温度对黏液形成菌污垢特性的影响

徐志明，王宇航，王景涛，沈艺雯，张一龙，刘坐东

(1.东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012；2.东北电力大学 自动化工程学院，吉林 吉林 132012)



温度对黏液形成菌污垢特性的影响

徐志明1，王宇航1，王景涛1，沈艺雯1，张一龙2，刘坐东1

(1.东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012；2.东北电力大学 自动化工程学院，吉林 吉林 132012)

为了探讨温度对黏液形成菌污垢特性的影响，对不同入口温度和不同水浴温度条件下黏液形成菌在不锈钢光管中的污垢特性进行了实验研究。结果表明：随着入口和水浴温度的升高，诱导期时间缩短，污垢热阻达到渐近值所需时间减少。在实验温度范围内，入口温度为30 ℃时污垢热阻渐近值最大，35 ℃时次之，25 ℃时最小。所以，污垢热阻渐近值随着水浴温度的升高而减小。

温度；黏液形成菌；结垢；生物膜；酶；水质参数

换热设备被广泛应用于工业生产和日常生活的各个领域之中，90%以上的换热器都存在不同程度的污垢问题[1]，换热设备污垢问题一直是亟待解决的工业难题之一。在化工行业中，换热设备污垢的产生很大一部分原因是由循环冷却水中存在的致垢微生物引起的。微生物污垢的产生会影响换热器传热效率，诱导管壁表面发生结垢及腐蚀，甚至还会堵塞流道而引发停机故障，威胁设备安全，造成能源的不必要浪费和经济损失。

微生物污垢是指由细菌等微生物及其代谢产物沉积在固体表面生长、繁殖而形成的生物黏膜[2]。国外学者对生物污垢问题研究较早，Melo等[3]人对水系统中多种微生物在换热表面形成生物膜的发展机理进行了阐述，并研究了流体速度、温度和颗粒等因素对生物膜的增长及稳定性的影响。Zacarias等[4]人进一步发现，生物膜整体被微生物细胞和胞外聚合物(EPS)所填充，其内部形成空隙和通道，空隙和通道彼此连接，成为营养物质、信息传递等现象发生的场所。Swee等[5]人用实验的方法证明生物污垢形成的初期是多糖附着形成的生物凝胶，这种凝胶可进一步诱导蛋白质等大分子的附着。ManoIarakis等[6]人提出了几种量化生物污垢的指标，认为可以把三磷酸腺苷(ATP)、细胞数目、异养菌数目作为指标，结果精度较高。Tian[7]研究了微生物和钙离子之间的相互作用，发现钙离子对生物膜有明显的影响，得出了在微生物污垢的不同形态阶段内钙离子有着不同作用的结论。换热设备生物污垢问题在国内同样受到了越来越多的重视，多位学者展开了多方面的研究。于大禹等[8-10]人阐述了微生物污垢检测技术研究的地位、作用和特点，归纳了微生物污垢的形成过程及其主要影响因素，分析了目前国内外应用较广的微生物污垢检测方法、优缺点及其最新研究动态，展望了微生物污垢检测技术未来的发展趋势；利用了实验的方法研究了黏液形成菌的污垢特性，通过灰色关联的数学方法分析了各水质参数与微生物污垢关联的权重比例，研究了水质参数与污垢热阻之间的关系，为制定有效的除垢、抑垢对策提供理论参考。昝成等[11]人研究了温度及流速对板式换热器内城镇二级出水结垢特性的影响，得到了温度对于以微生物污垢为主的混合污垢形成的影响呈单调性的结论。杨倩鹏等[12]人针对微生物污垢形状多样的特点，提出了形状因子的概念，分析了形状因子与受力的关系，简化了污垢形状与受力的关联分析，有助于不同形状污垢的对比。徐志明等[13-15]人在实验方面，分别研究了板式换热器中铁细菌和黏液形成菌在不同的运行工况下各自的污垢特性；在数值模拟方面，根据微生物污垢与颗粒污垢形成机理的相似性，尝试了颗粒污垢模型应用于微生物污垢的可行性，得到了颗粒Kern-Seaton模型的计算结果与实验结果的相对误差最小的结论。

目前，温度对不锈钢光管内黏液形成菌污垢特性影响的研究较少，本文以冷却水中存在的致垢细菌黏液形成菌为研究对象，通过实验探究了不锈钢管中改变入口温度和水浴温度对黏液形成菌污垢特性影响。

1　实验内容

1.1实验系统及装置

实验系统如图1所示，由工质循环流动系统，冷却流动系统和数据采集系统三部分组成。(1)工质循环流动系统：循环工质由于重力而自发地由高位水箱流过实验管路进入下方低位水箱，再经由循环水泵做功抽取工质从由下至上注入高位水箱，如此往复循环。为了保证工质在实验循环中流速一定，需要在高位水箱上装一根溢流管以维持工质液面高度不变。实验管路中的循环工质在具有三根三千瓦的加热棒的恒温水浴槽中进行换热。(2)冷却流动系统：冷却系统负责将循环工质多余的热量带走，保证循环工质能以实验要求允许的温度从高位水箱流进实验管路内。(3)数据采集系统：测量水浴温度的温度传感器为T型热电偶。除了采集水浴温度的两个温度传感器外，其余热电阻均为两根实验管路对应分别布置，每根实验管路两端均装有PT100型热电阻，以便采集实验管路进出口温度。所有测量的信号都经由经数据采集卡在工控计算机中进行储存、计算和处理。整个实验系统自动化程度较高，可以24小时在线监控。

图1　实验系统示意图

1.2实验原理

单位时间内工质流经实验管段吸收的热量Φ可表示为

Φ=ρπd2vcp(tfo-tfi)/4 ，

(1)

总传热系数表示为

k=Φ/(πdlΔtm) ，

(2)

式中：cp为定压比热容，kJ/(kg·K)；tfo和tfi分别为强化管内工质的出口温度和进口温度，K；Δtm为对数平均温差；d为管内径，m；l为实验管长，m；v为管内工质流速，m/s。

将公式(1)代入公式(2)中可得：

(3)

其中，对数平均温差Δtm：

(4)

式中：tsy为水域温度，K。

污垢热阻Rf的基本定义式可表达为

(5)

式中：k0、k分别为清洁状态下与污垢状态下强化管的总传热系数，W/(m2·K)。

1.3黏液形成菌简介

黏液形成菌是水中存在数量最多的一类典型致垢微生物，它不是单一的菌属而是属于多种混合的菌属，其混合的种类包括：肠杆菌属、假单胞菌属、气单胞菌属及葡萄球菌属等。此菌株革兰氏染色呈阴性，生理生化指标和扫描电镜鉴定为微球菌属。黏液形成菌可利用水中的醇、糖、酸等物质中获得新陈代谢和生长繁殖的能量，在其生命活动过程中可以产生一种黄褐色的粘附性很强的胶状或黏泥状沉积物，能堵塞流道、增大流动阻力，严重影响设备的换热效率。这一类的细菌虽然不能直接腐蚀固体材料表面，但它新陈代谢产生的胶状或黏泥状物质会覆盖固体表面产生局部缺氧区，局部缺氧的环境会有利于厌氧菌(如：硫酸盐还原菌，等)的产生和繁殖，会引起严重的垢下腐蚀。

1.4细菌的培养

本实验所采用的黏液形成菌为国内某电厂循环冷却塔塔底黏泥中分离纯化得出的。细菌的培养基为牛肉膏蛋白胨培养基，其中：牛肉膏3g，蛋白胨10 g，氯化钠5 g，去离子水1 000 mL。用酸或碱将上述培养基的pH值调节为7.2，用蒸汽压力灭菌锅在(121±1) ℃的环境下灭菌15 min，冷却后经紫外线消毒，在净化工作台内进行接种，然后在(29±1) ℃温度下的生化培养箱中培养72 h。

1.5实验过程

实验开始时，对实验工况进行调试，用人工称重法来调整工质流速，入口温度由风冷系统、变频器及水冷系统共同控制。待实验工况稳定后，在低位水箱中加入培养好的黏液形成菌，保持上下水箱的封闭状态，以免受到其他因素影响。实验过程中的温度变化经数据采集系统由计算机记录，在实验过程中，每隔12 h使用分光光度计离线监测低位水箱中水质参数OD值。在实验结束后，对数据进行后期的处理。

2　实验结果与讨论

2.1工质入口温度对黏液形成菌污垢特性的影响

在水浴温度为50 ℃，流速为0.4 m/s，菌液浓度为实验用水的 1%(体积比1∶100)的条件下，改变工质入口温度25 ℃、30 ℃和35 ℃，进行3组对比实验。入口温度对黏液形成菌污垢特性影响的实验结果，如图2所示。三组实验均存在明显的诱导期，诱导期结束后，污垢热阻曲线快速增长，一段时间后达到平稳。随着入口温度的升高，诱导期时间缩短，并且污垢热阻达到渐近值所需的时间减少。在实验温度范围内，当入口温度为30 ℃时，污垢热阻渐近值最大；当入口温度为35 ℃时，污垢热阻渐近值次之；当入口温度为25 ℃时，污垢热阻渐近值最小。

图2　入口温度对黏液形成菌污垢特性影响

图3　OD值与污垢热阻值对照曲线

图4　不同入口温度OD值对比图

在生物膜形成的初期阶段，首先是细菌培养基内的大分子物质(如：蛋白质，等)吸附在润湿的表面上形成调试膜[16]，调试膜的形成对黏液形成菌在换热面的附着起到了链接的作用。入口温度的增加，不仅加强了蛋白质等大分子物质的布朗运动，提高其吸附于润湿换热面的几率，加快了调试膜的形成，也为之后黏液形成菌的吸附提前做好了准备，为细菌的吸附创造了更多的机会和有利条件。

入口温度30 ℃时，水质参数OD值与污垢热阻值对照曲线如图3所示，黏液形成菌的生长规律影响着污垢的形成过程。黏液形成菌总量快速上升，细菌的对数生长期正对应着污垢形成过程中的诱导期；随后细菌数量较为稳定，细菌处于稳定生长期时，此时污垢热阻值快速增加；最后细菌进入衰亡期时，污垢热阻值趋于平稳。不同入口温度OD值对比如图4所示，当入口温度为35 ℃时，由于初始时期在一定范围内提高温度会有利于黏液形成菌的酶促反应，促进细菌生长，导致黏液形成菌的对数生长期时间较短。持续的高温会造成酶等蛋白质的不可逆性失活，黏液形成菌快速大量死亡，导致稳定生长期极短，提前进入衰亡期。入口温度为25 ℃时，较低的温度会抑制黏液形成菌的新陈代谢，细菌生长缓慢，故对数生长期和稳定生长期时间较长。当营养物质大量消耗后，生存环境恶化，黏液形成菌的死亡率大于生长率，进入了衰亡期。

入口温度在一定范围内的升高，不仅增强了生物膜的通透性，有利于营养物质和溶解氧由膜外向膜内运输，还会加快黏液形成菌的酶促反应的速率，提高细胞膜的流动性，增强黏液形成菌的新陈代谢，对黏液形成菌的生长繁殖起到了促进作用，加快生物膜生长。生物膜的增厚会增大壁面流体的阻力，从而加强了剥蚀效果。所以，升高入口温度加速了生物膜生长和脱落的动态平衡，缩短了污垢热阻值达到渐近值的时间。与此同时，持续的高温环境和营养物质的逐渐匮乏会导致黏液形成菌的死亡率快速升高，黏液形成菌的生长和死亡提前达到了动态平衡。升高入口温度会缩短黏液形成菌的稳定生长期，如图4所示。因此，污垢热阻达到渐近值的时间随着入口温度的升高而减少。

在循环工质中悬浮的细菌可以看作是颗粒溶液[17]，当细小颗粒(黏液形成菌)处于存在温度梯度的环境中时，由于温度不同导致分子热运动速率不同，颗粒之间的撞击也不同，从而使得颗粒由高温向低温方向运动，即热泳效应。当颗粒越小，温度梯度越大，热泳效应越明显[18]，黏液形成菌会因热泳力作用远离较高温度的管内壁，更接近于较低温度的工质的主流区。所以，入口温度升高，温度梯度变小，循环工质中悬浮的黏液形成菌的热泳效应不强烈。因此，入口温度为30 ℃和35 ℃时，污垢热阻渐近值均大于入口温度为25 ℃时的污垢热阻渐近值。入口温度为30 ℃时，黏液形成菌为最适温度，生命活动最为旺盛，相应的生物膜也会最厚，污垢热阻渐近值最大。当温度超过或低于细菌生长最适宜温度会抑制生物膜的生长，且低温的抑制作用更为明显[19]。 所以，当温度为35 ℃时，污垢热阻渐近值小于30 ℃时的污垢热阻渐近值，但大于25 ℃时的污垢热阻渐近值。

图5　水浴温度对黏液形成菌污垢特性影响

图6　不同水浴温度OD值对比图

2.2水浴温度对黏液形成菌污垢特性的影响

在入口温度30 ℃，流速0.4 m/s，菌液浓度为实验用水的 1%的条件下，改变水浴温度50 ℃、55 ℃和60 ℃，进行3组对比实验。水浴温度对黏液形成菌污垢特性影响的实验结果，如图5所示。三组实验均存在诱导期，诱导期结束后污垢热阻曲线先上升后达到稳定。随着水浴温度的升高，诱导期时间缩短，污垢热阻达到渐近值的时间减少，并且污垢热阻渐近值随着温度的升高而逐渐变小。

升高水浴温度，在换热壁面处的大分子物质布朗运动剧烈，同样会使调试膜形成的时间缩短，为黏液形成菌的附着提供了良好条件和更多机会。壁面上温度的提高在初始时期会加快壁面上附着细菌的生长繁殖，但随后持续的高温环境会使生物膜通透性和细胞膜的流动性变差，不锈钢管内细菌的生长速率下降，黏液形成菌的死亡率开始上升，对数生长期此时变短，从而导致了诱导期时间的缩短。

不同水浴温度OD值对比，如图6所示。可以看出，水浴温度的升高不但会使细菌的稳定生长期提前，还会缩短细菌的稳定期，甚至出现60 ℃时那样的极短的稳定生长期，致使生物膜的生长和脱落快速达到动态平衡，进而使污垢热阻提前达到平稳渐近值。所以，污垢热阻达到渐近值的时间随着水浴温度的升高而减少。

在循环工质流动的过程中，过高的壁面温度会使生物膜通透性变差，在换热壁面处会产生较大的营养浓度梯度；同时，氧气在水中的溶解度是随着温度的升高而降低的，壁面温度的升高能产生较大的氧气浓度梯度。黏液形成菌是好氧菌，根据细菌的趋化性、趋气性和趋温性的正趋性运动可知，细菌会自发地向有利于自己生存的营养浓度较大溶解氧充足的主流区方向运动，即远离换热壁面。升高了水浴温度，管内会产生较大的温度梯度，这并不利于黏液形成菌的附着；并且管内持续高温环境会使黏液形成菌快速死亡，胞外聚合物(EPS)的粘附作用和架桥作用减弱，降低了生物膜对不锈钢壁面的粘附力，生物膜疏松脆弱，故污垢热阻渐近值随着水浴温度的升高而减低。

3　结　　论

(1)随着循环工质入口温度的升高，诱导期时间缩短，污垢热阻达到渐近值所需的时间减少。在实验范围内，当入口温度为30 ℃时，污垢热阻渐近值最大；当入口温度为35 ℃时，污垢热阻渐近值次之；当入口温度为25 ℃时，污垢热阻渐近值最小。

(2)随着水浴温度的升高，诱导期时间变短，污垢热阻达到渐近值所需的时间减少，并且污垢热阻渐近值随着温度的升高而逐渐变小。

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Experimental Analysis on Effect of Temperature on Bio-fouling of Slime-forming Bacteria

XU Zhi-ming1，WANG Yu-hang1，WANG Jing-tao1，SHEN Yi-wen1，ZHANG Yi-long2，LIU Zuo-dong1

(1.Energy Resource and Power Engineering College，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012；2.School of Automation Engineering，Northeast Dianli University，Jilin Jilin 132012)

In order to study on the effect of temperature on fouling characteristics of slime-forming bacteria，the slime-forming bacteria fouling characteristics in stainless steel tube heat exchanger was experimentally studied by changing the inlet temperature and water bath temperature.The results show that，induction period and the time to stabilization both reduce with the increasing of inlet and water bath temperature.The asymptotic value of fouling resistance is maximum at 30 ℃ in the experimental temperature range，then following at 35 ℃，and minimum at 25 ℃.With the increasing of water bath temperature，fouling resistance asymptotic value decreases.

Temperature；Slime-forming bacteria；Fouling；Biofilm；Enzyme；Water quality parameter

2016-04-12

国家自然科学基金(51476025)

徐志明(1959-)，男，吉林省九台市人，东北电力大学能源与动力工程学院教授，博士生导师，主要研究方向：节能理论与技术、换热设备的污垢与对策和强化换热.

1005-2992(2016)04-0049-06

TP29

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