微生物污垢形成的機(jī)理分析

徐佳寧 蔡佳成 王云漢（東北電力大學(xué)自動化工程學(xué)院，吉林吉林 132012）

微生物污垢形成的機(jī)理分析

徐佳寧 蔡佳成 王云漢
（東北電力大學(xué)自動化工程學(xué)院，吉林吉林 132012）

微生物污垢是工業(yè)循環(huán)冷卻水污垢的重要組成部分，它是熱的不良導(dǎo)體，污垢的存在嚴(yán)重影響換熱設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，造成巨大的危害。研究水質(zhì)參數(shù)對微生物污垢的形成、污垢的生產(chǎn)機(jī)理、污垢特性以及建立微生物污垢的預(yù)測模型對換熱器設(shè)計和高效運(yùn)行提供技術(shù)支持，也對于工業(yè)生產(chǎn)中防治微生物污垢具有實(shí)際指導(dǎo)意義。

微生物污垢 危害 機(jī)理 指導(dǎo)意義

1　微生物污垢的特點(diǎn)

Melo和Bott概括了微生物污垢形成的基本過程［1］，微生物污垢是以微生物膜的形態(tài)粘附在換熱設(shè)備表面。微生物膜的特征是隨著時間的不同而變化的，微生物膜形成過程共分為五個階段［2，3］。

第一階段，微生物調(diào)節(jié)膜形成階段。換熱管道內(nèi)的冷卻水含有大量的微生物和大分子顆粒物質(zhì)。初始階段，首先是大分子有機(jī)物質(zhì)吸附到換熱設(shè)備表面形成調(diào)節(jié)膜。調(diào)節(jié)膜的形成會影響換熱管內(nèi)壁的表面能、電荷的電性等發(fā)生改變。這為微生物及其他致垢組分在換熱管的積聚提供了環(huán)境；

第二個階段，微生物附著階段。溶液中的微生物開始吸附到材料表面生長繁殖，分泌大量胞外聚合物。這些胞外聚合物是具有粘性的膠體，使得微生物能夠牢固的吸附在壁面。當(dāng)換熱設(shè)備表面形成比較完整的調(diào)節(jié)膜后，微生物及其所需的營養(yǎng)物質(zhì)更容易吸附在壁面，在此階段致垢微生物開始大量繁殖；

第三個階段，微生物膜形成階段。微生物在材料表面大量的生長繁殖，新陳代謝過程微生物分泌出胞外聚合物，微生物及其大分子物質(zhì)開始在調(diào)節(jié)膜上形成生物膜。與此同時，冷卻水中的微生物和大分子物質(zhì)繼續(xù)往管壁積聚并附著在壁面，使得微生物膜逐漸完整；

第四個階段，污垢快速增長階段。微生物膜本身也是一個富有粘性的優(yōu)質(zhì)調(diào)節(jié)膜，不僅使微生物及其營養(yǎng)物質(zhì)物質(zhì)吸附在壁面，還能粘附住無機(jī)大分子助長其他類污垢的形成；

第五個階段，污垢厚度穩(wěn)定階段。隨著污垢層厚度的增加，緊靠金屬壁面的微生物無法正常的吸收營養(yǎng)物質(zhì)進(jìn)行生長繁殖，逐漸開始大量死亡；污垢層厚度的增加導(dǎo)致生物膜承受水流沖擊力越來越大。在上述因素的影響下，微生物膜有可能會從壁面脫落，露出材料壁面重新形成生物膜。生物污垢的厚度還與換熱管材、運(yùn)行工況等因素相關(guān)。

2　典型致垢微生物

一般情況下，水冷器中的水溫和pH值適于多種微生物生長。蒸發(fā)作用提高了冷卻水雜質(zhì)的濃縮倍率，使得循環(huán)冷卻水中所含的營養(yǎng)物質(zhì)得以積聚。因此，冷卻水中的微生物會迅速繁殖，并產(chǎn)生粘泥附著在換熱設(shè)備表面，降低了換熱系統(tǒng)的傳熱效率，其中的一些腐蝕型微生物還會引發(fā)設(shè)備腐蝕。尤其是敞開式循環(huán)冷卻水系統(tǒng)不斷從河流、湖泊等水源中補(bǔ)充冷卻水，這些水中的微生物是冷卻水系統(tǒng)中微生物的主要來源，也是形成微生物污垢的主要致垢成分。但并不是冷卻水中所有的微生物都會形成生物污垢，只有三類微生物（細(xì)菌、藻類和真菌）可能富集在換熱設(shè)備表面，經(jīng)過一系列的生理生化過程后形成生物污垢。

工業(yè)中會對補(bǔ)充的冷卻水進(jìn)行過濾和消毒處理，水中微生物的數(shù)目雖然有所減少，但仍有殘余。如果空氣的灰分與冷卻塔的水接觸，這些都可能成為日后生成微生物污垢的致垢成分。對于一座較大的冷卻塔來說，每天進(jìn)入其中的雜質(zhì)可能達(dá)到幾十甚至幾百公斤。這些雜質(zhì)含有大量的微生物、灰塵等［4］。

致垢微生物可由空氣、補(bǔ)給水進(jìn)入到換熱設(shè)備，也可由泄露引起的污染進(jìn)入。只要冷卻水與空氣接觸，就存在微生物污染。這些進(jìn)入系統(tǒng)的微生物，一些可能由于水溫、pH值等不適合其生存條件而受到抑制或死亡；而另外的一些則有可能適應(yīng)條件而迅速生長繁殖。

微生物進(jìn)入到換熱設(shè)備后，首先會自由懸浮分散到整個系統(tǒng)中，那些代謝產(chǎn)物中夠形成生物粘泥的則開始分泌粘液，盡管分泌的產(chǎn)物很少，但由于其極強(qiáng)的粘附性質(zhì)，仍可在冷卻水流動過程中吸附到換熱設(shè)備表面，通常這個起點(diǎn)是某個縫隙或者死角，因?yàn)槟抢锼牧魉贅O低或是幾乎靜止的，對這些粘泥的剪切作用極小。隨后，致垢微生物就大量附著并開始生長繁殖。首先形成很小的團(tuán)塊狀物質(zhì)，而后繼續(xù)生長并增大團(tuán)塊，與此同時增大了自身與換熱設(shè)備表面的附著力［5］。

3　致垢微生物腐蝕機(jī)理

微生物腐蝕作用是指微生物的代謝活動及其產(chǎn)物促進(jìn)了金屬表面的電化學(xué)腐蝕過程，而微生物引起的腐蝕污垢除了金屬的腐蝕污垢外，還包括有微生物對木材等非金屬材料的侵蝕產(chǎn)物，其對換熱設(shè)備的腐蝕機(jī)理主要包括以下三個方面［6］：

（1）濃差電池作用。微生物等在金屬表面形成黏膜后，其生長繁殖會消耗其中的氧和其它養(yǎng)分，在黏膜厚度方向形成的濃差腐蝕電池會加速金屬的腐蝕，且這層黏膜也會阻礙防腐蝕藥劑的擴(kuò)散，使黏膜所覆蓋的金屬不易形成保護(hù)膜。微生物的代謝產(chǎn)物會破壞在金屬表面的保護(hù)膜，形成局部活化/鈍化電池，其中黏膜覆蓋區(qū)域的金屬便成為這種電池的活化區(qū)而被腐蝕。

（2）去極化作用。水中金屬的腐蝕速率通常取決于陰極反應(yīng)速度，H2的積累產(chǎn)生高電壓，致使陰極反應(yīng)停止。例如硫酸鹽還原菌，因其生命活動需攝取H、H+或電子，從而減弱甚至消除H2的極化作用，致使陰極反應(yīng)加速并無限制地繼續(xù)下去，這就加劇了陽極腐蝕反應(yīng)。

（3）腐蝕作用。微生物的代謝產(chǎn)物有很多種，其中某些代謝產(chǎn)物可直接或間接引起金屬腐蝕，如：硫酸鹽還原菌的代謝產(chǎn)物H2S便具有強(qiáng)烈的腐蝕性，它幾乎可以腐蝕所有類型材料的換熱設(shè)備。

［1］徐志明，楊善讓，郭淑青等.電站凝汽器污垢費(fèi)用估算［J］.中國動力工程學(xué)報，2005，25（1）：102-106.

［2］Somerscales E F C. Fouling of Heat Transfer Surfaces：A Historical Review［J］. Heat Transfer Engineering，1990，11（1）：19-36.

［3］曹生現(xiàn).冷卻水污垢對策評價與預(yù)測方法及裝置研究［D］.北京：華北電力大學(xué)，2009.

［4］Melo L F， Bott T R， Biofouling in water systems［J］.Experimental Thermal and Fluid Science，1997，14（4）：375-381.

［5］于大禹，門洪，穆勝偉等.微生物污垢檢測技術(shù)的特點(diǎn)、現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢［J］.微生物學(xué)通報，2008，35（12）：1955-1960.

［6］劉天慶，于瑞紅.材料表面性質(zhì)影響生物垢形成的綜合評價及預(yù)測［J］.環(huán)境科學(xué)學(xué)報，2001，21（4）：491-495.

徐佳寧（1991—），遼寧朝陽人，主要從事?lián)Q熱設(shè)備污垢的研究。