關(guān)于含鐵地下水取水構(gòu)筑物一些問題的分析與商討

1、    關(guān)于含鐵地下水取水構(gòu)筑物一些問題的分析與商討            作者：董輔祥 龐馬平時間：2007-11-24 17:38:00                     摘要：地下水取水構(gòu)筑物早期報廢的原因錯綜復(fù)雜。如地下水水質(zhì)

2、，取水構(gòu)筑物的型式、材料構(gòu)造、施工、運行管理等都可能產(chǎn)生不同程度的影響，這些因素常常又互相作用、互為因果。因此，對不同情況下的早期報廢問題應(yīng)作具體分析，而從予防角度則當(dāng)綜合考慮各種因素的影響。由于含鐵地下水取水構(gòu)筑物的早期報廢問題常常比一般情況更為突出，本文擬對含鐵地下水構(gòu)筑物的有關(guān)問題提出一些初步看法，供分析研究。 關(guān)鍵詞：含鐵地下水 取水構(gòu)筑物  一、地下水取水構(gòu)筑物進(jìn)水面上的腐蝕與沉積凡是由金屬濾管（如管井的濾管、輻射井的水平集水管等）在地下水中都存在著不同程度的腐蝕。而沉積則存在于所有地下水取水構(gòu)筑物的進(jìn)水面上，如大口井井底。腐蝕與沉積?；ハ嗦?lián)系，密不可分。1.腐蝕問題腐蝕分

3、電化學(xué)腐蝕與化學(xué)腐蝕兩種情況，金屬濾管的腐蝕幾乎都是電化學(xué)腐蝕。由于具有不同的電極電位，組成原電池。例如，由穿孔鋼管外包銅網(wǎng)組成的濾管即相當(dāng)于原電池，電子將通過金屬支撐線導(dǎo)線由鋼管（負(fù)極）流向銅網(wǎng)（正極）。這時在溶液中發(fā)生的反應(yīng)如下；在負(fù)極FeFe2+2e-(1)離子Fe2+進(jìn)入溶液，即發(fā)生氧化反應(yīng)，因而對溶液來說又是陽極。在陽極Fe2+將發(fā)生各種二級反應(yīng)，例如：Fe2+2OH-Fe(OH)2(2)當(dāng)水中有溶解氧時，則4 Fe(OH)2+O2+2H2O4 Fe(OH)3(3)在正極2H+2e-2HH2(4)即發(fā)生還原反應(yīng)，因而對溶液來說又是陰極。實際上，只有當(dāng)溶液中沒有溶解氧時，電極反應(yīng)生成的

4、H才結(jié)合為H2。如果溶液中存在溶解氧且在酸性條件下，陰極反應(yīng)為：4H+ O22H2O(5)如果在溶液中有溶解氧且在中性或堿性條件下，陰極反應(yīng)為：O2+2H2O +4e-4OH-(6)下面分別討論濾管腐蝕過程中的各種影響因素。(1)pH值的影響由(4)、(5)式可知，H+在陰極放電，不斷地從陽極接受電子是使反應(yīng)得以繼續(xù)進(jìn)行。因此水的pH值越低，即H+濃度越高越易使陽極的腐蝕作用加劇。當(dāng)H+濃度很高時腐蝕作用可變?yōu)榻饘偃苡谒嶂械淖饔??？梢?，低pH值是濾管電化學(xué)腐蝕的重要因素之一。PH值低的地下水一般具有硬度低，游離碳酸等含量多的特點。地下水中的鐵質(zhì)含量雖然與pH值沒有直接的關(guān)系，但據(jù)不完全統(tǒng)計，我

5、國大多數(shù)(>80%)含鐵地下水的pH值小于7.0，僅少數(shù)(10-20%)pH=7.0-7.5，個別pH>7.5。這就是含鐵地下水中濾管腐蝕的主要原因之一。(2)溶解氧的影響當(dāng)溶液中沒有溶解氧時，陰極反應(yīng)按(4)式進(jìn)行，生成的原子態(tài)H和氫氣將復(fù)蓋在陰極表面，產(chǎn)生超電壓的極化作用，只有在Ph<4時，電極作用才能持續(xù)進(jìn)行。當(dāng)pH>5時，腐蝕將會停止下來。當(dāng)水中有溶解氧時，反應(yīng)按(5)或(6)式進(jìn)行，此時氧化為去極劑使腐蝕作用加劇。實際上，當(dāng)pH6時溶解氧是決定腐蝕的主要因素。實踐證明，這時腐蝕速度與溶解氧含量成正比。由于含鐵地下水中鐵質(zhì)為F2+e形式存在，一般不含溶解氧。這時

6、參與腐蝕、沉積的溶解氧的來源是一個值得探討的問題。我們認(rèn)為形成的水位降落漏斗以及間斷抽水時的水位波動是造成井周圍地下水充氣溶氧的條件，這一因素的影響對埋藏淺的潛水層尤為突出。由于溶氧范圍只限于地下水的表層和濾管上部，但是由于地下水流在濾管外圍一般都有濾流重分布現(xiàn)象，從而使表層含氧較多的地下水向沿濾管的深層分布，是含鐵地下水取水構(gòu)筑物同樣遭受腐蝕沉積的原因。(3)水流速度的影響在濾管及取水井設(shè)備的腐蝕過程中，水流速度影響甚大。大致有以下幾方面。首先是水流的機械沖刷作用。實際上可以觀察到，濾管或深井設(shè)備腐蝕嚴(yán)重的部位往往是水流集中、流速較大的部位。因此，減少濾管進(jìn)水面的流速、使濾流均勻分布可以減緩

7、濾管的腐蝕。其次是水流作用造成的濃差影響。水流速度大時，水中的溶解氧易于向濾管的陰極擴(kuò)散，從而形成一種氧濃差電池，使腐蝕過程加劇。實際上影響電化學(xué)腐蝕過程的因素還很多。如組成濾管的材料與構(gòu)造形式，金屬結(jié)構(gòu)、表面加工處理與各種應(yīng)力的不均勻性，地下水與濾管周圍含水層的物理化學(xué)性質(zhì)，生成物的物理化學(xué)性質(zhì)，微生物作用與施工運行條件等。隨著這些因素的變化，濾管的腐蝕情況往往表現(xiàn)出不同的形式。例如，我們通常采用的纏絲濾管一穿孔鋼（或鑄鐵管）外纏鍍鋅鐵絲，由于鋅的電極電位(-0.76v)比鐵的(-0.44v)還要低，因此濾管原電池的極性與前述濾管的相反，這時首先是鍍鋅鐵絲遭到腐蝕，由此可見不同的材料與構(gòu)造形

8、式?jīng)Q定了電化學(xué)腐蝕過程。又如由于金屬結(jié)構(gòu)等因素的影響引起的局部原電池作用，使濾管骨架表面呈現(xiàn)麻坑狀腐蝕，再如，腐蝕生成物較堅實時會影響氧向陽極擴(kuò)散，產(chǎn)生氧濃差電池作用，還可能在堅實的沉積物下面造成一種厭氧條件有利于硫酸還原菌的生存繁殖，會使腐蝕過程加劇，這些情況在實際工作中都應(yīng)加以區(qū)別。(4)沉積問題按(3)式生成的Fe(OH)3沉淀物就是造成濾管沉積堵塞的主要成份之一?？梢姡瑢饘贋V管而言腐蝕與沉積是伴生的。對由銅網(wǎng)與穿孔鋼管組成的濾管而言，在鋼管發(fā)生電化腐蝕的同時即伴隨著Fe(OH)3在銅網(wǎng)里側(cè)面的沉積與堵塞。水流速度較大時，因沖刷作用銅網(wǎng)被堵塞的速度較慢；反之，銅網(wǎng)即被迅速堵塞。這就是一

9、些管井在長時間停用以后出水量明顯下降甚至不出水的原因。此外，由(6)式可知，由電化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的OH將在濾管附近造成一種特殊的pH濃差變化，其分布情況與濾管的材料結(jié)構(gòu)及水流狀況有關(guān)，結(jié)果將產(chǎn)生不同部位的沉積堵塞。例如，對上述網(wǎng)式濾管而言，作為陰極的銅網(wǎng)上形成的OH在水流的影響上，常常在銅網(wǎng)和穿孔鋼管骨架的間隙內(nèi)形成pH值較高的“隔層”。地下水中的Fe2+通過濾網(wǎng)后與這一“隔層”相遇，即迅速生成Fe(OH)3沉淀，結(jié)果使間隙和骨架孔眼被堵塞。PH值較高的“隔層”照理應(yīng)偏向骨架的里側(cè)。濾管的堵塞同時還伴隨著Ca、Mg及其他金屬鹽類的沉積。后一情況主要是因為地下水流向取水構(gòu)筑物時水頭損失增加破壞了地

10、下水中的氣相平衡與化學(xué)平衡，引起各種金屬鹽類的沉積。同樣的情況也產(chǎn)生于大口井等取水構(gòu)筑物的進(jìn)水面上。由此可見，地下水流向取水構(gòu)筑物的水頭損失越大，越易產(chǎn)生金屬鹽類的沉積。這是所有地下水取水構(gòu)筑物進(jìn)水面沉積堵塞的另一個主要原因。實際情況表明，在同樣條件下，兩個出水流量不同的取水構(gòu)筑物，出水流量大的使用期短，出水流量小的使用期長；如就使用期的總出水量而論，前者的總出水量往往遠(yuǎn)低于后者的總出水量。為此，需要對井的出水流量和進(jìn)口流速加以限制。除上述沉積之外，還存在著硅酸、有機物（包括各類菌體，如鐵細(xì)菌和硫酸還原菌）及泥沙的沉積與膠結(jié)。因此，如果不去追究各種沉積堵塞的原因，單就地下水取水構(gòu)筑物進(jìn)水面上沉積物的沉積過程、組成情況、沉積形態(tài)而言就有很多不同的情況。為了便于解釋某些實踐問題，大致可作如下說明：(1)進(jìn)水面上的沉積過程因為在濾管電化學(xué)腐蝕過程中形成的特殊pH值濃差環(huán)境的影響，以及Fe(OH)3的溶度積比其它金屬鹽低，所以在地下水中特別是含鐵地下水中將