弗林特饮用水危机背后的科学:水管的锈蚀,信任的侵蚀
2016年1月28日,美国东部时间上午5:46
作者:特雷泽·奥尔森
密歇根大学土木与环境工程系副教授
城市供水系统的消毒过程非常复杂,但是弗林特市政犯了严重的错误从而导致了这场饮用水铅中毒的危机。(图片来源:thilli0207/flickr, CCBY-NC)
最近发生在弗林特的饮用水危机对我们来说就是一个惨痛的提醒:实际上我们赖以信任的基础设施存在许多缺陷和漏洞。
这场危机同时也突出显示了为居民社区提供安全高质量的饮用水有多么复杂。
正如弗林特去年的经历一样,当水务有意向使用一条新的河流作为水源时,一般会先雇佣工程公司对原始水源的水质进行详细的研究和试点实验,用以在选择最终的水处理方法之前对各类水处理工艺流程进行评估。
作为一名水消毒方面的研究员以及土木与环境工程专业的教授,笔者深知在水处理设施正式完工之前,至少花上两到三年时间进行规划是再正常不过的了。由于这类系统的性质,其设计过程是迭代反复的,而且要求多个利益相关者在设计过程的各个节点进行投入。
为何设计一个新的表层水处理设施的过程会如此繁杂呢?
弗林特的致命错误
弗林特的饮用水质量问题是始于该市的官员在2014年所做的一个决定,当时弗林特的官员决定不再向底特律购买经过处理的饮用水,转而使用本市拥有的水处理设备来净化弗林特河的水作为饮用水的供给。
这个转变被认为是一个暂时省钱的“应急措施”,依靠这个方案为城市提供饮用水直到他们可以加入一个新的区域性系统——卡利格侬迪水务管理局。在弗林特水处理设备交付使用前,一项耗时十个月、价值十七万一千美元的工程投入被用来装备弗林特的水处理设备以净化弗林特河水。
一般来说,饮用水的水源包括地下水和地表水(比如湖水和河水)。在这些水源中,河水的净化工作挑战最大。
弗林特城市官员关于使用弗林特河水作为饮用水水源的决定注定只能是一个短暂的行为,这个决定导致了水处理过程的改变,从而造成铅从输水管道溶解到水中。(图片来源: RebeccaCook/Reuters)
相对于地下水来说,地表水常常包含更多的颗粒物、微生物、有机物、易产生异味的化合物以及多种类型的痕量污染物。通常情况下,地表水也因此比地下水更具腐蚀性。
除了设计出一个能适应特定水源的水处理方法外,水质工程师还面临其他挑战——他们必须在设计的过程中考虑到大量来自工程、监管和财政方面的约束。
近些年来,用于净化水源的化学物质的费用已经增加到远高于通货膨胀的价格。根据水资源研究基金会2009年发表的报告,磷酸(一种用来抑制腐蚀的化学物质)的平均价格仅仅在2008年就增长了233%。这些防腐蚀的化学物质被用来阻止水管里的铅和其他金属溶解到饮用水中。就在弗林特决定由城市自己来净化水资源的时候,化学物质的价格仍然在增长中。
许多净化表层水的水务正处于寻找耗费更小的方式来实施化学净化的压力之下。然而,颗粒物的去除——这一用于净化类似弗林特河地表水的重要步骤——就是一个密集使用化学物质的操作过程。
铁盐和铝盐通常作为凝结剂添加到供应水源中来帮助颗粒物的聚合,从而通过沉淀的方式有效去除这些颗粒物。目前有很多种类的铁和铝凝结剂,它们依据所处理的饮用水的水质不同而具有不同程度的有效性。
凝结剂的选择对于水处理工艺设计的决定至关重要;因此凝结剂的选择不应该仅仅基于费用。例如,每一种凝结剂都需要被充分利用故而可以增加去除水源中天然有机物的能力。如果仅仅去除很小部分的有机物,其余的有机物会同水中的氯消毒剂反应从而生成有害的副产品。
从硫酸基铝或铁化合物转换到氯酸基铝或铁化合物凝结剂盐也同样会改变水中的氯硫转化率。弗吉尼亚理工学院的一位教员——马克·爱德华兹博士于2010年将这一比率同易受损害的供水系统中较高的铅浓度相关联,而供水系统中水管的材料是铅。弗林特水处理厂主要是依靠氯化铁凝结剂来进行水处理,这很有可能提高了水的腐蚀性。
腐蚀的科学
因为弗林特市对弗林特河水净化采用的方法,这座城市如今正在经历水中三卤甲烷含量上升的问题。三卤甲烷是一种监管类消毒剂的副产品,是已知的致癌物。一系列诸如多米诺骨牌一般的原因和效果导致了这个问题。
弗林特河天然就含有较高浓度的腐蚀性氯化物。因此,供水系统中的铁制水管在刚从底特律供水转换过来的时候就开始生锈。从被腐蚀的水管中溶解出来的铁与水中残留的用以消除微生物的氯化物发生反应,使得这些氯化物的消毒作用失效。
因为与铁制水管反应之后,氯化物的消毒效果不再,导致微生物的数量激增。当在供水系统中监测出大肠杆菌时,根据法律,水务管理者有义务要提高水中氯化物的浓度。氯化物的浓度越高,在减少大肠杆菌数量的同时,也会形成更多的三卤甲烷。
水厂需要根据不同的水源和表层水(比如要求更多化学处理的河水)来设计水处理设备。(图片来源:publicworksgroup/flickr, CC BY-SA)
在提供足够的消毒剂的同时还要达到消毒剂副产物最小化的效果,这是目前大部分水务面对的挑战,即使是在最好的环境下。这些问题在弗林特变得尤为棘手,因为将水输送到千家万户的水管被极度地腐蚀了。
有关饮用水系统水管腐蚀的科学很复杂并且未被完全理解。当天然形成的矿物聚集在水管管壁上时,腐蚀控制就发生了,从而保护铁管表面不与水中的氧化剂接触。水质的变化常常会导致这些矿物涂层溶解,从而使得水管暴露在腐蚀的危险中。
在铁制水管系统中,释放的铁锈颗粒是可见的,会产生有色的混浊水。在老式的供水系统中,铅制的服务线仍然还存在,水管腐蚀就会导致铅和铜溶解到水中。腐蚀速率受到很多因素的影响,包括占据水管壁的微生物、水管的年龄和水流的速率等。这些影响因素目前还在进一步的研究中.
因为溶解的不确定性,大部分水处理设备都会加入磷酸盐腐蚀抑制剂来控制腐蚀。但是添加磷酸盐腐蚀抑制剂的剂量是根据供水行业的经验,而不是基于严格的科学计算而确定的。
失败的省钱举措
实证检验又被成为“循环测试”,通常用于评估已知的供水系统所采用的腐蚀控制对策的有效性。然而在弗林特却无法找到相关测试的记录。
弗林特做了一个很重要的节约开支的决定,那就是不使用腐蚀抑制剂,尤其是针对之前那些由底特律提供的不含腐蚀抑制剂的水,这本应该早一些引起大家的重视。有证据表明“抑制剂是不必要的”这一点是一个最低的常识要求。
不幸的是,水务工作者和水质工程师都忽略了腐蚀控制管理的重要性,也轻视了腐蚀控制管理与他们在水资源处理厂的其他方面所做的决定之间的微妙关系,这些都与我们这个故事意想不到的后果脱不开干系。
在许多水处理的课本中,关于水管腐蚀的专题都是在发生了灾难后的马后炮。弗林特的经历应当成为在水质工程师行业响起的警笛,以弥补监管的不足。
弗林特原本可以因为不添加腐蚀抑制剂而每天节省140美元。但是由于城市所做的错误决定,所带来无法估量的损失将会在很长的时间内都影响着整个城市社区,与这些巨大的损失相比,原先预计能节省的金额看起来更是如同小巫见大巫。
据弗林特市市长凯伦·韦弗所述,更换弗林特原先的铅制供水水管是唯一能够对其易受铅损害的弱点达到治本效果的方案,预计整个工程总共的花费高达15亿美元。
投资基础建设的基金中有一大部分可能已经用于永久地解决以上问题,现在必须要专注于监管、寻找替换水源;在使用点安装水资源处理过滤器;形成健康开支以及恢复已经严重流失的社会信任。
考虑到生产安全饮用水的复杂性和不确定性,在建立任何新系统时必须经过计划和测试这些步骤,对这些步骤毫不怀疑的尊重对于防止发生类似于我们在弗林特所见的事故来说是至关重要的。缺乏尽职调查的计划最后总是会花费更多的金钱。
翻译:季韬
审稿:辅平萍
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