弗林特水危机背后的科学:高德平台管道的腐蚀,信任的侵蚀

时间:2020-07-08 作者:河南《高德娱乐》 热度:
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高德娱乐-Q554258报导: 弗林特最近的水危机是一个尖锐的提醒,我们经常认为理所当然的基础设施有许多弱点。
 
这场危机还凸显了向社区提供安全、高质量饮用水的复杂性。
 
对使用新的河流水源感兴趣的水务公司,比如去年弗林特市,通常会雇佣工程公司对原水质量进行详细研究,并在选择处理方法之前进行试点研究,以评估各种水处理工艺方案。
 
作为一名水消毒研究人员和土木与环境工程专业的教授,我知道这样的设施要经过至少2 - 3年的规划才能完成剪彩是正常的。这些系统的设计本质上是迭代的,需要在设计过程的不同点上来自多个涉众的输入。
 
为什么新的地表水处理设施的设计如此复杂?
 
弗林特的致命错误
 
弗林特市的水质问题始于2014年,该市官员决定从购买底特律处理过的饮用水转向使用该市拥有的处理设施自己处理弗林特河的水。
 
这一转变被认为是一种临时性的省钱“修理”,目的是在他们能够加入一个新的地区系统——Karegnondi水务管理局之前,为该市提供饮用水。在弗林特工厂投入使用之前,进行了为期10个月、耗资17.1万美元的工程努力,使其能够处理弗林特河的水。
 
一般来说,饮用水源包括地下水和地表水,如湖泊和河流。在这些水源中,河流的处理是最大的挑战。
 
弗林特市决定使用弗林特河的水,这是一个暂时的举动,导致了水处理的改变,导致铅从管道渗漏。丽贝卡·库克/路透社
 
相对于地下水,地表水往往含有更多的颗粒、微生物、有机物、引起味道和气味的化合物以及多种类型的微量污染物。平均而言,地表水的腐蚀性往往比地下水更强。
 
除了设计一种针对水源水的处理方法所面临的挑战之外,水质工程师在设计过程中还必须考虑无数的工程、监管和财政约束。
 
近年来,用于处理水的化学药品的成本增长速度远高于通货膨胀。根据水研究基金会2009年发布的一份报告,磷酸的平均价格仅在2008年就上涨了233%。磷酸是一种可以抑制腐蚀的化学物质。这些防腐蚀化学品是用来防止管道中的铅和其他金属淋入水中的。在弗林特决定处理自己的水的时候,化学费用仍然在增加。
 
许多处理地表水的公用事业公司都面临着寻找成本较低的化学处理方法的压力。然而,颗粒去除是处理弗林特河等地表水的关键步骤,是一项化学密集型操作。
 
铁和铝盐是典型的混凝剂,添加到水供应,以帮助聚集颗粒,以便它们可以通过沉降有效地去除。有许多类型的铁和铝混凝剂,它们有不同程度的有效性取决于水的质量被处理。
 
混凝剂的选择是一项重要的设计决策;因此,混凝剂的选择不应只考虑成本。例如,每种混凝剂都必须经过优化,以增强对水源水中天然有机物的去除。如果去除的有机物太少,就会与水中的氯消毒剂发生反应,形成有害的副产品。
 
从硫酸盐盐到氯铝或铁混凝盐的转换也会改变水中的氯-硫酸盐比率。2010年,弗吉尼亚理工大学(Virginia Tech)的教员马克·爱德华兹(Marc Edwards)博士将这一比例与脆弱的铅管道配送系统中较高的铅浓度联系起来。弗林特处理厂依赖于氯化铁混凝剂,这可能导致了水的腐蚀性。
 
腐蚀科学
 
由于弗林特公司处理弗林特河水的方法,它遇到了三卤甲烷升高的问题,三卤甲烷是一种受管制的消毒副产物,是已知的致癌物。导致这个问题的原因和后果是多米诺骨牌效应
弗林特河含有大量的腐蚀性氯化物。因此,配水系统中的铁管在从Detroit water开始切换后就开始腐蚀。从腐蚀的管道中释放出来的铁与添加以杀死微生物的余氯发生反应,使其无法起到消毒剂的作用。
 
由于与铁管发生反应的氯无法起到消毒剂的作用,细菌数量激增。当在供水系统的水样中检测到大肠菌群时,自来水公司管理人员有义务依法提高氯的含量。较高水平的氯,同时减少大肠菌群的数量,导致形成更多的三卤甲烷。
 
自来水公司需要针对每个水源设计处理方案,而地表水(如河流)需要更多的化学处理。flickr publicworksgroup / CC冲锋队
 
即使在最好的情况下,在尽量减少消毒副产品的同时提供充分的消毒是大多数公用事业所面临的挑战。在弗林特,供水管道的过度腐蚀使这个问题变得棘手。
 
饮用水系统中管道腐蚀的科学是复杂的,人们还没有完全理解。腐蚀控制发生在自然形成的矿物质沉积在管道壁上,从而保护铁管表面从暴露在水中的氧化剂。水质的变化有时会溶解这些矿物涂层,使管道暴露在腐蚀中。
 
在铁管系统中,释放出的铁腐蚀颗粒是可见的,造成有色和混浊的水。在老式的配电系统中,铅管线通常仍在使用,铅和铜随后就会被腐蚀掉。腐蚀速率可能受到许多尚不清楚的因素的影响,包括菌落在管壁上的细菌的存在,以及管道年龄和水流速率。
 
由于浸出的不确定性,大多数处理地表水的公用事业添加磷酸盐缓蚀剂来控制腐蚀。他们根据水务行业的经验而不是严格的科学计算来设计剂量。
 
虚假的经济
 
经验试验称为“循环试验”,通常用于评估腐蚀控制策略的有效性,应用于给定的配水系统。没有记录表明在弗林特进行过这样的测试。
 
Flint做出的一项关键的节约成本的决定应该引起关注,即不使用缓蚀剂,尤其是在此前底特律供应的水中确实含有缓蚀剂的情况下。证明抑制剂是不必要的证据是一个最低的常识要求。
 
不幸的是,公用事业人员和水质工程师对腐蚀控制管理的重要性及其与处理厂其他地方所作决策的微妙联系的无知,也在这个意外后果的故事中发挥了作用。
 
在许多水处理教科书中,管道腐蚀的话题被当作事后才考虑。弗林特的经验对水质工程师的职业来说应该是一个警报,来弥补这个疏忽。
 
通过不添加缓蚀剂,弗林特每天将节省大约140美元。但是弗林特所犯的错误所造成的不可估量的损失将在很长一段时间内影响整个社区,其规模将使原来计划的节约相形见绌。
 
据弗林特市市长卡伦·韦弗(Karen Weaver)估计,更换弗林特的铅服务线(这是解决其铅脆弱性的唯一永久性解决方案)的成本高达15亿美元。
 
对基础设施的投资可能会对永久性解决这一问题产生重大影响,但现在必须把重点放在监测、替代水源、使用点处理过滤器、医疗成本和恢复严重受损的社区信任上。
 
考虑到生产安全饮用饮料的复杂性和不确定性,任何新系统的必要计划和测试步骤都必须得到不容置疑的尊重,以防止类似我们在弗林特所看到的事件的发生。在规划中缺乏尽职调查,最终总是要付出更多的代价。

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