Ca2+環(huán)境下水質(zhì)參數(shù)變化對板式換熱器鐵細菌微生物污垢的影響

劉坐東，陳洋，王景濤，徐志明，張一龍

（東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012）

Ca2+環(huán)境下水質(zhì)參數(shù)變化對板式換熱器鐵細菌微生物污垢的影響

劉坐東，陳洋，王景濤，徐志明，張一龍

（東北電力大學(xué)能源與動力工程學(xué)院，吉林 吉林 132012）

換熱設(shè)備微生物污垢形成機制和影響因素復(fù)雜，污垢數(shù)據(jù)和規(guī)律的獲取難度較大。本文采用搭建的板式換熱器循環(huán)冷卻水實驗系統(tǒng)，獲得了加入Ca2+后板式換熱器冷卻水鐵細菌微生物污垢熱阻數(shù)據(jù)，研究了加入Ca2+后不同運行工況下冷卻水水質(zhì)參數(shù)（OD、pH、電導(dǎo)率）的變化，進一步分析了水質(zhì)參數(shù)變化對微生物污垢生長帶來的影響。結(jié)果表明，加入 Ca2+后微生物污垢熱阻漸變化明顯。隨著低溫循環(huán)冷水進口溫度增加，含有 Ca2+和鐵細菌的循環(huán)冷卻水OD逐漸降低，pH則逐漸升高，電導(dǎo)率減小，微生物污垢熱阻逐漸降低；隨著流體速度的增加，循環(huán)冷卻水OD則升高，pH降低，電導(dǎo)率增大，但流速的增大同樣加劇了冷卻水對通道壁面的剝蝕作用，導(dǎo)致微生物污垢熱阻隨流速增逐漸下降。

板式換熱器；水質(zhì)參數(shù)；鈣離子；鐵細菌；污垢熱阻

板式換熱器微生物污垢問題長久以來都是各個行業(yè)普遍頭疼的難題。特別是在能源化工領(lǐng)域，由于微生物適應(yīng)環(huán)境能力強，繁殖速度快，如不加以控制，會在短時間內(nèi)在板式換熱器的通道內(nèi)、循環(huán)水系統(tǒng)管道壁面等生長、繁殖而形成厚厚的生物黏膜［1］，嚴重影響設(shè)備安全高效運行。有研究表明，生物黏膜在其形成過程中受環(huán)境因素的影響明顯，一系列水質(zhì)參數(shù)如 pH、電導(dǎo)率、溶解氧、濁度［2-3］及 Ca2+濃度［4］的變化對微生物代謝及最終微生物污垢的形成有重要的影響。周健等［5］對Ca2+、pH、溫度、廢水水質(zhì)、污泥負荷等因素對胞外聚合物的影響進行了研究。結(jié)果表明，pH和廢水水質(zhì)對胞外聚合物的含量及成分的影響巨大，溫度對胞外聚合物的影響效果較小。同時隨著Ca2+濃度的增加，胞外聚合物的含量增加。王建國等［6］研究了在磁場的環(huán)境下?lián)Q熱器結(jié)垢過程中水質(zhì)參數(shù)的的變化，對過程中pH、電導(dǎo)率、溶解氧、濁度等水質(zhì)參數(shù)進行分析。發(fā)現(xiàn)在磁場的環(huán)境下水質(zhì)參數(shù)與換熱器結(jié)垢規(guī)律有著密切的聯(lián)系。其中電導(dǎo)率對污垢熱阻影響最大，pH對污垢熱阻的影響最小。王大成等［7］分析了恒溫水浴且工質(zhì)流速一定的情況下鐵細菌和硫酸鹽還原菌在不銹鋼管中的結(jié)垢特性水質(zhì)參數(shù)的變化情況，著重研究了細菌數(shù)、Fe2+、COD、pH與生物污垢的關(guān)系，研究結(jié)果表明，兩種微生物存在強烈的協(xié)同作用，致使生物污垢形成速率加快，且Fe2+決定鐵細菌及硫酸鹽還原菌菌數(shù)，pH與COD與微生物代謝密切相關(guān)，從而影響微生物污垢的形成。趙波等［8］定性分析了pH、溶解氧、濁度、硬度、堿度、鐵離子濃度等水質(zhì)因素對污垢形成的影響，且將水質(zhì)參數(shù)與時間作為輸入變量，污垢熱阻為輸出變量，建立出基于支持向量機的冷卻水污垢熱阻預(yù)測模型，并與實驗值相對比，且實驗值與模擬值吻合良好。于大禹等［9-11］以從松花江水中提取的黏液形成菌為研究對象，考察了黏液形成菌分別在交叉縮放管及不銹鋼管中污垢熱阻和水質(zhì)參數(shù)的變化，并用灰色關(guān)聯(lián)法分析出各種水質(zhì)參數(shù)（包括pH、電導(dǎo)率、溶解氧、細菌總數(shù)等）與微生物污垢之間的權(quán)重比例。張仲彬等［12］研究了在板式換熱器中松花江水的結(jié)垢特性與水質(zhì)變化規(guī)律，通過分析水質(zhì)參數(shù)發(fā)現(xiàn)：水質(zhì)參數(shù)在松花江水結(jié)垢初期變化較大，隨后逐漸變緩。

可以看出，掌握水質(zhì)參數(shù)的變化，對微生物污垢的預(yù)測、監(jiān)測和清除都有重要意義。本文以循環(huán)冷卻水中典型致垢微生物鐵細菌為研究對象，研究板式換熱器運行工況對循環(huán)冷卻水水質(zhì)參數(shù)變化的影響，以期進一步深入探討板式換熱器微生物污垢形成機制，為實際工業(yè)水水質(zhì)參數(shù)變化檢測和微生物污垢的預(yù)測提供一定的參考。

1 實驗系統(tǒng)及實驗原理

1.1 實驗系統(tǒng)簡介

實驗系統(tǒng)簡圖如圖1所示，主要由熱流體循環(huán)系統(tǒng)、冷流體循環(huán)系統(tǒng)、冷卻循環(huán)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)組成。冷、熱流體分別在各自回路中循環(huán)，通過板式換熱器進行熱量交換，其中熱流體循環(huán)系統(tǒng)配有加熱棒，以保證熱流體溫度恒定，而冷流體通過板式換熱器得到的熱量則由冷卻循環(huán)系統(tǒng)帶出循環(huán)系統(tǒng)。冷卻循環(huán)系統(tǒng)配備了空冷換熱扇、空冷水泵、散熱器、PID控制器等確保將冷流體交換來得熱量順利帶走，維持冷流體在穩(wěn)定的溫度。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要由Eastfar數(shù)據(jù)采集儀構(gòu)成，實驗中采集信號通過導(dǎo)線以電壓形式傳輸?shù)接嬎銠C預(yù)設(shè)程序處理。

實驗系統(tǒng)中所使用的板式換熱器為吉林四平巨元瀚陽板式換熱器有限公司生產(chǎn)的人字形波紋板，具體參數(shù)詳見表1。

圖1 板式換熱器冷卻水動態(tài)污垢模擬裝置

表1 板式換熱器的尺寸參數(shù)

1.2 實驗原理與實驗過程

1.2.1 板式換熱器污垢在線檢測原理

根據(jù)板式換熱器中冷流體的吸熱量φ1等于熱流體的散熱量φ2，由于在實驗的過程中在散熱損失，

式中，A為換熱器換熱面積，m2； Δtm為對數(shù)平均溫差，℃；qm為流體質(zhì)量流量，kg/s；cp為定壓比熱容，kJ/（kg·K）； t'、t"為流體的進、出口溫度，℃。下角標1、2分別代表冷、熱流體。

采用污垢熱阻法原理計算污垢熱阻，見式（5）。

式中，Rf為污垢熱阻；k和k0分別為清潔狀態(tài)以及結(jié)垢后的傳熱系數(shù)，W/（ m2·K）。

本文在不考慮出大誤差的基礎(chǔ)上，根據(jù)誤差傳布原理［13］對實驗結(jié)果進行誤差分析，間接測量量（溫度、壓力及流量）及最后得出的污垢熱阻誤差計算結(jié)果如表2所示。

1.2.2 鐵細菌的培養(yǎng)

鐵細菌為好氧細菌，菌落大部分為灰白、紅褐或深褐色絮狀或黏膠狀聚集物［14］。實驗所用鐵細菌是從某電廠冷卻塔生物黏泥中提取，經(jīng)過多代培養(yǎng)，分離純化得到的。鐵細菌培養(yǎng)基具體成分及培養(yǎng)成的目標微生物分別如表3和圖2所示。

表2 實驗系統(tǒng)誤差計算結(jié)果

表3 鐵細菌培養(yǎng)基名稱及用量 單位：g/L

將上述培養(yǎng)基pH調(diào)節(jié)在6.8～7.0，用蒸汽壓力滅菌鍋在高于大氣壓0.1MPa、121℃的條件下滅菌15min，冷卻后通過紫外線消毒，進行接種并在30℃恒溫培養(yǎng)箱中培養(yǎng)至體積分數(shù)為1%時光密度（OD）值為0.5時進行實驗。經(jīng)過提純培養(yǎng)的鐵細菌實物如圖2所示。

圖2 培養(yǎng)好的鐵細菌

2 實驗過程與結(jié)果分析

2.1 實驗過程

本文采用人工加藥的方式向去離子循環(huán)冷卻水中加入一定比例（菌液和循環(huán)冷卻水體積比為 1∶100）菌液模擬微生物污垢形成過程中水質(zhì)參數(shù)的變化。高、低溫循環(huán)系統(tǒng)中的熱、冷流體經(jīng)板式換熱器完成熱量交換，在各自的循環(huán)回路中反復(fù)循環(huán)；高溫循環(huán)系統(tǒng)溫度由溫控儀控制加熱，冷卻水循環(huán)系統(tǒng)溫度則通過變頻冷卻裝置控制。整個循環(huán)過程中高、低溫流體的流速由流量調(diào)節(jié)閥和流量計調(diào)控，通過設(shè)置不同的運行工況，考察板式換熱器不同溫度、流速下循環(huán)冷卻水水質(zhì)參數(shù)的變化。

主要采用離線的方法來測量循環(huán)冷卻水的水質(zhì)參數(shù)，在實驗運行過程中定時提取水樣進行水質(zhì)參數(shù)的測量，記錄水質(zhì)參數(shù)在實驗運行過程中的變化，最后結(jié)合實驗相關(guān)工況分析這些變化產(chǎn)生的可能性。

2.2 運行工況對水質(zhì)參數(shù)的影響

主要考察了不同溫度和流速對微生物 OD、pH及電導(dǎo)率的影響，通過改變工況，得到對應(yīng)水質(zhì)參數(shù)的變化數(shù)據(jù)，進一步就工況對水質(zhì)參數(shù)變化的影響進行了分析。在實際大型換熱設(shè)備循環(huán)冷卻水中，均檢測到一定濃度Ca2+［15-16］。一些研究表明，一定濃度的 Ca2+對微生物代謝有顯著影響，而 Cl-對鐵細菌生長影響則不明顯［17］。本文在實驗中的循環(huán)冷卻水加入鐵細菌菌液外，加入了總體濃度為300mg/L CaCl2以模擬實際循環(huán)冷卻水中水質(zhì)參數(shù)的變化。

2.2.1 溫度對水質(zhì)參數(shù)的影響

在相同的流體流速v=0.1m/s以及細菌濃度為實驗用水的1%的條件下加入300mg/L的CaCl2，改變低溫循環(huán)水進口溫度，分別測定在入口溫度為30℃、35℃、40℃的條件下板式換熱器的鐵細菌水質(zhì)參數(shù)。

（1）溫度對OD的影響 如圖3顯示入口溫度為30℃、35℃、40℃下循環(huán)冷卻水OD變化，可以看到OD在運行前期迅速增大，而后緩慢下降。這是因為在實驗前期，水箱內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)豐富、加入的少量鐵細菌在經(jīng)過短暫的適應(yīng)之后，迅速繁殖生長。這一階段的微生物生長旺盛，代謝頻繁，隨著時間的推移，水箱內(nèi)營養(yǎng)物質(zhì)由于細菌大量消耗而變得匱乏，細菌代謝產(chǎn)生大量有害的次級代謝產(chǎn)物，如CO2等酸性物質(zhì)致使水內(nèi)的 pH降低，細菌的生活環(huán)境惡劣，加劇了微生物的死亡；不同的進口溫度顯著影響了細胞內(nèi)酶的活性，隨著冷卻水入口溫度的不斷升高，細胞內(nèi)大量酶發(fā)生不可逆性變性失活，微生物代謝活動受到抑制。故在相同的運行時期循環(huán)冷卻水OD隨著冷卻水入口溫度的升高而降低。

（2）溫度對pH的影響 如圖4顯示了不同溫度環(huán)境下循環(huán)冷卻水pH的變化。在運行初期，pH變化較為劇烈，隨著運行時間的增長，pH逐漸趨于平穩(wěn)。這是由于微生物在實驗初期處于調(diào)整期，鐵細菌不斷通過自身分泌代謝產(chǎn)物，反復(fù)“調(diào)試”外部環(huán)境的pH以達到適宜自己生長的值；調(diào)整期過后，在20～40h這段時間內(nèi)不同溫度下的pH變化出現(xiàn)了交叉的現(xiàn)象，這可能是因為細胞內(nèi)酶促反應(yīng)最大化，細胞增殖迅速，這一時期鐵細菌代謝所產(chǎn)生大量酸性物質(zhì)和 CO2在循環(huán)冷卻水中不斷積累，導(dǎo)致pH逐步降低，且變化劇烈，且這一時期的細菌在經(jīng)過初期的調(diào)整之后基本適應(yīng)了各個工況下的溫度，故該時期溫度對pH的影響不明顯。隨著循環(huán)的進一步進行，水箱內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)趨于耗盡，細菌生存環(huán)境惡化，鐵細菌大量死亡，能夠影響pH的代謝產(chǎn)物大幅度減少，pH的變化逐漸趨于穩(wěn)定。從穩(wěn)定后的pH分布可以看出，pH水平隨著冷卻水入口溫度的升高而相應(yīng)增大。結(jié)合前面溫度對 OD影響的分析可知，高溫下細胞內(nèi)酶發(fā)生不可逆失活，微生物生長濃度、代謝均受到抑制，產(chǎn)生的酸性代謝產(chǎn)物也最少，故入口溫度較高的冷卻水pH相應(yīng)最高。

圖3 不同溫度下冷卻水OD的變化

圖4 不同溫度下冷卻水pH的變化

（3）溫度對電導(dǎo)率的影響 電導(dǎo)率可以從側(cè)面反映出水中電解質(zhì)的變化情況。研究電導(dǎo)率的變化可以從側(cè)面探知循環(huán)冷卻水中微生物生長代謝水平。從圖 5可以看出，電導(dǎo)率隨著時間的變化先急劇升高后趨于穩(wěn)定。在實驗初期，細菌急速繁殖，呼吸產(chǎn)生大量 CO2等酸性物質(zhì)排放于循環(huán)冷卻水中，同時分泌大量的代謝產(chǎn)物“改造”生存環(huán)境，產(chǎn)生的蛋白質(zhì)有些具有電離基團，這些因素都導(dǎo)致水中電導(dǎo)率迅速升高；隨著循環(huán)的不斷進行，水箱內(nèi)的營養(yǎng)物質(zhì)逐漸減少，有毒代謝產(chǎn)物積累，微生物生長代謝因環(huán)境惡化而逐步受到抑制，繁殖和死亡達到平衡狀態(tài)，冷卻水中的電解質(zhì)含量達到動態(tài)平衡，故電導(dǎo)率變化趨于穩(wěn)定。在適宜的溫度（30℃）下，細胞代謝最為旺盛，微生物在數(shù)量和生存質(zhì)量上始終處于較高的水平，隨著冷卻水溫度的不斷升高（35℃和40℃），細胞膜內(nèi)酶活性受到影響，生存環(huán)境惡化，死亡速率加快，因此冷卻水中微生物數(shù)量及代謝產(chǎn)物含量隨著冷卻水溫度的升高而出現(xiàn)下降的趨勢。

圖5 不同溫度下電導(dǎo)率的變化

不同溫度下水質(zhì)參數(shù)變化直接或間接反映出微生物代謝的變化。隨著冷卻水入口溫度的升高，OD逐漸下降，pH逐漸升高，電導(dǎo)率逐漸下降，都表明實驗所用循環(huán)冷卻水中的微生物及代謝產(chǎn)物的數(shù)量隨著冷卻水進口溫度的升高而下降，進而造成微生物污垢熱阻也相應(yīng)下降。實驗中觀察到微生物污垢熱阻（如圖6所示）也隨著冷卻水入口溫度的升高呈現(xiàn)下降的趨勢。隨著溫度的升高，污垢熱阻達到平衡的時間縮短。但持續(xù)的高溫會使酶變性失活，使微生物的死亡率加快，所以隨著溫度的升高，鐵細菌的污垢熱阻漸近值呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢。

2.2.2 速度對水質(zhì)參數(shù)的影響

板式換熱器通道設(shè)計緊湊，能夠在較低的管內(nèi)雷諾數(shù)下（50～200）達到旺盛湍流。在實際生產(chǎn)過程中，板式換熱器板間流速大致在5～15m/s之間，本文設(shè)置的管內(nèi)流速換算成板間流速約 5.6～11m/s，在工程實際應(yīng)用合理范圍內(nèi)。測定了溫度35℃及流速為0.1m/s、0.15m/s、0.2m/s條件下板式換熱器的鐵細菌OD、pH和電導(dǎo)率的變化。實驗用循環(huán)冷卻水為1%細菌濃度并加入300mg/L的CaCl2的去離子水。

（1）速度對鐵細菌OD的影響 圖7顯示了不同速度下鐵細菌OD的變化情況。隨著實驗流速的增加，鐵細菌的OD逐漸增加，這是因為較高的流體速度可以帶來較高的傳質(zhì)速度，同時可以加快輸運細菌新陳代謝所產(chǎn)生的有毒物質(zhì)，有利于鐵細菌大規(guī)模繁殖生長；此外，由于本實驗采用非封閉式循環(huán)系統(tǒng)，較高的流速可以使更多的氧氣進入循環(huán)水中，所以高流速可以給細菌供給充分的營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣，進一步促進了鐵細菌繁殖。流速的增大還會使流體對壁面的剪切力增加，加速對沉積到板片表面的污垢的剝離，這些剝離的懸浮物也使造成OD變大的原因之一。

（2）速度對pH的影響 如圖8所示為不同流速下pH的變化情況?？梢钥闯?，經(jīng)過一段時間運行穩(wěn)定后的pH隨著流速的增加而降低。從前面OD的分析可知流速的增加帶入更多有利于微生物生長的營養(yǎng)物質(zhì)和氧氣，使得高流速下的循環(huán)冷卻水中微生物的濃度明顯高于低流速的，故高流速下微生物代謝產(chǎn)生的酸性代謝產(chǎn)物也相應(yīng)較多，循環(huán)水中pH對應(yīng)最低。

圖6 不同溫度下鐵細菌的污垢熱阻曲線變化

圖7 不同流速下冷卻水OD的變化

圖8 不同速度下冷卻水pH的變化

（3）速度對電導(dǎo)率的影響 電導(dǎo)率變化可以從側(cè)面反映出水中電解質(zhì)的變化情況。圖 9顯示了不同流速下冷卻水電導(dǎo)率的變化，隨著流速的增加，冷卻水中的電導(dǎo)率逐漸增大。這是因為，流速的增加促進了傳質(zhì)速度及營養(yǎng)輸運，有力促進了冷卻水中微生物的生長。從前面OD變化可知，高流速下冷卻水中微生物濃度較低流速顯著提高，隨之微生物代謝產(chǎn)物濃度也明顯高于低流速下微生物代謝產(chǎn)物濃度；使得高流速下循環(huán)冷卻水的電導(dǎo)率處在較高水平。另外，高流速下流體對板式換熱器通道壁面的剪切力相應(yīng)增大，大量沉積到壁面的微生物污垢被剝離而重新回到循環(huán)冷卻水中，這也是造成循環(huán)水中電解質(zhì)總體水平增大、電導(dǎo)率隨流速增加而增大的一個原因。

圖9 不同速度下冷卻水電導(dǎo)率的變化

圖 10顯示的是不同實驗流速下板式換熱器污垢熱阻的變化。由于流速的增加，循環(huán)冷卻水能在單位時間內(nèi)為微生物輸運更多的營養(yǎng)物質(zhì)，并移走新陳代謝所產(chǎn)生的廢物，有力促進了微生物的生長和繁殖，造成循環(huán)冷卻水總體水平偏高。但流速的增加反而抑制了板式換熱器微生物污垢的生長。這主要由于流速增大同樣導(dǎo)致板式換熱器通道壁面的剪切力增大，對壁面的剝蝕作用加劇。因此，流速的增加雖然加快了營養(yǎng)物質(zhì)和氧的輸送進程，一定程度上促進了冷卻水中的微生物的代謝和繁殖，但劇烈的剝蝕作用使得微生物污垢熱阻隨著流速增大出現(xiàn)減小的現(xiàn)象。

圖10 不同流速下鐵細菌污垢熱阻曲線

3 結(jié) 論

鈣離子使得板式換熱器鐵細菌微生物污垢漸近值顯著增大，但對鐵細菌微生物污垢誘導(dǎo)期影響不大。

隨著循環(huán)冷卻水入口溫度的增加，循環(huán)水溫度逐漸變的不適宜微生物繁殖生長，表現(xiàn)為循環(huán)冷卻水OD逐漸下降，pH逐漸升高，電導(dǎo)率逐漸降低，相應(yīng)的微生物污垢熱阻也呈逐漸降低的趨勢。

隨著循環(huán)冷卻水入口速度的增加，有害物質(zhì)傳質(zhì)和營養(yǎng)物質(zhì)輸運速度加快，促進了微生物的繁殖，表現(xiàn)為鐵細菌OD逐漸增大，pH相應(yīng)下降，電導(dǎo)率升高；但流速的增大同樣加劇了冷卻水對通道壁面的剝蝕作用，導(dǎo)致微生物污垢熱阻隨流速增加呈現(xiàn)下降趨勢。

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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

及聯(lián)系人：劉坐東（1985—），博士，講師，主要從事節(jié)能理論、換熱設(shè)備污垢與熱力性能分析等研究。E-mail zuodongwangyi@ 126.com。

2016-02-25；修改稿日期：2016-03-30。

國家自然科學(xué)基金（51476025）及東北電力大學(xué)博士科研基金（BSJXM-201513）項目。