本文對(duì)比分析了目前國(guó)內(nèi)外供水管網(wǎng)的主要現(xiàn)狀，分析了目前國(guó)內(nèi)外供水管網(wǎng)的的腐蝕現(xiàn)狀和導(dǎo)致管網(wǎng)產(chǎn)生腐蝕的主要原因和影響因素。同時(shí)也探討了供水管網(wǎng)幾大類腐蝕問(wèn)題的內(nèi)在規(guī)律以及管網(wǎng)腐蝕與自來(lái)水水質(zhì)之間的相互關(guān)聯(lián)。為更好地提高我國(guó)的城市自來(lái)水管網(wǎng)建設(shè)和水質(zhì)提供一定的參考。

 

    文| 駱　鴻　盧　琳　劉智勇　董超芳　李曉剛　河海大學(xué)力學(xué)與材料學(xué)院　北京科技大學(xué)新材料技術(shù)研究院

 

    國(guó)內(nèi)外城市供水管網(wǎng)及腐蝕現(xiàn)狀

 

    眾所周知，自來(lái)水從出廠水到用戶終端要經(jīng)過(guò)漫長(zhǎng)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。

 

    然而，實(shí)際上中國(guó)多數(shù)城鎮(zhèn)自來(lái)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(guò)處理的出廠水水質(zhì)都能達(dá)到國(guó)家飲用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但是經(jīng)過(guò)給水管網(wǎng)的長(zhǎng)距離輸配或停留較長(zhǎng)時(shí)間后，到達(dá)用戶處時(shí)卻產(chǎn)生了種種問(wèn)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(guò)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(kāi)始出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，管道使用年限越長(zhǎng)，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(guó)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(wú)內(nèi)襯的管道長(zhǎng)度為378km，易爆易漏的管道約800km。

 

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
 

    根據(jù)中國(guó)水利水電科學(xué)研究院數(shù)據(jù)顯示，目前我國(guó)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(guò)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(kāi)發(fā)區(qū)建區(qū)不到25 年，原敷設(shè)的無(wú)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(méi)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(jiàn)管道腐蝕的嚴(yán)重性。由此可見(jiàn)，我國(guó)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(wèn)題十分嚴(yán)重。

 

    以美國(guó)為首的歐美國(guó)家，非常重視供水管網(wǎng)。美國(guó)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(zhǎng)壽命的要求。美國(guó)政府根據(jù)1996 年凈水法制定的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)/ 國(guó)家衛(wèi)生基金國(guó)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(lái)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(guó)國(guó)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(shuō)明不銹鋼水管的使用已正式得到美國(guó)官方批準(zhǔn)。其他國(guó)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(lái)越多的國(guó)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(guó)，不銹鋼管已成為美國(guó)30 年來(lái)新建的1600 多座城市污水處理廠的標(biāo)準(zhǔn)用材。

 

微生物引起的供水管壁腐蝕

 

    1955 年以前日本的自來(lái)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(kāi)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(kāi)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(wú)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(guò)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(kāi)始出現(xiàn)腐蝕現(xiàn)象，管道使用年限越長(zhǎng)，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(guò)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(wèn)題。常見(jiàn)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(zhǎng)條件及影響因素各有差別。

 

    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(méi)有氧氣的條件下，在金屬管道電化學(xué)過(guò)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(guò)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(zhǎng)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(guó)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(lái)了滲出物對(duì)水質(zhì)的二次污染問(wèn)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(guò)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(méi)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(guò)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。

 

    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(zhǎng)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(wèn)題。國(guó)內(nèi)外曾經(jīng)多次報(bào)道過(guò)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。

 

   

圖4 水質(zhì)變化引起的供水管壁腐蝕

    美國(guó)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(guò)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(kù)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(guò)北京市自來(lái)水集團(tuán)水廠的處理后，進(jìn)入自來(lái)水管網(wǎng)，結(jié)果導(dǎo)致部分地區(qū)的自來(lái)水開(kāi)始出現(xiàn)“黃水”。相關(guān)部門馬上降低新水源比例，經(jīng)過(guò)2 個(gè)月管網(wǎng)中“黃水”才漸漸消失。

 

    未來(lái)展望

 

    歐美等西方國(guó)家很早就開(kāi)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(guó)內(nèi)而言，還要有很長(zhǎng)的路要走。隨著國(guó)家對(duì)供水系統(tǒng)腐蝕問(wèn)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(wèn)題會(huì)逐步解決，供水的效率也能切實(shí)提高，為國(guó)家建設(shè)和經(jīng)濟(jì)發(fā)展提供安全可靠的供水保障。