《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Aging of Buried Polyvinyl Chloride Sewer Pipes and Microplastics Release: Mechanisms and Environmental Risks
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罗元玲|丁玉婷|敖霞雅|廖晓曦|徐海音|张茵|黄明|贾梅英|胡新疆|阮敏|李二平|杨佳中国长沙环境保护学院环境工程学院，长沙410004摘要聚氯乙烯（PVC）管道在城市污水管网中的使用日益增多；然而，其长期老化会缩短使用寿命并导致微塑料（MPs）污染。本研究通过COMSOL仿真、
罗元玲|丁玉婷|敖霞雅|廖晓曦|徐海音|张茵|黄明|贾梅英|胡新疆|阮敏|李二平|杨佳
中国长沙环境保护学院环境工程学院，长沙410004
摘要
聚氯乙烯（PVC）管道在城市污水管网中的使用日益增多；然而，其长期老化会缩短使用寿命并导致微塑料（MPs）污染。本研究通过COMSOL仿真、顺序层采样和二维相关光谱技术，考察了四种典型的管道配置：压力直管（PSP）、压力弯管（PEP）、重力直管（GSP）和重力弯管（GEP）。压力直管出现了与水流方向一致的裂纹和严重的表面劣化（Ra = 82.8纳米），而重力直管则出现了较短且分布不规则的裂纹，表面粗糙度较低（Ra = 30.5–45.3纳米）。COMSOL仿真显示，裂纹尖端的应力集中现象明显，随着内部压力从0.1 MPa增加到0.8 MPa，冯·米塞斯应力从0.69 MPa增加到5.53 MPa；同时，砂粒磨损使侵蚀速率从10?1? kg/m2·s增加到10?3 kg/m2·s。微生物分析表明，重力系统中硫酸盐还原菌（2.37–2.39%）富集，表明硫相关反应的贡献较大，而压力系统中则以耐压菌属（如Nakamurella）为主。不同类型的管道表面变化路径各不相同：PSP中涉及C–O–C/–COO?键的断裂，PEP中形成–OH基团，GSP中富集–SH基团，GEP中形成S=O键。压力直管释放的微塑料数量（13.5–19.8 × 103颗粒/m3；67–298微米）是重力直管的2.4–5.1倍（3.89–5.72 × 103颗粒/m3；2,127–4,178微米），所有情况都表明存在较高的生态风险。这些发现为PVC污水管道的老化机制和微塑料释放提供了基于现场的证据，有助于未来对城市排水基础设施的评估和维护策略的制定。
引言
市政污水管网是城市的“隐秘静脉系统”，对集中式废水收集和输送至关重要。然而，许多污水管道在长期使用过程中会逐渐恶化，威胁其结构完整性和运行可靠性[1]。管道老化会导致裂纹、断裂、变形和泄漏，增加地下水污染、地面沉降和局部基础设施故障的风险[2]。随着极端气候事件的增多，强降雨和波动的水力负荷可能会通过对埋设排水系统的额外压力进一步加速老化相关风险[3]。因此，了解污水管道的老化行为及其环境后果对于基础设施维护、污染控制和可持续城市水资源管理至关重要。
管道的耐久性和老化机制很大程度上取决于所使用的材料。历史上，污水管网主要使用混凝土和金属管道，这两种材料都容易受到化学侵蚀和氧化[4]。混凝土管道的老化主要是由硫酸（H?SO?）引起的化学侵蚀造成的，硫酸是由硫化氢（H?S）的厌氧氧化产生的，导致碳酸钙溶解和膨胀矿物（如钙矾石）的形成[5]。金属管道通常会发生氧化和电化学腐蚀[6]，导致锈蚀、壁厚减薄、机械强度下降和使用寿命缩短[7]。
近几十年来，由于耐腐蚀性、安装方便和使用寿命长，聚氯乙烯（PVC）管道在市政污水管网中的使用越来越普遍[8]。PVC的化学稳定性主要与其碳-氯和碳-碳主链结构有关，这使得它能够抵抗酸、碱和盐的侵蚀[9]。然而，在长期埋设和输送废水的条件下，PVC管道仍会逐渐恶化。持续的外部压力可能导致蠕变变形和微裂纹的产生，而水力冲刷、悬浮颗粒和局部湍流会磨损内壁，增加表面粗糙度并促进应力集中[10]。微生物生物膜通过产生代谢物（包括有机酸和酶）进一步影响PVC表面，从而在长期使用过程中削弱管道材料[11]。因此，PVC管道的老化涉及物理、化学和生物过程之间更为复杂的相互作用。
污水管道材料的老化产物在组成、持久性和环境迁移性方面存在差异。对于混凝土管道，降解通常涉及矿物溶解和含钙腐蚀产物的形成，如碳酸钙、氢氧化钙和钙矾石，这些主要与表面侵蚀和结构削弱有关，而不是持续的颗粒污染[12]。金属管道主要产生腐蚀结垢和金属氧化物，这些可能会改变局部水质和生物膜的发展，但通常在腐蚀控制、管道壁厚减薄和使用寿命缩短的背景下讨论[13]。相比之下，老化的PVC管道在表面劣化过程中会产生聚合物碎片，成为废水系统中微塑料（MPs，塑料颗粒<5毫米）的潜在来源[14]。一旦释放，PVC衍生的微塑料可能随废水传输，进入生物处理单元或下游水生环境，并由于其持久性、老化表面和吸附能力与共存污染物发生相互作用[15]、[16]。
这些担忧促使人们越来越关注PVC老化作为微塑料来源的问题。最近的研究表明，老化的PVC材料和塑料管道会发生表面劣化、氧化、机械磨损和颗粒脱落。然而，大多数证据来自饮用水管道、供水系统、塑料产品或在简化暴露条件下的实验室加速老化实验[14]、[17]、[18]。这些环境与埋设的污水管道环境不同，在那里PVC管道经历长期废水输送、水力冲刷、颗粒磨损、生物膜形成和配置依赖的应力。很少有研究区分不同类型的污水管道（如压力流与重力流系统或直管与弯管部分）的老化和微塑料释放。为了解决这一差距，本研究考察了四种现场老化的PVC污水管道类型：压力直管（PSP）、压力弯管（PEP）、重力直管（GSP）和重力弯管（GEP）。通过结合表面表征、化学光谱、微生物分析、COMSOL仿真和水力冲刷实验，本研究阐明了不同类型管道的老化特征、潜在的老化路径和微塑料释放行为。进一步使用生态风险指数来比较释放的PVC微塑料的潜在生态风险。这些发现为理解PVC污水管道的老化和微塑料释放提供了基于现场的证据，有助于未来对城市排水基础设施的评估和维护策略的制定。
章节摘录
研究区域和埋设的PVC管道样本
现场采样在中国浙江省嘉兴市秀洲区的市政污水管网进行（东经120°18′–121°16′，北纬30°21′–31°2′）。采样的管道位于市政污水服务区域内，接收来自住宅、商业和工业来源的混合废水。根据市政维护记录，采样的PVC污水管道已安装3–28年，符合常见的市政管道规格，直径为
PVC管道的表面形态和老化特征
对市政排水维护记录的分析显示，不同类型和季节的受损PVC管道段分布存在明显差异（图1a,b）。压力流管道（31.82%）和弯管部分（30.77%）占受损段的最大比例，表明水力条件和结构配置可能影响管道的劣化。压力流部分更容易经历长期的水力冲刷和颗粒磨损
结论
本研究调查了四种现场老化的PVC污水管道配置的老化特征、表面变化路径和PVC微塑料的释放行为。结果表明，压力流管道主要受水力冲刷、颗粒磨损和裂纹尖端应力集中的影响，导致与水流方向一致的裂纹、更高的表面粗糙度和更多的微塑料释放。相比之下，重力流管道的表面粗糙度较低，释放的颗粒较大，老化特征
CRediT作者贡献声明
阮敏：撰写 – 审稿与编辑、资源获取、资金筹集。杨佳：验证、资源管理、项目协调。罗元玲：撰写 – 初稿撰写、资源获取、调查、资金筹集、数据管理、概念构思。李二平：撰写 – 审稿与编辑、资源获取、资金筹集。敖霞雅：软件使用、方法论设计、调查。丁玉婷：撰写 – 初稿撰写、软件使用、方法论设计、调查、数据管理。徐海音：撰写 – 审稿与编辑
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的利益冲突或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
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