不锈钢在城市废水处理厂的使用（上)
不锈钢在城市废水处理厂的使用（上）
不锈钢管已成为美国近25年建成的废水处理厂的标准用材。
60年代后期以来，美国共建有1600多座城市废水处理厂。它们都使用了不锈钢曝气管、消化池气体管道和污泥输送管道以及不锈钢移动桥、阀门、池子、螺栓、扶手和其它设备。总的使用情况越来越好。
用于废水处理设备的奥氏体不锈钢是含有铬16%-20%，镍8%-14%的钢种和含钼2%-3%的钢种。304/304L和316/316L不锈钢是目前城市废水处理厂设备使用的主要材料。在过去的20多年中，根据国际镍公司进行的现场试验，这些材料已经成为标准的建造材料。表1是它们的通用名称，UNS牌号。英国，德国和瑞典的牌号，以及锻造钢种的成分。
表1 合金标准和成分
| 通用名 | UNS牌号 | 英国标准 | 德国标准 | 瑞典标准 | 欧洲标准 | C | Cr | Ni | Mo | Fe |
| BS | DIN | SS | EN | |||||||
| 304 | S30400 | 304S31 | 1.4301 | 2333 | 1.4301 | 0.08 | 18 | 10 | - | 其余 |
| 304L | S30403 | 304S11 | 1.4306 | 2352 | 1.4306 | 0.03 | 18 | 10 | - | 其余 |
| 316 | S31600 | 316S31 | 1.4401 | 2347 | 1.4401 | 0.08 | 17 | 12 | 2.0-3.0 | 其余 |
| 316L | S31603 | 316S11 | 1.4404 | 2348 | 1.4404 | 0.03 | 17 | 12 | 2.0-3.0 | 其余 |
低碳钢种304L和316L用于焊接结构。使用这些低碳钢种的目的是在焊后不经过热处理的情况下耐晶间腐蚀。碳含量较高的钢号可以使强度略有提高，主要用于阀杆和泵轴，这些部件不需要焊接，较高强度可以使设计优化。含钼不锈钢耐局部腐蚀性能较好，最好是用于侵蚀性比较强的环境或是为了防止随时可能发生的意外情况达到更保险的效果。相应钢种的铸造产品具有耐腐蚀性和类似的机械性能。
废水处理设备所处的环境
国际镍公司（Inco）曾于60年代和70年代初在不同废水处理厂进行了腐蚀试样试验，并对结果进行分析和报道。表2、表3和表4简要汇总了Inco试验试样收集到的304、316和1010碳钢的数据。每项试验的设备位置都编了号。碳钢的腐蚀速度在进厂污水处为3密耳/年（0.075mm/年），在清洁废水出口处为16密耳/年（0.4mm/年），氧含量越高，对碳钢的腐蚀越严重（腐蚀速度与碳钢表面的氧气量成正比）。在所有部位碳钢的腐蚀速度都非常高，需要不间断地维护和尽早更换。镀锌和涂层可以使碳钢管道系统的使用寿命延长几年，但是这样仍然不能为废水处理设备环境提供最佳的长期保护。这些涂层会损坏或涂层设备本身就是牺牲品。
表2 废水处理设备的环境条件
| 设备位置 | 流速 | 进料 | 其它 |
| 1、城市废水入口 | N.A |
未经处理的原污水 |
BOD175-300ppm，悬浮固体物 220-650ppm，氧气140ppm |
| 2、混合的污水和活性污泥 | 2-3英尺/秒 |
70%污水，30%活性污泥+H2S |
- |
| 3、曝气池 | 剧烈搅拌 |
70%污水，30%活性污泥 |
- |
| 4、澄清池（二次沉淀） | 低速 |
活性污泥和一些废水 |
- |
| 5、浓缩性污泥 | 很高 | - | - |
| 6、真空过滤器至排放口 |
无曝气，1英尺/秒 |
活性污泥送至真空过滤器 |
一些氧化铁添加剂 |
| 7、废水出口 |
2英尺/秒，中等曝气 |
- | |
| 8、污水出口 |
4-5英尺/秒，大量曝气 |
含有很多氯化物和不溶解固体物质 |
|
| 9、滴滤池 | 高曝气 |
注：典型温度68-77°F，典型pH值7.4-7.7。
表3 在废水处理设备环境下的腐蚀速度
密耳/年（mm/年）
| 设备位置 | 304型 | 316型 | 1010碳钢 |
| 1、城市废水入口 | <01(1)(<0.002) | <0.11(1)(<0.002) | 3.0-9.0(2)(0.075-0.225) |
| 2、混合的污水和活性污泥 | <01(<0.002) | <0.1(<0.002) | 4.6(2)(0.117) |
| 3、曝气池 | <01(<0.002) | <0.1(<0.002) | 1.5-5.0(2)(0.037-0.127) |
| 4、澄清池（二次沉淀） | <01(1)(<0.002) | <0.1(0.002) | 3.0(2)-6.4(0.075-0.162) |
| 5、浓缩性污泥 | <01(1)(<0.002) | <0.1(0.002) | 4.8(0.122) |
| 6、真空过滤器至排放口 | <01(1,2)(<0.002) | <0.1(<0.002) | 3.7-8.3(2)(0.094-0.210) |
| 7、废水出口 | <01(1)(<0.002) | <0.1(0.002) | 6.3(2)(0.160) |
| 8、污水出口 | <01(2)(<0.002) | <0.1(0.002) | 1.8(2)(0.064) |
| 9、滴滤池 | <01(<0.002) | <0.1(<0.002) | 2.2(0.056) |
注：168-732天暴露的平均腐蚀速度；
（1）有缝隙腐蚀侵蚀；
（2）出现孔蚀。
表4 城市废水处理设备腐蚀试验
| 环境条件 | 304型 | 316型 | 1010碳钢 |
| 至真空过滤器的活性污泥（不搅拌） | <0.1(<0.002) | <0.1(<0.002) | 6.3(2)(0.160) |
| 调节池+250~300ppm氧化铁 | 0.16(1,2)(0.004) | <0.1(1,2)(<0.002) | 8.3(2)(0.21) |
| 活性污泥脱水过滤（中等搅拌） | <0.1(1)(<0.002) | <0.1(<0.002) | 3.7(0.094) |
| 淘析后污泥和脱水过滤（强烈搅拌）+2%氧化铁重量（pH值5.5-6.0） | <0.1(1,2)(<0.002) | <0.1(1)(<0.002) | NA |
注：168-732天的平均腐蚀速度；
（1）有缝隙腐蚀迹象；
（2）出现点蚀。
试验表明，304和316不锈钢的重量损失腐蚀速度<0.1密/年。腐蚀速度<0.1密耳/年表明这种材料的有效寿命有希望超过20年。
这些非常低的腐蚀速度意味着在设计不锈钢设备时不必在壁厚上留有“腐蚀余量”，但对于碳钢和球墨铸铁必须留有腐蚀余量。所以使用不锈钢在重量/材料方面可以节省得多。
据称不锈钢的部分试样上确实产生了缝隙腐蚀。这种腐蚀是局部性的，一般发生在“受屏蔽”或“有缝隙的”地方，如：螺栓连接处、没焊透的焊缝或污泥沉积物下面。要想尽量减少这种侵蚀，无论什么部位都应尽可能地消除缝隙，所以焊缝必须完全焊透，定期清理沉积物。曝气池中的沉积物一般在曝气池停用进行除臭清理时清除掉。采取这些措施后，长时间连续使用不会出什么大问题。运行过程中曝气池进行搅拌或充氧可以进一步发挥不锈钢作用。
（1）耐大气腐蚀
钢中添加铬提高了耐腐蚀性。使不锈钢“不生锈”所需铬的含量可以根据含量变化钢的重量损耗而定。Faulring的数据表明铬含量大于和等于12.5%的钢种在海洋性大气下曝露25年后，重量损耗相当小。这些“纯铬”不锈钢（铁素体和马氏体）和表面层有一层锈蚀层，在很多外观显得特别重要的大气环境中不宜使用。相反含镍8%-10%的奥氏体钢种304和316的耐蚀性更强，在大气中暴露许多年后面仍然光泽如初。
消化池中产生的H2S气体渗透到废水处理设备的许多部位，加速了铜合金、铝和碳钢腐蚀。据De Remo称，在潮湿的H2S中，304和316不锈钢的腐蚀速度<0.1密耳/年(<0.0025mm/年)。这样的腐蚀速度可忽略不计，而且使用效果良好。
虽然人们并不想让钢曝露于湿氯气中，但是在氯气贮存区附近通风不好的有限位置，管子外表确实发现几处一般孔蚀。304和316L不锈钢在湿氯气蓄积和冷凝的不通风大气环境下易生锈和发生一般点蚀。适当通风可以消除这些现象，也可以对不锈钢表面进行定期喷水清洗，可以使生锈和孔蚀减至最少。
（2）氯气―臭氧
不锈钢通常能够耐废水处理设备中一般浓度的氯气腐蚀。表5是1010碳钢、铸铁、304和316不锈钢试样在有一定残余氯浓度的加氯处理的淡水中暴露的数据。304和316L在残余氯含量高达2ppm的井水中的耐腐蚀性很好，而碳钢和铸铁的腐蚀速度要高出一倍。如果连续曝露在3-5ppm残余氯气中，测得的数据表明304/304L容易生缝隙腐蚀，保险起见应选用316L，不锈钢不适用于氯气喷雾系统，那里的氯含量可达到50至几百ppm。
臭氧是一种日益普及的氧化剂代用品，既可以单独使用，也可以同氯气一起使用。虽然最初制造臭氧发生器选用316L而未选用304L其背景和数据不足，但是316L已经成为制造臭氧发生器的最佳材料。
表5 1010钢、铸铁和不锈钢在加氯处理的淡水中的腐蚀性
| 残余氯含量 (mg/L) | 腐蚀速度 密耳/年(mm/年) | 暴露表面-点蚀最大深度(密耳) | 缝隙腐蚀最大深度(密耳) |
| 1010钢，铸铁 | 304
316 |
304
316 |
|
| 0 | 1.4(0.004),1.7(0.004) | 0
0 |
0
0 |
| 0.8-1.0 | 2.5(0.064),3.0(0.075) | 0
0 |
0
0 |
| 2 | 3.4(0.086),3.4(0.086) | 0
0 |
0
0 |
| 3-5 | 10.7(0.272)N、A | <1
0 |
4-4
1-5 |
（3）其它化学添加剂
硫酸亚铁是废水处理工厂中经常添加的化学添加剂：De Renzo称304和316不锈钢试样在含有pH值为1-2.5的硫酸（废酸洗液）的硫酸亚铁溶液中耐蚀性非常好，腐蚀速度小于0.8密耳/年(<0.02mm年)。在废水处理厂中，一般没有硫酸，因此，不锈钢在无酸硫酸亚铁环境下的腐蚀速度可以忽略不计。
氯化铁有时在调节池中用来起絮凝作用，污泥在调节池中进一步浓缩和脱水，然后焚烧和排弃。放置在活性污泥位置6（表2）上的304和316试样，在氯化铁含量为250-300ppm环境下，既有点蚀也有缝隙腐蚀。表4中的数据表明316不锈钢耐氯化铁腐蚀性略好于304不锈钢，可作为较保守的选择，用于氯化铁喷入点之后氯化铁含量较高的部位。尽管试验数据不理想，但是，304不锈钢管一般还是用于输送处理后流出的污泥。
（4）微生物腐蚀（MIC）
标准不锈钢在滞流和缓慢流动的水中，其焊缝和焊缝周围有时容易产生微生物腐蚀。在一家废水处理厂试验用的旋转式生物压缩装置（RBCS）用409（11%铬）不锈钢制作的框架上出现了微生物腐蚀就是一个例子。从使用中可得知，微生物团大体都堆集在框架的焊缝处。旋转式生物压缩装置的不锈钢框架以2转/分的转速在污泥中时进时出，为微生物腐蚀提供了理想的环境。在废水处理设备的其它部位很少有微生物腐蚀。
城市废水处理设备中缝隙腐蚀和微生物腐蚀很少见，可能是由于以下几个因素使它们具备良好的使用性能：
1）通过酸洗或机械清理的方法将暴露于曝气池污泥中的通气管外部的回火色氧化皮去除掉。
2）曝露在污泥中的管道的环形对接焊缝应表面光滑、无缝隙。（注：去除回火色并且不留缝隙可以大大增强耐微生物腐蚀和其它形式的局部腐蚀的能力）。
3）对污泥进行曝气和消化可以减少污泥在管道表面的粘附。
4）当曝气池停止使用时，对管道的外壁彻底冲洗，清理污泥。
