一种研究消毒后中水回用设备腐蚀影响因素的方法

摘要

本发明属于中水回用中器材腐蚀技术领域，特别涉及一种研究消毒后中水回用设备腐蚀影响因素的方法。本发明方法首次采用了中心复合设计和响应曲面对中水做循环冷却水对系统设备腐蚀的研究，通过本方法能形象的表达出影响腐蚀的因素之间的关系和实际效果，与正交试验不同，中心复合设计试验方法在保证显著因素的同时，利用响应曲面的方法形象的表达了两两因素之间对腐蚀速率的影响效果。

说明书

技术领域

本发明属于中水回用中设备腐蚀技术领域，特别涉及一种研究消毒后中水 回用设备腐蚀影响因素的方法。

背景技术

中水是指污水经过适当处理后，达到一定的水质指标，满足某种使用要求， 可以进行有益使用的水，达到二沉池出水要求的中水根据用途不同，可直接或 者再经过进一步处理后应用于工业过程中，应用最广泛的用途就是工业冷却水， 中水回用作为工业用途，既可以节约水资源，又可以解决供水紧张的压力，还 能够降低成本，有效防止环境污染，北京市中水回用每日处理能力可达37万立 方米，中小型中水设施日处理回用能力达到3万立方米。

中水回用在我国尚处于起步阶段，一般仅应用于灌溉和景观用水，工业利 用较少，随着水价的上涨以及缺水的状况越来越严重，中水回用做工业用水逐 渐进入推广阶段；我国已经开展了关于中水的腐蚀性能方面的研究，污水处理 厂二级出水或先进二级处理出水用作工业冷却水方面进行了大量试验研究，并 有运行成功的实例。

但中水做工业循环冷却水回用存在对设备的腐蚀问题，由于中水处理不当 导致的微生物增长从而引起的腐蚀、结垢等严重威胁着循环冷却水系统的安 全。大量细菌产生黏泥形成污垢，直接附着在设备和管道内壁，甚至堵塞管 道，严重影响冷却水设备的正常运行；微生物的新陈代谢会造成氧浓差电池 的形成，加速对设备的腐蚀。在中水作循环冷却水系统腐蚀的研究过程中，影 响腐蚀的因子有许多，电化学腐蚀和微生物腐蚀是主要的腐蚀因素，但是对外 界因素影响的研究较少，尤其是流速的变化会引起水中溶解氧的变化，温度的 变化会导致细菌的复生，这些变化都会改变循环冷却水的腐蚀效果。

由于循环冷却水系统的特殊环境，水中的溶解固体和悬浮物容易积累，容 易导致水中的含盐量增高，提高流速可以降低溶解物在系统中的积累，防止腐 蚀的发生；循环冷却水的水温一般为40℃以上，由于温度的作用，二氧化碳发 生散失，水中酸性物质减少，导致pH上升，此外水温升高，水中的溶解氧量升 高，会进一步加剧系统设备的腐蚀。

中水由于来源及处理工艺的关系，成份十分复杂，为保证中水回用于循环 水系统时机组能安全稳定运行，需要优化循环水预处理工艺，，使中水回用做 循环冷却水系统能够安全稳定运行，，高效实现水资源循环利用。，本方法采 用新型的优化方法准确评估腐蚀的影响因素，对中水做循环冷却水运行过程进 行优化，使腐蚀速率最低。

发明内容

本发明所要解决的就是探究中水回用做循环冷却水过程中设备腐蚀的影响 因素的问题，围绕如何利用响应曲面法，对回用工艺过程进行优化，使腐蚀速 率最低。

为了解决上述问题，本发明提供了一种研究消毒后中水回用设备腐蚀影响 因素的方法。

一种研究消毒后影响中水回用腐蚀因素的方法，其具体步骤如下：

A、采用腐蚀速率作为衡量腐蚀程度的指标；

B、通过静态试验改变经过消毒之后的中水所处的环境参数，得出腐蚀速率 与影响因素之间的关系；

C、通过模拟循环冷却水的运行环境，得出在动态环境下316L不锈钢的腐 蚀状况；

D、将静态模拟和动态模拟的结果进行分析，得出中水回用于循环冷却水过 程中影响腐蚀的因素。

所述环境参数为温度和流速。

所述水样为校园内中水处理站未经消毒的二沉池出水。

所述方法执行完后的目标及具体方案如下：

通过分析消毒剂不同浓度的消毒效果，得出消毒剂最佳的消毒效果时的浓 度范围；

通过单因子试验设计找出消毒剂浓度对中水水质的变化影响程度，结合多 因子试验找出造成腐蚀的水质因素；

采用响应面分析法RSM对影响腐蚀速率的因素进行分析，分析出浓度、温 度和流速三者各自作用于316L不锈钢和共同作用时对腐蚀速率的影响程度；

静态试验和动态模拟试验相结合，在动态模拟过程中利用静态试验结果， 模拟出循环冷却水在实际过程中真实的运行环境；

根据上述过程选取消毒剂浓度、温度和流速范围，减少对循环冷却水系统 的腐蚀，保证设备的持久有序运行。

所述静态试验为烧杯试验。

所述方法在进行实验时要注意的问题及方案如下：

在进行水质分析时，针对不同浓度的消毒剂，需鉴别其对水质变化的影响 及对腐蚀的影响程度；

动态模拟过程中，需要按时补充循环冷却水，补给水的水量需要进行前期 的实验，防止因为蒸发造成水量缺失，从而影响试验结果；

动态试验过程中，随着消毒效果的降低，细菌会再生，为了防止细菌的再 生，需要及时补充消毒剂。

所述不同种类的细菌主要为铁细菌、硫细菌和大肠杆菌。

本发明方法通过响应面优化法选择合适的实验设计与非线性或线性模型进 行拟合；

建立响应同各个因素之间的数学关系表达式，为了保证关系式的可靠性， 在得出关系式之后，采用统计学检验保证模型的可信度；

优化工艺条件。

所述通过响应面优化法选择合适的实验设计与非线性或线性模型进行拟合 时选择中心复合设计和正交设计结合；

所述采用统计学检验通过方差分析或梯度算法校正；

所述优化工艺条件是在得出最有结果之后根据实际工艺进行优选。

在线性拟合之前，首先需要严格按试验设计表进行试验，以减小误差，根 据得到数据的重复性，判断试验结果是否可靠；其次需保证试验中所有的变量 为连续变量。响应面的最终目的是用来确定系统的最优化运行条件或者确定各 种因素空间中满足运行条件的区域；主要是运用Design-Expert软件进行试验 设计和分析，分析影响腐蚀特性的试验因素与响应之间的关系，以及试验因 素之间的交互关系，根据分析结果对试验条件进行优化，得出最佳结果。

本发明的有益效果为：

通过本方法能形象的表达出影响腐蚀的因素之间的关系和实际效果，与正 交试验不同，中心复合设计试验方法在保证显著因素的同时，利用响应曲面的 方法形象的表达了两两因素之间对腐蚀速率的影响效果。

附图说明

图1是本发明方法实验中消毒剂浓度和腐蚀速率之间的关系图，为二氧化 氯投加量与腐蚀速率的关系图；

图2是本发明方法实验中温度和腐蚀速率之间的关系图，为投加二氧化氯 之后温度与腐蚀速率之间的关系图；

图3是本发明方法实验中转速和腐蚀速率之间的关系图，为投加二氧化氯 的水样中转速与腐蚀速率的关系图；

图4是本发明方法实验中的响应曲面图，其中图4a是温度-转速响应曲面图， 图4b是温度-浓度响应曲面图，图4c是转速-浓度响应曲面图。

具体实施方式

本发明提供了一种研究消毒后中水回用设备腐蚀影响因素的方法，下面结 合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

目前，中水回用中常用的消毒剂有二氧化氯、液氯、紫外线、臭氧等，各 种消毒技术都具有各自的优点和局限性，其中采用最广泛的是氯消毒，在氯消 毒的过程中，成本低廉、操作简单，但是投加过多会产生有害物质，从而对供 水管道产生腐蚀危害，因此，许多专家致力于液氯消毒替代物的研究，其中有 机消毒剂已经占领了消毒领域的一些市场，但是，有机消毒剂在水处理尤其是 中水回用过程中采用的相对较少。因此，如何选出有效的消毒剂，既使用方便 又成本低，而且对消毒后的腐蚀影响小成为本次实验的研究重点。

在消毒达到要求的情况下，中水作为循环冷却水对系统的腐蚀主要来自电 化学腐蚀，影响电化学腐蚀的内部因素为离子浓度和溶解氧浓度，而影响离子 浓度的因素来自消毒剂的投加浓度C，对溶解氧产生影响的主要是温度T和转 速（或流速）R。因此，优化因子选取消毒剂的投加浓度C、温度T和流速R。

优化的主要目的是考察中水经过消毒后对循环冷却水系统的腐蚀情况，因 此选取腐蚀速率CR（C,T,R）作为优化的目标函数。

约束函数依据实验选用如下：75r/min≤R≤150r/min相当于线速度 0.67m/s-1.34m/s；温度保持在25℃≤T≤40℃；二氧化氯消毒剂投加浓度 6mg/L≤C≤20mg/L；

对于二氧化氯消毒剂优化模型：

在对模型进行求解的同时，首先分析单个因素对响应（腐蚀速率）的影响 效果。

二氧化氯消毒剂在中心复合试验设计的条件下，通过Expert-Design软件根 据温度、转速和投加浓度与腐蚀速率的数据进行绘图，绘图结果如图1，图2和 图3所示。

固定两个试验条件因素，单独分析另一因素对腐蚀速率的影响，可以充分 说明独立因素的影响程度，通过响应的变化趋势也能够直观的表达出不同因素 对响应的主次影响。

依据图1，分析如下：相同温度和转速的条件下，随着二氧化氯投加浓度的 提高，中水对316L不锈钢的腐蚀速度呈增大趋势。316L不锈钢的腐蚀速率随 着二氧化氯的投加浓度变化趋势明显，在二氧化氯投加浓度范围之内，其瞬时 腐蚀速率在0.01mm/a以上。依据图2，分析如下：温度变化与消毒剂的腐蚀速 率呈线性关系。随着温度的升高，投加消毒剂的水样的腐蚀性缓慢升高。水样 经过二氧化氯消毒后，升高温度虽然会改变杀菌效果，但是对于水样的腐蚀速 率影响并不大。研究表明，随着温度的升高，奥氏体不锈钢上发生孔蚀的倾向 将加大。低温对不锈钢的腐蚀效果增加不明显，但在高温高压腐蚀环境中，随 着温度的升高，腐蚀速率会变大。

依据图3，分析如下：投加二氧化氯的中水的腐蚀性能会随着流速的增大而 增大；设定的转速并没有达到临界流速，在试验情况下，腐蚀主要来自腐蚀作 用。通过单因素分析各个因素对腐蚀速率的影响表明，消毒剂的投加浓度对腐 蚀的影响效果最大，温度和投加浓度的提高都会加速腐蚀的发生，流速与二氧 化氯消毒剂水样的腐蚀效果呈正比。投加二氧化氯消毒剂的水样对环境因素即 在改变投加浓度、温度和流速的情况下变化程度明显。

二氧化氯消毒剂在中心复合试验设计的条件下，通过Expert-Design软件根 据温度、转速和投加浓度与腐蚀速率的数据进行分析；

采用Design-Expert软件，对投加二氧化氯消毒剂的水样进行响应曲面分析。 根据代码的变化，可得出腐蚀速率的响应面模型是：

y_CR=0.014+5.658×10^-4R+1.761×10^-3T+6.813×10^-3C

真实的腐蚀速率响应曲面模型为：

CR＝-0.024087+2.5147×10^-5R+3.91263×10^-4T+1.70326×10^-3C

系数变化范围为：

75r/min≤R≤150r/min25℃≤T≤40℃6mg/L≤C≤20mg/L

经过方差分析得出F值为12.86，模型拟合试验数据的效果是显著的，失误 误差均不显著，仅有0.02%的总变异不能由此模型进行解释，投加浓度C是极 显著因素；

三因素的响应曲面图是固定其中某一因素，另两个因素与响应（腐蚀速率） 之间的空间三维图。分别控制浓度为17mg/L，温度为32.5℃，转速为112.5r/min 得出两两因素与腐蚀速率之间的三维曲面图；

响应面图显示了温度与转速、投加浓度与转速和投加浓度与温度的响应面 和等值线图的交互作用对腐蚀速率的影响。腐蚀速率最大值应该发生在投加浓 度、温度和转速最大值所在处，即在试验条件范围内，投加二氧化氯的水样腐 蚀速率与投加浓度、温度和转速成正比；

三个曲面图中，温度-转速曲面图的坡度最缓，说明在固定投加浓度时，温 度与转速对响应的综合影响效果最小；而温度-投加浓度曲面图的坡度最大，说 明固定转速时，温度与投加浓度的共同作用对响应值的改变影响效果最大；固 定温度时，投加浓度-转速曲面图坡度居中，但是转速与投加浓度的综合效果没 有温度与投加浓度的综合效果明显。从中也可说明，在试验范围内投加浓度作 为显著要素对腐蚀速率的影响最显著，温度影响次之，转速对响应值的影响效 果最小。

CR＝-2.81669×10^-3-8.77695×10^-5R+1.06722×10^-4T+9.26392×10^-5C

75r/min≤R≤150r/min25℃≤T≤40℃100mg/L≤C≤220mg/L

响应面图显示了温度与转速、投加浓度与转速和投加浓度与温度的响应面 和等值线图的交互作用对腐蚀速率的影响。在试验条件范围内，投加二氧化氯 的水样腐蚀速率与投加浓度、温度成正比，与转速成反比。

三个曲面图中，温度-转速曲面图的坡度最缓，说明在固定投加浓度时，温 度与转速对响应的综合影响效果最小；而转速-投加浓度曲面图的坡度最大，说 明固定温度时，转速与投加浓度的共同作用对响应值的改变影响效果最大；固 定转速时，投加浓度-温度曲面图坡度居中，说明投加浓度与温度的综合效果没 有转速与投加浓度的综合效果明显。从图中可以看出，投加浓度与转速的效果 对促进腐蚀的效果最为明显。

在二氧化氯投加浓度固定时，中水的瞬时腐蚀速率随着转速的增大和温度 的增高而呈增长趋势，即温度越高，流速越快，中水的腐蚀速率越大。当温度 为32.5℃，转速为112.5r/min，投加浓度为0.026g/L时，腐蚀速率最大为 0.026mm/a；由此可得出如下结论：对于投加二氧化氯消毒剂的水样，二氧化氯 的投加浓度是最为显著的影响因素，在设计温度和设计转速的情况下，投加浓 度的增大直接导致了腐蚀速率的升高，温度与投加浓度以及转速与投加浓度的 双因素共同作用与腐蚀速率的变化呈正比；温度和转速的增大，也会加速腐蚀 的发生。