國內(nèi)外城市供水管網(wǎng)及腐蝕現(xiàn)狀
 

　　眾所周知，自來水從出廠水到用戶終端要經(jīng)過漫長的管網(wǎng)，往往需要幾個(gè)小時(shí)，甚至幾天。管網(wǎng)實(shí)際上是一個(gè)大的反應(yīng)器，繼續(xù)進(jìn)行出廠水未完成的反應(yīng)及水與管壁物質(zhì)的反應(yīng)。這些反應(yīng)有生物性的、物理性的、化學(xué)性的，除了受出廠水質(zhì)影響外，與輸配水管道的材質(zhì)、使用年限、施工等因素有一定的關(guān)系。
 

a)管齡8年DN20鍍鋅鋼管                              b)管齡5年DN20鍍鋅鋼管
不同使用時(shí)間的供水鍍鋅鋼管內(nèi)部情況
 

　　然而，實(shí)際上中國多數(shù)城鎮(zhèn)自來水由水廠流經(jīng)管網(wǎng)到水龍頭時(shí)，水質(zhì)合格率約下降10%。一般而言經(jīng)過處理的出廠水水質(zhì)都能達(dá)到國家飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但是經(jīng)過給水管網(wǎng)的長距離輸配或停留較長時(shí)間后，到達(dá)用戶處時(shí)卻產(chǎn)生了種種問題，比如水質(zhì)下降，池度、色度、鐵等水質(zhì)指標(biāo)升高，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生黃水、黑水等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響著居民的日常生活、危害居民的身體健康。對(duì)于未作防腐處理的金屬管道，當(dāng)年限超過5-10年時(shí)，污垢就已達(dá)到了惡化水質(zhì)的程度，對(duì)于防腐處理較低差的金屬管道，3-5年就開始出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，管道使用年限越長，腐蝕越嚴(yán)重，水質(zhì)狀況越糟。住建部在2002年、2003年曾調(diào)查數(shù)百城市的供水管網(wǎng)，發(fā)現(xiàn)管網(wǎng)質(zhì)量普遍低劣，不符國標(biāo)的灰口鑄鐵管占50.80%，普通水泥管占13%，鍍鋅管等占6%。這三類低質(zhì)管網(wǎng)主要鋪設(shè)于上世紀(jì)70年代至2000年之間。2002年統(tǒng)計(jì)顯示，上海中心城區(qū)管網(wǎng)中有50年以上管齡的管道有132km，無內(nèi)襯的管道長度為378km，易爆易漏的管道約800km。
 

　　根據(jù)中國水利水電科學(xué)研究院數(shù)據(jù)顯示，目前我國城市供水管網(wǎng)大多處于壽命臨界點(diǎn)。一方面受管道內(nèi)氯腐蝕，產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，管壁變薄；另一方面，管外壁受地下污水、臭氣侵蝕，且供水管線安裝之初防腐質(zhì)量不高等因素造成管外壁脫落。加之上述管材自身的嚴(yán)重缺陷，鑄鐵管受拉應(yīng)力影響，環(huán)向、縱向均易出現(xiàn)斷裂，發(fā)生漏水事故；鍍鋅鋼管主要是受腐蝕，老化嚴(yán)重，接口管箍斷裂及管身銹蝕剝落，管壁變薄，出現(xiàn)漏水；鋼筋混凝土管則是主要表現(xiàn)在接口膠圈老化，水壓過高被沖出與鋼筋抗拉強(qiáng)度受損管身易出現(xiàn)環(huán)向裂縫引發(fā)漏水。管網(wǎng)老化會(huì)導(dǎo)致泄漏，北京市的漏水率都在20%左右，別的地方應(yīng)該更多。更嚴(yán)重的是，管網(wǎng)老化導(dǎo)致二次污染事件頻發(fā)。

　　山東煙臺(tái)開發(fā)區(qū)建區(qū)不到25年，原敷設(shè)的無內(nèi)襯管道已基本腐蝕，管道內(nèi)壁結(jié)垢現(xiàn)象嚴(yán)重，當(dāng)水壓水量波動(dòng)時(shí)就容易形成“紅水”，嚴(yán)重影響了該區(qū)域內(nèi)的企事業(yè)單位和居民的生產(chǎn)生活。根據(jù)取樣調(diào)查的情況分析，凡是沒做內(nèi)襯的管材，使用5年以上均100%被腐蝕，尤其是鑄鐵管材更明顯，結(jié)出5cm高的銹瘤。從管道中取出的銹塊，大的約有6cm，可見管道腐蝕的嚴(yán)重性。由此可見，我國城市金屬供水管網(wǎng)的腐蝕狀況及其造成的管網(wǎng)維護(hù)與水質(zhì)惡化等問題十分嚴(yán)重。
 

　　以美國為首的歐美國家，非常重視供水管網(wǎng)。美國環(huán)保署（EPA）對(duì)水管材料選擇做出硬性規(guī)定，管材的選擇必須滿足高水質(zhì)、低維護(hù)、長壽命的要求。美國政府根據(jù)1996年凈水法制定的國家標(biāo)準(zhǔn)/國家衛(wèi)生基金國際標(biāo)準(zhǔn)ANSI/NSF61-1997a明確規(guī)定：“用于飲用水的金屬管道，只答應(yīng)使用不銹鋼和球墨鑄鐵管。”城市自來水供水管網(wǎng)，凡干管改造，一律選用不銹鋼管和球墨鑄鐵；進(jìn)進(jìn)高樓的供水管，首選不銹鋼水管。2003版美國國際標(biāo)準(zhǔn)委員會(huì)的水管和住宅標(biāo)準(zhǔn)再次包括了這方面的內(nèi)容，說明不銹鋼水管的使用已正式得到美國官方批準(zhǔn)。其他國家如加拿大衛(wèi)生部、荷蘭衛(wèi)生鑒定委員會(huì)和世界衛(wèi)生組織也確認(rèn)了這一標(biāo)準(zhǔn)。現(xiàn)在越來越多的國家要求飲用水系統(tǒng)的管道和系統(tǒng)部件必須符合上述標(biāo)準(zhǔn)，以此作為健康保證的基礎(chǔ)，符合該標(biāo)準(zhǔn)要求的第一批材料有304/304L、316/316L不銹鋼。在美國，不銹鋼管已成為美國30年來新建的1600多座城市污水處理廠的標(biāo)準(zhǔn)用材。
 

　　1955年以前日本的自來水供水管道普遍使用的是鍍鋅管材。1955～1980年間，大量使用的是塑料管和鋼塑復(fù)合管。從1980年開始，從輸水輔助干線到水表之間，凡直徑50mm以下的供水管道全部采用不銹鋼管、管接頭、彎管和水龍頭。1982年日本又開發(fā)了不銹鋼波紋管，管道用戶可以很容易地彎成任意角度，大大減少了接頭數(shù)量甚至可以完全省去接頭，節(jié)約了安裝時(shí)間和成本。
 

　　城市供水管網(wǎng)腐蝕對(duì)水質(zhì)的影響
 

　　腐蝕、結(jié)垢和沉積物對(duì)水質(zhì)的污染
 

　　金屬管道、配件、水箱和水塔等輸配水設(shè)施本身含有雜質(zhì)，金屬與雜質(zhì)之間存在著不同的電極電位，這樣，在水的作用下會(huì)形成無數(shù)微腐蝕原電池，由于化學(xué)和電化學(xué)作用會(huì)對(duì)管道內(nèi)壁造成較嚴(yán)重腐蝕，產(chǎn)生大量鐵、錳、鉛、鋅等金屬銹蝕物。研究表明，對(duì)于未作防腐處理的金屬管道，當(dāng)年限超過5～10年時(shí)，污垢就會(huì)達(dá)到惡化水質(zhì)的程度，對(duì)于防腐處理較低的金屬管道，3～5年就開始出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，管道使用年限越長，腐蝕越嚴(yán)重，水質(zhì)狀況越差。腐蝕物和水垢物是管網(wǎng)中形成的新的污染源，沉積物是潛在污染源。
 

　　微生物腐蝕對(duì)水質(zhì)的污染
 

　　盡管出廠水通過加氯消毒，大量微生物已經(jīng)被殺死，甚至維持管網(wǎng)水含有一定余氯量以繼續(xù)保持消毒作用，用水終端還是會(huì)出現(xiàn)細(xì)菌學(xué)指標(biāo)合格率明顯下降的問題。常見的參與金屬腐蝕的鐵細(xì)菌為：嘉氏鐵柄桿菌屬、鐵細(xì)菌屬、纖毛菌屬、球衣菌屬及鞘鐵細(xì)菌。不同屬的鐵細(xì)菌其特性不同，適宜的生長條件及影響因素各有差別。

微生物引起的供水管壁腐蝕

　　硫酸鹽還原菌一種腐蝕性很強(qiáng)的厭氧細(xì)菌，它常存在于管內(nèi)壁上，在沒有氧氣的條件下，在金屬管道電化學(xué)過程中主要在陰極起極化劑作用，能反硫酸鹽還原成硫化物，這樣就加快了管道的腐蝕結(jié)垢速度。據(jù)報(bào)道，在鐵、硫細(xì)菌參與下的腐蝕速度會(huì)增大300～500倍黏液異養(yǎng)菌群主要是通過菌群的代謝形成黏泥或管垢，為硫酸鹽還原菌提供厭氧環(huán)境，同時(shí)可降低水質(zhì)或造成管道堵塞。微生物的生長繁殖對(duì)水質(zhì)的危害，除了直接造成細(xì)菌學(xué)質(zhì)量的下降，同時(shí)也是金屬腐蝕結(jié)垢產(chǎn)生的誘導(dǎo)原因，并且還會(huì)造成渾濁度、色度、有機(jī)物污染、亞硝酸鹽等理化指標(biāo)的濃度變化。微生物造成的二次污染主要環(huán)節(jié)在城市管網(wǎng)末梢，尤其是居住區(qū)管網(wǎng)和水箱等處。
 

　　防腐襯里滲出物對(duì)水質(zhì)的污染
 

　　目前我國城市供水干管主要采用鋼筋混凝土管或鑄鐵管，鑄鐵管道一般采取水泥砂漿襯里或?yàn)r青涂料外防腐。居住區(qū)和住宅供水管多為瀝青防腐處理的鑄鐵管和冷鍍鋅鋼管。金屬水箱通常使用瀝青防腐或者采用鍍鋅鋼板，也有少量采用防銹漆。上述防腐措施盡管對(duì)防止金屬腐蝕起到了良好的作用，但相應(yīng)也帶來了滲出物對(duì)水質(zhì)的二次污染問題。冷鍍鋅防腐鋅層薄且附著力差，極易造成局部脫落使水中鋅濃度升高，防銹漆附著力差，極易脫落，造成水中鉛濃度增加。使用水泥砂漿襯里的給水管道由于砂漿襯里的腐蝕或軟化、水的堿化作用，不僅降低了管徑的有效過水?dāng)嗝妫覍?duì)水質(zhì)也會(huì)產(chǎn)生不良影響。AWWA在1996年的研究報(bào)告中指出，水泥砂漿襯里可導(dǎo)致pH值、Ca和堿度增加；在1998年的另一份研究報(bào)告中指出，水泥砂漿襯里能滲出鋇、鉻、鎘等金屬污染物。Patrick研究了布魯塞爾城市供水管網(wǎng)中不同管網(wǎng)材質(zhì)—聚氯乙烯、聚乙烯、碳鋼、石棉水泥管、水泥砂漿襯里的鑄鐵管、瀝青防腐的鋼管、灰口鐵管上的固定細(xì)菌生物量密度對(duì)比情況。結(jié)果表明聚乙烯和聚氯乙烯上面的細(xì)菌生物量密度最低，灰口鐵管細(xì)菌生物量密度比塑料材質(zhì)要高10～45倍。水泥砂漿襯里的鑄鐵管上面的細(xì)菌生物量密度處于中等水平。在同樣試驗(yàn)條件和同樣的時(shí)間內(nèi)，布魯塞爾城市供水管網(wǎng)中在水泥材質(zhì)管網(wǎng)中固定的細(xì)菌生物量密度與聚氯乙烯具有一定的線性比例關(guān)系，即水泥材質(zhì)管網(wǎng)中固定的細(xì)菌生物量密度比聚氯乙烯多2.6倍，這一比例關(guān)系并沒有隨著水質(zhì)的變化而改變。
 

　　水源切換變化對(duì)管網(wǎng)水質(zhì)的影響
 

　　隨著季節(jié)變化，一些水廠也在不同地表水源之間切換或是地表水源和地下水源切換。新舊水源切換時(shí)，由于原水化學(xué)成分的差異，在經(jīng)過水處理設(shè)施后，雖然出廠水都能達(dá)到生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，但是一些水質(zhì)指標(biāo)存在明顯差異。

水質(zhì)變化引起的供水管壁腐蝕

　　已有的案例表明，不同水源切換時(shí)由于水質(zhì)化學(xué)組成的差異有可能打破供水管網(wǎng)內(nèi)長期所形成的管垢/水之間的平衡，引起管網(wǎng)水中鐵腐蝕產(chǎn)物的釋放量增加，導(dǎo)致用戶端水質(zhì)惡化，如濁度和色度升高、產(chǎn)生異嗅味等問題。國內(nèi)外曾經(jīng)多次報(bào)道過由于飲用水水源更換而導(dǎo)致大范圍用戶末端給水管網(wǎng)鑄鐵管腐蝕層結(jié)構(gòu)特征及其對(duì)水源切換適應(yīng)性的研究水質(zhì)惡化的現(xiàn)象。深圳作為南方沿海城市，水源水可能會(huì)受海水倒灌導(dǎo)致的咸潮的影響，導(dǎo)致出廠水氯離子濃度升高。
 

　　美國南加利福尼亞地區(qū)、亞利桑那州圖森市和佛羅里達(dá)州坦帕地區(qū)都曾遇到過供水水源由地下水改為地表水后發(fā)生嚴(yán)重“黃水”現(xiàn)象。2008年，河北水庫原水經(jīng)南水北調(diào)輸水管道抵達(dá)北京替換部分地下原水，經(jīng)過北京市自來水集團(tuán)水廠的處理后，進(jìn)入自來水管網(wǎng)，結(jié)果導(dǎo)致部分地區(qū)的自來水開始出現(xiàn)“黃水”。相關(guān)部門馬上降低新水源比例，經(jīng)過2個(gè)月管網(wǎng)中“黃水”才漸漸消失。
 

　　未來展望
 

　　歐美等西方國家很早就開始注重供水管網(wǎng)的選材、建設(shè)和發(fā)展，目前基本是直飲水。就國內(nèi)而言，還要有很長的路要走。隨著國家對(duì)供水系統(tǒng)腐蝕問題的重視和供水管網(wǎng)的改造，目前供水管網(wǎng)中存在的上述問題會(huì)逐步解決，供水的效率也能切實(shí)提高，為國家建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供安全可靠的供水保障。

作者簡介：

　　駱鴻，河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院教師，博士畢業(yè)于北京科技大學(xué)腐蝕與防護(hù)中心，在材料腐蝕基礎(chǔ)研究、不銹鋼及耐蝕合金、腐蝕電化學(xué)和防護(hù)研究等方面取得多項(xiàng)創(chuàng)新型成果。先后獲得北京科技大學(xué)優(yōu)秀學(xué)位論文、優(yōu)秀畢業(yè)生、學(xué)術(shù)之星等稱號(hào)；全國腐蝕大會(huì)優(yōu)秀論文獎(jiǎng)；全國青年腐蝕與防護(hù)優(yōu)秀科技論文獎(jiǎng)；參與國家973項(xiàng)目、國家科技基礎(chǔ)條件平臺(tái)建設(shè)項(xiàng)目。在國內(nèi)外期刊、會(huì)議發(fā)表學(xué)術(shù)論文30余篇，其中SCI 14篇，EI16篇，申請(qǐng)發(fā)明專利4項(xiàng)。主要研究方向：海洋環(huán)境材料服役行為安全、海工混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕監(jiān)測(cè)與防護(hù)，城市地下飲水管網(wǎng)安全服役評(píng)估。

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