基于流动体系的再生水管道腐蚀垢层形成机理及动力学研究

Abstraction：Computational Fluid Dynamics (CFD) method is used for formation mechanism and kinetics research of corrosion scale in reclaimed water pipeline based on the flow system. The formation of corrosion scale is affected by ion deposition, microbial activities and electrochemical corrosion. Combination of flow pattern simulation, the formation and dissolution kinetics model of corrosion scale is established under the flow state. The vital function of corrosion scale is explored for controlling the water quality and pipeline corrosion, and the stable condition evaluation index of pipeline corrosion scale is used to guide the evaluation of reclaimed water pipeline performance and generate safe operation strategy, and then to achieve the purpose of the reclaimed water pipe network's steady operation.

摘要：本课题引入计算流体动力学（CFD）方法对流动体系下再生水管道腐蚀垢层的形成机理及动力学研究，通过对影响腐蚀垢层形成的离子沉积作用、微生物富集活动和电化学腐蚀行为的理论和实验研究，结合再生水管道流态的计算机模拟，建立流动状态下腐蚀垢层形成、溶解的动力学模型，探讨腐蚀垢层对稳定水质和控制腐蚀的作用机理，进而提出管道腐蚀垢层稳定状态的评价指标，用以评估再生水管道运行状态，并制定管网安全运行策略，以期达到再生水管网稳定运行之目的。

借鉴自来水管道几十年来腐蚀结垢与防腐研究的历史发展过程，结合再生水管道实际运行现状，本项目提出“基于流动体系的再生水管道腐蚀垢层形成机理与动力学研究”，旨在保障再生水管网水质稳定、延长管道使用寿命。研究成果如下：.（1）采用微观分析技术，分析再生水管垢形貌、元素组成、组成物质晶体结构类型等特性，并与自来水管垢对比，丰富了两种管垢的物化性质及垢层特性等基础数据信息。（2）研究再生水管道内衬水泥砂浆溶解、腐蚀、剥离综合作用机理及影响因素，建立内衬腐蚀速率的数学模型；探究内衬不同剥落状态下，水泥砂浆与球墨铸铁腐蚀特征、规律及腐蚀间存在的协同促进作用；提出内衬在不同腐蚀阶段对管道保护作用的评价方法及评价指标。（3）建立了再生水管道腐蚀垢层形成、溶解的动力学模型，确定了管道不同成垢阶段的管垢生长规律。（4）基于CFD模拟，研究消毒剂对再生水管道及典型管件易腐蚀点位腐蚀的影响，阐明了流态、消毒剂双重作用对管道及管件的腐蚀倾向、腐蚀速率、腐蚀产物层结构的影响规律。（5）依据分子生物学、电化学腐蚀等理论技术，探究铁细菌和硫酸盐还原菌混合生物膜对Q235B碳钢、球墨铸铁和317L不锈钢腐蚀的促进或抑制作用机理；阐明了NaClO和ClO2消毒剂通过参与阴极去极化过程促进了球墨铸铁的腐蚀过程并改变了垢层结构；分析了NaClO和ClO2对主体水和垢层中微生物多样性的影响及对主体水中细菌细胞凋亡的影响；提出了消毒剂-微生物耦合作用下，再生水管道在电化学/微生物协同下的腐蚀作用机理，并建立了腐蚀速率响应面模型。（6）分析再生水管道腐蚀结垢过程中，腐蚀速率、垢层稳定性与水质变化的内在规律，提出腐蚀速率作为管道垢层腐蚀结垢的评价指标，并结合管网日常运行管理需求，提出基于管网常用水质指标的垢层状态评价方法与计算公式。.依据上述研究成果，提出延缓管道腐蚀的再生水出厂关键水质指标控制范围及有效的内衬防腐措施，其中部分成果已实用于再生水管网建设与日常运行管理中。