國內外城市供水管網及腐蝕現狀
 

　　眾所周知，自來水從出廠水到用戶終端要經過漫長的管網，往往需要幾個小時，甚至幾天。管網實際上是一個大的反應器，繼續進行出廠水未完成的反應及水與管壁物質的反應。這些反應有生物性的、物理性的、化學性的，除了受出廠水質影響外，與輸配水管道的材質、使用年限、施工等因素有一定的關系。
 

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

　　然而，實際上中國多數城鎮自來水由水廠流經管網到水龍頭時，水質合格率約下降10%。一般而言經過處理的出廠水水質都能達到國家飲用水水質標準，但是經過給水管網的長距離輸配或停留較長時間后，到達用戶處時卻產生了種種問題，比如水質下降，池度、色度、鐵等水質指標升高，嚴重時產生黃水、黑水等現象，嚴重影響著居民的日常生活、危害居民的身體健康。對于未作防腐處理的金屬管道，當年限超過5-10年時，污垢就已達到了惡化水質的程度，對于防腐處理較低差的金屬管道，3-5年就開始出現腐蝕現象，管道使用年限越長，腐蝕越嚴重，水質狀況越糟。住建部在2002年、2003年曾調查數百城市的供水管網，發現管網質量普遍低劣，不符國標的灰口鑄鐵管占50.80%，普通水泥管占13%，鍍鋅管等占6%。這三類低質管網主要鋪設于上世紀70年代至2000年之間。2002年統計顯示，上海中心城區管網中有50年以上管齡的管道有132km，無內襯的管道長度為378km，易爆易漏的管道約800km。
 

　　根據中國水利水電科學研究院數據顯示，目前我國城市供水管網大多處于壽命臨界點。一方面受管道內氯腐蝕，產生化學反應，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量不高等因素造成管外壁脫落。加之上述管材自身的嚴重缺陷，鑄鐵管受拉應力影響，環向、縱向均易出現斷裂，發生漏水事故；鍍鋅鋼管主要是受腐蝕，老化嚴重，接口管箍斷裂及管身銹蝕剝落，管壁變薄，出現漏水；鋼筋混凝土管則是主要表現在接口膠圈老化，水壓過高被沖出與鋼筋抗拉強度受損管身易出現環向裂縫引發漏水。管網老化會導致泄漏，北京市的漏水率都在20%左右，別的地方應該更多。更嚴重的是，管網老化導致二次污染事件頻發。

　　山東煙臺開發區建區不到25年，原敷設的無內襯管道已基本腐蝕，管道內壁結垢現象嚴重，當水壓水量波動時就容易形成“紅水”，嚴重影響了該區域內的企事業單位和居民的生產生活。根據取樣調查的情況分析，凡是沒做內襯的管材，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，可見管道腐蝕的嚴重性。由此可見，我國城市金屬供水管網的腐蝕狀況及其造成的管網維護與水質惡化等問題十分嚴重。
 

　　以美國為首的歐美國家，非常重視供水管網。美國環保署（EPA）對水管材料選擇做出硬性規定，管材的選擇必須滿足高水質、低維護、長壽命的要求。美國政府根據1996年凈水法制定的國家標準/國家衛生基金國際標準ANSI/NSF61-1997a明確規定：“用于飲用水的金屬管道，只答應使用不銹鋼和球墨鑄鐵管。”城市自來水供水管網，凡干管改造，一律選用不銹鋼管和球墨鑄鐵；進進高樓的供水管，首選不銹鋼水管。2003版美國國際標準委員會的水管和住宅標準再次包括了這方面的內容，說明不銹鋼水管的使用已正式得到美國官方批準。其他國家如加拿大衛生部、荷蘭衛生鑒定委員會和世界衛生組織也確認了這一標準。現在越來越多的國家要求飲用水系統的管道和系統部件必須符合上述標準，以此作為健康保證的基礎，符合該標準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準用材。
 

　　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，大大減少了接頭數量甚至可以完全省去接頭，節約了安裝時間和成本。
 

　　城市供水管網腐蝕對水質的影響
 

　　腐蝕、結垢和沉積物對水質的污染
 

　　金屬管道、配件、水箱和水塔等輸配水設施本身含有雜質，金屬與雜質之間存在著不同的電極電位，這樣，在水的作用下會形成無數微腐蝕原電池，由于化學和電化學作用會對管道內壁造成較嚴重腐蝕，產生大量鐵、錳、鉛、鋅等金屬銹蝕物。研究表明，對于未作防腐處理的金屬管道，當年限超過5～10年時，污垢就會達到惡化水質的程度，對于防腐處理較低的金屬管道，3～5年就開始出現腐蝕現象，管道使用年限越長，腐蝕越嚴重，水質狀況越差。腐蝕物和水垢物是管網中形成的新的污染源，沉積物是潛在污染源。
 

　　微生物腐蝕對水質的污染
 

　　盡管出廠水通過加氯消毒，大量微生物已經被殺死，甚至維持管網水含有一定余氯量以繼續保持消毒作用，用水終端還是會出現細菌學指標合格率明顯下降的問題。常見的參與金屬腐蝕的鐵細菌為：嘉氏鐵柄桿菌屬、鐵細菌屬、纖毛菌屬、球衣菌屬及鞘鐵細菌。不同屬的鐵細菌其特性不同，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的厭氧細菌，它常存在于管內壁上，在沒有氧氣的條件下，在金屬管道電化學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垢速度。據報道，在鐵、硫細菌參與下的腐蝕速度會增大300～500倍黏液異養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境，同時可降低水質或造成管道堵塞。微生物的生長繁殖對水質的危害，除了直接造成細菌學質量的下降，同時也是金屬腐蝕結垢產生的誘導原因，并且還會造成渾濁度、色度、有機物污染、亞硝酸鹽等理化指標的濃度變化。微生物造成的二次污染主要環節在城市管網末梢，尤其是居住區管網和水箱等處。
 

　　防腐襯里滲出物對水質的污染
 

　　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瀝青涂料外防腐。居住區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防止金屬腐蝕起到了良好的作用，但相應也帶來了滲出物對水質的二次污染問題。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斷面，而且對水質也會產生不良影響。AWWA在1996年的研究報告中指出，水泥砂漿襯里可導致pH值、Ca和堿度增加；在1998年的另一份研究報告中指出，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中不同管網材質—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菌生物量密度對比情況。結果表明聚乙烯和聚氯乙烯上面的細菌生物量密度最低，灰口鐵管細菌生物量密度比塑料材質要高10～45倍。水泥砂漿襯里的鑄鐵管上面的細菌生物量密度處于中等水平。在同樣試驗條件和同樣的時間內，布魯塞爾城市供水管網中在水泥材質管網中固定的細菌生物量密度與聚氯乙烯具有一定的線性比例關系，即水泥材質管網中固定的細菌生物量密度比聚氯乙烯多2.6倍，這一比例關系并沒有隨著水質的變化而改變。
 

　　水源切換變化對管網水質的影響
 

　　隨著季節變化，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，由于原水化學成分的差異，在經過水處理設施后，雖然出廠水都能達到生活飲用水衛生標準，但是一些水質指標存在明顯差異。

水質變化引起的供水管壁腐蝕

　　已有的案例表明，不同水源切換時由于水質化學組成的差異有可能打破供水管網內長期所形成的管垢/水之間的平衡，引起管網水中鐵腐蝕產物的釋放量增加，導致用戶端水質惡化，如濁度和色度升高、產生異嗅味等問題。國內外曾經多次報道過由于飲用水水源更換而導致大范圍用戶末端給水管網鑄鐵管腐蝕層結構特征及其對水源切換適應性的研究水質惡化的現象。深圳作為南方沿海城市，水源水可能會受海水倒灌導致的咸潮的影響，導致出廠水氯離子濃度升高。
 

　　美國南加利福尼亞地區、亞利桑那州圖森市和佛羅里達州坦帕地區都曾遇到過供水水源由地下水改為地表水后發生嚴重“黃水”現象。2008年，河北水庫原水經南水北調輸水管道抵達北京替換部分地下原水，經過北京市自來水集團水廠的處理后，進入自來水管網，結果導致部分地區的自來水開始出現“黃水”。相關部門馬上降低新水源比例，經過2個月管網中“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的選材、建設和發展，目前基本是直飲水。就國內而言，還要有很長的路要走。隨著國家對供水系統腐蝕問題的重視和供水管網的改造，目前供水管網中存在的上述問題會逐步解決，供水的效率也能切實提高，為國家建設和經濟發展提供安全可靠的供水保障。

作者簡介：

　　駱鴻，河海大學力學與材料學院教師，博士畢業于北京科技大學腐蝕與防護中心，在材料腐蝕基礎研究、不銹鋼及耐蝕合金、腐蝕電化學和防護研究等方面取得多項創新型成果。先后獲得北京科技大學優秀學位論文、優秀畢業生、學術之星等稱號；全國腐蝕大會優秀論文獎；全國青年腐蝕與防護優秀科技論文獎；參與國家973項目、國家科技基礎條件平臺建設項目。在國內外期刊、會議發表學術論文30余篇，其中SCI 14篇，EI16篇，申請發明專利4項。主要研究方向：海洋環境材料服役行為安全、海工混凝土結構的腐蝕監測與防護，城市地下飲水管網安全服役評估。

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