不銹鋼換熱器中典型微生物結垢特性研究

曹生現，崔長龍，劉洋，譚貴生

(東北電力大學節能與測控技術實驗室，吉林吉林132012)

在循環冷卻水系統中，由于養分物質的存在，微生物大量繁殖，會產生一種膠狀、粘性、附著力很強的沉積物，粘附在冷卻設備上，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生所謂協同作用。因此，研究典型致垢微生物在換熱器表面的成垢規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期研究者較多，也取得了很多有價值的成果。Swee等［2］實驗證明了生物污垢層初期是由多糖附著而形成生物凝膠，并誘導蛋白質和生物粒子等生成粘性附著物。Melo等［3］實驗表明了表面材料、流速和無機物粒子等對生物污垢的影響。于瑞紅［4］利用細線上結垢稱重法對生物膜進行定量檢測，該方法較為簡單，但不能進行實時檢測。還有一些學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行了討論，一般認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識了微生物污垢形成，但對于特定水質中實際致垢微生物的致垢機理還缺乏深入系統的研究，對揭示生物污垢形成機理還沒有達成理論共識。

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

1 細菌在不銹鋼管材表面吸附傳質過程的分析

循環冷卻水中的換熱管材很容易被有機物等大分子吸附，形成一層薄膜，通常稱之為調節膜［10～12］。調節膜通常在幾分鐘內就會形成，雖然它的厚度很小，但可以對固體表面進行改良［13～14］。調節膜的表面能很低，它可以緊緊粘附在金屬等高表面能物體表面，對細菌的吸附起預備物的作用［15］，隨著調節膜的形成，細菌開始附著［16］。因此調節膜的存在對細菌吸附傳質過程起著非常重要的作用。在不銹鋼管內壁溶液中，細菌移動到固體表面由三方面因素控制:靜電引力、細菌游動、表面疏水分子作用。另外，細菌在溶液中會發生不規則的布朗運動，使細菌快速運動或旋轉，其所產生的勢能很容易使得大部分移動到固體表面的細菌從固體的表面脫落，只有少部分會吸附在固體的表面。脫落到溶液中的細菌由于本身帶有負電荷，會再次被吸引到固體材料的表面。因此，細菌吸附在固體表面初期是一個吸附與脫附同時進行的過程。吸附層一旦形成，細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］，這更有助于細菌在固體材料表面吸附而形成粘膜層。

2 實驗部分

2.1 實驗裝置

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

2.2 培養基的配制

國內某電廠循環冷卻塔塔底黏泥中分離純化出粘液形成菌、鐵細菌和硫酸鹽還原菌。粘液形成菌培養基:蛋白胨10.0 g/L，氯化鈉5.0 g/L，牛肉膏3.0 g/L。鐵細菌液體培養基為: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。硫酸鹽還原細菌液體培養基為: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。

上述培養基均調節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。

2.3 污垢熱阻測量

通常管式水冷器的換熱管內流動冷卻水，管外為需要冷卻的工藝介質，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所示的換熱管內壁污垢熱阻，其傳統定義為

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

當換熱面處于清潔狀態時，

當換熱面被污染時，

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

式中:R1c、R2c為清潔狀態時，管壁兩側對流換熱熱阻;R1f、R2f為污染狀態下，管壁兩側對流換熱熱阻;Rf1、Rf2是污垢層的導熱熱阻;壁面的導熱熱阻為Rw。

污垢層的導熱熱阻Rf，按其兩側溫差定義可知:

式中:Twf為管壁與污垢層之間的界面溫度，可以準確測定;Ts為污垢與流體之間的界面溫度，可用文獻［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，利用上述關系式即可確定對應的污垢熱阻。

實驗裝置如圖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，各管配有各自獨立、互不連通的實驗工質回路。實驗水質由進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，經循環水泵送入上位水箱，由上位水箱恒速流入恒溫水浴槽(兩路水樣共用)內的換熱管，進入下位水箱，形成水測量回路的循環。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和各自的空冷控制系統共同調節，恒溫水浴系統配有自動控溫的電加熱器，空冷系統配有閉環控制的獨立回路，以確保換熱管入口和水浴溫度恒定于指定溫度的±0.15℃內。系統結構如圖2所示。實驗入口水溫30.0±0.5℃，流速0.40 m.s－1，每種細菌的動態模擬實驗加菌量為用水體積的1%。

圖2 污垢熱阻動態模擬裝置

3 結果與討論

為研究細菌對換熱設備傳熱的影響，探索污垢誘導期影響因素和微生物污垢的形成機理，在相同實驗條件下分別進行粘液形成菌、鐵細菌和硫酸鹽還原菌存在下微生物污垢形成的動態模擬實驗研究。

3.1 粘液形成菌(Heterotrophic Bacteria，HB)

HB從水中的醇、糖、酸等有機源中獲取能量，是冷卻水中數量最多的一類有害細菌，它們在冷卻水中產生一種膠狀的或黏泥狀的、附著力很強的沉積物。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。污垢熱阻測量結果如圖3所示，圖4為實驗管和對比管微生物粘膜實驗圖像。實驗初始時，管材為清潔狀態，Rf=0。隨著管材內壁逐漸有微生物及有機物吸附于上，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，污垢熱阻出現負值，并持續負移，直至壁面形成完整的微生物污垢層為止。HB在不銹鋼管內形成污垢的誘導期為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，此時微生物進入衰亡期，污垢熱阻不再發生變化。

3.2 鐵細菌(Iron Bacteria，IB)

鐵細菌是能從氧化二價鐵過程中得到能量的一群細菌，它生成的氫氧化鐵可在細菌膜的內部或外部儲存。鐵細菌是好氣異養(好氧)菌，也兼有異養和嚴格自養型，在含氧量小于0.5 mg/L的水泵中也能生長。鐵細菌一般生活在含氧少但溶有較多鐵質(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。鐵細菌繁殖可能帶來水的生物性質的改變，如鐵細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菌為:嘉氏鐵桿菌屬(Gallionella)、鐵細菌屬(Cmothrix)、纖毛菌屬(Leptothrix)、球衣菌屬(Sphaerotilus)及鞘鐵細菌屬(Siderocapsa)。鐵細菌污垢熱阻曲線如圖5所示，圖6為不銹鋼管內壁微生物形成實物圖。從圖5可以看出，鐵細菌的污垢誘導期為25小時左右，其產生的污垢熱阻值最高達6×10－4m2.k.w－1，實驗結束發現不銹鋼內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結垢圖(左加菌，右空白)

圖5 IB污垢熱阻變化曲線

圖6 IB結垢圖(左加菌，右空白)

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

SRB是一種以有機物為養料的厭氧性細菌，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，產生粘液物質，加速垢的形成，造成注水管道的堵塞，且管道設施在SRB菌落下發生局部腐蝕，以致出現穿孔，造成巨大的經濟損失。實驗污垢熱阻如圖7所示，圖8為實驗結束時污垢實物圖。SRB的污垢誘導期為22 h，之后污垢熱阻呈線性增長，直至達到最大3×10－4m2.k.w－1時不再發生變化。實物圖內發現:加菌管路緊貼管壁有一層生物膜，刮除生物膜后，管內壁有不均勻的蝕坑。

圖7 SRB污垢熱阻曲線

圖8 SRB結垢圖(左加菌，右空白)

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

3 結論

(1)通過污垢熱阻動態模擬實驗數據分析，確定了在30℃，0.4 m.s－1恒工況條件下，粘液形成菌、鐵細菌和硫酸鹽還原菌對不銹鋼管生物污垢誘導期分別為56 h、25 h和22 h。

(2)從三種細菌形成的污垢熱阻漸進值(鐵細菌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，鐵細菌的結垢情況最為嚴重，其次硫酸鹽還原菌，粘液形成菌最弱。說明鐵細菌是循環冷卻水中危害最為嚴重的一種菌種，針對鐵細菌的研究可為采取有效的防垢、抑垢對策提供理論參考。

［1］楊善讓，徐志明，孫靈芳.換熱設備的污垢與對策［M］.2版.北京:科學出版社，2004.

［2］Swee Loong Khordeng，Darren Delai Sun，et al.Biofouling development and rejection enhancement in long SRT MF membrane bioreactor［J］.Process Biochemistry，2007，42(12):1641－1648.

［3］Melo L F.An overview of biofouling:from basic science to mitigation.Understanding Heat Exchange Fouling and its mitigation［M］.New York:Begell House Inc，1997.

［4］于瑞紅.冷卻水系統中生物垢影響因素研究［D］.大連:大連理工大學，2000.

［5］于瑞紅，劉天慶，等.固體材料性質對生物垢形成的影響［J］.精細化工，2002，19(6):512－514.

［6］LOEB G I.Drag enhancement of microbial slime films on rotating discs［R］.Naval Research Memorandum Report 4412.Washington:Naval Research Lab，1981.

［7］MOTTIE C，BOTT T R.The adhesion of biofilms to selected materials of construct ion for heat exchangers［C］.Proceedings of 9th International Heat Transfer Conference，Jerusalem:ASME，1991:21－26.

［8］REID D C.Biofouling in stirred tank reactors-effect of surface finish［A］.MELOL F，BOTT T R.Biof ilm-Science and Technol［M］.Dordrect:Kluwer Academic Publishers，1992:521－526.

［9］HARTY D W S，BOTT T R.Deposition and growth of microorganisms on simulated heat exchanger surfaces［A］.SOMERSCAL ESEFC，KNUDSEN JG.Fouling of Heat Transfer Equipment［M］.Washington:Hemisphere，1981:334－344.

［10］Daxid J.Kukulka and Mohan Devgun.Transient Evaluation of Process Surfaces Used in Fouling Applications［J］.Heat Transfer Engineering，2006，27(6):22－29.

［11］N.Bernbom，Y.Y.Ng，R.L.J.rgensen，A.Arpanaei，R.L.Meyer，P.Kingshott，R.M.Vejborg，P.Klemm and L.Gram.Adhesion of food-borne bacteria to stainless steel is reduced by food conditioning films［J］.Journal of Applied Microbiology，2009，106(4):1268－1279.

［12］R.M.Vejborg，N.Bernbom，L.Gram and P.Klemm.Anti－adhesive properties of fish tropomyosins［J］.Journal of Applied Microbiology，2008，105(1):141－150.

［13］David J.Kukulka，R.E.Baier，R.E.Baier.Factors Associated with Fouling in the Process Industry［J］.Heat Transfer Engineering，2004，25(5):23－29.

［14］D.J.Kukulka.An Evaluation of Heat Transfer Surface Materials Used in Fouling Applications［J］.Heat Transfer Engineering，2005，26(5):42－46.

［15］許鳳玲，劉升發，侯保榮.海洋生物污損研究進展［J］.海洋湖沼通報，2008(1):146－151.

［16］宋永香，王志政.海洋生物及其粘附機理—微生物、小型海藻、巨型海藻、貽貝［J］.中國膠黏劑，1993，11(4):48－52.

［17］許鳳玲.海洋生物膜的電活性及其在微生物燃料電池中的應用基礎研究［D］.北京:中國科學院研究生院(海洋研究所)，2009.