全规模改性颗粒流化床软化处理过程中地下水供水系统中的过渡效应与稳定机制

《ACS ES&T Engineering》：Transition Effects and Stabilization Mechanisms in Groundwater-Fed Drinking Water Distribution Systems during Full-Scale Modified Pellet Fluidized Bed Softening

　　

摘要

降低高硬度、含铁（Fe）和锰（Mn）的地下水的硬度，可显著提升处理后的水质。然而，将经过化学处理的水引入饮用水分配系统后，会打破原有的水垢平衡状态，引发一系列影响水质和系统稳定性的变化。尽管在重大处理升级后曾有类似现象的报道，但大规模饮用水分配系统在软化处理过程中的动态变化及其恢复稳定的机制仍不甚明了。本研究对一种经过改良的颗粒流化床软化-锰砂过滤工艺所产生的二氧化碳调节型软化水，在实际饮用水分配系统中的影响进行了为期一年的全面研究。当软化剂浓度为120毫克/升、二氧化碳浓度为110毫克/升时，既能有效防止水垢形成，又能确保水质符合标准。不过，这种处理方式引发了水垢平衡被打破的过渡期，在15天的过渡期内，水中铁和锰的浓度上升，碳酸钙释放，同时还会出现电化学不稳定现象。密度泛函理论分析和热力学分析表明，碳酸钙晶体的优先溶解会削弱界面处的钙-氧-铁和钙-氧-锰键，从而使沉积层中的铁(III)-锰氧化物复合颗粒释放出来。该系统大约需要70到80天才能恢复稳定。为减轻这些过渡效应，研究人员采用了逐步添加软化剂的方法。这一策略使得过渡期的强度降至突然添加时的22%，并将系统恢复稳定所需的时间缩短了43%，同时在过渡期内每立方米的运营成本可节省0.08到0.12元人民币（0.01到0.02美元）。在20年的分析周期内，其成本效益比达到了1.50。这些研究结果为管理那些使用老旧金属管道且管道内壁为水泥砂浆的地下水供应系统的软化处理带来的过渡效应提供了实用方案。