基于氧化还原电位的铁释放预测模型研究

摘要

氧化还原电位(ORP)是水处理中常用的水质综合指标，可用来反映溶液体系的宏观氧化还原特性，具有便于研制价格低廉，操作方法简单，检测结果迅速准确等优点。
　　本文的主要目的是完善给水管网铁释放机理，建立铁释放预测模型。本文利用室内小试针对氧化还原电位（ORP）与铁释放的相关性展开研究;分析并提出了铁释放ORP作用机理，并且基于此机理提出建立了铁释放预测模型;最终利用室内、室外管网中试平台对该预测模型进行验证。
　　现有铁释放机理研究认为铁释放可分为好氧阶段与缺氧阶段。但由于缺乏定量研究，该机理尚未建立相应的数学模型，无法用于铁释放预测。本文利用由2条管龄不同的腐蚀管道制成的小试装置研究了不同影响因素及水平下（溶解氧、余氯、一氯胺、pH、温度、氯离子、硫酸根）铁释放与ORP的相关性。利用实验结果建立了铁释放的ORP预测模型。同时研究了铁细菌对铁释放的影响效果与ORP的关系。
　　室内小试的实验结果表明:1.ORP与铁释放具有一定的相关性，ORP会因为铁释放量上升而下降，并且它也可以分辨出铁释放的好氧阶段与缺氧阶段。2.ORP与铁释放的相关性并不会因管材、水质条件变化的改变。3.因此ORP可以对复杂水质条件下的铁释放风险进行评价。ORP≤100mV，铁释放量超标;ORP＞300mV，铁释放量达标。4.对于铁释放问题，ORP与铁细菌存在协同作用，ORP＞100mV时，铁细菌对铁释放基本不存在影响;而ORP＜100mV后，铁细菌对铁释放有明显的促进作用。
　　基于上述实验结果与前人研究成果，本文提出了铁释放的ORP机理。本机理认为:1.ORP决定了二价铁的氧化速率，提高ORP会加快二价铁的氧化速率，减少铁释放量。2.当ORP低于临界值后，二价铁将无法被氧化，铁释放进入缺氧阶段。3.铁浓度上升会导致ORP下降。基于此机理，本文提出了铁释放的ORP预测模型，该模型认为水中的铁释放量与ORP符合指数模型。并可以根据ORP值对铁释放风险进行评价。
　　利用室内、室外管网中试对该模型的准确性进行验证。实验结果表明该模型的准确性在不同季节、不同管材、不同管网位置、不同运行工况的情况下均得到了很好验证。

目录

声明

致谢

摘要

1 引言

1．1 研究背景

1．1．1 给水管网管材及水质现状

1．1．2 铁释放及其危害

1．1．3 氧化还原电位(ORP)作为水质监测指标的优势

1．2 国内外研究现状

1．2．1 管垢的物理化学性质及其对铁释放的影响

1．2．2 物理因素对铁释放的影响

1．2．3 化学因素对铁释放的影响

1．2．4 微生物因素对铁释放的影响

1．2．5 ORP的影响因素及其应用

1．2．6 国内外研究的综合分析

1．3 研究目的及意义

1．4 技术路线及研究内容

2 实验材料与方法

2．1 ORP的测定方法

2．1．1 ORP的检测原理

2．1．2 标定

2．2 铁细菌的测定方法

2．2．1 悬浮铁细菌的测定

2．2．2 管壁铁细菌的测定

2．3 实验管道物理化学特性研究

2．3．1 管垢样品制备

2．3．2 管垢样品分析检测方法及结果

2．4 实验装置加工及水质检测方法

2．4．1 实验装置加工

2．4．2 实验用水

2．5 本章小结

3 化学因素影响下ORP与铁释放相关性的小试研究

3．1 纯水中ORP影响因素分析

3．1．1 实验方案

3．1．2 结果与分析

3．2 溶解氧影响下ORP与铁释放的相关性研究

3．2．1 实验方案

3．2．2 结果与分析

3．3 余氯影响下ORP与铁释放的相关性研究

3．3．1 实验方案

3．3．2 结果与分析

3．4 一氯胺影响下ORP与铁释放的相关性研究

3．4．1 实验方案

3．4．2 结果与分析

3．5 pH影响下ORP与铁释放的相关性研究

3．5．1 实验方案

3．5．2 结果与分析

3．6 温度影响下ORP与铁释放的相关性研究

3．6．1 实验方案

3．6．2 结果与分析

3．7 氯离子影响下ORP与铁释放的相关性研究

3．7．1 实验方案

3．7．2 结果与分析

3．8 硫酸根影响下ORP与铁释放的相关性研究

3．8．1 实验方案

3．8．2 结果与分析

3．9 ORP作为铁释放综合指标的可行性研究

3．9．1 实验方案

3．9．2 结果与分析

3．10 本章小结

4 ORP与铁释放细菌影响的小试研究

4．1 水流停滞下悬浮铁细菌与管壁铁细菌的关系

4．1．1 管壁铁细菌自有脱落造成的悬浮铁细菌测定

4．1．2 管壁铁细菌测定

4．1．3 悬浮铁细菌与管壁铁细菌的关系

4．2 ORP与铁释放细菌影响的关系

4．2．1 实验方案

4．2．2 结果与分析

4．3 本章小结

5 铁释放的ORP解释机理

5．1 铁释放的ORP解释机理

5．1．1 好氧铁释放

5．1．2 缺氧铁释放

5．1．3 铁释放的ORP机理

5．2 铁释放中ORP与铁细菌的协同作用

5．2．1 给水管网中铁细菌的作用及其生长特征

5．2．2 ORP与铁细菌的协同作用

5．3 本章小结

6 基于ORP的铁释放预测模型及中试验证

6．1 模型建立

6．2 室内中试

6．2．1 室内中试介绍

6．2．2 实验方案

6．2．3 结果与分析

6．3 现场中试

6．3．1 现场中试介绍

6．3．2 实验方案

6．3．3 结果与分析

6．4 本章小结

7 结论与建议

7．1 结论

7．2 建议

参考文献

作者简历