热泵站换热器污垢研究

刘子奇，赵 轩，王 洋，王子瑜，李兴洋

（1.吉林省厚普环境能源有限公司，吉林 长春 130000；2.东北师范大学 环境学院，吉林 长春 130117）

1 相关概述

1.1 污垢分类及成因

按照污垢形成的主要物理化学过程，污垢可分为析晶污垢、颗粒污垢、腐蚀污垢以及生物污垢等[1]。其中，生物污垢是本文研究的重点，通常是指由真菌、细菌、藻类等微生物及其排泄物附着于容器或流道壁面并栖息、繁殖而形成的生物黏膜或有机物膜。管网系统中的微生物通常来源于源水，水中的某些微生物经水处理过程后幸存下来进入管网系统，水中的溶解性痕量有机物可使这部分微生物在管网中修复、重新生长，并在管壁形成生物膜。此外，由于事故原因，如管道破裂、倒虹吸负压等，也会使外界微生物进入管网系统中并增殖。进入管网中的部分微生物受范德华力、静电、氢键等作用力与管壁接触并黏附。生物膜的形成速率与界面处的物理、化学、营养物质的供给、附着微生物的生理要素等有关，其脱落的主要原因则是水力冲刷、消毒剂对EPS的影响以及营养物质的缺乏等。由于大分子物质在管网内壁固、液界面上富集以及EPS对微生物的保护作用，黏附于缝隙、微孔以及管壁表面的微生物相对于水流中悬浮生长的微生物而言，具有更优越的生长环境，从而迅速繁殖，形成稳定的生物膜[2]。生物膜的形成过程可分为5个阶段：可逆接触阶段、不可逆接触阶段、菌落形成阶段、生物膜成熟阶段及生物膜老化脱落阶段。

1.2 影响污垢形成的因素

污垢的形成是一个长期积累的过程，受众多因素的影响，如流体性质、壁温、流体与壁面的温度梯度、壁面材料、表面粗糙度、流体流速、湍流强度、流体与壁面的剪切力、污秽物质粒子的形状、组成、浓度、粒径分布、作用域粒子的热、电磁和引力等[3-4]。对热交换器来说，污垢主要受换热设备参数和流动介质性质两个方面的影响，另外，对于特殊的生物污垢来讲，还受环境因素的影响。

对于生物污垢而言，影响生物膜形成的因素一是需要一定的物质载体（载体界面的静电作用、亲疏水性、界面粗糙度及形态特征等），这种载体界面性质会对细胞黏附和生物膜形成造成影响。另一种是受细胞表面物化性质影响的，胞外多糖、胞外蛋白、胞外DNA等。

2 生物污垢生长特性的全周期检测

微生物污垢在换热器中形成的连续性过程包括开始、运输、附着、移动、老化，这些过程决定着整个污垢的形成过程，也最终决定着污垢对换热器性能的影响[5]。污垢的开始是污垢过程的第一步，在此之前存在一个诱导期，影响诱导期的因素有温度、流速、污垢的成分、换热器表面的特性和条件。生物膜的存在使细菌、藻类、小型浮游生物开始附着于上不锈钢管材，开始大量微生物群的滋生。由于剪切力、湍流脉动已经侵蚀，会使污垢脱离换热表面，到最后附着和脱离产生一个平衡，污垢达到稳定期。

3 污垢生长及抑制机制分析

3.1 污垢生长的影响因素

3.1.1 流体速度

流体的流速可通过对传热介质的影响和机械作用力使结垢受到影响，该影响过程非常复杂。遵循艾伯特污垢形成方程：

污垢形成的速度与流体速度的平方成反比、与液膜温度成正比，只是对于不同流体，这种变化的速度会有所不同而已。

3.1.2 温度和温差的影响

流体和污物之间的界面温度是影响结垢程度的关键参数，流体温度（平均温度）及其传热系数决定该界面温度。对于化学反应污垢，温度对其的影响主要体现在对主要化学反应的影响上。一般情况下，温度越高，污垢的增长率越大。

3.1.3 热交换器结构参数的影响

污垢与热交换器的结构、热交换器内流体流速、湍流度以及换热面光滑度等因素有关，这些因素直接影响热交换器内的结垢情况。不同污垢的诱导期都随换热面粗糙度的增加而减小，这是由于凸出部分有利于成核、吸收和表面化学活性的增加，而凹下部分则为沉积物提供了避开流体冲刷的场所，这两个方面都使污垢便于沉积。表面粗糙度的增加有利于剥蚀的进行，可作为对污垢沉积率和剥蚀率的影响因素之一。因此，一般板式热交换器和螺旋管热交换器的抗垢性能要优于管壳式热交换器。

3.1.4 流动介质性质对污垢的影响

流体性质对污垢的影响包括流体本身的性质和不溶于流体或被流体夹带的各种物质的特性对污垢的影响。在冷却水系统和蒸汽发生器水侧，水质特性对污垢沉积起关键作用。若流体中含有盐或其他物质，可能会因温度或浓度的变化而结晶等。流体中固态物质的粒子直径不仅影响粒子运输，还影响粒子的附着过程和剥蚀过程。粒子直径的增大会导致粒子附着力减小，剥蚀力增大。粒径大的粒子形成的污垢层比较疏松，易于被剥蚀。

3.1.5 生物因素的影响

除了上述的影响因素外，水中的微生物表面物化性质对生物污垢也有影响。早期研究发现，胞外多糖普遍存在于各种环境下形成的生物膜中，是大多数细菌形成成熟生物膜结构不可或缺的组成部分。Sutherland[6]研究混合菌属生物膜结构发现，只要存在能合成胞外多糖的微生物菌属, 就能形成成熟稳定的生物膜，且该生物膜结构中还包含大量不能合成胞外多糖的微生物菌株。生物膜EPS中胞外蛋白的含量远比胞外多糖多，在废水生物处理系统内，研究者发现EPS作为污泥絮体、生物膜、颗粒污泥等生物聚集体的重要组分，在生物聚集体的形成与结构稳定过程中起到关键作用。胞外DNA（eDNA）浓度在不同菌属生物膜中差异较大，但在废水处理系统生物膜中eDNA量则较多。目前有关eDNA的研究基本集中于纯菌生物膜的研究，认为eDNA不仅是诱导生物膜形成的关键因素，也是维持生物膜结构稳定的重要组分。

3.2 除垢、抑垢策略

综上所述，可以采用如下方法制定除垢、抑垢策略。

（1）水冲洗：用大流量的水尽可能冲洗掉管道中的灰尘、泥沙、脱落的藻类及腐蚀物等疏松的污垢，同时检查系统的泄漏情况。（2）杀菌灭藻粘泥剥离清洗：杀死系统内的微生物，并使管道表面附着的生物粘泥剥落脱离。（3）除垢剂除垢清洗：利用除垢剂把管道内的水垢、氧化物分解后溶于水冲洗掉。（4）清洗后的漂洗：此次水冲洗是为了冲洗掉清洗时残留的清洗液以及清洗掉的杂质，冲洗时要不断开起导淋以使沉积在短管内的杂质、残液冲洗掉。（5）预膜：预膜的目的是让清洗后处于活化状态下的金属表面或保护膜受到伤害的金属表面形成一层完整耐蚀的保护膜。