本文对比分析了目前国内外供水管网的主要现状，分析了目前国内外供水管网的的腐蚀现状和导致管网产生腐蚀的主要原因和影响因素。同时也探讨了供水管网几大类腐蚀问题的内在规律以及管网腐蚀与自来水水质之间的相互关联。为更好地提高我国的城市自来水管网建设和水质提供一定的参考。
文| 骆 鸿 卢 琳 刘智勇 董超芳 李晓刚 河海大学力学与材料学院 北京科技大学新材料技术研究院
国内外城市供水管网及腐蚀现状
众所周知，自来水从出厂水到用户终端要经过漫长的管网，往往需要几个小时， 甚至几天。管网实际上是一个大的反应器， 继续进行出厂水未完成的反应及水与管壁物质的反应。这些反应有生物性的、物理性的、化学性的，除了受出厂水质影响外， 与输配水管道的材质、使用年限、施工等因素有一定的关系。
然而，实际上中国多数城镇自来水由水厂流经管网到水龙头时，水质合格率约下降10%。一般而言经过处理的出厂水水质都能达到国家饮用水水质标准，但是经过给水管网的长距离输配或停留较长时间后，到达用户处时却产生了种种问题，比如水质下降，池度、色度、铁等水质指标升高，严重时产生黄水、黑水等现象，严重影响着居民的日常生活、危害居民的身体健康。对于未作防腐处理的金属管道， 当年限超过5-10 年时，污垢就已达到了恶化水质的程度，对于防腐处理较低差的金属管道，3-5 年就开始出现腐蚀现象，管道使用年限越长，腐蚀越严重，水质状况越糟。住建部在2002 年、2003 年曾调查数百城市的供水管网，发现管网质量普遍低劣，不符国标的灰口铸铁管占50.80%， 普通水泥管占13%，镀锌管等占6%。这三类低质管网主要铺设于上世纪70 年代至2000 年之间。2002 年统计显示，上海中心城区管网中有50 年以上管龄的管道有132km，无内衬的管道长度为378km，易爆易漏的管道约800km。
a)管龄8年DN20镀锌钢管 b)管龄5年DN20镀锌钢管
不同使用时间的供水镀锌钢管内部情况
根据中国水利水电科学研究院数据显示，目前我国城市供水管网大多处于寿命临界点。一方面受管道内氯腐蚀，产生化学反应，管壁变薄；另一方面，管外壁受地下污水、臭气侵蚀，且供水管线安装之初防腐质量不高等因素造成管外壁脱落。加之上述管材自身的严重缺陷，铸铁管受拉应力影响，环向、纵向均易出现断裂， 发生漏水事故；镀锌钢管主要是受腐蚀， 老化严重，接口管箍断裂及管身锈蚀剥落， 管壁变薄，出现漏水；钢筋混凝土管则是主要表现在接口胶圈老化，水压过高被冲出与钢筋抗拉强度受损管身易出现环向裂缝引发漏水。管网老化会导致泄漏，北京市的漏水率都在20% 左右，别的地方应该更多。更严重的是，管网老化导致二次污染事件频发。
山东烟台开发区建区不到25 年，原敷设的无内衬管道已基本腐蚀，管道内壁结垢现象严重，当水压水量波动时就容易形成“红水”，严重影响了该区域内的企事业单位和居民的生产生活。根据取样调查的情况分析，凡是没做内衬的管材，使用5 年以上均100% 被腐蚀，尤其是铸铁管材更明显，结出5cm 高的锈瘤。从管道中取出的锈块，大的约有6cm，可见管道腐蚀的严重性。由此可见，我国城市金属供水管网的腐蚀状况及其造成的管网维护与水质恶化等问题十分严重。
以美国为首的欧美国家，非常重视供水管网。美国环保署（EPA）对水管材料选择做出硬性规定，管材的选择必须满足高水质、低维护、长寿命的要求。美国政府根据1996 年净水法制定的国家标准/ 国家卫生基金国际标准ANSI/NSF61-1997a 明确规定：“用于饮用水的金属管道，只答应使用不锈钢和球墨铸铁管。”城市自来水供水管网，凡干管改造，一律选用不锈钢管和球墨铸铁；进进高楼的供水管，首选不锈钢水管。2003 版美国国际标准委员会的水管和住宅标准再次包括了这方面的内容，说明不锈钢水管的使用已正式得到美国官方批准。其他国家如加拿大卫生部、荷兰卫生鉴定委员会和世界卫生组织也确认了这一标准。现在越来越多的国家要求饮用水系统的管道和系统部件必须符合上述标准，以此作为健康保证的基础，符合该标准要求的第一批材料有304/304L、316/316L 不锈钢。在美国，不锈钢管已成为美国30 年来新建的1600 多座城市污水处理厂的标准用材。
微生物引起的供水管壁腐蚀
1955 年以前日本的自来水供水管道普遍使用的是镀锌管材。1955 ～ 1980 年间， 大量使用的是塑料管和钢塑复合管。从1980 年开始，从输水辅助干线到水表之间， 凡直径50mm 以下的供水管道全部采用不锈钢管、管接头、弯管和水龙头。1982 年日本又开发了不锈钢波纹管，管道用户可以很容易地弯成任意角度，大大减少了接头数量甚至可以完全省去接头，节约了安装时间和成本。
城市供水管网腐蚀对水质的影响
腐蚀、结垢和沉积物对水质的污染
金属管道、配件、水箱和水塔等输配水设施本身含有杂质，金属与杂质之间存在着不同的电极电位，这样，在水的作用下会形成无数微腐蚀原电池，由于化学和电化学作用会对管道内壁造成较严重腐蚀， 产生大量铁、锰、铅、锌等金属锈蚀物。研究表明，对于未作防腐处理的金属管道， 当年限超过5 ～ 10 年时，污垢就会达到恶化水质的程度，对于防腐处理较低的金属管道，3 ～ 5 年就开始出现腐蚀现象，管道使用年限越长，腐蚀越严重，水质状况越差。腐蚀物和水垢物是管网中形成的新的污染源，沉积物是潜在污染源。
微生物腐蚀对水质的污染
尽管出厂水通过加氯消毒，大量微生物已经被杀死，甚至维持管网水含有一定余氯量以继续保持消毒作用，用水终端还是会出现细菌学指标合格率明显下降的问题。常见的参与金属腐蚀的铁细菌为：嘉氏铁柄杆菌属、铁细菌属、纤毛菌属、球衣菌属及鞘铁细菌。不同属的铁细菌其特性不同，适宜的生长条件及影响因素各有差别。
硫酸盐还原菌一种腐蚀性很强的厌氧细菌，它常存在于管内壁上，在没有氧气的条件下，在金属管道电化学过程中主要在阴极起极化剂作用，能反硫酸盐还原成硫化物，这样就加快了管道的腐蚀结垢速度。据报道，在铁、硫细菌参与下的腐蚀速度会增大300 ～ 500 倍黏液异养菌群主要是通过菌群的代谢形成黏泥或管垢，为硫酸盐还原菌提供厌氧环境，同时可降低水质或造成管道堵塞。微生物的生长繁殖对水质的危害，除了直接造成细菌学质量的下降，同时也是金属腐蚀结垢产生的诱导原因，并且还会造成浑浊度、色度、有机物污染、亚硝酸盐等理化指标的浓度变化。微生物造成的二次污染主要环节在城市管网末梢，尤其是居住区管网和水箱等处。
防腐衬里渗出物对水质的污染
目前我国城市供水干管主要采用钢筋混凝土管或铸铁管，铸铁管道一般采取水泥砂浆衬里或沥青涂料外防腐。居住区和住宅供水管多为沥青防腐处理的铸铁管和冷镀锌钢管。金属水箱通常使用沥青防腐或者采用镀锌钢板，也有少量采用防锈漆。上述防腐措施尽管对防止金属腐蚀起到了良好的作用，但相应也带来了渗出物对水质的二次污染问题。冷镀锌防腐锌层薄且附着力差，极易造成局部脱落使水中锌浓度升高，防锈漆附着力差，极易脱落，造成水中铅浓度增加。使用水泥砂浆衬里的给水管道由于砂浆衬里的腐蚀或软化、水的碱化作用，不仅降低了管径的有效过水断面，而且对水质也会产生不良影响。AWWA 在1996 年的研究报告中指出， 水泥砂浆衬里可导致pH 值、Ca 和碱度增加；在1998 年的另一份研究报告中指出， 水泥砂浆衬里能渗出钡、铬、镉等金属污染物。Patrick 研究了布鲁塞尔城市供水管网中不同管网材质-聚氯乙烯、聚乙烯、碳钢、石棉水泥管、水泥砂浆衬里的铸铁管、沥青防腐的钢管、灰口铁管上的固定细菌生物量密度对比情况。结果表明聚乙烯和聚氯乙烯上面的细菌生物量密度最低， 灰口铁管细菌生物量密度比塑料材质要高10 ～ 45 倍。水泥砂浆衬里的铸铁管上面的细菌生物量密度处于中等水平。在同样试验条件和同样的时间内，布鲁塞尔城市供水管网中在水泥材质管网中固定的细菌生物量密度与聚氯乙烯具有一定的线性比例关系，即水泥材质管网中固定的细菌生物量密度比聚氯乙烯多2.6 倍，这一比例关系并没有随着水质的变化而改变。
水源切换变化对管网水质的影响
随着季节变化，一些水厂也在不同地表水源之间切换或是地表水源和地下水源切换。新旧水源切换时，由于原水化学成分的差异，在经过水处理设施后，虽然出厂水都能达到生活饮用水卫生标准，但是一些水质指标存在明显差异。
已有的案例表明，不同水源切换时由于水质化学组成的差异有可能打破供水管网内长期所形成的管垢/ 水之间的平衡，引起管网水中铁腐蚀产物的释放量增加，导致用户端水质恶化，如浊度和色度升高、产生异嗅味等问题。国内外曾经多次报道过由于饮用水水源更换而导致大范围用户末端给水管网铸铁管腐蚀层结构特征及其对水源切换适应性的研究水质恶化的现象。深圳作为南方沿海城市，水源水可能会受海水倒灌导致的咸潮的影响，导致出厂水氯离子浓度升高。
图4 水质变化引起的供水管壁腐蚀
美国南加利福尼亚地区、亚利桑那州图森市和佛罗里达州坦帕地区都曾遇到过供水水源由地下水改为地表水后发生严重“黄水”现象。2008 年，河北水库原水经南水北调输水管道抵达北京替换部分地下原水，经过北京市自来水集团水厂的处理后，进入自来水管网，结果导致部分地区的自来水开始出现“黄水”。相关部门马上降低新水源比例，经过2 个月管网中“黄水”才渐渐消失。
未来展望
欧美等西方国家很早就开始注重供水管网的选材、建设和发展，目前基本是直饮水。就国内而言，还要有很长的路要走。随着国家对供水系统腐蚀问题的重视和供水管网的改造，目前供水管网中存在的上述问题会逐步解决，供水的效率也能切实提高，为国家建设和经济发展提供安全可靠的供水保障。