关于含铁地下水取水构筑物一些问题的分析与商讨

一、地下水取水构筑物进水面上的腐蚀与沉积 　　凡是由金属滤管（如管井的滤管、辐射井的水平集水管等）在地下水中都存在着不同程度的腐蚀。而沉积则存在于所有地下水取水构筑物的进水面上，如大口井井底。腐蚀与沉积常互相联系，密不可分。 　　1.腐蚀问题 　　腐蚀分电化学腐蚀与化学腐蚀两种情况，金属滤管的腐蚀几乎都是电化学腐蚀。由于具有不同的电极电位，组成原电池。例如，由穿孔钢管外包铜网组成的滤管即相当于原电池，电子将通过金属支撑线——导线由钢管（负极）流向铜网（正极）。这时在溶液中发生的反应如下； 　　在负极　　Fe→Fe2++2e-　　　　　　　　　　(1) 　　离子Fe2+进入溶液，即发生氧化反应，因而对溶液来说又是阳极。在阳极Fe2+将发生各种二级反应，例如： 　　Fe2++2OH-→Fe(OH)2　　　　　　　　　　　(2) 　　当水中有溶解氧时，则 　　4 Fe(OH)2+O2+2H2O→4 Fe(OH)3↓　　　　　(3) 　　在正极　　2H++2e-→2H→H2　　　　　　　　(4) 　　即发生还原反应，因而对溶液来说又是阴极。 　　实际上，只有当溶液中没有溶解氧时，电极反应生成的H才结合为H2。如果溶液中存在溶解氧且在酸性条件下，阴极反应为： 　　4H+ O2→2H2O　　　　　　　　　　　　　　(5) 　　如果在溶液中有溶解氧且在中性或碱性条件下，阴极反应为： 　　O2+2H2O +4e-→4OH-　　　　　　　　　　　　(6) 　　下面分别讨论滤管腐蚀过程中的各种影响因素。 　　(1)pH值的影响 　　由(4)、(5)式可知，H+在阴极放电，不断地从阳极接受电子是使反应得以继续进行。因此水的pH值越低，即H+浓度越高越易使阳极的腐蚀作用加剧。当H+浓度很高时腐蚀作用可变为金属溶于酸中的作用。 　　可见，低pH值是滤管电化学腐蚀的重要因素之一。PH值低的地下水一般具有硬度低，游离碳酸等含量多的特点。地下水中的铁质含量虽然与pH值没有直接的关系，但据不完全统计，我国大多数(>80%)含铁地下水的pH值小于7.0，仅少数(～10-20%)pH=7.0-7.5，个别pH>7.5。这就是含铁地下水中滤管腐蚀的主要原因之一。 　　(2)溶解氧的影响 　　当溶液中没有溶解氧时，阴极反应按(4)式进行，生成的原子态H和氢气将复盖在阴极表面，产生超电压的极化作用，只有在Ph<4时，电极作用才能持续进行。当pH>5时，腐蚀将会停止下来。当水中有溶解氧时，反应按(5)或(6)式进行，此时氧化为去极剂使腐蚀作用加剧。实际上，当pH≌6时溶解氧是决定腐蚀的主要因素。实践证明，这时腐蚀速度与溶解氧含量成正比。由于含铁地下水中铁质为F2+e形式存在，一般不含溶解氧。这时参与腐蚀、沉积的溶解氧的来源是一个值得探讨的问题。我们认为形成的水位降落漏斗以及间断抽水时的水位波动是造成井周围地下水充气溶氧的条件，这一因素的影响对埋藏浅的潜水层尤为突出。由于溶氧范围只限于地下水的表层和滤管上部，但是由于地下水流在滤管外围一般都有滤流重分布现象，从而使表层含氧较多的地下水向沿滤管的深层分布，是含铁地下水取水构筑物同样遭受腐蚀沉积的原因。 　　(3)水流速度的影响 　　在滤管及取水井设备的腐蚀过程中，水流速度影响甚大。大致有以下几方面。首先是水流的机械冲刷作用。实际上可以观察到，滤管或深井设备腐蚀严重的部位往往是水流集中、流速较大的部位。因此，减少滤管进水面的流速、使滤流均匀分布可以减缓滤管的腐蚀。其次是水流作用造成的浓差影响。水流速度大时，水中的溶解氧易于向滤管的阴极扩散，从而形成一种氧浓差电池，使腐蚀过程加剧。 　　实际上影响电化学腐蚀过程的因素还很多。如组成滤管的材料与构造形式，金属结构、表面加工处理与各种应力的不均匀性，地下水与滤管周围含水层的物理化学性质，生成物的物理化学性质，微生物作用与施工运行条件等。随着这些因素的变化，滤管的腐蚀情况往往表现出不同的形式。例如，我们通常采用的缠丝滤管一穿孔钢（或铸铁管）外缠镀锌铁丝，由于锌的电极电位(-0.76v)比铁的(-0.44v)还要低，因此滤管原电池的极性与前述滤管的相反，这时首先是镀锌铁丝遭到腐蚀，由此可见不同的材料与构造形式决定了电化学腐蚀过程。又如由于金属结构等因素的影响引起的局部原电池作用，使滤管骨架表面呈现麻坑状腐蚀，再如，腐蚀生成物较坚实时会影响氧向阳极扩散，产生氧浓差电池作用，还可能在坚实的沉积物下面造成一种厌氧条件有利于硫酸还原菌的生存繁殖，会使腐蚀过程加剧，这些情况在实际工作中都应加以区别。 　　(4)沉积问题 　　按(3)式生成的Fe(OH)3沉淀物就是造成滤管沉积堵塞的主要成份之一。可见，对金属滤管而言腐蚀与沉积是伴生的。对由铜网与穿孔钢管组成的滤管而言，在钢管发生电化腐蚀的同时即伴随着Fe(OH)3在铜网里侧面的沉积与堵塞。水流速度较大时，因冲刷作用铜网被堵塞的速度较慢；反之，铜网即被迅速堵塞。这就是一些管井在长时间停用以后出水量明显下降甚至不出水的原因。 　　此外，由(6)式可知，由电化学反应而产生的OH’将在滤管附近造成一种特殊的pH浓差变化，其分布情况与滤管的材料结构及水流状况有关，结果将产生不同部位的沉积堵塞。例如，对上述网式滤管而言，作为阴极的铜网上形成的OH’在水流的影响上，常常在铜网和穿孔钢管骨架的间隙内形成pH值较高的“隔层”。地下水中的Fe2+通过滤网后与这一“隔层”相遇，即迅速生成Fe(OH)3沉淀，结果使间隙和骨架孔眼被堵塞。PH值较高的“隔层”照理应偏向骨架的里侧。 　　滤管的堵塞同时还伴随着Ca、Mg及其他金属盐类的沉积。后一情况主要是因为地下水流向取水构筑物时水头损失增加破坏了地下水中的气相平衡与化学平衡，引起各种金属盐类的沉积。同样的情况也产生于大口井等取水构筑物的进水面上。 　　由此可见，地下水流向取水构筑物的水头损失越大，越易产生金属盐类的沉积。这是所有地下水取水构筑物进水面沉积堵塞的另一个主要原因。实际情况表明，在同样条件下，两个出水流量不同的取水构筑物，出水流量大的使用期短，出水流量小的使用期长；如就使用期的总出水量而论，前者的总出水量往往远低于后者的总出水量。为此，需要对井的出水流量和进口流速加以限制。 　　除上述沉积之外，还存在着硅酸、有机物（包括各类菌体，如铁细菌和硫酸还原菌）及泥沙的沉积与胶结。 　　因此，如果不去追究各种沉积堵塞的原因，单就地下水取水构筑物进水面上沉积物的沉积过程、组成情况、沉积形态而言就有很多不同的情况。为了便于解释某些实践问题，大致可作如下说明： 　　(1)进水面上的沉积过程 　　因为在滤管电化学腐蚀过程中形成的特殊pH值浓差环境的影响，以及Fe(OH)3的溶度积比其它金属盐低，所以在地下水中特别是含铁地下水中将主要产生Fe(OH)3的沉积。而最先沉积的部位是穿孔骨架的未穿孔部分，最初形成的疏松沉积物，很容易沿进水孔的周围吸着Fe(OH)3、硅酸胶体及其它化合物，从而使进水孔逐渐缩小。沉积物的结构将随时间，逐渐密实。过水面积越小或流速越大，上述沉积过程越快。此外，沉积过程还与滤管孔眼尺寸、形状有关，例如滤管的有效进水面积相同，流速相同，孔眼多而小的滤管及缝隙滤管堵塞较快。 　　上述现象不仅限于进水孔和井的有关部位，也存在于取水构筑物的填料层和含水层的颗粒间隙。实际证明，颗粒越粗、越均匀（即间隙大、透水性强、含污量大）越不易堵塞；反之，堵塞甚快。 　　从这个角度出发，也需对取水物构筑物的出水流量和水流速度加以限制。 　　(2)沉积物的组成与地下水的化学成分密切相关。 　　含铁地下水取水构筑物沉积物的化学组成，以铁质最多（以氧化铁计，含量一般在60%以上），此外有硅酸、其它金属（铝、钙、镁、锰）及硫化物、有机物及水份，铁细菌及硫酸还原菌。 　　必须指出，即使在同一取水构筑物上沉积物的化学组成也是不一样的。例如，滤网与骨架间隙沉积物的铁质含量一般较多，而滤管周围的填料层与含水层中沉积物的铁质相对较少（硅酸较多），这可能与腐蚀生成物的沉积，pH值环境变化有关；滤管上部沉积物中铁质含量较多，下部铁质含量相对减少，这可能与上部地下水溶解氧含量较多有关。 　　(3)沉积物形态 　　滤管上沉积物的堆积一般上部多下部少，沉积物的外观形态不一，大致有下列几种情况： 　　①砂砾岩状沉积——沉积物中硅酸含量相对较高，其它金属盐类含量也较多，铁质含量较少，沉积物中伴有相当数量的砂、砾石胶结，故强度较大。这类沉积一般难于清洗去除。 　　②疏松的层状与海棉状沉积——含铁地下水中多见。层状沉积有时伴有少量砂粒胶结，强度稍大；海棉状沉积结构疏松，这类沉积物中铁质含量越大，硅酸与其它金属盐类沉积相对减少。一般较易清洗。 　　③软糊状沉积——沉积物中有机物较多。有时可以在滤管上看到瘤状结节。金属滤管的腐蚀与沉积某些情况下即为同一过程的两种表现形式。因而同一取水构筑物经常是既受腐蚀又遭沉积，其结果不是大量漏砂就是严重堵塞，最终报废。除了与水质有关外，与取水构筑物的设计、构造、施工、运行管理也都有关。 二、有关含铁地下水取水构筑物的几个问题 　　1、取水构筑物的型式 　　水文地质条件是决定构筑物型式的基本因素。但是在含铁质过多的地下水中不能不考虑水质的影响。通常在同一水文地质条件下，如果进水面的平均单位负荷（取水量）相同，则大口井的出水量比管井要稳定，或者说大口井的使用期限比管井的长。这主要是因为大口井的实际进水面积比管井大，反滤层的透水性强，化学沉积速度较慢，此外不存在电化学腐蚀的影响。从经济上分析，两者的单位造价不分上下。目前因大口井的施工比较麻烦、工期长、特别是采用排水下沉法施工成井质量较差，往往影响大口井的使用效果。以佳木斯自来水公司四水源的一个大井口为例，地下水含铁量12-13mg/l，井径10m、井深16m，采用排水下沉法施工。 由上<