再生水管网系统基于管壁-生物膜-水界面交互作用的腐蚀机制与水质调控原理

The complicated chemical properties of reclaimed water result in significant physi- and bio-chemical reactions in reclaimed water distribution system, and contributes to water quality deterioration and pipe corrosion thereafter. This project focuses on the interfacial interactions between pipe wall, biofilm and reclaimed water, and investigates the chemical corrosion and the biofilm formation and growth on the inner surfaces of pipeline. This study aims to illustrate the dynamic formation and structure characters of corrosion scale and the dynamic formation and species transformation of biofilm, and to indicate the dominant water qulity to impact pipe corrosion and biofilm formation. This project devotes to illustrating the synergistic mechanism between chemical cossion and biological induced crossion, and to propose the technological strategies for corrosion control and feasible treatment processes water quality regulation on the basis of the interfacial interactions between pipe wall, biofilm and reclaimed water. This project will provide scientific basis and promote fundamental support for the control of pipeline corrosion in reclaimed water distribution system.

再生水复杂的水质化学特性使得其在输配管网系统中发生剧烈、复杂的物化与生化反应，进而导致水质恶化和管壁腐蚀。本项目以管壁-生物膜-再生水之间的界面交互作用为基础，研究典型水质化学条件下管壁化学腐蚀与微生物膜生长过程，揭示腐蚀层形成的动力学过程与组成结构特性以及管壁微生物膜生成与菌群结构动态演变过程，明确影响管壁腐蚀与微生物膜生长的水质要素与限制因子，探索化学腐蚀与微生物腐蚀的协同作用机制，建立基于管壁-生物膜-再生水界面交互作用的管壁腐蚀控制技术原理、水质调控策略与适配工艺。本项目将为再生水管网腐蚀控制提供科学依据与基础性支撑。

再生水复杂的水质化学特性使得其在输配管网系统中发生剧烈、复杂的物化与生化反应，进而导致水质恶化和管壁腐蚀。本项目在再生水水质特征研究的基础上，研究了再生水中腐蚀层形成过程与组成结构特性、再生水管网及管壁微生物膜生成与菌群结构动态演变过程，探讨了水质关键组分碳氮磷对腐蚀层、微生物群落结构以及腐蚀过程的影响机制，研究了再生水中次氯酸钠消毒剂衰变规律及其对腐蚀和微生物控制效果的影响，开展了基于腐蚀和微生物控制的混凝沉淀工况优化等适配工艺研究，主要结论如下：（1）硬度和碱度的提高，可以在金属表面形成有效的保护膜而抑制腐蚀。当硬度和碱度达到200mg/L和120mg/L时，抑制腐蚀效果最好；拉森指数的提高加剧了金属的腐蚀，硬度越低其加剧腐蚀的作用越明显；磷酸根具有抑制腐蚀和阻垢的双重作用，其含量低于0.5mg/L时，可有效的抑制腐蚀，但其含量达到1mg/L时，由于钙氧化物无法形成保护膜而加剧了腐蚀。（2）再生水中的变形拟杆、拟杆菌门和厚壁菌门为优势。腐蚀锈瘤中的群落主要有变形菌门（44.36%），厚壁菌门（14.47%），酸杆菌门（7.78% ）。表面层中铁氧化细菌 （主要是嘉利翁氏菌属）、硝酸盐固定菌（主要是固氮螺菌属）和硝化细菌 （主要是硝化螺旋菌属）丰度较高（6.42% ~9.62%）；壳状层和多孔芯层中除了丰度最高的铁氧化细菌，还有铁还原细菌（3% ），壳状层中趋磁细菌丰度为0.2% 。（3）再生水中碳、氮、磷对腐蚀产物形态转化过程和微生物群落结构的影响不同。如磷主要通过配位吸附与铁离子发生化合反应，而有机物则主要通过与氧化铁颗粒的相互作用而发生反应，这是导致碳、磷对腐蚀垢中铁氧化产物形态转化过程产生影响不同的主要原因。在微生物方面，加入有机碳和正磷后，数量较多的菌种有infantis、acnes、dispar和veronii。在加入有机碳后，Bifidobacterium infantis（双歧杆菌）成为优势菌种，其占总细菌数的11.75%。（4）基于管网腐蚀和微生物控制目标，优化提出了混凝沉淀、次氯酸钠和次氯酸钠+紫外线联合消毒等适配工艺。