曹生現(xiàn)，崔長龍，劉洋，譚貴生

(東北電力大學(xué)節(jié)能與測控技術(shù)實(shí)驗(yàn)室，吉林吉林132012)

在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中，由于養(yǎng)分物質(zhì)的存在，微生物大量繁殖，會產(chǎn)生一種膠狀、粘性、附著力很強(qiáng)的沉積物，粘附在冷卻設(shè)備上，伴隨著水中顆粒的附著而形成生物污垢，造成管壁熱阻增加，傳熱效率下降，流動阻力增大［1］，另外生物污垢的存在可助長其他污垢的積聚，常見的有水垢、顆粒污垢、腐蝕污垢等，尤其是它和腐蝕污垢相伴生長產(chǎn)生所謂協(xié)同作用。因此，研究典型致垢微生物在換熱器表面的成垢規(guī)律對于了解生物粘膜附著、生長和成熟過程有重要意義，還可為預(yù)防、控制微生物膜在換熱器表面的附著對策選取有重要參考價值。

目前對于生物污垢及其誘導(dǎo)期研究者較多，也取得了很多有價值的成果。Swee等［2］實(shí)驗(yàn)證明了生物污垢層初期是由多糖附著而形成生物凝膠，并誘導(dǎo)蛋白質(zhì)和生物粒子等生成粘性附著物。Melo等［3］實(shí)驗(yàn)表明了表面材料、流速和無機(jī)物粒子等對生物污垢的影響。于瑞紅［4］利用細(xì)線上結(jié)垢稱重法對生物膜進(jìn)行定量檢測，該方法較為簡單，但不能進(jìn)行實(shí)時檢測。還有一些學(xué)者基于材料表面粗糙度、表面自由能、界面能等對生物污垢形成的影響進(jìn)行了討論，一般認(rèn)為粗糙表面有利于微生物附著［5－9］。這些研究成果在一定程度上認(rèn)識了微生物污垢形成，但對于特定水質(zhì)中實(shí)際致垢微生物的致垢機(jī)理還缺乏深入系統(tǒng)的研究，對揭示生物污垢形成機(jī)理還沒有達(dá)成理論共識。

為此，本文選用工業(yè)循環(huán)冷卻水中易形成生物污垢的菌種－粘液形成菌、鐵細(xì)菌和硫酸鹽還原菌作為研究對象，此三種細(xì)菌是水系統(tǒng)中數(shù)量很大的有害細(xì)菌。粘液形成菌能產(chǎn)生一種膠狀或黏泥狀附著力較強(qiáng)的沉積物，在換熱壁面上形成粘稠的一層，影響傳熱，誘導(dǎo)表面腐蝕;鐵細(xì)菌使Fe2+氧化成Fe2O3·mH2O，并在細(xì)菌周圍形成大量粘泥，造成局部缺氧，促進(jìn)硫酸鹽還原菌的繁殖;硫酸鹽還原菌中的梭菌能產(chǎn)生甲烷(CH4)，為粘液形成菌和鐵細(xì)菌提供營養(yǎng)，并會產(chǎn)生垢下腐蝕。本研究利用污垢熱阻動態(tài)模擬裝置，模擬工業(yè)運(yùn)行環(huán)境，分別對上述三種細(xì)菌形成的生物污垢進(jìn)行在線監(jiān)測，以研究微生物污垢熱阻形成的特點(diǎn)。

1 細(xì)菌在不銹鋼管材表面吸附傳質(zhì)過程的分析

循環(huán)冷卻水中的換熱管材很容易被有機(jī)物等大分子吸附，形成一層薄膜，通常稱之為調(diào)節(jié)膜［10～12］。調(diào)節(jié)膜通常在幾分鐘內(nèi)就會形成，雖然它的厚度很小，但可以對固體表面進(jìn)行改良［13～14］。調(diào)節(jié)膜的表面能很低，它可以緊緊粘附在金屬等高表面能物體表面，對細(xì)菌的吸附起預(yù)備物的作用［15］，隨著調(diào)節(jié)膜的形成，細(xì)菌開始附著［16］。因此調(diào)節(jié)膜的存在對細(xì)菌吸附傳質(zhì)過程起著非常重要的作用。在不銹鋼管內(nèi)壁溶液中，細(xì)菌移動到固體表面由三方面因素控制:靜電引力、細(xì)菌游動、表面疏水分子作用。另外，細(xì)菌在溶液中會發(fā)生不規(guī)則的布朗運(yùn)動，使細(xì)菌快速運(yùn)動或旋轉(zhuǎn)，其所產(chǎn)生的勢能很容易使得大部分移動到固體表面的細(xì)菌從固體的表面脫落，只有少部分會吸附在固體的表面。脫落到溶液中的細(xì)菌由于本身帶有負(fù)電荷，會再次被吸引到固體材料的表面。因此，細(xì)菌吸附在固體表面初期是一個吸附與脫附同時進(jìn)行的過程。吸附層一旦形成，細(xì)菌就會在固體表面大量生長繁殖，并在新陳代謝的過程中產(chǎn)生胞外聚合物，這種聚合物具有配位體和受體，能形成特定的立體粘接［17］，這更有助于細(xì)菌在固體材料表面吸附而形成粘膜層。

2 實(shí)驗(yàn)部分

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置

自制通用污垢熱阻動態(tài)模擬裝置;美國Orion5-Star型電導(dǎo)率/pH/溶解氧分析儀;不銹鋼管。

2.2 培養(yǎng)基的配制

國內(nèi)某電廠循環(huán)冷卻塔塔底黏泥中分離純化出粘液形成菌、鐵細(xì)菌和硫酸鹽還原菌。粘液形成菌培養(yǎng)基:蛋白胨10.0 g/L，氯化鈉5.0 g/L，牛肉膏3.0 g/L。鐵細(xì)菌液體培養(yǎng)基為:硫酸鎂0.5 g/L，硫酸銨0.5 g/L，磷酸氫二鉀0.5 g/L，氯化鈣0.2 g/L，硝酸鈉0.5 g/L，檸檬酸鐵銨10.0 g/L。硫酸鹽還原細(xì)菌液體培養(yǎng)基為:磷酸氫二鉀0.5 g/L，氯化銨1.0 g/L，硫酸鈉0.5 g/L，氯化鈣0.1 g/L，硫酸鎂2.0 g/L，乳酸鈉3.5 g/L，酵母汁1.0 g/L。

上述培養(yǎng)基均調(diào)節(jié)pH在7.0～7.2，用蒸汽壓力滅菌器121±1℃滅菌15 min，在29±1℃條件下培養(yǎng)。

2.3 污垢熱阻測量

通常管式水冷器的換熱管內(nèi)流動冷卻水，管外為需要冷卻的工藝介質(zhì)，其換熱過程如圖1所示。

圖1 水冷器污垢熱阻示意圖

對于圖1所示的換熱管內(nèi)壁污垢熱阻，其傳統(tǒng)定義為

其中:Rf為污染狀態(tài)下的污垢熱阻，(m2·K)/W;Uf為污染狀態(tài)下總傳熱系數(shù)，W/(m2·K);Uc為潔凈狀態(tài)下總傳熱系數(shù)，W/(m2·K);

當(dāng)換熱面處于清潔狀態(tài)時，

當(dāng)換熱面被污染時，

由方程式(2)(3)代人方程式⑴可導(dǎo)出污垢熱阻與污垢層導(dǎo)熱熱阻之間的關(guān)系如下:

式中:R1c、R2c為清潔狀態(tài)時，管壁兩側(cè)對流換熱熱阻;R1f、R2f為污染狀態(tài)下，管壁兩側(cè)對流換熱熱阻;Rf1、Rf2是污垢層的導(dǎo)熱熱阻;壁面的導(dǎo)熱熱阻為Rw。

污垢層的導(dǎo)熱熱阻Rf，按其兩側(cè)溫差定義可知:

式中:Twf為管壁與污垢層之間的界面溫度，可以準(zhǔn)確測定;Ts為污垢與流體之間的界面溫度，可用文獻(xiàn)［1］介紹的方法確定，q為熱流密度。只要測量出所研究流道的出入口流體溫度、流動速度和壁溫，利用上述關(guān)系式即可確定對應(yīng)的污垢熱阻。

實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示。該裝置采用管材相同的不銹鋼管，對稱布置于同一水浴槽內(nèi)，各管配有各自獨(dú)立、互不連通的實(shí)驗(yàn)工質(zhì)回路。實(shí)驗(yàn)水質(zhì)由進(jìn)水泵分別輸送到兩個測量回路(兩個測量回路完全相同，以一路為測量管，另一為對比管)的下位水箱，經(jīng)循環(huán)水泵送入上位水箱，由上位水箱恒速流入恒溫水浴槽(兩路水樣共用)內(nèi)的換熱管，進(jìn)入下位水箱，形成水測量回路的循環(huán)。上位水箱裝有溢流管，以確保換熱管入口水壓和換熱管流速恒定。換熱管入口水溫度控制由共用的恒溫水浴控制系統(tǒng)和各自的空冷控制系統(tǒng)共同調(diào)節(jié)，恒溫水浴系統(tǒng)配有自動控溫的電加熱器，空冷系統(tǒng)配有閉環(huán)控制的獨(dú)立回路，以確保換熱管入口和水浴溫度恒定于指定溫度的±0.15℃內(nèi)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。實(shí)驗(yàn)入口水溫30.0±0.5℃，流速0.40 m.s－1，每種細(xì)菌的動態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)加菌量為用水體積的1%。

圖2 污垢熱阻動態(tài)模擬裝置

3 結(jié)果與討論

為研究細(xì)菌對換熱設(shè)備傳熱的影響，探索污垢誘導(dǎo)期影響因素和微生物污垢的形成機(jī)理，在相同實(shí)驗(yàn)條件下分別進(jìn)行粘液形成菌、鐵細(xì)菌和硫酸鹽還原菌存在下微生物污垢形成的動態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)研究。

3.1 粘液形成菌(Heterotrophic Bacteria，HB)

HB從水中的醇、糖、酸等有機(jī)源中獲取能量，是冷卻水中數(shù)量最多的一類有害細(xì)菌，它們在冷卻水中產(chǎn)生一種膠狀的或黏泥狀的、附著力很強(qiáng)的沉積物。包括:假單胞菌屬、氣單胞菌屬、微球菌屬、腸桿菌屬、葡萄球菌屬等等。雖然其本身不直接腐蝕金屬，但會引起沉積物下的腐蝕。污垢熱阻測量結(jié)果如圖3所示，圖4為實(shí)驗(yàn)管和對比管微生物粘膜實(shí)驗(yàn)圖像。實(shí)驗(yàn)初始時，管材為清潔狀態(tài)，Rf=0。隨著管材內(nèi)壁逐漸有微生物及有機(jī)物吸附于上，逐漸形成一層微生物污垢，它的存在使得管材內(nèi)壁的表面上流體的流速和表面粗糙度改變，這對管材壁面起到改良的作用，改變了對流熱阻，從而使得R1f小于R1c，而開始時由于壁面并沒有形成完整的污垢層，R1f非常小，此時R1f－R1c＞R1f。所以在開始時，污垢熱阻出現(xiàn)負(fù)值，并持續(xù)負(fù)移，直至壁面形成完整的微生物污垢層為止。HB在不銹鋼管內(nèi)形成污垢的誘導(dǎo)期為50小時左右，隨后污垢熱阻呈線性增長，直至增長至1.2 10－4m2.k.w－1，此時微生物進(jìn)入衰亡期，污垢熱阻不再發(fā)生變化。

3.2 鐵細(xì)菌(Iron Bacteria，IB)

鐵細(xì)菌是能從氧化二價鐵過程中得到能量的一群細(xì)菌，它生成的氫氧化鐵可在細(xì)菌膜的內(nèi)部或外部儲存。鐵細(xì)菌是好氣異養(yǎng)(好氧)菌，也兼有異養(yǎng)和嚴(yán)格自養(yǎng)型，在含氧量小于0.5 mg/L的水泵中也能生長。鐵細(xì)菌一般生活在含氧少但溶有較多鐵質(zhì)(二價鐵離子)和二氧化碳的水中，能在氧化亞鐵或高鐵化合物中起催化作用，將二價鐵離子氧化為高鐵，大量分泌氫氧化鐵，并從中獲得能量滿足生命需要。鐵細(xì)菌繁殖可能帶來水的生物性質(zhì)的改變，如鐵細(xì)菌腐蝕還可以通過氫氧化鐵層下的SRB的活動，或由于形成氫氧化鐵濃差電池而引起腐蝕，生成氫氧化鐵沉淀，還可能造成管道的堵塞。常見的參與金屬腐蝕的鐵細(xì)菌為:嘉氏鐵桿菌屬(Gallionella)、鐵細(xì)菌屬(Cmothrix)、纖毛菌屬(Leptothrix)、球衣菌屬(Sphaerotilus)及鞘鐵細(xì)菌屬(Siderocapsa)。鐵細(xì)菌污垢熱阻曲線如圖5所示，圖6為不銹鋼管內(nèi)壁微生物形成實(shí)物圖。從圖5可以看出，鐵細(xì)菌的污垢誘導(dǎo)期為25小時左右，其產(chǎn)生的污垢熱阻值最高達(dá)6×10－4m2.k.w－1，實(shí)驗(yàn)結(jié)束發(fā)現(xiàn)不銹鋼內(nèi)壁貼有一層緊密的污垢層。

圖3 HB污垢熱阻變化曲線

圖4 HB結(jié)垢圖(左加菌，右空白)

圖5 IB污垢熱阻變化曲線

圖6 IB結(jié)垢圖(左加菌，右空白)

3.3 硫酸鹽還原菌(sulfate reducing bacteria，SRB)

SRB是一種以有機(jī)物為養(yǎng)料的厭氧性細(xì)菌，廣泛存在于土壤、海水、河水、地下管道、油氣井等處。SRB能將還原成H2S，它是脫硫孤菌屬中的一個特珠的菌種之一。SRB在厭氧條件下大量繁殖，產(chǎn)生粘液物質(zhì)，加速垢的形成，造成注水管道的堵塞，且管道設(shè)施在SRB菌落下發(fā)生局部腐蝕，以致出現(xiàn)穿孔，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。實(shí)驗(yàn)污垢熱阻如圖7所示，圖8為實(shí)驗(yàn)結(jié)束時污垢實(shí)物圖。SRB的污垢誘導(dǎo)期為22 h，之后污垢熱阻呈線性增長，直至達(dá)到最大3×10－4m2.k.w－1時不再發(fā)生變化。實(shí)物圖內(nèi)發(fā)現(xiàn):加菌管路緊貼管壁有一層生物膜，刮除生物膜后，管內(nèi)壁有不均勻的蝕坑。

圖7 SRB污垢熱阻曲線

圖8 SRB結(jié)垢圖(左加菌，右空白)

綜合上述三種細(xì)菌的對比實(shí)驗(yàn)研究來看，HB、IB和SRB均是對循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中換熱器產(chǎn)生危害的主要細(xì)菌，或腐蝕或結(jié)垢也可能腐蝕結(jié)垢同時發(fā)生。其中鐵細(xì)菌的結(jié)垢情況最為嚴(yán)重，硫酸鹽還原菌其次，粘液形成菌最弱。粘液形成菌產(chǎn)生的污垢熱阻達(dá)1.2 10－4m2.k.w－1，鐵細(xì)菌的為6×10－4m2.k.w－1，硫酸鹽還原菌為3×10－4m2.k.w－1，較沒有上述細(xì)菌存在的污垢熱阻值高出100倍。因此，這些細(xì)菌對換熱設(shè)備的傳熱性能產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，足以引起人們的重視。

3 結(jié)論

(1)通過污垢熱阻動態(tài)模擬實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，確定了在30℃，0.4 m.s－1恒工況條件下，粘液形成菌、鐵細(xì)菌和硫酸鹽還原菌對不銹鋼管生物污垢誘導(dǎo)期分別為56 h、25 h和22 h。

(2)從三種細(xì)菌形成的污垢熱阻漸進(jìn)值(鐵細(xì)菌6×10－4m2.k.w－1，硫酸鹽還原菌3×10－4m2.k.w－1，粘液形成菌1.2 10－4m2.k.w－1)可以確定，鐵細(xì)菌的結(jié)垢情況最為嚴(yán)重，其次硫酸鹽還原菌，粘液形成菌最弱。說明鐵細(xì)菌是循環(huán)冷卻水中危害最為嚴(yán)重的一種菌種，針對鐵細(xì)菌的研究可為采取有效的防垢、抑垢對策提供理論參考。

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