控制再生水管網(wǎng)腐蝕的關(guān)鍵措施
水質(zhì)性缺水與資源性缺水構(gòu)成的水危機(jī)是我國(guó)所面臨的重大挑戰(zhàn),同時(shí)也是制約社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的主要因素。因此,城市污水再生回用成為解決城市供水不足問題的重要對(duì)策之一。再生水回用途徑眾多,其中工業(yè)用水的需水量往往不隨季節(jié)變化,能夠成為再生水的穩(wěn)定用戶。在再生水回用中,人們廣泛關(guān)注的問題是再生水的水質(zhì)及其回用的安全可靠性,這其中主要是輸配過程中管網(wǎng)內(nèi)的水質(zhì)穩(wěn)定性問題。再生水在輸配過程中,水與管道內(nèi)表面之間均會(huì)發(fā)生復(fù)雜的化學(xué)變化產(chǎn)生腐蝕,管網(wǎng)腐蝕的種類、程度等與再生水水質(zhì)狀態(tài)及處理工藝類型直接相關(guān),因此需優(yōu)化再生水處理工藝,從根源上控制再生水的水質(zhì)穩(wěn)定,從而控制再生水管網(wǎng)的腐蝕。
一、管網(wǎng)腐蝕研究現(xiàn)狀
1.1化學(xué)腐蝕
目前常用的水質(zhì)判斷指數(shù)有Langelier飽和指數(shù)(LSI)、Ryznar穩(wěn)定指數(shù)(RSI)、拉森指數(shù)(LR)和侵蝕指數(shù)(AI)等等,國(guó)際上常用RSI和LSI來評(píng)價(jià)對(duì)鐵管的腐蝕性,而LSI和RSI主要用來判斷水的結(jié)垢與腐蝕趨勢(shì)。
1.1.1 氯離子腐蝕
氯離子是再生水中一種主要的陰離子,描述Cl-腐蝕機(jī)理的主要有成相膜理論和吸附理論。成相膜理論認(rèn)為,因?yàn)槁入x子半徑小,故而穿透能力強(qiáng),緩蝕劑在金屬表面形成保護(hù)膜,膜下屬貧氧區(qū),構(gòu)成陽(yáng)極,金屬表面的氧化膜很容易被穿透,氯離子穿透氧化膜后進(jìn)入陽(yáng)極區(qū)與金屬反應(yīng)生成金屬化合物,破壞氧化膜的結(jié)構(gòu)促使金屬腐蝕。吸附理論則認(rèn)為,金屬對(duì)氯離子有很強(qiáng)的吸附能力,相對(duì)氧而言金屬能優(yōu)先吸附氯離子,從而與金屬反應(yīng)生成可溶性氯化物。金屬氯化物與金屬表面的吸附并不穩(wěn)定,又可以進(jìn)一步水解產(chǎn)生HCl,使Fe的溶解速度加劇,垢下小孔中pH不斷下降,進(jìn)一步促進(jìn)腐蝕。
1.1.2 硫酸根離子腐蝕
King等研究發(fā)現(xiàn),若溶液中Fe2+濃度較低但水中的硫酸根充足時(shí),會(huì)在金屬表面形成一層保護(hù)膜,保護(hù)膜的主要成分是FeS,當(dāng)Fe2+濃度較高且水中的硫酸根充足時(shí),不再形成保護(hù)膜,此時(shí)腐蝕速率加快。因此,金屬管道中,硫酸根的濃度也是影響管網(wǎng)腐蝕的一個(gè)重要因素。Booth等人證實(shí)了若硫酸鹽含量很高,硫酸鹽還原菌可利用的硫酸根增多,硫酸鹽還原菌將硫酸鹽還原為硫化氫后會(huì)促進(jìn)金屬腐蝕行為的進(jìn)行。
1.2微生物腐蝕
微生物腐蝕(MIC)是指由微生物引起或促進(jìn)的腐蝕,它的本質(zhì)是微生物新陳代謝的產(chǎn)物通過影響腐蝕綜合上文,再生水配水管網(wǎng)腐蝕的產(chǎn)生通常包括腐蝕性離子引起的化學(xué)腐蝕以及微生物引起的微生物腐蝕兩大類。文獻(xiàn)從化學(xué)腐蝕、微生物腐蝕兩個(gè)方面對(duì)再生水水質(zhì)提出了要求,因此,需要優(yōu)化再生處理工藝以達(dá)到控制管網(wǎng)腐蝕的目標(biāo)。
二、以控制管網(wǎng)腐蝕為目標(biāo)的再生水處理工藝優(yōu)化研究探討
基于上述研究進(jìn)展分析,再生水中Cl-、SO42-和微生物是影響再生水管網(wǎng)腐蝕的關(guān)鍵因素,而在再生水處理工藝中混凝和消毒是兩個(gè)必不可缺的環(huán)節(jié),這兩個(gè)環(huán)節(jié)由于有藥劑投加,因而是控制化學(xué)成分及微生物水平的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
2.1優(yōu)化混凝過程
混凝劑種類的選擇是控制管網(wǎng)腐蝕重要的環(huán)節(jié)之一。傳統(tǒng)再生水處理工藝中常用的無(wú)機(jī)混凝劑以鋁鹽、鐵鹽為主。傳統(tǒng)的鐵系混凝劑由于其游離酸含量過高腐蝕嚴(yán)重而很難適用。粗制硫酸鋁因酸度過高產(chǎn)生的腐蝕性也較強(qiáng),投加設(shè)備與溶解需考慮防腐。因此,選擇新型無(wú)機(jī)高分子或有機(jī)高分子混凝劑控制腐蝕性離子引入,降低腐蝕微生物含量,實(shí)現(xiàn)管網(wǎng)腐蝕控制。混凝劑的投加對(duì)后續(xù)處理設(shè)備及管網(wǎng)腐蝕均具有一定的影響,其中pH、溫度、投加量、攪拌速度、攪拌時(shí)間是影響混凝效果的主要因素,同時(shí)也是影響管網(wǎng)腐蝕的重要指標(biāo)。投加量是一個(gè)重要的影響因素,投加量過小會(huì)使混凝進(jìn)行的不徹底,達(dá)不到水處理的效果,投加量過高會(huì)引入過高的氯離子或硫酸根離子,促使管道腐蝕發(fā)生。因此,實(shí)現(xiàn)配水管網(wǎng)腐蝕的控制既需要合理選擇混凝劑種類,又需要控制混凝pH、攪拌速度、攪拌時(shí)間、溫度、投加量等指標(biāo)在適當(dāng)?shù)姆秶?,目前,針?duì)控制再生水管網(wǎng)腐蝕的混凝劑相關(guān)研究尚缺乏,再生水處理工藝中優(yōu)化混凝工藝以控制管網(wǎng)腐蝕的研究將是未來再生水領(lǐng)域研究的一個(gè)重要方向。
2.2優(yōu)化消毒工藝
再生水處理工藝的出水水質(zhì)會(huì)直接對(duì)配水管網(wǎng)產(chǎn)生影響,其中對(duì)管網(wǎng)腐蝕影響最直接的就是消毒工藝。目前再生水處理工藝中使用的消毒劑主要包括氯系消毒、臭氧消毒、紫外線消毒等。目前,氯系消毒劑在國(guó)內(nèi)再生水處理工藝中應(yīng)用廣泛,主要的優(yōu)點(diǎn)是消毒持續(xù)時(shí)間長(zhǎng),產(chǎn)生的余氯能夠?qū)芫W(wǎng)中微生物進(jìn)行殺菌控制。同時(shí),氯系消毒劑的使用也帶來很多問題,它們?cè)谒兴鈺?huì)產(chǎn)生氯酸鹽或者一些游離的氯離子,氯離子對(duì)金屬會(huì)產(chǎn)生極強(qiáng)的腐蝕性,氯系消毒劑的使用會(huì)產(chǎn)生腐蝕并影響管網(wǎng)使用壽命。臭氧是一種強(qiáng)氧化劑,主要通過氧化作用破壞微生物膜的結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)殺菌作用,消毒副產(chǎn)物少,廣泛應(yīng)用在飲用水、游泳池等的消毒,部分再生水處理工藝也使用臭氧進(jìn)行消毒。單一的臭氧消毒不能保證管網(wǎng)中微生物的穩(wěn)定,容易發(fā)生管網(wǎng)微生物腐蝕。紫外線消毒主要是基于核酸對(duì)紫外線的吸收。它具有殺菌效率高、成本低、副產(chǎn)物少等優(yōu)勢(shì),是重要的再生水消毒工藝。但是紫外線消毒的缺點(diǎn)是沒有持續(xù)消毒能力,存在微生物的復(fù)活,會(huì)造成管網(wǎng)的腐蝕。為了保證再生水在輸送過程中管網(wǎng)的水質(zhì)穩(wěn)定性以及減小管網(wǎng)腐蝕程度,故考慮采用紫外線-氯聯(lián)合消毒、臭氧-氯聯(lián)合消毒。
再生水處理工藝中混凝及消毒都是關(guān)鍵的步驟,選擇合適的混凝劑與消毒劑的種類確定最佳投加量、控制好影響混凝及消毒效果的工況條件將是再生水管網(wǎng)腐蝕控制的可行之舉。
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