城市污水生化处理出水中有机物对循环冷却水系统中矿物结垢、微生物结垢和金属腐蚀过程的作用及机理

The secondary effluent of municipal wastewater could be used as the makeup water of recirculating cooling water systems, which showed great potential in many industrial applications. However, the high concentration of the inorganic ions and organic matters contained in the effluent may pose great challenges to the control of miner scaling, microbial fouling and metal corrosion in cooling water systems. Most of resent researches focused on improving the quality of the effluent and searching for efficient chemicals to solve the problem. Few reports on the effect of organic matters in secondary effluent of municipal wastewater on mineral scaling, microbial fouling and metal corrosion in cooling water systems could be found. In this project, the organic matters contained in secondary effluent of municipal wastewater were separated into hydrophobic acidic matters, hydrophobic neutral matters, hydrophobic alkaline matters, weak hydrophobic matters and hydrophilic matters using XAD-8 and XAD-4 resins. Based on static experiments, dynamic simulation experiments and electrochemical experiments, the effect of hydrophobic acidic matters, hydrophobic neutral matters, hydrophobic alkaline matters, weak hydrophobic matters and hydrophilic matters in the secondary effluent of municipal wastewater on mineral scaling, microbial fouling and metal corrosion in cooling water systems will be systematically investigated and the mechanism concerned will be explained.

城市污水生化处理出水回用于循环冷却水系统对节能减排及缓解水资源紧缺具有重要意义，城市污水经二级生化处理后，水中含有微生物代谢产物和难降解有机物，这些有机物对循环冷却水系统中的矿物垢的形成、微生物垢的生长及金属腐蚀过程的作用及相关机理尚不明确。现有研究报道大多集中在增加深度处理提高水质和开发高性能水处理药剂两个方面，对于城市污水生化处理出水中有机物对循环冷却水系统中结垢和腐蚀的影响还鲜见报道。本项目采用树脂分级分离方法对城市污水生化处理出水中的有机物按酸碱性及亲疏水性进行分类分离，在静态结垢实验和循环冷却水动态模拟实验条件下，结合电化学方法（动电位极化曲线、交流阻抗谱分析等）系统研究城市污水生化处理出水中疏水碱性有机物、疏水酸性有机物、疏水中性有机物、弱疏水性有机物和亲水性有机物对循环冷却水系统中的矿物结垢、微生物结垢和金属腐蚀过程的作用及相关机理。

城市污水生化处理出水中含有微生物未降解的有机物和微生物代谢产物类有机物，这些有机物对于循环冷却水系统中的矿物结垢、微生物结垢和金属腐蚀具有潜在影响。本项目基于城市污水生化处理出水回用于循环冷却水系统的应用背景，采用XAD-8和DAX-4树脂对城市污水生化处理出水中的有机物进行分类分离，分离出疏水碱性有机物、疏水酸性有机物、弱疏水性有机物和亲水性有机物。采用静态沉淀实验、电化学实验和微生物培养实验分别考察了这四类有机物对碳酸钙结垢的影响、对碳钢腐蚀行为的影响、对不锈钢腐蚀行为的影响、对黄铜腐蚀行为的影响以及对微生物污染形成的影响。结果显示，四类有机物对碳酸钙结垢、碳钢腐蚀、不锈钢腐蚀和黄铜腐蚀均有一定程度的抑制作用，但对微生物结垢具有明显的促进作用。具体来说，疏水碱性有机物、疏水酸性有机物、弱疏水性有机物和亲水性有机物对碳酸钙结垢的抑制作用效率分别为36%、28%、16%、12%。有机物可以使碳酸钙结晶颗粒的形貌发生变化而未能改变结晶的晶型。动电位极化和交流阻抗谱测试发现含有不同种类有机物的试样金属腐蚀速率小于对照样，说明有机物对于金属腐蚀具有抑制作用。与对照样相比，疏水碱性有机物、疏水酸性有机物、弱疏水性有机物和亲水性有机物使N80碳钢的腐蚀速率分别降低41%、23%、18%和4%；使Q235碳钢的腐蚀速率分别降低了20%、20%、15%和12%；使304不锈钢的腐蚀速率分别降低了26%、4%、4%和11%；使316L不锈钢的腐蚀速率分别降低了30%、46%、12%和28%；使黄铜的腐蚀速率分别降低了20%、19%、8%和7%。通过交流阻抗谱数据的等效电路拟合发现，有机物主要通过吸附在电极表面阻碍电子转移和形成稳定腐蚀层来保护金属降低腐蚀速率。城市污水生化处理出水中的有机物有助于微生物的生长繁殖，在城市污水生化处理出水回用于循环冷却水系统中有机物对微生物污染的形成具有促进作用，需要重点控制微生物污染。