不銹鋼縮放管中典型致垢微生物致垢能力

關曉輝，崔長龍，曹生現，魯 敏，付俊杰，孫玲玲，楊善讓

（東北電力大學化學工程學院，吉林 吉林 132012）

隨著強化換熱技術在工業領域的迅速發展，越來越多的新型異形管和翅片管被開發出來并應用到實際工程中，其中縮放管就是循環冷卻水中最為典型和應用范圍最廣的強化換熱管之一，因其獨特的結構、換熱能力強、動態性能好等優點而備受各行業換熱設備的青睞[1]。生物污垢是工業冷卻水污垢的重要組成部分，而細菌（如鐵細菌、硫酸鹽還原菌、黏液形成菌等）是形成生物污垢的主要類群，在適宜的條件下微生物會附著于換熱器壁面且不斷繁殖，不但會增大換熱熱阻，嚴重時會堵塞流道而引發停機故障，威脅設備安全；同時，生物污垢的存在可助長其它污垢的積聚，尤其是和腐蝕污垢相伴生長所產生的協同作用更是換熱設備除垢面臨的一大難題[2-3]。

微生物污垢的形成是一個十分復雜的過程，人們至今還缺乏對其形成機制的深入認識，其基礎理論涉及多個學科交叉，所涉及的各學科發展水平參差不齊，都給微生物污垢研究增加了多重障礙。Fornalik 等[4]利用紅外光譜法對流水管道中的微生物污垢進行檢測分析。Swee 等[5]實驗證明生物污垢層初始階段是由于多糖附著形成生物凝膠，進一步誘導并形成黏性附著物。Melo[6]著重評述了近期生物垢的各影響參數方面的研究進展，特別是表面材料、流速和無機物粒子對微生物垢的影響。劉天慶等[7]利用模糊數學的方法，對不同材料表面上形成生物膜的誘導期和平均微生物垢量建立了評價及預測模型。雖然對于不同材料的微生物污垢的文獻與報道已屢見不鮮，但對于研究不銹鋼縮放管這種典型的強化換熱管中微生物污垢的形成與致垢能力卻鮮有報道。為此，本文作者以工業循環冷卻水中易形成微生物污垢的黏液形成菌、鐵細菌和硫酸鹽還原菌等典型致垢菌為研究對象，利用污垢熱阻動態模擬裝置，模擬工業運行環境，研究這3 種致垢菌以及其混合菌在不銹鋼縮放管中的成垢過程及其抗垢能力，并通過現代分析監測手段對垢樣進行綜合分析，進一步探討致垢菌的致垢能力與致垢原因，對研究典型致垢微生物在金屬表面的附著、生長和成熟過程以及微生物成垢規律提供必要的理論支撐；同時，也對殺菌滅藻劑的選擇與應用具有重要的指導意義。

1 實驗材料與方法

1.1 實驗用換熱器結構參數

實驗采用的不銹鋼縮放管的結構參數[8]：擴張 段長度l1為6 mm，收縮段長度l2為15 mm，節距l3為41 mm，內徑d 為22 mm，肋高e 為2.4 mm；具體結構外形如圖1 所示。

1.2 實驗菌種培養與鑒定

1.2.1 實驗菌種培養

按國標規定的方法（GB/T 14643），從取自某電廠循環冷卻塔塔底黏泥中經富集、分離純化得到所需實驗菌種，冷藏保存待用。

（1）鐵細菌（IB）培養基 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；pH 值6.8～7.2。

（2） 黏液形成菌（HB）培養基 牛肉膏3.0 g/L；蛋白胨10.0 g/L；氯化鈉5.0 g/L；瓊脂15.0 g/L；pH 值7.0～7.4。

（3）硫酸鹽還原菌（SRB）培養基 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；pH 值7.0～7.2。滅菌并快速冷卻后加入經紫外線消毒30 min 的抗壞血酸和硫酸亞鐵銨。

1.2.2 實驗菌種鑒定

（1）形態觀察 觀察經分離純化培養的菌種菌落形態，并進行革蘭氏染色。

（2）生理生化指標鑒定 根據《常見細菌系統鑒定手冊》及《伯杰細菌鑒定手冊》對分離所得菌種進行常見的生理生化指標鑒定。

1.3 實驗系統

實驗裝置依據工業循環冷卻水系統實際工況模擬設計，采用相同的兩根不銹鋼縮放管，對稱布置于同一水浴槽內，各實驗換熱管配有各自獨立、互不連通的實驗工質回路，以對比研究添加致垢菌和不加菌循環水管路中微生物垢的形成及致垢能力。實驗裝置如圖2 所示。

將預先培養的對數期致垢微生物細胞培養液加入動態實驗系統中，加菌量為總用水體積的1%。在裝置運行初期，為維持微生物生長的基本條件，在系統中加入適量細菌所必需的碳氮源等營養物質以保持其正常生長，然后測量每個實驗回路進出口、管壁和水浴溫度以及循環水流量。實驗工況為水浴溫度60 ℃，冷卻水流速0.4 m/s，入口溫度恒定30±0.5 ℃，動態模擬換熱器運行工況的對流換熱過程，在線監測污垢熱阻。

圖2 污垢熱阻動態模擬裝置示意圖

2 結果與討論

2.1 菌種的培養檢測及生理生化實驗

2.1.1 實驗目標菌群培養檢測

按國標方法從塔底黏泥中分離純化獲得實驗用菌株，并進行富集培養：在（29±1）℃對所取黏泥培養14 天后，產生黑褐色沉淀且原培養基中棕色消失變為透明狀，表明產生的是鐵細菌；黏液形成菌的培養中，2 天后觀察發現培養基內產生絲狀黏性物質，表明有黏液形成菌生成；硫酸鹽還原菌的分離培養中，在厭氧箱中培養21 天后觀察發現試管內有黑色沉淀產生，同時伴有硫化氫臭味，說明有硫酸鹽還原菌長出。

2.1.2 菌種的生理生化實驗

生理生化反應和革蘭氏染色常用來鑒別微生物在形態或其它方面的區別，是微生物分類鑒定的重要依據。為此考察了3 種細菌對不同物質的利用、代謝情況以及革蘭氏染色，結果如表1 所示。據革蘭氏染色及生理生化指標初步鑒定[9-10]：IB 為革蘭氏陰性芽孢桿菌屬；HB 為革蘭氏陰性纖發菌屬；SRB 為革蘭氏陰性脫硫弧菌屬。

2.2 微生物污垢監測分析

2.2.1 污垢熱阻

污垢熱阻是衡量換熱設備傳熱效率的重要指標，可以直接反應循環水換熱管的結垢程度，影響換熱設備的經濟性和安全性。圖3～圖6 為分離得到的3 種致垢菌及其混合菌在不銹鋼縮放管中的成垢情況。由這3 種單一菌和混合菌的污垢熱阻曲線可以看出，微生物污垢的形成過程大致可分為3 個階段[11]：第一階段為污垢誘導階段，微生物在換熱管表面逐漸積聚、黏附并迅速生長；第二階段為微生物沉積，生物黏泥迅速增長階段，此時污垢熱阻呈指數上升，大量微生物開始棲息于管壁而產生污垢；第三階段為產垢與剝落平衡階段，此階段由于微生物菌體開始死亡使致垢能力大減，加上流體的不斷沖刷，使得污垢層厚度不再增加，污垢熱阻也趨于穩定不變。而不加菌回路污垢熱阻整體上在零點附近波動，且較加菌回路小100 倍以上；對比實驗周期內加菌與否的換熱管的結垢情況，發現加菌的換熱管表面都有不同程度的結垢，而加菌的換熱管表面基本上沒有污垢產生，這也說明致垢微生物的存在是換熱管結垢的最直接原因。

表1 3 種細菌的生理生化反應及革蘭氏染色結果

圖3 IB 污垢熱阻變化曲線

圖4 SRB 污垢熱阻變化曲線

圖5 HB 污垢熱阻變化曲線

圖6 混合菌污垢熱阻變化曲線

2.2.2 單一菌致垢能力分析

由圖3～圖5 可以看出，在相同實驗工況下，IB（鐵細菌）、SRB（硫酸鹽還原菌）、HB（黏液形成菌）污垢誘導期分別為28 h、45 h 和70 h，污垢熱阻漸近值分別為 2×10-4m2·K/W、1.75× 10-4m2·K/W 和1.45×10-4m2·K/W，致垢能力為 IB＞SRB＞HB；結垢快慢程度則是IB 結垢最為迅速，HB 結垢最為緩慢。這主要是由于IB 是好氧菌，可以使Fe2+氧化成Fe3+，并使之以鞘的形式沉淀下來，同時還形成大量黏液，包裹水中的雜質構成結瘤，為微生物進一步的吸附與污垢的積累提供條件，所以致垢能力最強。SRB 是以有機物為養料的厭氧性細菌，能將體系中的SO42-還原成H2S 并產生黏液物質而致垢，它的繁殖受到循環水中氧的限制，因此致垢能力沒有鐵細菌那么強，但因其具有腐蝕特性，繁殖過程中能在換熱管表面產生局部腐蝕，為污垢的形成提供附著載體，因而縮短了污垢誘導期。由HB 污垢熱阻曲線可以看出，初始階段污垢熱阻出現負值并持續負移，這主要是其繁殖過程中產生了一種膠狀的或黏泥狀的、附著力很強的沉積物，形成微生物黏膜吸附在換熱管壁，改變了不銹鋼材料表面的粗糙度而致，直至壁面形成完整的微生物污垢層為止負移現象才消失，而且形成的微生物黏膜易造成管壁局部缺氧環境，形成垢下腐蝕[12]。

2.2.3 混合菌的致垢成因

由圖6 的混合菌污垢熱阻變化曲線（3 種致垢菌等體積混合）可以看出：混合菌的污垢誘導期為18 h，比單一菌的污垢誘導期短；污垢熱阻漸近值為4.9×10-4m2·K/W，比單一菌的污垢熱阻值大。這首先是由于IB 與HB 好氧繁殖消耗體系中大量氧氣，為SRB 的厭氧繁殖提供可能；其次是HB 易成膜的特性為IB 和SRB 提供成垢載體，并為SRB 垢下局部厭氧環境提供保障；再次是SRB 的代謝副產物（如甲烷等）為IB 和HB 提供繁殖所需物質。這3 種致垢微生物相互間的協同作用共同影響微生物污垢的形成和積累，導致誘導期減小，污垢熱阻值增大，促使致垢能力進一步增強。

2.3 垢樣成分分析

2.3.1 ICP-MS 分析

采用電感耦合等離子體質譜儀（XSeriesII ICP-MS）對從不銹鋼縮放管表面刮取的垢樣進行元素分析，結果如表2 所示。

表2 管內壁黏泥成分含量 單位：%

從表2 可以看出，IB 形成的污垢中含量最多的是Fe（31%），其次是C（8.6%），而重金屬Ni、Cr含量很低，這是由于鐵細菌主要是利用循環水中的Fe2+為營養源，形成微生物污垢黏泥附著在換熱管內壁，重金屬含量低則說明其對換熱管的腐蝕作用很小。SRB 形成的污垢中主要含S、Fe 和C，重金屬Ni（0.15%）、Cr（0.58%）含量也較其它兩種細菌高出上百倍，這是由于硫酸鹽還原菌厭氧代謝產生硫化氫繼而腐蝕管道，形成硫化亞鐵所致。同時它將不銹鋼換熱管中的重金屬溶出后包裹在自身形成的膠體污垢中，而且這種腐蝕特性也大大縮短了其污垢的誘導期。HB 形成的污垢主要成分以C（16.8%）、N（3.0%）為主，且比其它兩種菌高很多，這是因為它的代謝產物主要為胞外聚合物（多為蛋白質和多糖），此類胞外聚合物是一種黏合的膠體，沉降到換熱設備表面后會生成生物膜黏附在管壁，形成微生物污垢，最終影響換熱。

2.3.2 污垢成分的陰離子分析

利用離子色譜法測定了3 種細菌所形成的污垢垢樣中的陰離子含量，結果如圖7～圖9 所示。

由圖7～圖9 可知，不同細菌產生的垢樣中陰離子的含量各不相同，SRB 形成的污垢中NO3-和Cl-含量很高，SO42-含量很低，主要是因為SRB 厭氧繁殖消耗體系SO42-產生H2S 所致；而Cl-的存在會促進金屬的腐蝕并形成腐蝕黏泥[13]，實驗結束去除管壁污垢，垢下許多微小的腐蝕點清晰可見，說明此細菌確實具有腐蝕致垢特性，與垢樣成分分析相符。IB 的垢樣中NO3-含量較高，SO42-、Cl-含量相對很少，說明垢樣中微生物及其代謝產物含量較多，所以致垢能力強，而對換熱管的腐蝕能力相對較弱，與熱阻曲線圖反映情況一致。HB 垢樣譜圖中，NO3-含量較多，且該菌垢樣成分中C、N、P的含量高，這表明其污垢主要是由微生物菌體及其胞外聚合膠體構成；該垢中Cl-含量也相對較高，說明該垢具有一定的腐蝕性。

圖7 IB 垢樣譜圖

圖8 SRB 垢樣譜圖

圖9 HB 垢樣譜圖

3 結 論

（1）采用國標法從某電廠循環冷卻水塔塔底 黏泥中分離純化出3 種典型致垢微生物，通過革蘭氏染色和生理生化指標初步鑒定為：革蘭氏陰性芽孢桿菌屬IB，革蘭氏陰性脫硫弧菌屬SRB，革蘭氏陰性纖發菌屬HB。

（2）相同實驗工況下，IB、SRB、HB 以及混合菌的污垢誘導期分別為28 h、45 h、70 h 和18 h；污垢熱阻漸近值分別為 2× 1 0-4m2·K/W、 1.75×10-4m2·K/W、1.45×10-4m2·K/W 和4.9×10-4m2·K/W。致垢能力是混合菌＞IB＞SRB＞HB；3 種致垢微生物通過相互間的協同作用共同影響微生物污垢的形成和積累，導致誘導期減小，污垢熱阻值增大。

（3）IB 具有較強的致垢能力而腐蝕能力較弱，SRB 致垢的同時也具有較強的腐蝕特性，HB 產生的胞外聚合物易黏附在管壁表面并為腐蝕提供了 條件。

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