吉林大学精品课>>专门水文地质学>>教材>>专门水文地质学  §7.2工业用水水质评价 各种工业生产几乎都离不开水，不同的生产部门对水质的要求也不同。中有了解这些要求，才能在供水水文地质勘察中有的放矢地确定水质分析项目，对水质做出正确的评价。由于工业种类繁多，没有必要一一列举，现仅简述主要工业的水质评价 一、锅炉用水评价 在工业用水中，锅炉用水是比较普遍的，对水质的要求也较高。水在蒸汽锅炉中是处在高温、高压下的条件下，水中的一些化学物质会发生各种不良化学反应，主要有成垢作用、起泡作用和腐蚀作用，这些化学作用能给锅炉带来一些不良影响。 （一）成垢作用 当水被煮沸时，水中所含的一些离子、化合物可以相互作用而生成沉淀，并依附于锅炉壁上，形成锅垢，这种作用称为成垢作用。当锅垢较厚时，不仅不易传热，浪费燃料，而且易使金属炉壁过热融化，引起锅炉爆炸。锅垢的成分通常有CaO、CaCO3、CaSO4、CaSiO3、Mg(OH)2、MgSiO3、Al2O3、Fe2O3及悬浊物质的沉渣等。这些物质是由于溶解于水中的钙、镁盐类及胶体SiO2、Al2O3、Fe2O3和悬浊物沉淀而产生的。例如：   MgCO3再分解，沉淀出镁的氢氧化物： 　　　　　　　 与此同时，还可以沉淀出CaSiO3 及MgSiO3，有时还沉淀出CaSO4等。所有这些产物沉淀在锅炉壁上，便形成了锅垢。可根据水质分析资料用下式计算锅垢的总重量： 　 式中：H0——锅垢的总重量（g/m3）； S——悬浮物的重量（mg/L）； C——胶体物（SiO2+Al2O3+Fe2O3+……）重量（mg/L）； rFe2+，rAl3+……——各种离子的含量（mol/L×离子价数）。 式中的系数是按所生成的沉淀物重量计算出来的 按锅垢总量对成垢作用进行评价时，可将水分为四个等级：（1）H0<125时，为锅垢很少的水；（2）H0=125-250时，为锅垢较少的水；（3）H0=250-500时，为锅垢较多的水；（4）H0>500时，为锅垢很多的水。 锅垢中包括硬质的垢石（硬垢）及软质的垢泥（软垢）两部分。硬垢主要是由碱土金属的碳酸盐、硫酸盐构成，附壁牢固，不易清除，故在评价锅垢时，还要计算硬垢的数量，评价锅垢的性质。硬垢量常用下式计算： 　 式中： ——硬垢总量（g/m3） 　　　 ——二氧化硅重量(mg/L) 如果括弧中结果为负数时，说明水中没有钙镁的碳酸盐和硫酸盐，则可略去不计。 对锅垢的性质进行评价时，可采用硬垢系数（Kn），即。当Kn＜0.25时，为具有软沉淀物的水；当Kn=0.25-0.5时，为具有中等沉淀物的水；当Kn>0.5时，为硬沉淀物的水。 （二）起泡作用 起泡作用系指水在锅炉中煮沸时，在水面上产生大量气泡的作用。如果气泡不能立即破裂，就会在水面以上形成很厚的极不稳定的泡沫层。当泡沫太多时，会使锅炉内水的汽化作用极不均匀，水位急剧地升降，致使锅炉不能正常运转。 产生这种现象的原因是水中易溶解的钠盐、钾盐以及油脂和悬浊物受炉水的碱度作用，发生皂化的结果。钠盐中促使水起泡的物质为苛性钠和磷酸钠。苛性钠除了可使脂肪和油质皂化外，还能促使水中的悬浊物变为胶体悬浊物。磷酸根与水中的钙、镁离子作用，能在炉水中形成高度分散的悬浊物。水中的胶体状悬浊物，增强了气泡薄膜的稳固性，因而加剧了起泡作用。 起泡作用可用起泡系数（F）评价。起泡系数据钠、钾的含量计算：  当F＜60时，为不起泡的水（机车锅炉，须一周换一次水）； 当F＝60～200时，为半起泡的水（机车锅炉，须2-3d换一次水）； 当F＞200时，为起泡的水（机车锅炉，须1-2d换一次水）。 （三）腐蚀作用 由于水中氢置换铁，使炉壁受到损坏的作用称为腐蚀作用。氢离子可以是水中原有的，也可以是某些盐类因炉中水温增高水解而生成的。此外，溶解于水中的气体成分，如氧、硫化氢及二氧化碳等也是造成腐蚀作用的重要因素。锰盐、硫化铁、有机质及脂肪油类皆可作为接触剂而加强腐蚀作用。温度增高及由此而产生的局部电流，均可促进腐蚀作用。随着锅炉中蒸气压力的加大，水对铜的危害也随之加重，往往对汽机叶片上产生腐蚀。腐蚀作用对锅炉的危害极大，不仅能减少锅炉的寿命，还可能发生爆炸事故。从文献上看到，美国曾对640台锅炉进行过调查。在1956-1970年的15a中，由于腐蚀原因，至少发生一次爆炸事故的锅炉有119台之多，占多数的19%。我国也发生过这类事故。因此，应引起水对锅炉腐蚀性评价的重视。 水的腐蚀性可以按腐蚀系数（Kk）进行评价、 对酸性水： 对碱性水： 当＞0，为腐蚀性水；当＜0，但+0.0503Ca2+>0时，为半腐蚀性水；当+0.503Ca2+<0时，为非腐蚀性水（其中，Ca2+的单位以mg/L表示）。 对锅炉用水进行水质评价时，就同时考虑以上三个方面。由于锅炉种类和形式不同，对水中各种成分的具体允许含量标准亦有所差异。各种标准很多，这里不再列举；应用时，可查阅有关规范、手册。 二、水的侵蚀性评价 当地下水中含有某些成分时，水对建筑材料中的混凝土、金属等有侵蚀性和腐蚀性。当建筑物经常处于地下水的作用下，应评价地下水的侵蚀性。 （一）地下水对混凝土的侵蚀作用 大量试验证明，地下水对混凝土的破坏是通过分解性侵蚀、结晶性侵蚀及分解结晶复合侵蚀作用进行的。地下水的这种侵蚀性主要取决于水的化学成分，同时也与水泥类型有关。 1.分解性侵蚀 分解性侵蚀系指酸性水溶滤氢氧化钙及侵蚀性碳酸溶滤碳酸钙，使水泥分解破坏的作用。可分为一般性侵蚀和碳酸侵蚀两种。 一般酸性侵蚀是水中的氢离子与氢氧化钙起反应，使混凝土溶滤破坏。其反应式为：  酸性侵蚀性主要取决于水的PH值，PH值越低，使混凝土的侵蚀性越强。 碳酸性侵蚀是由于碳酸钙在侵蚀性二氧化碳的作用下溶解，使混凝土遭受破坏。混凝土表面的水泥，在空气和水中CO2的作用下，首先生成一层碳酸钙；进一步作用，形成易溶于水的重碳酸钙；重碳酸钙溶解后，使混凝土破坏。其反应式为：  这是一个可逆反应，要求水中必须含有一定数量的游离CO2以保持平衡。此CO2，称为平衡二氧化碳。如水中游离CO2减少，则方向向左进行，产生碳酸钙沉淀。若水中游离CO2大于平衡CO2，则可使方程向右进行，碳酸钙被溶解，直到达到新的平衡为止。与CaCO3反应消耗的那部分游离CO2，称为侵蚀性二氧化碳。其评价指标和具体标准，本书不再列举；工作时，可查阅《水文地质手册》等书。 2. 结晶性侵蚀 结晶性侵蚀是指混凝土与水中硫酸盐发生反应，在混凝土的空隙中形成石膏和硫酸铝盐（又名结瓦尔盐）晶体。这些新化合物，因结晶膨胀作用体积增大（石膏可增大体积1-2倍，硫酸铝盐可增大体积2.5倍），导致混凝土力学强度降低，以致破坏，这种侵蚀也可称为硫酸侵蚀性。石膏是生成硫酸铝盐的中间产物。生成硫酸铝盐的反应式为： 　　这种结晶性侵蚀并不是孤立进行的同，它常与分解性侵蚀作用相伴生。有分解性侵蚀进，往往更能促进这种作用的进行。 另外，硫酸侵蚀性还与水中氯离子含量及混凝土建筑物在地下所处的位置有关。水中氯离子含量越多，硫酸侵蚀性越弱。如建筑物处在水位变动带，这种侵蚀性则加强。对于抗硫酸盐水泥来说，一般的水都不会产生硫酸侵蚀，只有当水中硫酸盐特别多进（＞3000mg/L）才有侵蚀性。具体评价指标，可查阅有关手册。 3.分解结晶复合性侵蚀： 分解结晶复合性侵蚀主要是水中弱盐基硫酸盐离子的侵蚀，即当水中Mg2+、Fe2+、Fe3+、Cu2+、Zn2+、NH4+……等含量很多时，它们与水泥发生化学反应，使混凝土力学强度降低，甚至破坏。例如，水中的MgCl2与混凝土中结晶的Ca(OH)2起交替反应，形成Mg(OH)2和易溶于水的CaCl2,使混凝土遭受破坏。 分解结晶复合性侵蚀的评价指标为弱基硫酸盐离子总量Me,主要用于被工业废水污染的侵蚀性鉴定。当Me>1000mg/L,且满足下式时，即有侵蚀性：  式中：Me——水中Mg2+、Fe2+、Fe3+、Ca2+、Zn2+、NH4+等的总量（mg/L）； SO42-——水中硫酸根离子的含量（mg/L）； K3——随水泥种类不同而异的一个常数，介于6000-9000之间，可由有关手册中查得。当Me<1000mg/L,不论SO42-含量多少，均无侵蚀性。 （二）地下水对铁质材料的侵蚀作用 当设计长期的侵蚀性主要与水的离子的铁质管道或其他铁质构件时，应当考虑地下对铁的侵蚀性。特别是在硫化物矿床和煤矿床中，地下水常呈酸性，对探矿、采矿设备的破坏性很大。 水对铁的侵蚀性主要与水中的氢离子浓度、溶解氧、游离硫酸、H2S、CO2及其它重金属硫酸盐含量有关。当水的PH值小于6.8时，有侵蚀性；PH＜5的水，对铁有强烈的侵蚀性。水中的溶解氧可与铁发生氧化作用，使铁管锈蚀；当O2与CO2同时存在于水中时，可使氧的侵蚀性加剧。水中含有游离H2SO4时的侵蚀作用，同样是由于氢离子置换而引起的。为了防止铁管受硫酸的侵蚀，水中SO42-的含量最好不超过25mg/L。当水中溶有CO2或H2S时，可以使水成为电导体而不断发生电化学作用，并引起侵蚀过程加速，其反应式为：   此时，铁放出电荷，氢接受电荷，即：  这样，使铁成为离子状态溶于水中。 当水中含有重金属硫酸盐时，如CuSO4，也会加速对铁的侵蚀。因为金属铜和金属铁构成微电池而使反应不断地进行，加速了腐蚀作用。此时，铁放出电荷，铜接受电荷，即：  地下水对铁的侵蚀性评价，目前尚无统一的评价标准；需要评价时，可参照各部门的规定。 三、其他工业用水对水质的要求 不同工业部门对水质的要求不同，纺织、造纸及食品等工业对水质的要求较严格。硬度过高的水，对于肥皂、染料及酸、碱生产的工业都不太合适。硬水能防碍纺织品着色，使纤维变脆；使皮革不坚固，糖类不结晶。如果水中有来硝酸盐存在时，会使糖制品大量减产。当水中存在过量的铁、锰盐类时，能使纸张、淀粉及糖等出现色斑，影响产品质量。食品工业用水，首先必须符合饮用水标准，然后还要考虑影响质量的其他成分。 由于工业企业的种类繁多，生产形式各异，各项生产用水还没有统一的水质标准。目前，只能依照本部门的要求与经验，提出一些试行规定。现将几种工业用水要求列于表7-2中 造纸 （上等纸） 人造纤维用水 粘液涤生产用水 纺织用水 印染工业用水 制革工业用水 制糖用水 制淀粉用水 造酒用水 粘胶纤维用水 胶片制造用水 备注  浑浊度(mg/L) 2-5 0 5 5 5 10 0 0  2    色度（度） 5 15 0 10-20 5-10  10-20 10-20      总硬度（德国度） 12-16 2 0.5 4-6 0.4-4 10-20 ＜20 ＜20 2-6 2.7 3 硬水防碍染色，使皮革柔性变坏  耗氧量(mg/L) 10 6 2  8-10 8-10 ＜10 ＜10 ＜10 <5    氯(mg/L)     50 30-40 50 60 30-60 30 10 使皮革具吸水性，糖不易结晶  硫酐(mg/L)     50 60-80 50 60  10  CaSO4,NaSO4防碍染色，制糖起不良影响  亚硝酐(mg/L)  0 0  0 0 0 0 5-25（NO2） 0.002 0 N2O3存在可使糖大量减产  硝酐(mg/L)  0 0  痕迹 痕迹 痕迹 0 0.3 0.2 0   氨(mg/L)  0 0  痕迹 0 0 0 0.1 0 0   铁(mg/L) 0.1 0.2 0.03 0.2 0.1 0.1 痕迹 0.5 0.1 0.05 0.07 使染色物、纸张起斑点，淀粉糖着色  锰(mg/L) 0.05  0.03 0.3 0.1 0.1 痕迹 0.05 痕迹   使染色物、纸张起斑点，淀粉糖着色  碳酸(mg/L)        100      硫化氢(mg/L)      1.0        氧化钙(mg/L)        120      氧化镁(mg/L)        20    使淀粉灰份增多，Ca和Mg过多使纤维物变硬变脆  氧化硅(mg/L) 20          25   固形物(mg/L) 300  100   300-600 200-300 400-600  80 100   pH值 7-7.5 7-7.5  7-8.5 7-8.5    6.5-7.5   硬水碱水防碍染色  表9-2 某些企业生产用水对水质的要求