基于饮用水水质安全的供水管网内铁细菌生长及腐蚀机理研究

Water distribution network (WDN) is the main parts of urban water supply systems. Drinking water will be suffered from second pollution due to the various pipeline materials and sanitary differences. The second pollution is not only related to the effluent water quality, but also attributable to the corrosion products and scales generated during transportation. The metabolism of microorganisms will result in the corrosion process. At present, microbiologically influenced corrosion in water distribution pipe is little known about, which causes water distribution secondary pollution in WDN and water-pipe corrosion from biological respect and the iron bacteria is the main reason for water-pipe corrosion and secondary pollution. According to different ages of the pipe, pipe material, working conditions and other conditions, the research contents include: screen the iron bacteria in WDN, study its growth regular pattern, and research the mechanism of corrosion on the pipe in WDN, explore the control methods of iron bacteria growth and corrosion in WDN. The research results of this project can solve the problems of iron bacteria growth and control methods of corrosion from secondary pollution in WDN, and explore the relevance of iron bacteria and corrosion. It is significant to improve water quality and solve the problem of second pollution, thus ensuring safety of drinking water.

供水管网是城市供水系统的重要组成部分，由于供水管网管材及管道内卫生状况的差异，饮用水经供水管网由水厂到用户的传输过程中水质受到不同程度的"二次污染"，这种"二次污染"不仅与出厂水水质有关，而且与在输水过程中产生结垢和腐蚀的关系更为密切。供水管网内产生的结垢与腐蚀主要与铁细菌的新陈代谢有关，目前有关供水管道微生物腐蚀研究甚少，微生物腐蚀是导致供水管网配水出现"二次污染"及供水管道锈蚀的生物学原因，而铁细菌是引起供水管道腐蚀、水质"二次污染"的生物学主要原因。本研究内容包括：供水管网中铁细菌的筛选和生长规律；研究铁细菌对供水管网管材的腐蚀机理；探索供水管网中铁细菌生长与腐蚀控制方法。本项目的研究成果可以解决供水管网水质"二次污染"中铁细菌生长与腐蚀控制问题，探索铁细菌与供水管网材质腐蚀及水质变化的相关性，对提高管网水质、改善供水管网的"二次污染"问题、确保饮用水安全具有重要理论价值与社会意义。

饮用水经供水管网由水厂到用户的传输过程中，由于输配水系统大多数由金属材质构成，在各种电解质和微生物的介质中极易被腐蚀，导致输配水系统的一些元素释放到饮用水中，造成饮用水“二次污染”的问题。本研究以铁细菌作为研究对象，从管段中提取生长环及污泥，经分离提纯得到铁细菌菌株，以相应的培养基培育菌株作为腐蚀介质，研究了铁细菌的生长形态，测定了冬季与夏季的管道中铁细菌的具体数量，分别为230cfu/ml和140000cfu/ml，夏季供水管网中的铁细菌含量将远高于冬季，说明铁细菌的生长受温度影响巨大。铁细菌的生长繁殖对水质的影响比较明显，在实际的供水管网中，由于铁细菌的代谢活动产生难溶性的代谢产物铁的氧化物等，导致介质中可能呈现出轻微的棕红色，导致主体水色度和浊度大幅上升，难溶性的腐蚀产物通过铁还原菌的作用转化为可溶性的亚铁离子再次溶入到主体水中，将引起主体水的铁含量增加，造成饮用水总铁含量超标。探索铁细菌对供水管网中管材的腐蚀机理，研究表明铁细菌大量存在于腐蚀产物层的孔隙中，通过自身的代谢活动产生富氧区，腐蚀产物层内部水流处于滞留状态，溶解氧不能得到及时补充，形成贫氧区，从而导致浓差电池的产生，促进腐蚀过程的进行。亚铁离子的浓度较低时，可能会使腐蚀产物在金属表面上形成。若腐蚀产物从金属表面脱落或剥离，金属基体就会迅速发生局部腐蚀，加快整个腐蚀过程。建立了供水管网中余氯浓度与腐蚀速率的动力学模型，氯浓度的增加可使铸铁表面表面活性点增多，吸附的氯离子含量增大，导致电荷转移电阻Rct降低，加速了铁的阳极活性溶解过程，从而使铸铁管材的腐蚀速率增大。通过控制水中余氯浓度有利于控制管材的腐蚀速率。研究结果为解决供水管网水质“二次污染”中铁细菌生长与腐蚀控制问题提供理论基础，对确保饮用水安全具有重要理论价值与社会意义。