭过程中使用灭菌水对挂片进行冲洗。此过程反复几次后，冲洗水中所含细菌数量即认为是生物膜中细菌数量。二是将挂片放入装有灭菌水的锥形瓶中，使用超声清洗器对锥形瓶进行超声，以超声后水中的细菌数量为生物膜中细菌数量。由于本实验中并不是对面积确定的挂片上的管壁铁细菌数量进行测定，而是对实际管道内壁上的铁细菌数量进行测定。采用棉签擦拭无法控制每次擦拭与冲洗的管壁内表面积相同，人为实验误差过大。而采用超声波清洗法可以确保对每个实验装置的全部内表面积进行清洗。故本文中采用此方法对管壁铁细菌进行转移。

3化学因素影响下ORP与铁释放相关性的小试研究.....35

3.1纯水中ORP影响因素分析......35

3.1.1实验方案......35

3.1.2结果与分析......36

4ORP与铁释放细菌影响的小试研究.........72

4.1水流停滯下悬浮铁细菌与管壁铁细菌的关系........73

4.1.1管壁铁细菌自有脱落造成的悬浮铁细菌测定....73

5铁释放的ORP解释机理........85

5.1铁释放的ORP解释机理.....85

6基于ORP的铁释放预测模型及中试验证

现有铁释放机理摸型仍处于定性研究阶段，缺乏相应的数学模型，导致这些研究成果并不能很好地应用在实际管网运行管理过程中。因此本章利用前文实验数据建立基于ORP机理的铁释放预测模型，并使用室内与室外中试平台对该模型进行验证。

6.1模型建立

如前文所述铁释放主要是由管拒内部二价铁散造成，并受好氧区中二价铁被氧化成三价铁的过程影响。根据此过程建立铁释放预测模型，该模型的基本假设如下：1.管道可以近似为一个全混流的反应器，即每一时刻出水中铁含量与装置中主体水中的铁含量相等。2.穿透管坦缺氧区的二价铁浓度巳达到其溶解度，即认为进入主体水的二价铁浓度不变且为最大值。3.主体水内，二价铁被氧化至三价铁后大部分立即沉淀不造成铁释放。4.留在水中的三价铁占被氧化生成的三价铁总量比例不变。

本实验利用管路模拟系统中钢管组成的C环，通过调整循环果工况控制水的流速变化来模拟流速变化下钢管的铁释放现象，同时检测不同时间内管网出水的总铁、溶解性铁、ORP、DO和油度变化情况，以对ORP模型进行验证。实验分为管路系统初始化，管道冲洗，铁释放实验三部分。

7结论与建议

7.1结论

本论文针对给水管网复杂水质情况下的铁释放预测模型展开研究，通过实验室静态小试，确定了不同影响因素下的铁释放过程中ORP与铁释放的相关性ORP和与铁细菌的协同作用。基于实验结果与前人研究成果，推导并阐述了给水管网铁释放的ORP解释机理，根据此机理建立了铁释放的ORP预测模型。并利用室内与室外中试平台对该模型进行了验证。本论文的主要结论如下：

1.通过室内小试证明了ORP与铁释放具有一定的相关性，可利用对铁释放进行预测。

2.ORP与铁释放的相关性并不因管材、水质情况变化而改变。因此ORP可以作为综合水质指标对复杂情况下的铁释放进行评价与预测。

3.铁细菌对铁释放的作用受ORP影响。当ORP表明铁释放为好氧阶段时，铁释放主要受化学因素影响，铁细菌的影响可以忽略。而ORP表明铁释放进入缺氧阶段后，铁细菌则变为铁释放的主要影响因素。铁细菌越多，溶解性铁释放量越大。

4.利用室内中试模拟流速变化工况下钢管的铁释放现象，并对ORP预测模型进行验证。实验结果表明，此条件的ORP模型预测准确性良好。

5.利用室外中试模拟不同季节，不同管网位置，不同管材水流停滞下铁释放现象，并对ORP预测模型进行验证。实验结果表明，此条件下的ORP模型预测准确性良好。

7.2建议

根据本论文的研究开展情况，建议以下几点为以后的研究工作方向：

1.研究不同ORP条件下，管壁铁细菌与悬浮铁细菌具体的菌种分布，并研究这些铁细菌对铁释放的具体影响。

2.研究不同水质条件与不同工况下，ORP的变化情况，以得出暈利于保持ORP稳定的水质条件与管网运行工况。

3.研究根据ORP的铁释放预测模型，优化投加消毒剂与管网运行工况，以控制破释放。

参考文献（略）