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(北京交通大學 土木建筑工程學院 水中典型污染物控制與水質保障北京市重點實驗室，北京 100044)

再生水回用于工業(yè)循環(huán)冷卻水系統是解決我國水資源危機的重要途徑之一。同自然界淡水相比，再生水中的含鹽量、有機物含量和氨氮含量高，極易導致微生物在冷卻水系統中大量繁殖，造成輸水水質惡化，形成生物黏泥，造成傳熱效率下降，管道腐蝕，輸水管道能耗增加，堵塞冷卻設備及輸水管道等問題，使工業(yè)企業(yè)的正常運行受到威脅[1]。硫酸鹽還原菌(SRB)是引起工業(yè)循環(huán)冷卻水系統腐蝕的主要細菌之一，它在無氧或極少氧條件下，寄生附著在不銹鋼表面并形成微生物膜[2]，利用附著于金屬表面的有機物作為碳源，并利用細菌生物膜內產生的氫，將硫酸鹽還原成硫化氫，從氧化還原反應中獲得生存的能量[3]，進而引起微生物腐蝕和生物污損。

為解決循環(huán)冷卻水系統中微生物的腐蝕和結垢問題:一方面，發(fā)電廠工業(yè)循環(huán)冷卻水系統的凝汽器管材多采用具有良好的力學性能、耐蝕性、經濟性和較好傳熱性的不銹鋼[4]；另一方面，通過添加殺菌劑和阻垢劑來解決腐蝕和結垢問題。目前大量研究主要針對殺菌劑的殺菌效果和阻垢劑的阻垢效果[5-8]，而有關殺菌劑和阻垢劑同時使用時對材料耐蝕性影響的研究卻不多見，因此研究殺菌劑和阻垢劑協同作用下SRB對不銹鋼腐蝕行為的影響具有重要意義。本工作選取316L不銹鋼，利用生物化學分析方法、電化學測試方法，對殺菌劑、阻垢劑及其配伍作用下SRB在316L不銹鋼表面的電化學行為進行了研究。

1 試驗

1.1 菌種活化與培養(yǎng)

試驗菌種為硫酸鹽還原菌，取自以再生水作為循環(huán)冷卻系統補水的北京某熱電廠冷卻塔底黏泥，將5 g黏泥加入到45 mL無菌水中，充分振蕩、靜置，取上層清液，即黏泥浸出液,將浸出液接入分離富集培養(yǎng)基中進行厭氧培養(yǎng)。采用稀釋涂布疊皿夾層培養(yǎng)法分離、純化菌種，重復分離純化2～3次，獲得可以轉接、保存的純種SRB，4 ℃以下保存在冰箱中作為試驗菌種。

菌種活化和試驗培養(yǎng)基采用修正后的Postgate C培養(yǎng)基，其成分為：KH2PO40.5 g，NH4Cl 1.0 g，CaCl2·2H2O 0.06 g，Na2SO44.5 g，MgSO4·7H2O 0.06 g，乳酸鈉(80%) 6 mL，酵母浸膏1.0 g，檸檬酸鈉0.3 g，蒸餾水1 000 mL，用HCl和0.05 mol/L NaOH溶液調節(jié)pH為7.0～7.4，在0.15 MPa滅菌鍋中滅菌20 min，快速冷卻后加入經紫外線消毒30 min的半胱酸胺鹽酸鹽，在(37±1) ℃生化培養(yǎng)箱中恒溫培養(yǎng)。

1.2 試樣及溶液

試驗材料為316L不銹鋼管材，其主要化學成分為：wC0.08%,wSi1.00%,wMn2.00%,wP0.045%,wS0.03%,wNi10.00%～14.00%，wCr16.00%～18.00%,wMo2.00%～3.00%,余量為Fe。

將316L不銹鋼管材加工成表面積為1 cm×1 cm的正方形試片，將不銹鋼試片背后焊接導線，用環(huán)氧樹脂密封在塑料圓環(huán)內，制成工作電極。用水洗砂紙(800～2 000號)逐級打磨工作電極，之后用金剛砂(0.5 μm)研磨膏拋光，用丙酮除去表面油污，再用無水乙醇清潔表面后干燥，置于干燥器內備用。

試驗用殺菌劑為1227(分子式為C21H38NCl)，加藥量為45 mg·L-1；試驗用阻垢劑有HEDP(分子式為C2H8O7P2)和PBTCA(分子式為C7H11O9P)，加藥量均為5 mg·L-1。試驗用再生水的參數為：pH 8.2，TOC(總有機碳)質量濃度1.89 mg·L-1，氨氮質量濃度96.72 mg·L-1，Cl-質量濃度110.69 mg·L-1，SO42-質量濃度74.5 mg·L-1，TP(總磷)質量濃度0.01 mg·L-1，電導率890 μS·cm-1，總硬度8.36 mmol·L-1，堿度3.83 mg·L-1。

1.3 試驗方法

1.3.1 電化學試驗

電化學試驗溶液如下：再生水+SRB(A溶液)，再生水+SRB+1227(B溶液)，再生水+SRB+HEDP(C溶液)，再生水+SRB+PBTCA(D溶液)，再生水+SRB+1227+HEDP(E溶液)，再生水+SRB+1227+PBTCA(F溶液)。

電化學試驗在Correst電化學工作上完成，采用三電極體系，參比電極為飽和甘汞電極(SCE)，輔助電極為鉑電極，工作電極為316L不銹鋼試樣。電化學阻抗譜的測定頻率為0.05 Hz～100 kHz，正弦電壓信號幅值為5 mV。極化曲線在開路電位下開始測量，掃描速率為0.5 mV/s，掃描范圍為-0.30～1.5 V。

工作電極經30 min紫外滅菌后，浸泡在試驗溶液中。并向試驗溶液充氮氣20 min以驅趕氧氣，控制體系中菌液量為n×107個/mL數量級，在生化培養(yǎng)箱中(37±1) ℃的條件下恒溫厭氧培養(yǎng)。分別在浸泡1，3，7 ，10 d后取出試樣，并在6種溶液中進行電化學測試。試驗均采用3個平行試樣，測試體系使用的電極與電解池均經過滅菌處理，避免外界雜菌干擾。

1.3.2 脫氫酶測試

脫氫酶由活的微生物產生，因而脫氫酶的活性可以反映溶液中活性微生物量，脫氫酶含量高，生物活性強。將試樣浸泡在幾種試驗溶液中，分別在浸泡1，3，7，10 d后提取試驗溶液，用三苯基四氮唑氯化物(TTC)比色法檢測試驗溶液中的脫氫酶含量[9]。

2 結果與討論

2.1 脫氫酶

由圖1可見：在A溶液中，脫氫酶含量先迅速增加，3 d后達到峰值3.10 mg·L-1，而后逐漸減小。這是因為1～3 d是SRB的對數期，細菌數量迅速增加；3～7 d是穩(wěn)定期，7～10 d時,由于營養(yǎng)物質不足細菌數量開始減少，脫氫酶含量也隨之下降。在接種SRB的再生水中添加阻垢劑后，脫氫酶的變化趨勢是相同的，HEDP和PBTCA會在一定程度上提高脫氫酶含量，這是由于HEDP和PBTCA含有機碳，分別為7.2%(質量分數,下同)和19.2%，可以為SRB的生長提供額外的有機碳，促進了SRB的增殖。1227殺菌劑顯著降低了脫氫酶的含量，這是因為SRB細胞表面帶有負電，1227殺菌劑是陽離子殺菌劑，在細菌表面有較強的吸附力，其疏水基與親水基能深入菌體類脂層和蛋白層，導致SRB酶失活、蛋白質變性，進而將細菌殺死，有效抑制SRB的生長[10]。

圖1 4種溶液中脫氫酶含量隨時間的變化曲線Fig. 1 Change curves of dehydrogenase content with time in 4 kinds of solutions

2.2 電化學試驗

2.2.1 1227殺菌劑的影響

由圖2可見：在A溶液中，前3天，隨著試樣浸泡時間的延長，阻抗弧呈增大趨勢，之后逐漸減小。

(a) A溶液

(b) B溶液圖2 試樣在A，B兩種試驗溶液中浸泡不同時間后的電化學阻抗譜Fig. 2 EIS of samples immersed in solutions A (a) and solution B (b) for different times

這是因為浸泡初期(1～3 d)，細菌處于對數增長期，細菌數量逐漸達到最大值，在不銹鋼表面形成生物膜，阻抗弧逐漸增大。之后，隨著SRB進入衰亡期，代謝產物積累，短鏈脂肪酸和硫化物等含量增加，加速了不銹鋼表面的腐蝕，阻抗弧逐漸減小。

在B溶液中，前7天，隨著試樣浸泡時間的延長，阻抗弧呈增大的趨勢，之后逐漸減小。這是因為1227殺菌劑為典型的季銨鹽類陽離子表面活性劑，季銨陽離子的極性基團與金屬有較大親和力而優(yōu)先在金屬表面吸附，形成疏水性表面，導致季銨陽離子不斷在金屬表面吸附成膜[11]，浸泡后期(7～10 d)，隨著殺菌劑失效吸附成膜作用逐漸喪失，阻抗弧減小?？傮w來看，試樣在B溶液中的阻抗弧大于在A溶液中的，這表明1227殺菌劑除了具有殺菌作用外，還具有一定的緩蝕作用。

由圖3和表1可見：試樣在B溶液中的腐蝕速率低于在A溶液中的。這是因為1227殺菌劑致使季銨陽離子不斷在金屬表面吸附成膜，從而阻礙了金屬表面的析氫過程和金屬離子向溶液擴散的過程，阻礙了微生物及代謝產物對不銹鋼的腐蝕過程； 1227殺菌劑良好的殺菌效果很大程度上減少了SRB的數量，從而緩解了微生物對不銹鋼的腐蝕。這與阻抗弧分析結果一致。

(a) A溶液

(b) B溶液圖3 試樣在A，B兩種溶液中浸泡不同時間后的極化曲線Fig. 3 Polarization curves of samples immersed in solutions A (a) and solution B (b) for different times

試驗溶液浸泡時間/dJ0/(μA·cm-2)E0/VVcorr/(mm·a-1)10．47850-0．38725．628×10-3A溶液30．32508-0．42633．842×10-370．44101-0．48495．187×10-3100．56368-0．44266．630×10-310．47725-0．43305．613×10-3B溶液30．36132-0．45224．233×10-370．25801-0．39003．035×10-3100．34783-0．44953．891×10-3

2.2.2 阻垢劑的影響

由圖4可見:試樣在C溶液中的阻抗弧更大，這表明PBTCA的緩蝕性更好。這是因為PBTCA中P原子的親電活性程度更高[12]，阻垢劑中的P原子與不銹鋼表面Fe結合形成緩蝕膜的作用力更強，提高了不銹鋼的耐蝕性。因此，PBTCA的緩蝕效果要優(yōu)于HEDP的。

由圖5和表2可見：浸泡初期，試樣在C,D兩種溶液中的腐蝕速率均逐漸上升；浸泡后期，試樣在這兩種溶液中的腐蝕速率明顯小于在A溶液中的。這是因為HEDP/PBTCA分子中的磷酸根可與介質溶液中的Ca2+和Fe2+經過一系列反應，生成具有保護性的膜[13]。浸泡初期SRB數量大，阻垢劑形成緩蝕膜的作用不明顯；浸泡后期為SRB的衰亡期，細菌數量逐漸減少，在HEDP/PBTCA作用下緩蝕膜不斷修復，因而阻抗弧增大，腐蝕速率減小，這對不銹鋼起到了一定的保護作用。由表2還可見：試樣在D溶液中的腐蝕速率小于在C溶液中的,進一步說明PBTCA的緩蝕效果更好，這與阻抗譜的分析結果一致。

(a) 溶液C

(b) 溶液D圖4 試樣在C，D兩種試驗溶液中浸泡不同時間后的電化學阻抗譜Fig. 4 EIS of samples immersed in solutions C (a) and solution D (b) for different times

(a) C溶液

(b) D溶液圖5 試樣在C，D兩種溶液中浸泡不同時間后的極化曲線Fig. 5 Polarization curves of samples immersed in solutions C (a) and solution D (b) for different times

試驗溶液浸泡時間/dJ0/(μA·cm-2)E0/VVcorr/(mm·a-1)10．35881-0．41144．220×10-3C溶液30．48157-0．44485．664×10-370．33014-0．44783．883×10-3100．45738-0．39905．380×10-310．34311-0．43374．036×10-3D溶液30．47406-0．38045．576×10-370．33443-0．32893．934×10-3100．17686-0．24761．242×10-3

2.2.3 殺菌劑和阻垢劑的協同影響

以上的試驗結果表明，7 d后殺菌劑/阻垢劑的作用比較穩(wěn)定，測試了浸泡7 d后試樣在A溶液、E溶液及F溶液中的腐蝕行為，以便分析殺菌劑、阻垢劑共同作用下316L不銹鋼表面生物膜的電化學腐蝕行為。

由圖6可見：溶液中加入1227+HEDP(E溶液)后，試樣在此溶液中的阻抗半徑明顯小于在A溶液中的，且也小于在僅含有PBTCA溶液中的。這是因為1227是陽離子表面活性劑，顯示一定正電性，而HEDP和PBTCA是陰離子表面活性劑，顯示一定的負電性，因此兩者在溶液中混合使用后，可以某種鍵的形式結合，降低了有機膦酸作為阻垢劑的活性，抵消了阻垢劑對不銹鋼的緩蝕作用[14]。對比試樣在溶液F與溶液E中的阻抗弧，可以發(fā)現PBTCA和1227同時使用時阻抗弧更大一些，這是因為PBTCA中P原子親電活性程度更高，因而P原子與不銹鋼表面Fe結合形成緩蝕膜的作用力更強，1227對PBTCA阻垢劑的抵消程度小。所以PBTCA+1227共同使用的效果優(yōu)于HEDP+1227的。

由表3可見：試樣在不同溶液中的腐蝕速率由小到大依次為：溶液D<溶液C<溶液A<溶液F<溶液E。這表明兩種藥劑同時使用，會相互抵消一部分功效。此外，對比腐蝕速率可看出，1227和PBTCA同時使用時比1227和HEDP同時使用的效果更好，單獨作用時的效果均優(yōu)于協同作用時的，這與電化學阻抗譜的分析結果一致。

(a) A,C,E溶液

(b) A,D,F溶液圖6 試樣在不同溶液中浸泡7 d后的電化學阻抗譜Fig. 6 EIS of samples immersed in different solutions for 7 d

圖7 試樣在不同溶液中浸泡7 d后的極化曲線Fig. 7 Polarization curves of samples immersed in different solutions for 7 d

表3 在不同溶液中浸泡7 d后316L不銹鋼的極化曲線的擬合結果Tab. 3 Fitting results of polarization curves of 316L stainless steel immersed in different solutions for 7 day

3 結論

(1) 從脫氫酶含量變化可知：添加HEDP和PBTCA，脫氫酶含量有所增加，微生物的生長得到促進；添加1227脫氫酶顯著減少，微生物生長得到抑制。

(2) 由電化學分析結果可知:添加1227殺菌劑可以緩解微生物對不銹鋼的腐蝕；添加HEDP、PBTCA阻垢劑會顯著緩解微生物對不銹鋼的腐蝕，而且PBTCA的緩蝕效果要優(yōu)于HEDP的；聯合使用1227+HEDP或1227+PBTCA時，會相互抵消一部分各自的功效。兩者比較，1227+PBTCA的使用效果優(yōu)于1227+HEDP的。

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