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    輸配水管網管垢的形成與管網腐蝕的危害

    發布者:航策建材 發布時間:2020-09-15

    {一}、輸配水管網管垢的形成
      所謂管垢,是指輸配水管網在長期運行的過程中,由于發生腐蝕、沉積等作用,在管道內壁上形成了相對穩定的,以腐蝕產物以及沉積物等為主要成分的界面層。尤其是在水源切換之后,由于新水源的水質化學成分與原水源的變化和差異,對管道內壁已有的管垢穩定性產生了破壞作用,因而導致了管垢層中鐵等腐蝕產物的釋放以及水質的變化。研究管垢和水質惡化涉及的核心問題,主要包括以下幾個方面。
      1、管網管材的選擇
      管網在輸配水的過程中,水體與管道會發生多重復雜的一系列反應,包括物理的、化學的和生物的反應。不同的管網管材存在不同程度的腐蝕隱患。目前常用的管材主要包括鋼管、普通鑄鐵管、柔性鑄鐵管、塑料管、玻璃鋼管、水泥管、鋁塑復合管等,其中鑄鐵管和鋼管占據絕大比例。對于金屬管材而言,尤其是鐵質管材,普遍存在腐蝕問題。腐蝕會帶來一連串的影響和危害,如腐蝕產物的形成會改變水流的力學特性,增加管道阻力,嚴重時影響輸水能力;由腐蝕所帶來的管網漏失會引起水量的損失和水壓力的失衡,對供水系統造成不良影響;腐蝕產物的溶出和釋放還會引發水中有毒金屬物質的積聚,如鉛和鉻等物質主要來源于腐蝕產物的溶出。同時,因為腐蝕作用所導致的水體濁度和色度的升高以及鐵、銅和鋅等金屬元素的異味等會給用水居民造成感觀的不悅,引起沾污衣物等后果,嚴重時將會影響居民身體健康。因而,對于輸配水管網而言,合理地選擇和使用管網管材對于安全供水意義重大。
      2、生物穩定性的影響
      在管網輸配水的過程中,若水質的生物穩定性不高,進入管網后就會引起微生物的大量生長和繁殖,從而對水質造成諸多不利影響,例如產生難聞臭味、增加致病菌以及加劇管網的腐蝕等。根據國際上針對各類管材對管網生物膜產生影響的相關研究,可以發現,管網中水體的微生物主要來源于管網管壁上的生物膜,這些生物膜緊緊依附在管網管壁上,或者多存在于管道變徑、轉彎等位置。與這些生物膜的生長相關的因素主要包括微生物生長所需要的營養物質、合適的管材條件、適宜的水力條件、管網中微生物的本底含量以及消毒劑的種類和劑量等,這些影響因素相互影響和作用。因此,對于輸配水管網而言,研究管網系統中微生物的生長情況,以及對潛在的生物穩定性風險開展客觀評價對于安全供水意義重大。
      3、管網中消毒劑量的確定
      針對管網中的微生物安全性,人們最初普遍認為,在管網末端保持一定劑量的消毒劑可以有效滅活病原細菌。其實不然,由于在出廠水中仍然會殘存未被滅活的細菌,在經過消毒劑的作用后,部分未滅活的細菌會進行自我修復,并重新生長。與此同時,由各種原因引起的難以避免的外源性細菌進入管網事件也會時有發生。在這種條件下,僅僅通過在出廠水中投加少量的消毒劑并不能夠有效地控制管網中細菌的生長和繁殖。然而過量地投加消毒劑又會導致其他不利問題,如飲用水的感官性狀由于藥物而變差,以及備受關注的消毒副產物問題,如目前已有研究的三鹵甲烷和鹵乙酸等,這些物質的存在會嚴重影響用水居民的生存健康,會引發消化系統以及泌尿系統的不安全性。因此,對于輸配水管網而言,微生物的穩定性以及消毒劑量對其有效的控制對于安全供水意義重大。
      4、水體中有機營養物質對于微生物的作用
      管網中細菌的生長繁殖受到水體中有機營養物質的重要制約。對于生長在管網中的細菌,即使在管網中保持較高濃度的余氯量,但只要在水中擁有充足的有機營養物質,細菌就仍可以在管網中進行生長和繁殖。在管網中存在的眾多種類的細菌中,只有硫細菌以及鐵細菌等少數菌種屬于自養菌,其余大多數都是以有機營養物質為基質的異養菌。在管網水體中如果有機物的含量較高,則管網水中的生物穩定性就會較差,因而細菌就更容易在管網中不斷生長繁殖,從而水體中的致病菌也可能隨之產生。為了更準確地描述微生物的含量,又提出了AOC(生物可同化有機碳)和BDOC(水中可溶性有機物中能被異養菌利用的部分)兩項水質指標,與消毒劑的投加劑量相結合,共同控制細菌等微生物在管網中的生長和繁殖。由此可見,管網中存在的有機營養物質是促進細菌等微生物在管網中生長和繁殖的主要因素,對其有效的控制對于安全供水意義重大。
      如上所述,管網內的腐蝕主要是由于金屬管材與水中的物質發生反應,這些反應的產物經過長時間沉積在管網內壁表面,從而形成了管垢。
      {二}、管網腐蝕的危害
      伴隨管材新技術的不斷發展,供水管網的管材已由原來單一的鋼管、鑄鐵管逐漸向多樣化趨勢發展。但是總體而言,普通鑄鐵管、柔性鑄鐵管、鋼管和鍍鋅管這幾種管材依然是應用最為廣泛的。就北京市區管材分布而言,應用最多的也是普通鑄鐵管、球墨鑄鐵和鋼管等。這些管材較易發生腐蝕情況。腐蝕對城市供水系統的安全造成了一定的威脅,同時也會造成社會經濟和生態環境的損失。
      1、影響管網水質
      在管網發生腐蝕后,管網內壁的鐵物質會發生釋放和氧化,其產物為二價鐵或者三價鐵的化合物,繼而擴散或遷移到水體中,會直接引起管網水中色度的急速升高,甚至超標,嚴重影響水質的感官性指標,引發飲水用戶的投訴。
      2、影響管網消毒作用
      管網輸配過程中,在水中的溶解氧或者消毒劑等氧化劑的作用下,管壁上的鐵物質將發生氧化反應,生成二價鐵或者三價鐵。水中的溶解氧以及管網中的余氯會因此而消耗殆盡。在這種情況下,管垢中鐵的釋放會因此而加速,同時管網中的消毒作用難以得到充分和持續的保證,在這些因素的共同影響下,管網中的水質很可能變差,甚至出現色度超標,危及供水安全。
      3、影響管壁結構
      管網發生的腐蝕會破壞管壁原有的結構,使其受力均勻性遭受破壞,在外力作用下,更易于發生破損及斷裂。如果管網管壁上發生點蝕情況,則該點附近的機械強度將會急劇降低,更易引起管網的局部破損。據統計,大多數管網破裂的發生都是由于管道內壁出現點蝕而引發的。這種破損和斷裂成為導致管網水量漏失的重要原因之一。
      4、增大管網微生物風險
      管網內壁發生腐蝕會使管壁缺失平滑,變得異常粗糙,甚至會在管網內壁上形成一個個管瘤。因為管瘤的存在,水流對管壁的沖刷力減緩,同時粗糙度較大的管網內壁成為微生物附著生長和繁殖的較佳場所。微生物的大量繁殖,會在一定程度上加劇管網腐蝕的惡化,而且影響水質,在很大程度上增加了管網內余氯的消耗,也促進了致病菌的生長繁殖,同時還會吸收和累積有毒有害物質,例如鐳、砷等,增加了管網水質風險,危害居民飲水安全。
      5、增大供水能耗
      伴隨管網內部粗糙度的加大,管網的沿程損失也會隨之增大。這會增大供水系統的能耗,給水廠供水泵站增加額外的非必要的壓力,迫使水廠增加運行成本。
      與此同時粗糙度的改變也會減小管網的過水斷面面積,從而影響輸水能力。
      總體而言,管網的腐蝕將會帶來一系列嚴重的后果。不僅造成巨大的社會經濟損失,還將威脅人們的飲水安全,造成極大的危害。因此管網腐蝕的影響因素研究及控制策略愈發成為函待解決的問題,也促使學者們開展關于管網腐蝕的深入研究工作。