关于含铁地下水取水构筑物一些问题的分析与商讨

1、    关于含铁地下水取水构筑物一些问题的分析与商讨            作者：董辅祥 庞马平时间：2007-11-24 17:38:00                     摘要：地下水取水构筑物早期报废的原因错综复杂。如地下水水质

2、，取水构筑物的型式、材料构造、施工、运行管理等都可能产生不同程度的影响，这些因素常常又互相作用、互为因果。因此，对不同情况下的早期报废问题应作具体分析，而从予防角度则当综合考虑各种因素的影响。由于含铁地下水取水构筑物的早期报废问题常常比一般情况更为突出，本文拟对含铁地下水构筑物的有关问题提出一些初步看法，供分析研究。 关键词：含铁地下水 取水构筑物  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

3、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FeFe2+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+2H2O4 Fe(OH)3(3)在正极2H+2e-2HH2(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

4、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+ O22H2O(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

5、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pH6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

6、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

7、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

8、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

9、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

10、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