无机污染物在管网沉淀物和腐蚀管垢中的分布、源解析及其释放机制研究

Loosely attached deposits and relatively hard corrosion scales are commonly existed on the pipe inner-walls of drinking water distribution systems (DWDS). Toxic and harmful inorganic contaminants are widely detected in the solids attached to distribution pipes. Inorganic contaminants accumulated in the pipe solids could be released back into bulk water and put consumers' health at risk under the condition of hydraulic or water quality changes in DWDS. This project will conduct a preliminary investigation of inorganic contaminants in typical DWDSs in China, and the distribution and speciation of inorganic contaminants in pipe solids will be characterized by using state-of-the-art instrumental techniques, then the origin of inorganic contaminants will be analyzed according to the source water and finished quality, water treatment processes and pipe condition assessment. Different experimental methods including pipe loop simulation and process modelling will be adopted to elucidate the precipitation, sedimentation and adsorption behaviors of residual inorganic contaminants in finished water. Meanwhile, the factors influencing the release processes of inorganic contaminants with different speciation and combination status will be investigated. The overall aim of this project is to illustrate the transportation mechanisms of inorganic contaminants between bulk water and different pipe wall solids. The results obtained could provide technical support for the water industry to establish effective DWDS water quality maintenance measures. In addition, this research could also help to improve the current drinking water quality standards based on the water safety at the consumers' taps.

由于出厂水中残余颗粒沉降、溶解物质析出以及管材腐蚀等原因使给水管网内壁普遍附着有疏松沉淀物和腐蚀产物形成的硬质管垢，且这些管壁附着物通常含有多种有毒有害无机污染物。在管网水力或水质条件发生变化时，无机污染物可大量释放进入水中，危害公众健康。本项目以典型城市给水管网中无机污染物的调查为出发点，通过多种仪器手段综合表征管网内无机污染物的分布特征及其赋存形态，并结合水源、处理工艺、出厂水以及管材状况等因素解析无机污染物的主要来源。通过管网模拟实验、模型计算等多种手段研究出厂水中微量无机污染物在管网中析出及其在管壁上的吸附累积等过程，探讨沉淀物和管垢内不同结合形态的无机污染物重新释放的主要影响因素，揭示无机污染物在管网水相、沉淀物和腐蚀管垢中的迁移转化过程机制。本项目研究可为供水行业合理制定管网水质维持方案提供技术支持，同时还可为制定基于用户端水质安全的饮用水标准提供依据。

给水管网中铁质管材腐蚀形成的管垢和出厂水残余铝、锰等金属元素析出所形成的疏松沉积物对饮用水输配过程水质安全具有重要的影响。本项目针对管网无机污染物释放可能导致的管网水变色以及重金属释放可能造成的健康风险，主要开展的研究内容包括：腐蚀管垢及疏松沉积物中无机污染物分布特征及其来源解析，出厂水不同形态残余铝在管网中的沉积过程机制，出厂水残余锰在管网中的形态转化机制，疏松沉积物和硬质管垢中微量重金属的释放行为。取得的主要结果如下：. 铁腐蚀管垢可检测到的元素达40余种，其中存在最普遍的无机元素是Fe，Si，Ca，Al，Mn等；除饮用水卫生标准规定中有限定的元素如Cr、Cu、Pb、As、Ni外，一些标准外微量金属元素如V、Mo、Bi等也有较高的检出率。水源、混凝剂和管材是管网中无极污染物的主要来源。. 管网中的铝主要在表层疏松沉积物中以无定形态存在，易受水力和水质条件变化的影响而释放到水相中。铝的不同水解形态具有不同的沉积行为特征，与单体和Al30相比，Al13具有最强烈的在管壁上沉积的趋势。. 锰由溶解态Mn(II)氧化为不溶解性Mn(IV)是锰致黄水发生的关键，这一过程受Mn(II)浓度、余氯浓度及管垢和生物膜的影响。微量Fe(III)和Al(III)对Mn(II)的氧化具有显著的促进作用。控制出厂水残余Mn(II)浓度低于0.02mg/L，可以有效控制锰致黄水的发生。. 管网中疏松沉积物中的微量重金属As、Pb、Cu的释放水的pH值影响，但通过解吸的方式释放的比例较低（低于10%）。但由于疏松沉积物易于被扰动进入水中，因而其健康风险值得关注。铁腐蚀管垢中的微量重金属释放程度与铁或锰的释放密切相关，当水力/水质条件变化引起铁、锰导致的黄水发生时，应对微量重金属释放风险进行评估。. 根据研究结果所提出的降低管网无机污染物风险的建议包括：淘汰旧管道（特别是灰口铸铁管和镀锌钢管），选择优质管材；加强水源保护、改进和优化处理工艺，提高出厂水的稳定性；实行例行冲洗，改善管网水力条件，使管网具有一定的自洁能力，防止沉积物的累积。