海水管式热交换器中藻类污垢生长特性实验研究

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(北京化工大学 机电工程学院， 北京 100029)

在工业生产过程中，管道、设备结垢是一个严重问题，特别是换热设备，其在实际生活和工程领域应用中都存在不同程度的结垢问题。在以海水、河水等自然水体作为冷却水的工业循环系统中，热交换器污垢中生物型污垢所占比重较大，介质中存在大量的微生物，包括藻类、细菌及真菌等[1]。条件适宜时致垢微生物会附着于换热管内壁并不断繁殖，结垢后使热阻增大，极大降低热交换器的传热效率[2]，增加设备的运行、维修等成本。结垢还会促进金属壁面的电化学腐蚀，同时不断生长积聚的污垢会阻碍流体流动[3]，增加流动阻力，造成能源和材料的极大浪费[4]。

于大禹等[5]总结了微生物污垢形成过程的特征及其主要影响因素，利用实验方法研究了一些典型微生物污垢的特性及污垢形成的影响因素，认为污垢的形成涉及多个学科，是十分复杂的过程，影响生物型污垢形成的因素有很多，如水体组分、温度、水流与壁面的温度梯度及水流速度等。Melo[6]研究了微生物在换热设备表面形成生物膜的机理以及流速、温度等外界条件对微生物污垢的影响，同时探究了管壁材质以及管内工质流速等对于微生物污垢生长的影响，对微生物污垢生长规律提供了参考。昝成等[7]研究了城镇二级出水中温度及流速对板式热交换器内结垢特性的影响，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。杨善让等[8]认为流速对微生物型污垢的影响可归结为两点，一是在剥蚀不明显时，流速通过影响对流传质进而影响沉积速率。二是流速对剥蚀的影响最宜用壁面剪切应力和污垢强度来表征。刘潭[9]对污水源热泵换热管的污垢进行了研究，并利用XSJ/HS型显微图象分析显示该污垢是含有藻类、细菌及后生动物的微生物群落。Khor等[10]验证了微生物型污垢生长初期主要依靠1层有机黏膜，主要成分为多糖，可使蛋白质等大分子颗粒物产生黏附效果。武霖等[11]通过静置实验探讨了通过Ni-P化学镀层改进后，换热管壁面上微生物污垢的生长特性。Turner等[12]通过实验证明了污垢黏膜会加重颗粒污垢的积聚效果，在一定程度上促进污垢的生长。Grant等[13]发现当致垢微生物黏附在金属上时，会使金属外壁的电荷分布发生改变，造成电离效应，加快金属表面的致垢速度。

换热设备内壁结垢严重影响工业生产[14]，目前国内外关于微生物污垢的研究中，对于铁细菌、硫酸盐还原菌等细菌型污垢研究较多，对藻类污垢研究较少。本文以海水中的藻类微生物为研究对象，通过实验利用控制变量法分别探讨了流速、温度、循环工质中藻种体积分数对海水管式热交换器中藻类污垢生长的影响及其相应变化规律，为除垢、抑垢技术提供一定的理论依据。

1 藻类污垢生长特性实验内容

1.1 实验装置

藻类污垢生长特性实验台示意图和实物图分别见图1和图2。结垢性能监测段为自制的套管，由有机玻璃圆管和水浴加热套管构成，用于模拟换热管路热交换过程，以便对管壁结垢情况进行观察。

图1 藻类污垢生长特性实验台示图

图2 藻类污垢生长特性实验台实物

1.2 实验工况

藻类污垢是海水源热交换器的主要结垢成分，选择复合藻种作为实验对象。在以人造海水为介质的实验系统中加入复合藻种培养液，模拟海水源热泵的工作状态。实验介质在实验系统中循环流动使管路结垢，通过改变水浴温度、流速、介质中藻种体积分数等不同工况参数来研究藻类污垢的生长特性。根据实验条件和致垢微生物相关特性，在流速0.1～0.4 m/s、水浴温度30～60 ℃、藻种体积分数20%～50%内进行试验，每种工况循环运行10 d。

1.3 循环介质

为专业模拟海水主要成分及藻类污垢的相关生长环境，实验循环介质采用由北京化工大学生命技术与科学学院微生物研究室所制备的人造海水。人造海水不含悬浮物、有机物和生物物质，是模拟常量组分的质量浓度，用无机盐类准确配制的，近似于海水的离子组成、渗透压和pH值，其具体成分见表1。

表1 循环介质(人造海水)成分

1.4 实验材料

实验所用复合藻种提取自山东青岛某海域，经实验室富集分离培养后待用。复合藻种中各藻类质量分数为小球藻50%、硅藻20%、蓝藻20%、卵囊藻10%。藻种培养基选择经改良后的BG11培养基，1 L的BG11培养基中含10 mL的A5溶液，其他成分见表2。

表2 1 L的BG11培养基中主要物质成分

1.5 污垢载体

铜是换热管常用材料，又具有较高的表面能值，可加快污垢生长速率，缩短实验时间，提高效率，所以选取厚度为0.1 mm的紫铜片作为污垢载体进行实验。紫铜片置于水管中，安装时需使其与管内壁紧密贴合，见图3。

图3 紫铜片安装示图

使用污垢面密度，即单位面积铜片上污垢的沉积量来表征污垢的生长效果，可减少尺寸误差，经推导后可知：

式中，ρ′为污垢面密度，g/m2；m1为取样片结垢时质量，m2为取样片清除污垢后再次烘干称重的质量，g；ρ为取样片密度，铜片密度8.9 g/cm3；δ为取样片厚度，取0.1 mm。

1.6 实验步骤

实验过程中，每天固定时间剪下一部分铜片作为取样片，计算污垢面密度，并绘制污垢生长曲线。循环介质入口温度25 ℃、水浴温度40 ℃、介质中藻种体积分数30%、介质流速0.1 m/s时，取样片结垢情况见图4，污垢生长情况见图5。

图4 取样片污垢情况

图5 藻种在铜片上结垢及污垢生长情况

2 藻类污垢生长特性实验结果与分析

2.1 流速影响

在循环介质入口温度25 ℃、水浴温度45 ℃、介质中藻种体积分数30%时，通过改变介质流速(0.1 m/s、0.2 m/s、0.3 m/s、0.4 m/s)得到管壁内污垢面密度变化曲线，见图6。

图6 不同介质流速下管壁内污垢面密度变化曲线

从图6可以看出，0.2 m/s、0.3 m/s、0.4 m/s 这3组流速下污垢面密度的变化趋势大致相同，实验前期污垢面密度增长速率较快，随着时间的延长，面密度增长趋势逐渐变缓，最终达到一个相对稳定的渐进值。在实验后期，污垢面密度围绕这一数值上下波动，变化不大，表明管壁内污垢总量达到了一个相对稳定的状态，污垢不再累积生长。随着流速增大，污垢面密度渐进值减小。污垢面密度代表污垢载体单位面积上污垢的质量，可表征系统内的结垢情况。当污垢载体确定时，面密度越小，则污垢的沉积量越小。污垢面密度的增长速率也间接反映了污垢的生长速率，当流速增加时，污垢面密度的增长速率并不是始终增加，其中流速为0.2 m/s时实验前期污垢面密度的增长速率最大，污垢生长最为迅速，达到渐近值所需的时间最短。

分析认为，出现这种现象是因为介质流速对于微生物污垢的生长作用是相对的，会起到正反两方面的作用。较高的流速会加快介质循环，让污垢接触到更多的氧气及营养物质，增加了养分和氧的供给[15]，在一定程度上促进了藻类污垢的生长。同时较高的流速也会带来更大的剪切力，加速管壁附着的藻类生物膜以及污垢沉积物的剥蚀效应。

从实验结果看，在其他工况一定的条件下，污垢面密度的渐近值随流速的增大而减小，即污垢总量随流速的增大而减小。但污垢的生长速率与流速并不是绝对关系，较低流速下，增大流速对于藻类污垢生长的促进效应会高于剥蚀效应，增大流速会使污垢生长速率变大；高流速下，增大流速对于藻类污垢生长的促进效应要低于剥蚀效应，增大流速会减小污垢生长速率。

2.2 温度影响

在循环介质入口温度25 ℃、介质中藻种体积分数30%、介质流速0.3 m/s时，通过改变套管中水浴温度(30 ℃、40 ℃、50 ℃、60 ℃)得到管壁内污垢面密度变化曲线，见图7。

图7 不同水浴温度下管壁内污垢面密度变化曲线

从图7可以看出，污垢的沉积量和污垢面密度增长速率均随着水浴温度的升高而增大，污垢面密度增长趋势都是呈阶梯状，即污垢生长速率在实验中期某一时刻明显增长，后期又回归平稳。

分析认为，出现以上现象是微生物污垢附壁及生长的4个阶段造成。第1个阶段是起始阶段，介质中的藻类细胞逐渐覆盖壁面，形成一层很薄的调节膜，便于后期污垢的吸附和生长。第2个阶段是藻类细胞的吸附与沉积阶段，介质中的藻类细胞通过调节膜不断吸附到壁面上生长繁殖，同时分泌出大量的胞外聚合物。胞外聚合物的主要成分是核酸、多糖和蛋白质等，黏度较高，可将介质中的营养物质富集起来供藻类细胞生长，对于污垢的吸附与沉积具有促进作用。第3个阶段是藻类生物膜的形成阶段，藻类细胞、营养物质等大分子有机物在壁面不断沉积形成生物膜，成为藻类污垢的主要组成部分，污垢在这一时期迅速生长。第4个阶段是污垢的老化剥蚀阶段，随着污垢不断沉积增长，一部分污垢开始老化，介质流体对于污垢的剥蚀效应也逐渐增大，外层污垢会不断溶解、剥离进入介质，而介质中的营养物质会促进壁面藻类细胞的生长，形成新的污垢，最终污垢的剥蚀与生长形成动态平衡，污垢总量不再增加。

通过图7可以看出，第1天～第2天污垢面密度增长较慢，污垢生长较为缓慢，这一时期是污垢的起始及运输阶段，藻类细胞开始吸附到壁面上形成调节膜，为之后藻类细胞在壁面上的生长繁殖建立有利条件。第2天～第6天污垢面密度急剧增加，说明生物膜已经初步形成，这一时期藻类细胞不断吸附到壁面上，污垢迅速增长并沉积。第6天～第9天污垢面密度接近渐近值，污垢生长缓慢，说明管壁中污垢的生长与剥蚀效应已经形成了动态平衡，污垢总量围绕一固定值上下波动，不再增加。

从实验结果看，其他工况一定时，在30～60 ℃内，随着温度升高，污垢生长速率加快，污垢总量增多，说明温度升高刺激了藻类细胞内部酶的活性，加快了藻类细胞的新陈代谢，促进了污垢的生长。但污垢生长趋势基本相同，均为阶梯状增长，最终达到一个渐近值趋于稳定。

2.3 介质中藻种体积分数影响

实验介质的体积分数为复合藻种培养液与人造海水的体积比，可对复合藻种培养液中的光密度值进行控制，因此按比例加入人造海水即可改变藻液体积分数。在循环介质入口温度25 ℃、水浴温度40 ℃、介质流速为0.3 m/s时，通过改变介质中藻种体积分数(20%、30%、40%、50%)得到管壁内污垢面密度的变化曲线，见图8。

图8 不同藻种体积分数下管壁内污垢面密度变化曲线

从图8可以看出，随着介质中藻种体积分数的增大，污垢前期生长速率变小，污垢沉积总量增加，但并不明显。

藻类污垢是由藻类细胞的聚集生长及其附壁效应生成的胞外聚合物粘附介质中有机大分子物质而形成，在封闭循环系统中，介质中藻种体积分数越高，其中的藻类细胞越多，在壁面富集生长及所分泌的胞外聚合物也越旺盛，所产生的污垢总量越多。但藻类细胞的生长存在竞争生长关系，在封闭空间内，循环系统介质中的营养物质是一定的。在初始介质中藻种体积分数较高的情况下，藻类细胞生长会相互抑制，污垢的生长速率也会变缓。在初始介质中藻种体积分数较低的情况下，藻类细胞生长的相互抑制作用较弱，藻类可以充分繁殖，污垢的生长速率也会增大。

4种介质中藻种体积分数下管壁内污垢面密度的渐近值很接近，即最终产生的污垢总量基本相同，说明在封闭条件下，虽然不同介质中藻种体积分数下污垢的生长速率不同，但对于营养物质的利用效果、污垢的生长效果是接近的，因此最终的污垢总量也基本相同。

3 结论

(1)在低流速范围内，流速的增大会加快藻类污垢生长速率；较高流速下，流速的增大会减缓藻类污垢生长速率。

(2)实验温度30～60 ℃内，随着温度的提高，藻类污垢生长速率加快，污垢总量增加。

(3)在闭式循环中，随着介质中藻种体积分数的增大，藻类污垢沉积量基本相同。初始介质中藻种体积分数较高时，污垢生长速率会变缓；初始介质中藻种体积分数较低时，污垢生长速率会加快。

(4)实验条件下，分别改变流速、温度和介质中藻种体积分数，藻类污垢生长趋势基本相同，都是成阶梯状增长最终达到一个渐近值趋于稳定。