Ca2+环境下水质参数变化对板式换热器铁细菌微生物污垢的影响

刘坐东，陈洋，王景涛，徐志明，张一龙

（东北电力大学能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012）

Ca2+环境下水质参数变化对板式换热器铁细菌微生物污垢的影响

刘坐东，陈洋，王景涛，徐志明，张一龙

（东北电力大学能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012）

换热设备微生物污垢形成机制和影响因素复杂，污垢数据和规律的获取难度较大。本文采用搭建的板式换热器循环冷却水实验系统，获得了加入Ca2+后板式换热器冷却水铁细菌微生物污垢热阻数据，研究了加入Ca2+后不同运行工况下冷却水水质参数（OD、pH、电导率）的变化，进一步分析了水质参数变化对微生物污垢生长带来的影响。结果表明，加入 Ca2+后微生物污垢热阻渐变化明显。随着低温循环冷水进口温度增加，含有 Ca2+和铁细菌的循环冷却水OD逐渐降低，pH则逐渐升高，电导率减小，微生物污垢热阻逐渐降低；随着流体速度的增加，循环冷却水OD则升高，pH降低，电导率增大，但流速的增大同样加剧了冷却水对通道壁面的剥蚀作用，导致微生物污垢热阻随流速增逐渐下降。

板式换热器；水质参数；钙离子；铁细菌；污垢热阻

板式换热器微生物污垢问题长久以来都是各个行业普遍头疼的难题。特别是在能源化工领域，由于微生物适应环境能力强，繁殖速度快，如不加以控制，会在短时间内在板式换热器的通道内、循环水系统管道壁面等生长、繁殖而形成厚厚的生物黏膜［1］，严重影响设备安全高效运行。有研究表明，生物黏膜在其形成过程中受环境因素的影响明显，一系列水质参数如 pH、电导率、溶解氧、浊度［2-3］及 Ca2+浓度［4］的变化对微生物代谢及最终微生物污垢的形成有重要的影响。周健等［5］对Ca2+、pH、温度、废水水质、污泥负荷等因素对胞外聚合物的影响进行了研究。结果表明，pH和废水水质对胞外聚合物的含量及成分的影响巨大，温度对胞外聚合物的影响效果较小。同时随着Ca2+浓度的增加，胞外聚合物的含量增加。王建国等［6］研究了在磁场的环境下换热器结垢过程中水质参数的的变化，对过程中pH、电导率、溶解氧、浊度等水质参数进行分析。发现在磁场的环境下水质参数与换热器结垢规律有着密切的联系。其中电导率对污垢热阻影响最大，pH对污垢热阻的影响最小。王大成等［7］分析了恒温水浴且工质流速一定的情况下铁细菌和硫酸盐还原菌在不锈钢管中的结垢特性水质参数的变化情况，着重研究了细菌数、Fe2+、COD、pH与生物污垢的关系，研究结果表明，两种微生物存在强烈的协同作用，致使生物污垢形成速率加快，且Fe2+决定铁细菌及硫酸盐还原菌菌数，pH与COD与微生物代谢密切相关，从而影响微生物污垢的形成。赵波等［8］定性分析了pH、溶解氧、浊度、硬度、碱度、铁离子浓度等水质因素对污垢形成的影响，且将水质参数与时间作为输入变量，污垢热阻为输出变量，建立出基于支持向量机的冷却水污垢热阻预测模型，并与实验值相对比，且实验值与模拟值吻合良好。于大禹等［9-11］以从松花江水中提取的黏液形成菌为研究对象，考察了黏液形成菌分别在交叉缩放管及不锈钢管中污垢热阻和水质参数的变化，并用灰色关联法分析出各种水质参数（包括pH、电导率、溶解氧、细菌总数等）与微生物污垢之间的权重比例。张仲彬等［12］研究了在板式换热器中松花江水的结垢特性与水质变化规律，通过分析水质参数发现：水质参数在松花江水结垢初期变化较大，随后逐渐变缓。

可以看出，掌握水质参数的变化，对微生物污垢的预测、监测和清除都有重要意义。本文以循环冷却水中典型致垢微生物铁细菌为研究对象，研究板式换热器运行工况对循环冷却水水质参数变化的影响，以期进一步深入探讨板式换热器微生物污垢形成机制，为实际工业水水质参数变化检测和微生物污垢的预测提供一定的参考。

1 实验系统及实验原理

1.1 实验系统简介

实验系统简图如图1所示，主要由热流体循环系统、冷流体循环系统、冷却循环系统和数据采集系统组成。冷、热流体分别在各自回路中循环，通过板式换热器进行热量交换，其中热流体循环系统配有加热棒，以保证热流体温度恒定，而冷流体通过板式换热器得到的热量则由冷却循环系统带出循环系统。冷却循环系统配备了空冷换热扇、空冷水泵、散热器、PID控制器等确保将冷流体交换来得热量顺利带走，维持冷流体在稳定的温度。数据采集系统主要由Eastfar数据采集仪构成，实验中采集信号通过导线以电压形式传输到计算机预设程序处理。

实验系统中所使用的板式换热器为吉林四平巨元瀚阳板式换热器有限公司生产的人字形波纹板，具体参数详见表1。

图1 板式换热器冷却水动态污垢模拟装置

表1 板式换热器的尺寸参数

1.2 实验原理与实验过程

1.2.1 板式换热器污垢在线检测原理

根据板式换热器中冷流体的吸热量φ1等于热流体的散热量φ2，由于在实验的过程中在散热损失，

式中，A为换热器换热面积，m2； Δtm为对数平均温差，℃；qm为流体质量流量，kg/s；cp为定压比热容，kJ/（kg·K）； t'、t"为流体的进、出口温度，℃。下角标1、2分别代表冷、热流体。

采用污垢热阻法原理计算污垢热阻，见式（5）。

式中，Rf为污垢热阻；k和k0分别为清洁状态以及结垢后的传热系数，W/（ m2·K）。

本文在不考虑出大误差的基础上，根据误差传布原理［13］对实验结果进行误差分析，间接测量量（温度、压力及流量）及最后得出的污垢热阻误差计算结果如表2所示。

1.2.2 铁细菌的培养

铁细菌为好氧细菌，菌落大部分为灰白、红褐或深褐色絮状或黏胶状聚集物［14］。实验所用铁细菌是从某电厂冷却塔生物黏泥中提取，经过多代培养，分离纯化得到的。铁细菌培养基具体成分及培养成的目标微生物分别如表3和图2所示。

表2 实验系统误差计算结果

表3 铁细菌培养基名称及用量 单位：g/L

将上述培养基pH调节在6.8～7.0，用蒸汽压力灭菌锅在高于大气压0.1MPa、121℃的条件下灭菌15min，冷却后通过紫外线消毒，进行接种并在30℃恒温培养箱中培养至体积分数为1%时光密度（OD）值为0.5时进行实验。经过提纯培养的铁细菌实物如图2所示。

图2 培养好的铁细菌

2 实验过程与结果分析

2.1 实验过程

本文采用人工加药的方式向去离子循环冷却水中加入一定比例（菌液和循环冷却水体积比为 1∶100）菌液模拟微生物污垢形成过程中水质参数的变化。高、低温循环系统中的热、冷流体经板式换热器完成热量交换，在各自的循环回路中反复循环；高温循环系统温度由温控仪控制加热，冷却水循环系统温度则通过变频冷却装置控制。整个循环过程中高、低温流体的流速由流量调节阀和流量计调控，通过设置不同的运行工况，考察板式换热器不同温度、流速下循环冷却水水质参数的变化。

主要采用离线的方法来测量循环冷却水的水质参数，在实验运行过程中定时提取水样进行水质参数的测量，记录水质参数在实验运行过程中的变化，最后结合实验相关工况分析这些变化产生的可能性。

2.2 运行工况对水质参数的影响

主要考察了不同温度和流速对微生物 OD、pH及电导率的影响，通过改变工况，得到对应水质参数的变化数据，进一步就工况对水质参数变化的影响进行了分析。在实际大型换热设备循环冷却水中，均检测到一定浓度Ca2+［15-16］。一些研究表明，一定浓度的 Ca2+对微生物代谢有显著影响，而 Cl-对铁细菌生长影响则不明显［17］。本文在实验中的循环冷却水加入铁细菌菌液外，加入了总体浓度为300mg/L CaCl2以模拟实际循环冷却水中水质参数的变化。

2.2.1 温度对水质参数的影响

在相同的流体流速v=0.1m/s以及细菌浓度为实验用水的1%的条件下加入300mg/L的CaCl2，改变低温循环水进口温度，分别测定在入口温度为30℃、35℃、40℃的条件下板式换热器的铁细菌水质参数。

（1）温度对OD的影响 如图3显示入口温度为30℃、35℃、40℃下循环冷却水OD变化，可以看到OD在运行前期迅速增大，而后缓慢下降。这是因为在实验前期，水箱内营养物质丰富、加入的少量铁细菌在经过短暂的适应之后，迅速繁殖生长。这一阶段的微生物生长旺盛，代谢频繁，随着时间的推移，水箱内营养物质由于细菌大量消耗而变得匮乏，细菌代谢产生大量有害的次级代谢产物，如CO2等酸性物质致使水内的 pH降低，细菌的生活环境恶劣，加剧了微生物的死亡；不同的进口温度显著影响了细胞内酶的活性，随着冷却水入口温度的不断升高，细胞内大量酶发生不可逆性变性失活，微生物代谢活动受到抑制。故在相同的运行时期循环冷却水OD随着冷却水入口温度的升高而降低。

（2）温度对pH的影响 如图4显示了不同温度环境下循环冷却水pH的变化。在运行初期，pH变化较为剧烈，随着运行时间的增长，pH逐渐趋于平稳。这是由于微生物在实验初期处于调整期，铁细菌不断通过自身分泌代谢产物，反复“调试”外部环境的pH以达到适宜自己生长的值；调整期过后，在20～40h这段时间内不同温度下的pH变化出现了交叉的现象，这可能是因为细胞内酶促反应最大化，细胞增殖迅速，这一时期铁细菌代谢所产生大量酸性物质和 CO2在循环冷却水中不断积累，导致pH逐步降低，且变化剧烈，且这一时期的细菌在经过初期的调整之后基本适应了各个工况下的温度，故该时期温度对pH的影响不明显。随着循环的进一步进行，水箱内的营养物质趋于耗尽，细菌生存环境恶化，铁细菌大量死亡，能够影响pH的代谢产物大幅度减少，pH的变化逐渐趋于稳定。从稳定后的pH分布可以看出，pH水平随着冷却水入口温度的升高而相应增大。结合前面温度对 OD影响的分析可知，高温下细胞内酶发生不可逆失活，微生物生长浓度、代谢均受到抑制，产生的酸性代谢产物也最少，故入口温度较高的冷却水pH相应最高。

图3 不同温度下冷却水OD的变化

图4 不同温度下冷却水pH的变化

（3）温度对电导率的影响 电导率可以从侧面反映出水中电解质的变化情况。研究电导率的变化可以从侧面探知循环冷却水中微生物生长代谢水平。从图 5可以看出，电导率随着时间的变化先急剧升高后趋于稳定。在实验初期，细菌急速繁殖，呼吸产生大量 CO2等酸性物质排放于循环冷却水中，同时分泌大量的代谢产物“改造”生存环境，产生的蛋白质有些具有电离基团，这些因素都导致水中电导率迅速升高；随着循环的不断进行，水箱内的营养物质逐渐减少，有毒代谢产物积累，微生物生长代谢因环境恶化而逐步受到抑制，繁殖和死亡达到平衡状态，冷却水中的电解质含量达到动态平衡，故电导率变化趋于稳定。在适宜的温度（30℃）下，细胞代谢最为旺盛，微生物在数量和生存质量上始终处于较高的水平，随着冷却水温度的不断升高（35℃和40℃），细胞膜内酶活性受到影响，生存环境恶化，死亡速率加快，因此冷却水中微生物数量及代谢产物含量随着冷却水温度的升高而出现下降的趋势。

图5 不同温度下电导率的变化

不同温度下水质参数变化直接或间接反映出微生物代谢的变化。随着冷却水入口温度的升高，OD逐渐下降，pH逐渐升高，电导率逐渐下降，都表明实验所用循环冷却水中的微生物及代谢产物的数量随着冷却水进口温度的升高而下降，进而造成微生物污垢热阻也相应下降。实验中观察到微生物污垢热阻（如图6所示）也随着冷却水入口温度的升高呈现下降的趋势。随着温度的升高，污垢热阻达到平衡的时间缩短。但持续的高温会使酶变性失活，使微生物的死亡率加快，所以随着温度的升高，铁细菌的污垢热阻渐近值呈现逐渐降低的趋势。

2.2.2 速度对水质参数的影响

板式换热器通道设计紧凑，能够在较低的管内雷诺数下（50～200）达到旺盛湍流。在实际生产过程中，板式换热器板间流速大致在5～15m/s之间，本文设置的管内流速换算成板间流速约 5.6～11m/s，在工程实际应用合理范围内。测定了温度35℃及流速为0.1m/s、0.15m/s、0.2m/s条件下板式换热器的铁细菌OD、pH和电导率的变化。实验用循环冷却水为1%细菌浓度并加入300mg/L的CaCl2的去离子水。

（1）速度对铁细菌OD的影响 图7显示了不同速度下铁细菌OD的变化情况。随着实验流速的增加，铁细菌的OD逐渐增加，这是因为较高的流体速度可以带来较高的传质速度，同时可以加快输运细菌新陈代谢所产生的有毒物质，有利于铁细菌大规模繁殖生长；此外，由于本实验采用非封闭式循环系统，较高的流速可以使更多的氧气进入循环水中，所以高流速可以给细菌供给充分的营养物质和氧气，进一步促进了铁细菌繁殖。流速的增大还会使流体对壁面的剪切力增加，加速对沉积到板片表面的污垢的剥离，这些剥离的悬浮物也使造成OD变大的原因之一。

（2）速度对pH的影响 如图8所示为不同流速下pH的变化情况。可以看出，经过一段时间运行稳定后的pH随着流速的增加而降低。从前面OD的分析可知流速的增加带入更多有利于微生物生长的营养物质和氧气，使得高流速下的循环冷却水中微生物的浓度明显高于低流速的，故高流速下微生物代谢产生的酸性代谢产物也相应较多，循环水中pH对应最低。

图6 不同温度下铁细菌的污垢热阻曲线变化

图7 不同流速下冷却水OD的变化

图8 不同速度下冷却水pH的变化

（3）速度对电导率的影响 电导率变化可以从侧面反映出水中电解质的变化情况。图 9显示了不同流速下冷却水电导率的变化，随着流速的增加，冷却水中的电导率逐渐增大。这是因为，流速的增加促进了传质速度及营养输运，有力促进了冷却水中微生物的生长。从前面OD变化可知，高流速下冷却水中微生物浓度较低流速显著提高，随之微生物代谢产物浓度也明显高于低流速下微生物代谢产物浓度；使得高流速下循环冷却水的电导率处在较高水平。另外，高流速下流体对板式换热器通道壁面的剪切力相应增大，大量沉积到壁面的微生物污垢被剥离而重新回到循环冷却水中，这也是造成循环水中电解质总体水平增大、电导率随流速增加而增大的一个原因。

图9 不同速度下冷却水电导率的变化

图 10显示的是不同实验流速下板式换热器污垢热阻的变化。由于流速的增加，循环冷却水能在单位时间内为微生物输运更多的营养物质，并移走新陈代谢所产生的废物，有力促进了微生物的生长和繁殖，造成循环冷却水总体水平偏高。但流速的增加反而抑制了板式换热器微生物污垢的生长。这主要由于流速增大同样导致板式换热器通道壁面的剪切力增大，对壁面的剥蚀作用加剧。因此，流速的增加虽然加快了营养物质和氧的输送进程，一定程度上促进了冷却水中的微生物的代谢和繁殖，但剧烈的剥蚀作用使得微生物污垢热阻随着流速增大出现减小的现象。

图10 不同流速下铁细菌污垢热阻曲线

3 结 论

钙离子使得板式换热器铁细菌微生物污垢渐近值显著增大，但对铁细菌微生物污垢诱导期影响不大。

随着循环冷却水入口温度的增加，循环水温度逐渐变的不适宜微生物繁殖生长，表现为循环冷却水OD逐渐下降，pH逐渐升高，电导率逐渐降低，相应的微生物污垢热阻也呈逐渐降低的趋势。

随着循环冷却水入口速度的增加，有害物质传质和营养物质输运速度加快，促进了微生物的繁殖，表现为铁细菌OD逐渐增大，pH相应下降，电导率升高；但流速的增大同样加剧了冷却水对通道壁面的剥蚀作用，导致微生物污垢热阻随流速增加呈现下降趋势。

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The effect of water quality parameters change including Ca2+on iron bacteria microbial fouling in plate heat exchanger

LIU Zuodong，CHEN Yang，WANG Jingtao，XU Zhiming，ZHANG Yilong
（The College of Energy and Power Engineering in Northeast Dianli University，Jilin 132012，Jilin，China）

For the formation and influence of heat exchanger microbial fouling are complicated，the fouling resistance data and laws are more difficult. By using plate heat exchanger experimental system，the effect of Ca2+on cooling water iron bacteria microbial fouling and water quality parameters（OD，pH，electrical conductivity） changes under different temperature and velocity was studied. Results showed that microbial fouling resistance was increased obviously with Ca2+added in cooling water. With cooling water inlet temperature increase，the OD and the conductivity of iron bacteria is decreased gradually，and the pH is going higher，and the microbial fouling resistance is decreased correspondingly. With cooling water inlet velocity increase，the OD and the conductivity of iron bacteria were increased and pH was decreased in Ca2+environment. But for the increasing velocity，the denudation to microbial fouling was enhanced and the microbial fouling resistance presents downtrend accordingly.

plate heat exchanger；water quality parameters；calcium ions；iron bacteria；fouling resistance

TK 124

A

1000-6613（2016）10-3344-06

10.16085/j.issn.1000-6613.2016.10.046

及联系人：刘坐东（1985—），博士，讲师，主要从事节能理论、换热设备污垢与热力性能分析等研究。E-mail zuodongwangyi@ 126.com。

2016-02-25；修改稿日期：2016-03-30。

国家自然科学基金（51476025）及东北电力大学博士科研基金（BSJXM-201513）项目。