自来水“黄水”危害新认识

背景

饮用水水质与人类健康息息相关。随着人民生活水平的提高，对饮用水水质的要求也不断提高。水厂处理后的出厂水需要经过管网系统输送到用户，作为给水系统中的重要环节，饮用水管网输配系统的特性和运行条件可对水质产生重要影响，饮用水在输配过程中的二次污染已成为制约龙头水达标的关键。管网输配系统最重要的组成部分为管道。常见的给水管道材料有金属和塑料两大类。金属类管材主要包括球墨铸铁管、钢管、铜管、不锈钢管等，具有优异的力学性能和良好的耐久性，但在使用过程中难以避免出现腐蚀结垢、腐蚀产物释放及附着微生物滋长等问题。塑料类管材主要包括聚氯乙烯管、聚乙烯管、聚丙烯管，聚丁烯管等，具有内壁光滑不易结垢、轻便易安装等优点，然而存在机械性能差、使用寿命短等问题。此外，塑料类管材还存在向水中释放有机物的风险。

球墨铸铁管是供水管道最常用的管材，管壁附着的疏松沉积物中常包含铁腐蚀产物，疏松沉积物在遇到水力扰动（例如水源切换、停水等）时会悬浮进入水中，造成自来水“黄水”现象。自来水“黄水”问题是全世界自来水公司收到的最常见投诉之一。

进展

自来水“黄水”问题通常被认为是感官性状问题，对于“黄水”中含有的颗粒物认识尚不清楚。“黄水”中的颗粒物是否具有健康危害？在复杂的管网条件下生成的颗粒物结构和性质是否会发生变化？

针对上述问题，中国科学院生态环境研究中心石宝友团队庄媛副研究员一方面从供水管网获取实际疏松沉积物，另一方面对在不同管网常见共存物质条件下合成了沉积物的重要组分FeOOH，对系列样品的结构和性质进行分析，在对于“黄水”危害的认识上取得了重要进展：

(1) 实际管网疏松沉积物具有潜在健康危害，来自无铸铁管的沉积物比有内衬的毒性更高，人体健康肝脏细胞MTT毒性实验中的24h细胞存活率分别为82.2%和89.5%。FeOOH作为管网铁颗粒物最常见的组分之一，在不同常见管网共存物质的存在下形成时具有不同的形貌，对毒性具有显著影响，具有锋利表面的颗粒毒性较高，具有光滑表面的毒性最低。在铁颗粒物导致毒性的过程中，除了形貌具有重要影响外，特定的微量有机污染物（例如全氟化合物PFOA）可通过与铁组分建立强相互作用引发铁周围电子密度增大，通过多重夺电子路径造成更大的氧化损伤危害，导致毒性显著提升，FeOOH和FeOOH-PFOA人体健康肝脏细胞MTT毒性实验中的24h细胞存活率分别为81.6%和29.7%（该浓度水平下单独的PFOA无明显毒性）。这一研究结果表明“黄水”不只是感官问题，还具有潜在毒性。

(2) 管网不同的共存物质显著影响FeOOH的形貌和结构，微量有机物共存下的FeOOH比表面积显著高于无机物共存时的颗粒，尤其是消毒副产物三氯乙酸存在时形成的规则的海胆状结构比表面积最高（有无三氯乙酸时比表面积分别为118.56m²/g和37.21m²/g）、对污染物的富集能力最强（以四环素为目标污染物时FeOOH和FeOOH-TCA的最大吸附量分别为400.13mg/g和625.05mg/g）。除了比表面积增大引起接触位点增多之外，氢键增强是影响该富集过程的重要因素，通过模拟计算证实四环素在FeOOH表面具有良好的亲附力，结合能为-179.61kJ/mol，两者的结合是通过羟基与羟基建立氢键（四环素三个羟基与FeOOH之间的键长分别为2.51Å, 1.91 Å和2.68 Å），有机质共存下形成的FeOOH有利于与四环素建立更强的氢键作用。

管网铁颗粒物富集污染物能力对比

结语

上述研究结果不仅揭示了铁颗粒物在复杂管网条件下存在结构转变，同时也发现了微量有机物（例如全氟化合物、消毒副产物）的新危害——改变铁颗粒物的结构导致颗粒物毒性和富集作用增大，对于全面认识自来水“黄水”危害具有重要意义。

解决自来水“黄水”的关键在于提升管网尤其是管道内衬的稳定性，在此方面，该团队已与供水管道生产厂家建立合作，研究球墨铸铁管水泥砂浆内衬对水质的适应性，并进一步联合攻关球墨铸铁管新型抗腐蚀内衬的研发，为保障饮用水安全提供技术支持。（横向课题.水泥砂浆内衬球墨铸铁管输送不同类型水质适应性评价方法研究.2019.6-2020.12. 项目负责人: 庄媛）

参考资料

• Yuan Zhuang et al. Mechanism study onorganic pollutant accumulation by iron-based particles in drinking water conditions. Chemical Engineering Journal. In press. DOI 10.1016/j.cej.2020.125157

  https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1385894720311499

• Yuan Zhuang et al. Structural transformation and potential toxicity of iron-based deposits in drinking water distribution systems, Water Research, 2019, 165, 114999.

  https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0043135419307730