各国政府十分重视环境污染的治理，不惜花费巨大的人力、物力和财力，耐水污染环境圬染进行有计划的根治。要治理、处理污水，就要收集、汇总污水于化学、生化处理装置中，利用一整套先进科学的污水处理工艺。使处理后的污水达到排放或复用的标准要求。因此，采用何种材质的管道，构筑输送污水的管网，达到既经济又不再出现二次污染，是工程中应首先考虑的问题之一。
对现在较常用的输送污水几种质材，作比较性研究，从中选用最具社会效益和经济效益的管材，具有很重大的环保意义。
1 污水对管材的腐蚀作用
1．1 污水的成分
污水的主要来源是生活废水、工业废水和雨水，是—种组分十分复杂、腐蚀性较强的介质。不同地区、不同城市、城市中不同地理位置，其污水的组分和含污量也是千变万化的。
本文主要研究污水对管材具有腐蚀作用的成分。虽然这些成分很小，但其腐蚀能量很大。生活废水的主要成分以有机物居多；工业废水主要来自各种类型的工矿企业的生产废水、化学反应的排放水、冷却水和作为物料载体的输送水等，这是对人类的健废与生命、对动植物生长与生存最具威胁的—部分污水。雨水本来是洁净无污染的，但由于工业粉尘、工业气体和宇宙射线的存在，在雨水形成和降落过程中．吸收、溶解了污染物而被污染，有些地区出现的酸雨就是最好的证明。降落于地面的雨水，吸收深解在开发和运输过程中散失于地表的有害物料形成了污水。污水中含有有机物、无机物、微生物及细菌，它们在水中成悬浮体、胶状体和深液存在。
有机物主要为碳氢化合物，有的还会有氧元素、磷元素和硫元素等。污水中的微生物菌种很多，分好氧菌和厌氧菌两类。所谓好氧菌，就是该菌喜欢自由氧气，在与氧的协同作用下能完成有机物的分解、生化过程，放出硫化氢和二氧化碳。当好氧菌把污水中的氧气逐渐消耗掉的时候，厌氧菌开始发挥自身的功能作用，它们从有机物中，甚至从亚硝酸盐、硝酸盐和硫酸中分解出氧，形成酸性氧化物，如：二氧化碳、三氧化硫和五氧化二氮，在污水中形成相应的酸类，H2C03、H2SO4、HNO3等。污水中的无机物有碱性氧化物和碱类，包括KOH、NaOH、Ba(OH)2、和CaO等，碱性氧化物与水反应生成碱，如：CaO+H2O→Ca(OH)2。
1．2 污水对管材的腐蚀作用
目前应用于污水收集、输送较多的管材主要有混凝土管、钢筋混凝土管、钢管和近年研制开发的玻璃钢夹砂管(PPMP)。
(1)酸的腐蚀作用
污水中酸的种类很多，如：H2C03、H2SO4、HNO3、HCI、H2S及各种有机酸。一般来讲，钢铁在酸性溶液中是不耐腐蚀的，酸与铁元素起化学反应，生成盐类。
HR十Fe→FeR十H2
式中H代表酸根。从中可以看出，不管是钢管中的铁元素，还是混凝土包裹的钢筋，只要与酸接触，就会发生化学反应．被腐蚀掉。更何况钢是铁碳合金，还会形成电蚀。
混凝土的主要成分之一是水泥．其水化物是由游离的氢氧化钙筹组成，呈高碱性，PH值可高达12左右。这使钢筋袁面钝化，形成一层保护摸，因而一般情况下不会使钢筋表面发生腐蚀现象。但废水中的酸可与氢氧化钙反应使水泥结构疏松，变质而破坏水泥结构。RPMP管所用的树脂。其固有的属性是耐酸、碱腐蚀，污水中酸、碱的腐蚀作用对其影响很小，见表1。
表1 树脂的耐硅性
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介质 |
H2SO4 |
HNO3 |
HCI |
H2S |
|
耐腐浓度% |
＜75 |
＜40 |
＜37 |
全部 |
(2)碱的腐蚀作用
纯铁是不为碱液所腐蚀的，这类碱液包括象氢氧化钠、氢氧化钾、氢氧化钙、氢氧化钡这样的强碱，以及如碳酸钠、硫酸钠等之类的碱性盐。但碱液对铁不腐蚀是有条件的，也就是说碱液的PH值为大于9．5时，在铁的表面层上会生成一种γ体的氧化膜，这层膜质地致密坚硬，可阻挡铁的腐蚀。混凝土的高碱性，对其内部包裹的钢筋有一个很好的保护作用，但废水中不可能有如此高的碱性，由于PH值较小，钝化膜就不存在，铁被腐蚀。
由于钢铁皆为铁碳合金，在微电池的阳极区铁释放出电子，即Fe→Fe2++2e，自由电子流向阴极区，溶液中的氢氧根离于与阳极溶解的铁离子结合，生成氢氧化铁20H¯+Fe2+→Fe(OH)2，即铁锈。钢铁材料也不耐碱腐蚀。但RPMP的耐碱性能是很好的。
表2 RPMP的耐碱性能(常温下)
|
介质 |
KOH |
NaOH |
Ca(OH)2 |
Mg(OH)2 |
AL(OH)3 |
|
所耐浓度/% |
＜25 |
＜50 |
饱和 |
全部 |
全部 |
(3)盐的破坏作用
污水中有多种无机盐成分，有的溶解于水，有的呈颗粒状悬浮于水中。尽管大多数盐类对钢管没有多大的腐蚀作用，但对钢筋混凝土管却并非如此。混凝土为多孔的胶凝材料，无机盐会以水为载体渗入到混凝土材料的孔隙中，在适当温度条件下生成该盐的结晶水合物，体积增加，如氯化钠溶于水后会变成含有2个结晶水的水合物(NaCl·2H2O)，其体积膨胀率为130％。如此大的体积膨胀，足以使混凝土膨胀、起泡、粉化以致开裂剥落。
表3 部分生成结晶水合物的盐类
|
盐 |
水合物 |
盐 |
水合物 |
|
NaCI |
NaCI·2H2O |
Fe(NO3)3 |
Fe(NO3)3·9H2O |
|
BaCI2 |
BaCI2·2H2O |
Cu(NO3)3 |
Cu(NO3)3·6H2O |
|
CuCI2 |
CuCI2·2H2O |
Mg(NO3)2 |
Mg(NO3)2·6H2O |
|
Na2SO4 |
Na2SO4·H2O |
Na2CO3 |
Na2CO3·10H2O |
|
MgSO4 |
MgSO4·6H2O |
K2CO3 |
2K2CO3·3H2O |
|
CaSO4 |
CaSO4·2H2O |
|
|
另一方面污水中存在的碳酸根、碳酸氢根、氨根等随着混凝土中孔黠的产生浸入、渗入水泥胶凝体内，与氢氧化钙发生反应：
Ca(OH)2十CO32-→CaCO3↓+2OH¯
Ca(OH)2十HCO3¯→CaCO3↓十OH¯+2H2O
Ca(OH)2十NH4+→CO2++2NH3↑+2H2O
溶解状态的Ca(OH)2的不断消耗，结晶状态下的Ca(OH)2的不断溶解，使水泥胶凝体的原有孔隙逐渐增大而失去强度。
(4)微生物、菌类的作用
污水中有许许多多微生物和菌类。在有机物和硫酸盐存在的条件下，污水发酵分解的PH值在6~9时，是微生物和菌类生存繁殖的最好时机，因此出现了大量的微生物、菌类。应该说，微生物、菌类本身对管材没有什么腐蚀作用，但其间接作用不可忽视。本文简单介绍一下以硫细菌和铁细菌为代表的好氧性细菌和以硫酸盐还原苗为代表的厌氧性细菌。
硫细菌能把硫、硫化氢氧化成硫酸，在个别部位、个别条件下生成的硫酸浓度可高达10％，PH值为1．3左右。因此，与钢管、水泥混凝土的钢筋一旦接触，都有腐蚀作用。铁细菌的腐蚀作用就是在氧的协助作用下把二价铁氧化成三价铁，加速了钢铁的腐蚀。硫酸盐还原菌是厌氧菌的一种，常藏身于好氧硫细菌的沉积物下面。其体内有一种特殊的物质，即过氧化氢酶。在该酶的协助作用下，硫酸盐还原菌能把硫酸盐还原成硫化氢，从而产生腐蚀性物质。其反应如下：
FeSO4+8H++8e→Fe(OH)2+H2S+2H2O
(5)氯离子的腐蚀作用
污水中含有氯离子，氯离子的穿透能力极强，很容易通过混凝土的孔隙而达到内部钢筋的表面，形成对钢筋的电偶腐蚀。
2 管材经济性比较
尽管水泥管、钢筋混靛土管、钢管都存在着腐蚀问题，但是人们采用了一定的防腐措施后，起到了一定的防腐效果，所以目前仍在使用。但采用防腐涂层，需要对管壁进行严格的表面处理及涂装。一旦局部欠佳，会招致此层脱薄，造成腐蚀，更易穿孔渗漏。污水对钢管、钢筋混凝土管都有腐蚀作用，严重地降低了两种管材的使用寿命。根据国内外使用情况，一般认为钢管的使用寿命为15年，钢筋混凝土管的使用寿命为20年，RPMP的使用寿命为40年。以40年为一个投资期，估算的投资费列表4中。表中一次性投资包括管材费，防腐费、运费、土方费。
表4 三种管村40年投资的经济性能表（成元/km）
|
公称内径/mm |
钢管 |
钢筋混凝土管 |
玻璃钢夹砂管 |
|
一次性投资 |
40年投资 |
一次性投资 |
40年投资 |
一次性投资 |
40年投资 |
|
200 |
30.5 |
81.3 |
10.4 |
20.8 |
8.6 |
8.6 |
|
250 |
40.2 |
107.2 |
13.5 |
27.0 |
11.8 |
11.8 |
|
300 |
47.4 |
126.4 |
14.6 |
29.2 |
15.0 |
15.0 |
|
350 |
54.8 |
146.1 |
17.2 |
34.2 |
198.4 |
19.4 |
|
400 |
62.0 |
165.3 |
19.3 |
38.6 |
23.7 |
23.7 |
|
450 |
74.0 |
197.3 |
22.9 |
45.8 |
29.6 |
29.6 |
|
500 |
81.8 |
218.1 |
25.0 |
50.0 |
35.3 |
35.3 |
|
600 |
103.6 |
276.2 |
31.6 |
63.2 |
49.2 |
49.2 |
|
700 |
115.3 |
307.4 |
44.8 |
89.6 |
65.5 |
65.5 |
|
800 |
131.3 |
350.0 |
50.0 |
100.0 |
84.6 |
84.6 |
|
900 |
142.8 |
380.7 |
58.4 |
116.8 |
105.9 |
105.9 |
|
1000 |
158.2 |
421.8 |
66.3 |
132.6 |
129.6 |
129.6 |
|
1100 |
181.0 |
482.5 |
74.8 |
149.6 |
156.0 |
156.0 |
|
1200 |
203.4 |
542.3 |
87.9 |
175.8 |
184.9 |
184.9 |
|
1350 |
254.3 |
678.0 |
121.2 |
243.6 |
231.6 |
231.6 |
|
1400 |
262.7 |
700.4 |
134.2 |
268.4 |
254.3 |
254.3 |
|
1500 |
296.1 |
789.4 |
149.5 |
299.0 |
285.0 |
285.0 |
|
1600 |
327.8 |
873.9 |
194.3 |
388.6 |
323.7 |
323.7 |
从表列出的数据可以看出，在直径200mm的内径时，三种管材一次投资费用为：钢管：钢筋混凝土管RPMP=1：0.34：0.28，40年投资比为9.5：2.4：1；直径1600mm时一次性投资比为1：0.9：1，40年投资比为2. 7：1.2：1。从长远的观点考虑问题，RPMP管要比其它两种管材要经济的多。
3 应用实例
水泥管、钢筋混凝土管应用于排水管是比较早的，也出现过一些事故，今后应引以为戒。华北某市曾铺放直径1400mm预应力钢筋混凝土管，由于管线浸泡于有腐蚀介质的沟槽中，两年后发现钢筋已被腐蚀，时常出现管子断裂而不得不报废。华东某地铺放了直径1000mm的预应力钢筋混凝土管线，于1978年铺成，因为钢筋腐蚀爆裂严重而不得不于1982宣布报废，这样的例于实在太多。国外也有惨痛的历史教训，1946年法国曾在北非修建一条预应力钢筋混凝土管线，多次发生钢筋混凝土管的钢筋锈蚀事故。阿根廷于1962~1964年铺放了一条预应力钢筋混凝土管线，因为土壤腐蚀严重，钢筋锈蚀严重造成管材破裂。国外的玻璃钢夹砂管材问世较早，大约为上世纪80年代初。由于工业的发达，玻璃钢夹砂管较早用于在排水工程，并收到了良好的经济效益。
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