Ca2+濃度對再生水源熱泵系統中微生物污垢的影響及作用機理

常思遠 方宇晴 史琳

（清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室 CO2資源利用與減排技術北京市重點實驗室清華大學熱能工程系 北京 100084）

Ca2+濃度對再生水源熱泵系統中微生物污垢的影響及作用機理

常思遠 方宇晴 史琳

（清華大學熱科學與動力工程教育部重點實驗室 CO2資源利用與減排技術北京市重點實驗室清華大學熱能工程系 北京 100084）

再生水源熱泵系統能夠利用城市再生水中的低品位熱能為城市建筑進行制冷、供暖，但微生物污垢會降低系統的運行效率與安全性能，而鈣離子濃度對污垢的生長有重要影響。本文考察了流動條件下，不同濃度的Ca2+對微生物污垢的影響及其作用機理。實驗中配制了不同Ca2+濃度的人工再生水，并進行旋轉掛片實驗生成微生物污垢。分別測量了不同Ca2+濃度下微生物污垢的總質量、干重和有機物質量，計算了污垢中游離水與結合水的含水率，并觀測了污垢的顯微結構。結果表明：Ca2+濃度上升會提高微生物污垢的空間多孔化程度，促進游離水含量及污垢總質量的上升。該研究可以對不同工況下微生物污垢的生長進行預測，提高再生水源熱泵系統的工作效率。

再生水源熱泵；微生物污垢；Ca2+；顯微結構

我國城市再生水排量大，流量穩定，溫度冬暖夏涼，是理想的熱泵冷熱源［1-3］。以城市再生水作為冷熱源的再生水源熱泵系統能夠充分利用城市再生水中含有的大量低品位熱能，對城市建筑進行制冷、供暖，近些年發展迅速，并已在實際中投入使用［4-5］。但城市再生水中含有細菌等大量雜質，易在熱泵系統中的換熱表面上生成微生物污垢，嚴重影響熱泵系統的運行效率與系統安全［6-7］。

微生物污垢是指致垢流體中含有的細菌等微生物首先附著到材料表面，進而生長、繁殖以及分泌胞外分泌物（extracellular polymeric substances，EPS）而形成的生物膜，能夠保護內部的細胞不受外界流體沖刷、貧營養、殺菌劑等惡劣條件的影響［8-9］。

有研究表明，致垢流體中的無機離子對微生物污垢的生長具有重要的影響作用。胡學偉等［10］考察了Cu2+對微生物污垢中細胞活性與污垢生長的影響，發現當Cu2+濃度較高時，細胞活性與EPS的分泌受到明顯的抑制；Sheikholeslami R［11］總結了污水中多種無機離子對污垢的影響，提出無機離子能夠通過影響細胞的新陳代謝從而影響污垢的生長過程。

在各種無機離子中，Ca2+是城市再生水中十分常見的離子，濃度隨地域、季節不同而變化顯著［12］。研究表明，Ca2+對污垢的生長具有重要影響。Geesey G等［13］發現在較高的Ca2+濃度下，海洋細菌及藻類孢子到船體表面的附著過程得以加強；而Patrauchan M A等［14］發現隨著Ca2+濃度提高，假單胞菌形成的污垢厚度逐漸增加，滲透率上升。

但受研究背景等因素的影響，目前關于無機離子對微生物污垢影響的研究大都采用靜態浸泡實驗，鮮有研究流動狀態，這一換熱器內特有的狀態下，無機離子對污垢的影響；而且，目前關于Ca2+對微生物污垢影響的研究大都集中在關注污垢質量、厚度等宏觀參數方面，對Ca2+作用機理的研究較少。

本研究設計了旋轉掛片實驗，采用宏觀稱重與微觀拍照相結合的檢測手段，考察了不同Ca2+濃度下微生物污垢的生長特點，從而研究Ca2+對微生物污垢生長的影響及其作用機理。

1 實驗材料與方法

1.1 人工再生水配制

課題組前期研究表明［15］，換熱表面污垢中優勢菌屬為芽孢桿菌屬。因此，本研究采用向過濾水中加入枯草芽孢桿菌菌液的方法配制人工再生水，用來模擬在換熱板片表面形成微生物污垢的城市再生水。

首先，將枯草芽孢桿菌（-80℃下甘油內保存，防止菌種污染）接種到培養液（1 000 mL過濾水中加入2.5 g牛肉膏，5 g蛋白胨，5 g葡萄糖，2.5 g NaCl，pH調至7.2）中，隨后將培養液在搖床中30℃、200 r／min的條件下培養24 h，得到菌濃度達到穩定的芽孢桿菌菌液［16］。隨后將該菌液稀釋到過濾水中，使其中菌濃度達到城市再生水中常見的 1×105CFU／mL。并向該過濾水中加入葡萄糖，調節其中生化需氧量BOD至城市再生水中常見的15 mg／L。

前期研究表明，北京地區城市再生水中的Ca2+濃度全年在100～400 mg／L內變化［15］。因此，通過向人工再生水中加入一定量的CaCl2，調節其中Ca2+濃度為100、150、200、250、300、350、400、450 mg／L。為了排除Cl-1的影響，再分別加入一定量的NaCl，調節各組實驗中Cl-1達到同一濃度［17］。

通過以上操作，配制出具有特定菌濃度、BOD，以及不同Ca2+濃度的人工再生水，用來模擬城市再生水作為致垢流體。

1.2 旋轉掛片儀實驗

本研究采用旋轉掛片儀（RCC3型）進行污垢生長實驗，其示意圖如圖1所示。

圖1 旋轉掛片儀工作示意圖Fig.1 Schematic diagram of the rotating coupon device

首先，利用換熱板片的常用材料（不銹鋼）加工出成垢掛片（掛片材質為SS316，尺寸20 mm×20 mm ×1 mm），作為成垢基底。將掛片利用緊固螺母固定到掛片儀的旋轉轉軸上，并將之前配制好的人工再生水放入燒杯中，再將燒杯放置到旋轉掛片儀的恒溫水浴內，調節水浴溫度為城市再生水夏季工況的平均溫度25℃，保證成垢過程中致垢流體穩定在特定的溫度。隨后，將帶有掛片的旋轉轉軸下沉到燒杯內的人工再生水中，并由電機通過傳動皮帶帶動轉軸轉動，調節轉速為96 r／min，對應掛片處線速度0.4 m／s，為板式換熱器內常見流速。通過以上操作，使得掛片在人工再生水中轉動，從而模擬城市再生水流經換熱表面并生成微生物污垢這一實際過程［18］。

污垢生長實驗持續5 d，前期研究表明［8］，5 d后板式換熱器內的污垢已能夠生長至穩定階段。由于本實驗采用閉式成垢系統，為保證人工再生水中營養濃度與細胞活性的穩定，實驗過程中每12 h對燒杯內的人工再生水進行更新。利用涂平板法監測其中的菌濃度［19］，發現在該12 h內人工再生水中的菌濃度為（1.0±0.2）×105CFU／mL，較為穩定。

1.3 微生物污垢的檢測

實驗過程中每24 h將掛片取下，靜置5 min待污垢表面水分滴落，利用精密天平（XS 105，測量精度分為d=0.1／0.01 mg兩檔）對掛片進行稱重，污垢質量表示為：

式中：Mf為長有污垢掛片的質量，g；Mc為清潔狀況下掛片的質量，g；S為掛片的等效表面積，m2；mf為單位面積上的污垢質量，g／m2。

在實驗第5 d，將最終污垢放入恒溫電熱烘箱（HT4003B）中烘干，并根據質量差計算污垢中游離水的含量；隨后，利用凍干機（Alpha1-2LDplus，）對樣品進行凍干（-55℃，真空25 Pa下持續24 h），并根據質量差計算污垢中結合水的含量。需要說明的是，在稱重過程中，由于微生物污垢中水分占絕大部分比重，烘干后各組污垢質量差距較小，因此將天平的測量精度從d=0.1 mg調整至d=0.01 mg，保證對污垢干重的準確測量，進而根據測量結果計算污垢干重與游離水、結合水的含量。

除對污垢質量這一宏觀參數進行測量之外，在實驗第5 d，還對最終的微生物污垢（未經烘干、凍干，保留了原始形貌）進行電子掃描顯微鏡（SEM）拍照［20］：首先利用磷酸緩沖液（phosphate buffer solution，PBS）對長有污垢的掛片浸泡5 min，洗去污垢表面松散附著的細胞；隨后將掛片在4℃條件下在2.5%的戊二醛溶液中浸泡2 h，對污垢進行固定；再利用PBS浸泡污垢3次，每次持續5 min；之后利用梯度濃度酒精溶液浸泡污垢（酒精濃度梯度為50%，70%，90%，100%，100%，100%v／v），每次浸泡持續10 min，置換出污垢內部所含的水分，滿足SEM中無水的拍攝環境；然后將污垢放入生物凍干箱（Alpha-2DLplus型）內過夜，以緩慢蒸發掉污垢內部的乙醇；最后對污垢進行噴金，并放置到SEM（FEI QUANTA 200型）內進行拍照，觀測污垢的微觀形貌，考察Ca2+對污垢產生影響的作用機理。

2 實驗結果與討論

2.1 污垢質量曲線

實驗過程中每24 h對掛片進行稱重，測得的不同Ca2+濃度下污垢質量變化曲線及第5 d實驗結束時最終的污垢質量如圖2所示。

圖2 污垢質量變化曲線及第5 d的污垢質量Fig.2 Biomass development over time and the biomass on the fifth day

從圖2中可以看出，掛片在人工再生水中旋轉，表面污垢質量隨時間增加而逐漸上升，第5 d時污垢質量達到400～600 g／m2左右。

從圖2（a）中可以看出，隨著Ca2+濃度的升高，雖然在某些情況下（例如從150 mg／L上升至200 mg／L時）污垢質量出現下降，但從總體情況來看，污垢質量表現出逐漸增大的趨勢；而從圖2（b）中同樣可以看出，隨著Ca2+濃度的升高，總體來看，最終污垢所對應的質量表現出逐漸上升的趨勢。從而說明，較高的Ca2+濃度對污垢的生長具有促進作用。

2.2 污垢干重與含水率

對第5 d的最終污垢先后進行了烘干與凍干，去除污垢中含有的游離水與結合水，并進行稱重計算出污垢的干重和含水率，所得結果如圖3所示。

圖3 最終污垢的干重與含水率Fig.3 The dry weight and the moisture content of the biofouling on the fifth day

從圖3（a）中可以看出，隨著Ca2+濃度升高，雖然在某些情況下（如200 mg／L上升至250 mg／L時）受隨機誤差的影響，去除游離水后的污垢質量（污垢干重），出現上升，但總體來看，為逐漸下降趨勢；而與之對應的，污垢中游離水的含水率逐漸上升，從40%左右上升至80%左右。

從圖3（b）中可以看出，隨著Ca2+濃度升高，去除結合水后的污垢質量，即污垢中有機物的質量，并無顯著的變化規律，基本在20～30 g／m2范圍內變化；而與之對應的污垢中總含水率則基本穩定在95%左右。

從圖3中可以看出，隨著Ca2+濃度升高，污垢表現出游離水含水率逐漸上升，干重下降的趨勢，而總含水率、有機物質量則無顯著變化。

2.3 污垢的微觀形貌

為了考察Ca2+對污垢質量、含水率等產生影響的作用機理，對第5 d最終的污垢進行了SEM拍照，選取了100、200、300、400 mg／L的Ca2+濃度所對應的污垢進行拍照，其微觀形貌如圖4所示。

圖4 不同Ca2+濃度下污垢的顯微形貌（比例尺=50 μm）Fig.4 M icrostructure of biofou ling grown under different Ca2+concentrations（scale bar=50 μm）

從圖4中可以看出，隨著Ca2+濃度升高，所對應微生物污垢的顯微形貌變化顯著：當Ca2+濃度處于100 mg／L的較低水平時，污垢為一整體結構，絲狀EPS堆積致密，污垢中幾乎沒有孔隙等結構；當Ca2+濃度上升至200 mg／L時，污垢開始變得略顯蓬松，內部開始出現孔狀結構，并且有向空間方向分布的微小EPS；當Ca2+濃度上升至300 mg／L時，相比于較低Ca2+濃度下的致密整體結構，污垢中開始出現大量空間方向上分布的絲狀EPS，雖然仍存在局部的致密整體，但總體來看污垢變為顯著的三維多孔結構；當Ca2+濃度上升至400 mg／L這一較高水平時，對應污垢的空間多孔化程度進一步上升，幾乎全部為絲狀EPS相互搭載形成的“骨架”，而不再含有致密的整體結構。

2.4 Ca2+影響微生物污垢的作用機理

結合以上對污垢質量等宏觀參數的測量，以及對污垢顯微形貌這一微觀特征的觀測，可以總結出Ca2+對微生物污垢產生影響的作用機理。

首先，由于去除結合水后的污垢質量，即污垢中有機物（主要是細胞與EPS）的質量，隨Ca2+濃度升高無顯著變化，說明Ca2+對細胞的附著、生長、繁殖，以及EPS的分泌這一系列代謝過程無顯著影響；但是Ca2+可以通過影響細胞間的靜電力作用以及生物膜相關蛋白質（Bap）的分泌，增強污垢內部絲狀EPS的橋連作用，使其由均質化的整體向空間方向顯著發展，從而促進污垢內部結構的空間多孔化［21］；而隨著Ca2+濃度上升，污垢多孔化程度增強，絲狀EPS“骨架”間的間隙作為含水通道，使得污垢內部包含了更多游離的水分（從圖3（b）中可以看出，Ca2+濃度從100 mg／L上升至400 mg／L，對應污垢中游離水的含水率從40%左右上升至80%左右），因此，雖然不同Ca2+濃度下污垢內有機物含量相近，但隨著Ca2+濃度上升，污垢內含有的游離水分增多，對應的污垢質量也隨之上升。

值得說明的是，微生物污垢的生長受到溫度、菌濃度、營養濃度，以及成垢固體底層材料等多種因素的影響，本文考慮的主要是不同Ca2+濃度對污垢生長的影響，以上討論也主要是根據Ca2+濃度的影響而展開。

3 結論

本文通過配制人工再生水，進行了掛片實驗，在流動條件下生成微生物污垢，并考察Ca2+濃度對微生物的影響，對污垢質量、含水率、微觀結構等進行檢測，得到以下結論：

1）從宏觀稱重來看，隨著Ca2+濃度上升，所形成的微生物污垢總質量上升，內部游離水的含水率上升，但有機物質量隨Ca2+濃度上升并無顯著變化；

2）從顯微拍照來看，隨著Ca2+濃度上升，污垢的顯微結構由均質化的致密整體逐漸變化為細絲狀EPS為“骨架”的三維多孔結構，空間多孔化程度顯著上升，而這也是Ca2+對污垢產生影響的主要作用機理；

3）通過本研究可以預測，在Ca2+濃度較高的工況下，再生水源熱泵系統具有更強的結垢傾向，且所生成的微生物污垢的多孔化程度更高，從而可以指導在不同工況下分別采用具有針對性的除垢抑垢手段，以保證熱泵系統的工作效率。

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About the corresponding author

Shi Lin，female，professor，Institute of Thermophysics Engineering，Department of Thermal Engineering，Tsinghua University，+ 86 10-62687613，E-mail：rnxsl＠tsinghua.edu.cn.Research fields：refrigeration and heat pumps.

The Effect and Mechanism of Calcium Ions Concentration on Biofouling Grown in Treated Sewage Source Heat Pump Systems

Chang Siyuan Fang Yuqing Shi Lin
（Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education，Beijing Municipal Key Laboratory for CO2Utilization＆Reduction，Department of Thermal Engineering，Tsinghua University，Beijing，100084，China）

Treated sewage source heat pump systems could reuse the large amount of wasted heat in the city sewage to refrigerate and heat the buildings.However，biofouling，which is the key problem in treated sewage heat pump systems，decreases the system efficiency and security.Ca2+，which is an important inorganic ion for bacteria metabolism，has a significant influence on biofouling formation.In this study，the effect and mechanism of calcium ions concentration on biofouling growth were investigated under flowing conditions.Model sewage was prepared，with the Ca2+concentration ranging from 100 mg／L to 450 mg／L，and a rotating coupon device was used for biofouling formation.The total weight，dry weight and organic weight of biofouling grown under different Ca2+concentrations were measured，the moisture content of the biofouling was calculated，and the microstructure of the biofouling was viewed.The results indicated that biofouling grown under higher Ca2+concentrations have a more heterogeneous and porous structure，thus the moisture content and the total mass of the biofouling were increased.The results of this study could be used for predicting the biofouling formation under different operation conditions and improving the performance of treated sewage source heat pump systems.

treated sewage source heat pumps；biofouling；Ca2+；microstructure

TK124；TQ051.5

0253-4339（2016）06-0055-06

10.3969／j.issn.0253-4339.2016.06.055

簡介

史琳，女，教授，清華大學熱能工程系工程熱物理研究所，（010）62687613，E-mail：rnxsl＠tsinghua.edu.cn。研究方向：制冷與熱泵。

國家自然科學基金（51476090，50976060）和國家創新團隊資助項目（51321002）資助。（The project was supported by the National Natural Science Foundation of China（No.51476090＆No.50976060）and the Science Fund for Creative Research Group（No.51321002）.）

2016年5月17日