不锈钢换热器中典型微生物结垢特性研究

曹生现，崔长龙，刘洋，谭贵生

(东北电力大学节能与测控技术实验室，吉林吉林132012)

在循环冷却水系统中，由于养分物质的存在，微生物大量繁殖，会产生一种胶状、粘性、附着力很强的沉积物，粘附在冷却设备上，伴随着水中颗粒的附着而形成生物污垢，造成管壁热阻增加，传热效率下降，流动阻力增大［1］，另外生物污垢的存在可助长其他污垢的积聚，常见的有水垢、颗粒污垢、腐蚀污垢等，尤其是它和腐蚀污垢相伴生长产生所谓协同作用。因此，研究典型致垢微生物在换热器表面的成垢规律对于了解生物粘膜附着、生长和成熟过程有重要意义，还可为预防、控制微生物膜在换热器表面的附着对策选取有重要参考价值。

目前对于生物污垢及其诱导期研究者较多，也取得了很多有价值的成果。Swee等［2］实验证明了生物污垢层初期是由多糖附着而形成生物凝胶，并诱导蛋白质和生物粒子等生成粘性附着物。Melo等［3］实验表明了表面材料、流速和无机物粒子等对生物污垢的影响。于瑞红［4］利用细线上结垢称重法对生物膜进行定量检测，该方法较为简单，但不能进行实时检测。还有一些学者基于材料表面粗糙度、表面自由能、界面能等对生物污垢形成的影响进行了讨论，一般认为粗糙表面有利于微生物附着［5－9］。这些研究成果在一定程度上认识了微生物污垢形成，但对于特定水质中实际致垢微生物的致垢机理还缺乏深入系统的研究，对揭示生物污垢形成机理还没有达成理论共识。

为此，本文选用工业循环冷却水中易形成生物污垢的菌种－粘液形成菌、铁细菌和硫酸盐还原菌作为研究对象，此三种细菌是水系统中数量很大的有害细菌。粘液形成菌能产生一种胶状或黏泥状附着力较强的沉积物，在换热壁面上形成粘稠的一层，影响传热，诱导表面腐蚀;铁细菌使Fe2+氧化成Fe2O3·mH2O，并在细菌周围形成大量粘泥，造成局部缺氧，促进硫酸盐还原菌的繁殖;硫酸盐还原菌中的梭菌能产生甲烷(CH4)，为粘液形成菌和铁细菌提供营养，并会产生垢下腐蚀。本研究利用污垢热阻动态模拟装置，模拟工业运行环境，分别对上述三种细菌形成的生物污垢进行在线监测，以研究微生物污垢热阻形成的特点。

1 细菌在不锈钢管材表面吸附传质过程的分析

循环冷却水中的换热管材很容易被有机物等大分子吸附，形成一层薄膜，通常称之为调节膜［10～12］。调节膜通常在几分钟内就会形成，虽然它的厚度很小，但可以对固体表面进行改良［13～14］。调节膜的表面能很低，它可以紧紧粘附在金属等高表面能物体表面，对细菌的吸附起预备物的作用［15］，随着调节膜的形成，细菌开始附着［16］。因此调节膜的存在对细菌吸附传质过程起着非常重要的作用。在不锈钢管内壁溶液中，细菌移动到固体表面由三方面因素控制:静电引力、细菌游动、表面疏水分子作用。另外，细菌在溶液中会发生不规则的布朗运动，使细菌快速运动或旋转，其所产生的势能很容易使得大部分移动到固体表面的细菌从固体的表面脱落，只有少部分会吸附在固体的表面。脱落到溶液中的细菌由于本身带有负电荷，会再次被吸引到固体材料的表面。因此，细菌吸附在固体表面初期是一个吸附与脱附同时进行的过程。吸附层一旦形成，细菌就会在固体表面大量生长繁殖，并在新陈代谢的过程中产生胞外聚合物，这种聚合物具有配位体和受体，能形成特定的立体粘接［17］，这更有助于细菌在固体材料表面吸附而形成粘膜层。

2 实验部分

2.1 实验装置

自制通用污垢热阻动态模拟装置;美国Orion5-Star型电导率/pH/溶解氧分析仪;不锈钢管。

2.2 培养基的配制

国内某电厂循环冷却塔塔底黏泥中分离纯化出粘液形成菌、铁细菌和硫酸盐还原菌。粘液形成菌培养基:蛋白胨10.0 g/L，氯化钠5.0 g/L，牛肉膏3.0 g/L。铁细菌液体培养基为:硫酸镁0.5 g/L，硫酸铵0.5 g/L，磷酸氢二钾0.5 g/L，氯化钙0.2 g/L，硝酸钠0.5 g/L，柠檬酸铁铵10.0 g/L。硫酸盐还原细菌液体培养基为:磷酸氢二钾0.5 g/L，氯化铵1.0 g/L，硫酸钠0.5 g/L，氯化钙0.1 g/L，硫酸镁2.0 g/L，乳酸钠3.5 g/L，酵母汁1.0 g/L。

上述培养基均调节pH在7.0～7.2，用蒸汽压力灭菌器121±1℃灭菌15 min，在29±1℃条件下培养。

2.3 污垢热阻测量

通常管式水冷器的换热管内流动冷却水，管外为需要冷却的工艺介质，其换热过程如图1所示。

图1 水冷器污垢热阻示意图

对于图1所示的换热管内壁污垢热阻，其传统定义为

其中:Rf为污染状态下的污垢热阻，(m2·K)/W;Uf为污染状态下总传热系数，W/(m2·K);Uc为洁净状态下总传热系数，W/(m2·K);

当换热面处于清洁状态时，

当换热面被污染时，

由方程式(2)(3)代人方程式⑴可导出污垢热阻与污垢层导热热阻之间的关系如下:

式中:R1c、R2c为清洁状态时，管壁两侧对流换热热阻;R1f、R2f为污染状态下，管壁两侧对流换热热阻;Rf1、Rf2是污垢层的导热热阻;壁面的导热热阻为Rw。

污垢层的导热热阻Rf，按其两侧温差定义可知:

式中:Twf为管壁与污垢层之间的界面温度，可以准确测定;Ts为污垢与流体之间的界面温度，可用文献［1］介绍的方法确定，q为热流密度。只要测量出所研究流道的出入口流体温度、流动速度和壁温，利用上述关系式即可确定对应的污垢热阻。

实验装置如图2所示。该装置采用管材相同的不锈钢管，对称布置于同一水浴槽内，各管配有各自独立、互不连通的实验工质回路。实验水质由进水泵分别输送到两个测量回路(两个测量回路完全相同，以一路为测量管，另一为对比管)的下位水箱，经循环水泵送入上位水箱，由上位水箱恒速流入恒温水浴槽(两路水样共用)内的换热管，进入下位水箱，形成水测量回路的循环。上位水箱装有溢流管，以确保换热管入口水压和换热管流速恒定。换热管入口水温度控制由共用的恒温水浴控制系统和各自的空冷控制系统共同调节，恒温水浴系统配有自动控温的电加热器，空冷系统配有闭环控制的独立回路，以确保换热管入口和水浴温度恒定于指定温度的±0.15℃内。系统结构如图2所示。实验入口水温30.0±0.5℃，流速0.40 m.s－1，每种细菌的动态模拟实验加菌量为用水体积的1%。

图2 污垢热阻动态模拟装置

3 结果与讨论

为研究细菌对换热设备传热的影响，探索污垢诱导期影响因素和微生物污垢的形成机理，在相同实验条件下分别进行粘液形成菌、铁细菌和硫酸盐还原菌存在下微生物污垢形成的动态模拟实验研究。

3.1 粘液形成菌(Heterotrophic Bacteria，HB)

HB从水中的醇、糖、酸等有机源中获取能量，是冷却水中数量最多的一类有害细菌，它们在冷却水中产生一种胶状的或黏泥状的、附着力很强的沉积物。包括:假单胞菌属、气单胞菌属、微球菌属、肠杆菌属、葡萄球菌属等等。虽然其本身不直接腐蚀金属，但会引起沉积物下的腐蚀。污垢热阻测量结果如图3所示，图4为实验管和对比管微生物粘膜实验图像。实验初始时，管材为清洁状态，Rf=0。随着管材内壁逐渐有微生物及有机物吸附于上，逐渐形成一层微生物污垢，它的存在使得管材内壁的表面上流体的流速和表面粗糙度改变，这对管材壁面起到改良的作用，改变了对流热阻，从而使得R1f小于R1c，而开始时由于壁面并没有形成完整的污垢层，R1f非常小，此时R1f－R1c＞R1f。所以在开始时，污垢热阻出现负值，并持续负移，直至壁面形成完整的微生物污垢层为止。HB在不锈钢管内形成污垢的诱导期为50小时左右，随后污垢热阻呈线性增长，直至增长至1.2 10－4m2.k.w－1，此时微生物进入衰亡期，污垢热阻不再发生变化。

3.2 铁细菌(Iron Bacteria，IB)

铁细菌是能从氧化二价铁过程中得到能量的一群细菌，它生成的氢氧化铁可在细菌膜的内部或外部储存。铁细菌是好气异养(好氧)菌，也兼有异养和严格自养型，在含氧量小于0.5 mg/L的水泵中也能生长。铁细菌一般生活在含氧少但溶有较多铁质(二价铁离子)和二氧化碳的水中，能在氧化亚铁或高铁化合物中起催化作用，将二价铁离子氧化为高铁，大量分泌氢氧化铁，并从中获得能量满足生命需要。铁细菌繁殖可能带来水的生物性质的改变，如铁细菌腐蚀还可以通过氢氧化铁层下的SRB的活动，或由于形成氢氧化铁浓差电池而引起腐蚀，生成氢氧化铁沉淀，还可能造成管道的堵塞。常见的参与金属腐蚀的铁细菌为:嘉氏铁杆菌属(Gallionella)、铁细菌属(Cmothrix)、纤毛菌属(Leptothrix)、球衣菌属(Sphaerotilus)及鞘铁细菌属(Siderocapsa)。铁细菌污垢热阻曲线如图5所示，图6为不锈钢管内壁微生物形成实物图。从图5可以看出，铁细菌的污垢诱导期为25小时左右，其产生的污垢热阻值最高达6×10－4m2.k.w－1，实验结束发现不锈钢内壁贴有一层紧密的污垢层。

图3 HB污垢热阻变化曲线

图4 HB结垢图(左加菌，右空白)

图5 IB污垢热阻变化曲线

图6 IB结垢图(左加菌，右空白)

3.3 硫酸盐还原菌(sulfate reducing bacteria，SRB)

SRB是一种以有机物为养料的厌氧性细菌，广泛存在于土壤、海水、河水、地下管道、油气井等处。SRB能将还原成H2S，它是脱硫孤菌属中的一个特珠的菌种之一。SRB在厌氧条件下大量繁殖，产生粘液物质，加速垢的形成，造成注水管道的堵塞，且管道设施在SRB菌落下发生局部腐蚀，以致出现穿孔，造成巨大的经济损失。实验污垢热阻如图7所示，图8为实验结束时污垢实物图。SRB的污垢诱导期为22 h，之后污垢热阻呈线性增长，直至达到最大3×10－4m2.k.w－1时不再发生变化。实物图内发现:加菌管路紧贴管壁有一层生物膜，刮除生物膜后，管内壁有不均匀的蚀坑。

图7 SRB污垢热阻曲线

图8 SRB结垢图(左加菌，右空白)

综合上述三种细菌的对比实验研究来看，HB、IB和SRB均是对循环冷却水系统中换热器产生危害的主要细菌，或腐蚀或结垢也可能腐蚀结垢同时发生。其中铁细菌的结垢情况最为严重，硫酸盐还原菌其次，粘液形成菌最弱。粘液形成菌产生的污垢热阻达1.2 10－4m2.k.w－1，铁细菌的为6×10－4m2.k.w－1，硫酸盐还原菌为3×10－4m2.k.w－1，较没有上述细菌存在的污垢热阻值高出100倍。因此，这些细菌对换热设备的传热性能产生严重的影响，足以引起人们的重视。

3 结论

(1)通过污垢热阻动态模拟实验数据分析，确定了在30℃，0.4 m.s－1恒工况条件下，粘液形成菌、铁细菌和硫酸盐还原菌对不锈钢管生物污垢诱导期分别为56 h、25 h和22 h。

(2)从三种细菌形成的污垢热阻渐进值(铁细菌6×10－4m2.k.w－1，硫酸盐还原菌3×10－4m2.k.w－1，粘液形成菌1.2 10－4m2.k.w－1)可以确定，铁细菌的结垢情况最为严重，其次硫酸盐还原菌，粘液形成菌最弱。说明铁细菌是循环冷却水中危害最为严重的一种菌种，针对铁细菌的研究可为采取有效的防垢、抑垢对策提供理论参考。

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