HDPE、AC、OLT 37和OL37.1饮用水输配管道与水接触时的行为

《Polymers》：Behavior of Drinking Water Distribution Pipes Made of HDPE, AC, OLT 37, and OL37.1 in Contact with Water

　　

饮用水对人类至关重要；其质量决定人体的健康及正常功能。为获得符合现行法规的饮用水，所采用的水处理技术性能以及向消费者输配的基础设施均同等重要。欧洲指令2020/2184的引入使后一方面受到特别重视。基础设施可能显著影响水质，因为存在水在管道中停滞并发生电化学腐蚀、盐沉积或管道退化/腐蚀的时期，也存在水在压力下循环、沉积物及管道颗粒被机械剥离并输送给消费者的时期。本文中，研究人员旨在介绍石棉水泥管（AC）、特种钢管OLT 37、镀锌钢管OLT 37.1和高密度聚乙烯（HDPE）与饮用水接触时的行为。研究在罗马尼亚Calarasi县Calarasi市开展，该市部分旧管道已被更换。研究人员对同类型的新管道与已使用超过20年、最长46年的在用管道进行了对比研究，同时分析了尚未更换的管道对街道消费者饮用水质量的影响。根据所完成的分析可以认为，水质处于最大允许限值以内，但出现的微污染物（如AC微纤维、微塑料、金属锌、锌离子、铁离子、锰、铝）可能蓄积在人体内，长期饮用后可通过生物蓄积显现出效应。

论文解读：HDPE、AC、OLT 37和OL37.1饮用水输配管道与水接触行为

研究背景与目的
饮用水质量直接关系人体健康，既要依靠水处理技术，也取决于输配水管网的安全性。欧盟指令2020/2184明确要求评估与饮用水接触的材料向水中释放潜在有毒物质的风险。管道长期运行会发生腐蚀、沉积和颗粒脱落，受管材类型、水质特征、环境条件和运行工况共同影响。目前对不同材质旧管道在真实供水系统中的形态劣化及其对水质的影响仍缺乏系统认识。为此，研究人员利用罗马尼亚C?l?ra?i市更换旧管网的契机，对未使用和已服役20至46年的石棉水泥管（AC）、OLT 37钢、镀锌OLT 37.1钢和高密度聚乙烯（HDPE）管进行对比研究，并在水处理厂出口与四个街道消费点采集水样，评估输配管道对饮用水质量的影响。该研究发表于《Polymers》。

关键技术方法
样本由罗马尼亚C?l?ra?i县区域供水与污水运营商ECOAQUA S.A.提供；水样取自水厂出口及Nufarului街、Belsugului街、Luceafarului街和Sulfinei街的公共管网消费点。研究采用扫描电子显微镜（SEM）观察管材内表面形貌，结合能量色散X射线光谱（EDX）测定元素组成；用游标卡尺测量管壁厚度变化；对HDPE管进行傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析；水质参数依据ISO标准和欧盟指令2020/2184测定，包括pH、浊度、电导率、游离余氯、氧化性（COD）、硝酸盐、铁、锰、铝等，并使用电感耦合等离子体原子发射光谱仪（ICP-OES）测定金属离子。

研究结果
3.1 石棉水泥管
SEM和EDX分析表明，未使用的AC管内表面均匀、光滑、石棉纤维被水泥良好包裹；使用46年后，水泥基质降解、表面出现侵蚀和凹凸，石棉纤维暴露并可能碎裂成细颗粒。壁厚由12 mm降至11.1 mm。EDX显示镁和硅含量显著下降，钙含量升至27.78%，并出现钠和硫，提示碳酸钙、铝化合物和铁化合物沉积。在街角消费点P1，水浊度较水厂出口增加超过0.150 NTU，电导率增加超过200 μS，氧化性增加约0.4 mg O₂/L，残余铝降低，说明管道释放了颗粒物和溶解性盐。

3.2 OLT 37钢管
使用42年后，OLT 37管壁厚度由4 mm降至无沉积区的3 mm，在沉积区增至12 mm。SEM显示表面出现深度腐蚀和不均匀结构。EDX表明铁含量从98%–99%降至约56%，氧含量升至40%以上，表面还检出铝、硅、钙、锰等元素。在水质方面，P2点浊度、电导率和氧化性明显升高，铁和锰离子浓度增加，铝浓度下降，硬度略微下降。氧化性有时增至原来的三倍，表明钢管发生了较强程度的腐蚀和溶解。

3.3 镀锌OLT 37钢管
未使用的OLT 37.1管表面锌层不均匀，存在局部腐蚀空腔；使用23年后，表面锌含量从约87%降至31.07%，铁含量升至32.04%，氧含量增至32.8%，并出现铝、硅沉积。这说明锌层已被溶解或机械剥落，钢基体暴露。P3点水质表现为pH轻微下降，浊度和电导率升高，游离余氯降低，氧化性（COD）增加，铁浓度升高；锌离子浓度低于定量限，表明使用多年的镀锌管已基本停止释放锌。

3.4 高密度聚乙烯管
HDPE管使用20年后，壁厚由5 mm变为4.9 mm（腐蚀区）至5.2 mm（沉积区）。SEM显示表面非均匀，存在微晶、无定形沉积和微裂纹。EDX显示氧含量由约2%增至47%，碳含量降至42%，沉积物包含铝、硅、锰、钙的氧化物/碳酸盐。FTIR显示老化和使用后，–OH和C=O相关峰增强，但1710–1740 cm^?1区域未出现显著羰基峰，表明氧化降解尚未达到严重程度。P4点水质呈pH略升、浊度增加、余氯降低、硝酸盐略降、铁锰铝浓度下降、氯离子升高的趋势。

讨论与结论
讨论指出，各类管材在长期服役后均会发生腐蚀、溶解或沉积，并通过颗粒脱落和离子释放改变末端水质。虽然所有取样点的水质仍在最大允许限值内，但AC微纤维、微塑性颗粒、锌、铁、锰、铝等污染物可能通过生物蓄积对长期饮用者产生健康风险。四种管材的风险排序为：AC > OLT 37 > OLT 37.1 > HDPE，HDPE管当前具备最高的运行安全性。
原文结论翻译：C?l?ra?i市饮用水配水管网中，石棉水泥管占比极少，OLT 37管占22%以上，OLT 37.1管极少，HDPE管占76%以上。已服役20至46年的旧管网已部分更换为HDPE管。AC管在使用46年后出现水泥磨损和石棉纤维暴露，导致末端水pH、浊度、电导率和氧化性升高，属于很高/临界风险。OLT 37管使用42年后发生腐蚀和磨蚀，释放铁离子并形成氧化物、碳酸盐、硫酸盐和氢氧化物沉积，使末端水氧化性、电导率和浊度升高，铁和锰的释放带来额外毒性风险，属于中风险。OLT 37.1镀锌管初期通过形成锌氧化物/氢氧化物保护层，锌层消失后行为与OLT 37相似，风险为低至中度。HDPE管在20年后出现材料脆化、老化和微裂纹，并释放微塑料颗粒，同时表面存在无机盐沉积，末端水浊度、电导率、氧化性及铁、锰、铝浓度发生变化，但仍符合最大允许限值，目前属低风险。建议减少消毒用氯化合物浓度，并确保管材中含有足够数量和合适类型的抗氧化剂，以延长HDPE管的使用寿命。管道材质会改变饮用水质量，长期摄入含有AC微纤维、铁锰氧化物、锌及HDPE微塑料的水，可能通过生物蓄积影响人群健康。