Ca2+環境下板式換熱器微生物污垢特性*

徐志明 陳 洋 劉坐東 張一龍 王景濤

(1.東北電力大學能源與動力工程學院；2.華北電力大學能源機械與動力工程學院)

板式換熱器是工業生產中經常使用的換熱器之一，其污垢問題是至今未解決的工業難題。微生物污垢是換熱設備中常見的污垢，主要是由細菌及藻類等微生物及其排泄物沉積于固體表面生長、繁殖而形成的一種生物粘膜或有機膜[1]。微生物污垢對換熱器的傳熱有著嚴重影響，能夠使流動阻力增大。

微生物污垢受多種金屬陽離子制約，其中Ca2+尤為突出。Lee E等對典型析晶污垢硫酸鈣在板式換熱器中的結垢規律進行了分析，發現污垢熱阻達到漸近值前污垢的沉積速率遠大于剝蝕速率，而污垢熱阻達到穩定時污垢的沉積速率與剝蝕速率達到動態平衡[2]。Lei T等研究了北京奧運村污水中Ca2+對枯草芽孢桿菌污垢形成的影響，并將Ca2+對生物黏泥的影響分為起始期、迅速增長期和延長生長期3個階段，指出在迅速增長期Ca2+對生物黏泥的影響最大[3]。安洋等采用極化曲線和交流阻抗的方法研究了模擬循環冷卻水中Ca2+對碳鋼腐蝕的影響，發現當Ca2+質量濃度較低時，Ca2+的加入會促進碳鋼的腐蝕[4]。Guérin R等研究了板式換熱器中不同Ca2+濃度對乳清蛋白濃縮液結垢規律的影響，發現增加Ca2+濃度會增加乳清蛋白的結垢量[5]。張曉等利用海洋細菌設計實驗，研究環境因素及基底材料等對細菌生物膜形成的影響，發現鹽度及溫度等環境因素對海洋細菌附著形成生物膜的影響顯著[6]。劉芳等針對循環冷卻水補充水的水質特點，采用單因素實驗方法考察了礦物質Ca2+等因素對生物黏泥胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances,EPS)成分的影響，發現Ca2+對EPS的影響規律[7]。酈和生和王崠通過實驗對循環冷卻水中不同濃度的Ca2+及Mg2+等金屬離子對鐵細菌的生長及其殺菌性能的影響進行了分析，證明Ca2+對鐵細菌生長具有促進作用，且Cl-在一定范圍內對鐵細菌的生長沒有影響[8]。許萍對市政再生水補水電廠中循環冷卻水系統的微生物進行分析，發現微生物在金屬表面的生長繁殖與鈣鎂離子結垢等過程相互促進，根據調查得出循環冷卻水系統運行中因微生物引起的問題約占一半[9]。史琳等對城鎮二級出水換熱器表面污垢的成分進行了研究，發現該污垢是以微生物污垢為主的混合污垢，混合污垢中微生物和胞外聚合物與二級出水中的無機懸浮物充分摻混，同時無機懸浮物構成了微生物生長繁殖的節點和骨架[10]。

目前研究學者們對靜態非換熱條件下Ca2+對微生物的影響規律研究頗多，而對Ca2+環境下換熱器中的微生物結垢規律研究甚少。因此，筆者以CaCl2和循環冷卻水中典型微生物鐵細菌為研究對象，對板式換熱器污垢特性進行實驗研究。

1 實驗研究

1.1實驗系統

實驗系統包括高溫循環系統、低溫循環系統、冷卻循環系統和數據采集系統(圖1)。高溫循環系統包括高溫水箱、電加熱器、高溫水泵、渦輪流量計和熱電偶。低溫循環系統包括低溫水箱、低溫水泵、電磁流量計和熱電偶。冷卻循環系統可以保證低溫循環系統入口溫度的恒定，其主要由空冷換熱扇、空冷水泵、散熱器和PID控制器組成。數據采集系統由Eastfar數據采集儀構成，實驗中采集信號以電壓信號的形式通過導線傳輸到計算機預設程序進行處理。實驗系統中所使用的板式換熱器為吉林四平巨元瀚陽板式換熱器有限公司生產，具體參數如下：

材料 304不銹鋼

板片尺寸 258mm×100mm

換熱面積 0.15m2

波紋形式 人字形

波紋深度 2mm

當量直徑 4mm

單流道截面積 1.67cm2

角孔直徑 20mm

圖1 板式換熱器冷卻水動態污垢實驗系統

板片厚度 0.6mm

波紋夾角 120°

1.2實驗原理

板式換熱器中冷流體的吸熱量φ1等于熱流體的散熱量φ2，由于實驗過程中存在散熱損失，所以取：

(1)

φ1=qm1cp1(t1′-t1″)

(2)

φ2=qm2cp2(t2″-t2′)

(3)

(4)

式中A——換熱器換熱面積，m2；

cp——定壓比熱容，kJ/(kg·K)；

qm——流體質量流量，kg/s；

t′、t″——流體的進、出口溫度，℃；

Δtm——對數平均溫差，℃；

下標1、2——冷、熱流體。

只需求出qm1、qm2、t1′、t1″、t2′和t2″，即可求出k值。

采用污垢熱阻法原理計算污垢熱阻Rf為：

(5)

式中k、k0——清潔狀態和結垢后的傳熱系數，W/(m2·K)。

1.3鐵細菌的培養

鐵細菌為好氧菌，菌落大部分為灰白、紅褐或深褐色絮狀或粘膠狀聚集物[11]。實驗所用為松花江水中分離純化并經過多次純化轉代接種培養得到的鐵細菌。分離純化所用的鐵細菌培養基見表1。

表1 鐵細菌培養基名稱和用量

將上述培養基的pH值調節在6.8～7.0范圍內，用蒸汽壓力滅菌鍋在高于大氣壓0.1MPa、121℃條件下滅菌15min，冷卻后通過紫外線消毒，進行接種并在30℃恒溫培養箱中培養至體積分數為1%、OD值為0.5后進行實驗。

1.4實驗過程

由于文獻[12]指出，增大Ca2+濃度對鐵細菌無太大影響，且在實驗濃度范圍內Cl-對鐵細菌無影響，所以為探究循環冷卻水在Ca2+環境下對鐵細菌的影響，筆者選取300mg/L的CaCl2對各運行工況進行實驗研究。

實驗開始時，調節各系統控制器和流量平衡閥使之達到所要求的工況，向低溫水箱內的200L去離子水中加入60g的CaCl2以達到300mg/L，然后加入培養好的鐵細菌，循環水通過板式換熱器進行換熱并通過低溫水泵打回低溫水箱中，反復循環；同理，高溫水箱的循環水通過板式換熱器進行換熱并通過高溫水泵打回高溫水箱中，反復循環。高溫水箱溫度由加熱器和溫控儀控制，低溫水箱溫度由變頻器和冷卻循環系統控制；速度由流量調節閥和流量計進行控制。

2 實驗結果與分析

2.1Ca2+環境下鐵細菌的污垢熱阻曲線

在其他工況相同(鐵細菌濃度c=10mL/L，流體流速v=0.1m/s)的情況下，一組為在鐵細菌體積濃度為1%的條件下加入300mg/L的CaCl2，另一組為空白實驗作為參照。加入CaCl2后的鐵細菌與純鐵細菌的污垢熱阻曲線如圖2所示，可以看出兩組曲線均存在誘導期，但Ca2+對誘導期的影響不大，加入CaCl2的鐵細菌的污垢熱阻漸近值明顯高于純鐵細菌，這是由兩方面原因造成的：一方面Ca2+控制細胞的生理狀態，如降低細胞質膜透性及調節酸度等，并對蛋白酶及淀粉酶等胞外酶活性的穩定性有較大影響，Ca2+可促進細菌的生長，EPS含量也快速增加[13]，從而使污垢熱阻增加；另一方面Ca2+與EPS中帶負電的基團結合，在EPS之間或EPS與微生物之間起到架橋作用，有助于生物黏泥的形成，從而使EPS增加[14]，導致污垢熱阻增加。

圖2 不同溫度下加入CaCl2后的鐵細菌與純鐵細菌的污垢熱阻曲線

2.2溫度對生物污垢的影響

在流體流速v=0.1m/s、細菌體積濃度為1%(即10mL/L)的條件下加入300mg/L的CaCl2，改變低溫循環水進口溫度，分別在30、35、40℃條件下對板式換熱器的鐵細菌污垢熱阻進行實驗。圖3所示為3種不同溫度下Ca2+環境中板式換熱器的污垢熱阻曲線，可以看出，當溫度升高時誘導期縮短，污垢熱阻達到平衡的時間縮短，污垢熱阻漸近值減小。原因主要有3方面：溫度越高游離的Ca2+與鐵細菌的布朗運動越劇烈，一方面使Ca2+與鐵細菌相互碰撞提供更大可能，從而促進細菌的生長，另一方面使鐵細菌在換熱器表面附著的幾率增大，所以隨著溫度的升高誘導期縮短；溫度影響細胞膜的流動性和細胞新陳代謝反應的酶活性，溫度越高細胞膜的流動性越好，越有益于營養物質的輸運和細胞代謝廢物的移出，從而加快鐵細菌的繁殖速率，進而使污垢熱阻達到平衡的時間縮短；持續的高溫會使酶變性失活，使微生物的死亡率加快，生成的氫氧化鐵隨之減少，所以隨著溫度的升高，鐵細菌的污垢熱阻漸近值降低。

圖3 3種不同溫度下Ca2+環境中板式換熱器的污垢熱阻曲線

2.3速度對生物污垢的影響

在溫度T=35℃、細菌體積濃度為1%(c=10mL/L)的條件下加入300mg/L的CaCl2，改變低溫循環水進口速度，分別在0.10、0.15、0.20m/s的條件下對板式換熱器的鐵細菌污垢熱阻進行實驗。圖4所示為Ca2+環境下不同流速的板式換熱器鐵細菌污垢熱阻曲線，可以看出3組曲線均存在誘導期，且速度對誘導期的影響不大，流速越大污垢熱阻達到平衡的時間越短，污垢熱阻漸近值越小。

圖4 Ca2+環境下不同流速的板式換熱器鐵細菌污垢熱阻曲線

速度對污垢熱阻有正反兩個方面的影響，一方面流體的流速決定生物黏泥的生長范圍和厚度，流體在流動狀態下可以供給微生物生長所必需的營養成分，并移走代謝廢物；流速增加，雷諾數增加，粘性層流底層變薄，提供鐵細菌生存必需的營養物質和氧氣的傳遞速率以及代謝廢物的移出速度增大，使鐵細菌在近壁面處的生長和死亡速率加快，所以隨著流速的增加污垢熱阻達到平衡的時間縮短。但是另一方面，當流體流速增大時，較高的流速也可能產生較大的剪切力，從而使生物污垢脫落，不利于微生物的生長，并且增加了流體的壓力。此外，流速增加使工質中的Ca2+在鐵細菌的表面停留時間變短，不利于Ca2+對鐵細菌的促進作用，此時剪切力起主導作用，所以流速越大平衡時污垢熱阻反而越小。

2.4鐵細菌濃度對生物污垢的影響

在流體流速v=0.1m/s、低溫循環系統進口溫度T=35℃的條件下加入300mg/L的CaCl2，對板式換熱器在不同鐵細菌濃度下的污垢特性進行對比實驗(圖5)，可以看出3組曲線均存在誘導期，且不同鐵細菌濃度對誘導期并無太大影響，隨著鐵細菌濃度的升高污垢熱阻漸近值增大。

圖5 板式換熱器在不同鐵細菌濃度下的污垢特性曲線

生物污垢主要由細胞膜和EPS構成，細菌濃度的增加勢必導致EPS的增加。EPS可以改變微生物群的表面電荷、疏水性及聚合物屬性等物理化學特性，所以在生物污垢形成的起始階段的大分子物質在潤濕表面上的吸附以及微生物在潤濕表面上的遷移過程中，EPS有助于細菌對固體表面的吸附進而使污垢熱阻增加。再者，隨著細菌濃度的增加，細菌通過新陳代謝所產生的氧化產物(氫氧化鐵)的含量也隨之增加，所以污垢熱阻漸近值增加。

3 結論

3.1在Ca2+環境下的鐵細菌誘導期相對純鐵細菌的誘導期變化不大，且污垢熱阻漸近值大于純鐵細菌污垢熱阻漸近值。

3.2隨著低溫循環冷卻水進口溫度的增加，Ca2+環境下的鐵細菌誘導期縮短但對結垢速率沒有明顯影響，污垢熱阻漸近值有所降低。

3.3隨著流體速度的增加，Ca2+環境下的鐵細菌誘導期與結垢速率均無明顯影響，污垢熱阻漸近值有所減小。

3.4隨著鐵細菌濃度的增加，Ca2+環境下的鐵細菌誘導期與結垢速率均無明顯影響，污垢熱阻漸近值有所增大。

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