微生物污垢形成的機理分析

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

微生物污垢形成的機理分析

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

微生物污垢是工業循環冷卻水污垢的重要組成部分，它是熱的不良導體，污垢的存在嚴重影響換熱設備的正常運轉，造成巨大的危害。研究水質參數對微生物污垢的形成、污垢的生產機理、污垢特性以及建立微生物污垢的預測模型對換熱器設計和高效運行提供技術支持，也對于工業生產中防治微生物污垢具有實際指導意義。

微生物污垢 危害 機理 指導意義

1　微生物污垢的特點

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粘附在換熱設備表面。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，微生物調節膜形成階段。換熱管道內的冷卻水含有大量的微生物和大分子顆粒物質。初始階段，首先是大分子有機物質吸附到換熱設備表面形成調節膜。調節膜的形成會影響換熱管內壁的表面能、電荷的電性等發生改變。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。當換熱設備表面形成比較完整的調節膜后，微生物及其所需的營養物質更容易吸附在壁面，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開始在調節膜上形成生物膜。與此同時，冷卻水中的微生物和大分子物質繼續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質調節膜，不僅使微生物及其營養物質物質吸附在壁面，還能粘附住無機大分子助長其他類污垢的形成；

第五個階段，污垢厚度穩定階段。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物質進行生長繁殖，逐漸開始大量死亡；污垢層厚度的增加導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、運行工況等因素相關。

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。蒸發作用提高了冷卻水雜質的濃縮倍率，使得循環冷卻水中所含的營養物質得以積聚。因此，冷卻水中的微生物會迅速繁殖，并產生粘泥附著在換熱設備表面，降低了換熱系統的傳熱效率，其中的一些腐蝕型微生物還會引發設備腐蝕。尤其是敞開式循環冷卻水系統不斷從河流、湖泊等水源中補充冷卻水，這些水中的微生物是冷卻水系統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（細菌、藻類和真菌）可能富集在換熱設備表面，經過一系列的生理生化過程后形成生物污垢。

工業中會對補充的冷卻水進行過濾和消毒處理，水中微生物的數目雖然有所減少，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，每天進入其中的雜質可能達到幾十甚至幾百公斤。這些雜質含有大量的微生物、灰塵等［4］。

致垢微生物可由空氣、補給水進入到換熱設備，也可由泄露引起的污染進入。只要冷卻水與空氣接觸，就存在微生物污染。這些進入系統的微生物，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條件而迅速生長繁殖。

微生物進入到換熱設備后，首先會自由懸浮分散到整個系統中，那些代謝產物中夠形成生物粘泥的則開始分泌粘液，盡管分泌的產物很少，但由于其極強的粘附性質，仍可在冷卻水流動過程中吸附到換熱設備表面，通常這個起點是某個縫隙或者死角，因為那里水的流速極低或是幾乎靜止的，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。首先形成很小的團塊狀物質，而后繼續生長并增大團塊，與此同時增大了自身與換熱設備表面的附著力［5］。

3　致垢微生物腐蝕機理

微生物腐蝕作用是指微生物的代謝活動及其產物促進了金屬表面的電化學腐蝕過程，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物，其對換熱設備的腐蝕機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散，使黏膜所覆蓋的金屬不易形成保護膜。微生物的代謝產物會破壞在金屬表面的保護膜，形成局部活化/鈍化電池，其中黏膜覆蓋區域的金屬便成為這種電池的活化區而被腐蝕。

（2）去極化作用。水中金屬的腐蝕速率通常取決于陰極反應速度，H2的積累產生高電壓，致使陰極反應停止。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，致使陰極反應加速并無限制地繼續下去，這就加劇了陽極腐蝕反應。

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

［1］徐志明，楊善讓，郭淑青等.電站凝汽器污垢費用估算［J］.中國動力工程學報，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.冷卻水污垢對策評價與預測方法及裝置研究［D］.北京：華北電力大學，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的特點、現狀與發展趨勢［J］.微生物學通報，2008，35（12）：1955-1960.

［6］劉天慶，于瑞紅.材料表面性質影響生物垢形成的綜合評價及預測［J］.環境科學學報，2001，21（4）：491-495.

徐佳寧（1991—），遼寧朝陽人，主要從事換熱設備污垢的研究。