電磁作用下微生物傳質(zhì)建模及影響因素分析

曹生現(xiàn)，徐佳寧，王云漢，王 恭，趙 波

(1.東北電力大學(xué)自動化工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.廣東粵電新會發(fā)電有限公司，廣東 新會 529149)

電磁作用下微生物傳質(zhì)建模及影響因素分析

曹生現(xiàn)1，徐佳寧2，王云漢1，王 恭1，趙 波1

(1.東北電力大學(xué)自動化工程學(xué)院，吉林 吉林 132012；2.廣東粵電新會發(fā)電有限公司，廣東 新會 529149)

針對電磁場強(qiáng)化傳質(zhì)和抑制微生物生長現(xiàn)象，基于微生物生長動力學(xué)和雙電層原理，對電磁場強(qiáng)化傳質(zhì)作用機(jī)理進(jìn)行了理論推導(dǎo)，建立了電磁場作用下微生物污垢生長模型.模型以不同水質(zhì)、流體流速和管道內(nèi)壁粗糙度為參數(shù)，利用Matlab軟件，繪制了仿真曲線，計(jì)算出微生物污垢熱阻變化趨勢和電磁抑垢率.結(jié)果表明：電磁場對微生物污垢有較強(qiáng)的抑制作用，該模型能夠準(zhǔn)確地計(jì)算出電磁抑垢率，為電磁抑垢裝置的開發(fā)和應(yīng)用提供了理論依據(jù).

微生物污垢；電磁場；仿真；電磁抑垢率

0 引言

微生物污垢一直是工業(yè)循環(huán)水處理比較活躍而且極具挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域[1].循環(huán)水系統(tǒng)普遍應(yīng)用化學(xué)方法除垢抑垢，但存在著成本高，操作難度大及污染的問題[2].作為一種物理方法，電磁抑垢技術(shù)憑借成本低、操作簡單、無污染等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注.[3]但是，微生物強(qiáng)化傳質(zhì)是一個復(fù)雜的過程，缺少對其生長機(jī)制的深入認(rèn)識，相對電磁場(Electromagnetic field，EMF)對微生物污垢影響的機(jī)理研究更少.在電磁抑垢方面，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了積極的探索，并取得了一定的成果，然而，他們研究方法的局限性在于只是對電磁場作用下微生物強(qiáng)化傳質(zhì)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，難以綜合分析電磁場對微生物強(qiáng)化傳質(zhì)影響的機(jī)理且不能實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確預(yù)測.[4]至今為止，對電磁場下微生物污垢的研究還沒有建立一個普遍適用的模型.

因此，本文建立了一個加電磁場時的微生物強(qiáng)化傳質(zhì)模型，定量分析不同水質(zhì)參數(shù)、流體流速和管道內(nèi)壁粗糙度對微生物污垢熱阻的影響，探索各參數(shù)工況下電磁場對微生物污垢的抑垢率，可為電磁場對微生物污垢防治和抑制提供理論基礎(chǔ).

1 電磁作用下微生物污垢建模

1.1 微生物強(qiáng)化傳質(zhì)模型

Monod提出的飽和速率方程即Monod方程，是目前最廣泛的微生物增長速率模型.[5]多種水質(zhì)參數(shù)共同作用于微生物生長繁殖過程[6]，結(jié)合Monod方程，比生長速率公式[7]為

(1)

微生物污垢熱阻[7]為

(2)

1.2 電磁場作用下微生物強(qiáng)化傳質(zhì)建模

1.2.1 管道內(nèi)壁的雙電層

任何膠體粒子表面上總帶有正電荷或者負(fù)電荷，而且不僅是溶膠，凡是與極性介質(zhì)相接觸的界面上總是帶電的.界面電荷的存在影響到溶液中離子在介質(zhì)中的分布，帶相反電荷的離子則被斥離界面.加上離子的熱運(yùn)動，離子會在界面上建立起具有一定分布規(guī)律的擴(kuò)散雙電層[1].

對于擴(kuò)散雙電層，最初Helmholtz提出平行板電容器模型來描述其特征[8].該模型認(rèn)為，在固體與溶膠接觸界面上形成的雙電層如同一個平行板電容器，固體表面形成一個電層，在固體表面一定距離內(nèi)形成另一個電層，兩個電層相互平行整齊排列.

換熱管道內(nèi)形成沿管道切線方向的雙電層，外加與雙電層平行的電磁場，電磁場對雙電層的作用力相當(dāng)于溶液與管道表面的切應(yīng)力.雙電層的間距大約和水化離子半徑相當(dāng)，數(shù)量級為10-10m(0.1 nm)，表面電荷密度為

(3)

記距離換熱表面l的電層處電勢φ0=0，則固體表面電壓的大小為

U=φ-φ0=φ.

(4)

電磁場公式為

U=El.

(5)

聯(lián)立(3)—(5)式得到換熱器表面電荷密度為

σ=Eε.

(6)

外加沿管壁方向的電磁場ψ后，膠體粒子單位面積上受到沿管壁方向的電場力為

F=ψσ.

(7)

1.2.2 管道內(nèi)壁的粗糙度

換熱管內(nèi)壁的固體表面不可能完全光滑，內(nèi)表面由無數(shù)個凸起排列形成，凸起放大后如圖1所示.將電磁場力F分解為沿粗糙面切線方向的Fq和垂直于換熱面方向的FN.

沿粗糙面切線方向的Fq與膠體粒子受到的剪切力τs大小相同，方向一致.則有

(8)

將內(nèi)表面凸起還原到圓中，如圖2所示.用粗糙度表示換熱表面的粗糙程度，計(jì)算公式為

(9)

圖1 管道內(nèi)壁所受電磁場力分解示意圖

圖2 內(nèi)表面凸起還原圓示意圖

同一粗糙內(nèi)表面的凸起還原圓的半徑R是固定的，粗糙度與粗糙面切線與沿管道方向夾角θ成正比.生物膜厚度增長是致垢物質(zhì)沉積與生物膜脫落的差值，生物膜的增長速率可表示為

(10)

計(jì)算得污垢厚度為

(11)

致垢物質(zhì)的沉積率為

Φr=k2τsδf=k3u2Rf.

(12)

流體中微生物濃度與微生物數(shù)量的關(guān)系為

(13)

推導(dǎo)得電磁場作用下微生物污垢熱阻為

(14)

2 電磁抑垢率影響因素分析

2.1 不同水質(zhì)參數(shù)

選取了影響微生物生長的水質(zhì)參數(shù)pH、鐵離子、電導(dǎo)率(Total dissolved solids，TDS)來預(yù)測不同參數(shù)作用下的微生物污垢熱阻值.用pH值、鐵離子、電導(dǎo)率分別描述溶液中的氫離子、鐵離子和鹽離子濃度.微生物的新陳代謝使微生物與氧結(jié)合并脫氫，影響溶液的pH值.微生物將Fe2+氧化成Fe2O3并在其周圍生成大量黏泥.微生物生長吸收并產(chǎn)生有機(jī)物，改變?nèi)芤褐须娊赓|(zhì)含量.總之，pH值、鐵離子和電導(dǎo)率體現(xiàn)微生物生長狀況，利用上述水質(zhì)參數(shù)預(yù)測微生物污垢熱阻.

2.1.1 水質(zhì)參數(shù)對微生物污垢熱阻的影響

磁化處理會破壞水原來的結(jié)構(gòu)，水分子氫鍵是一種分子間力，不像化學(xué)鍵那樣牢固，它不停地處于一種斷開、結(jié)合的動態(tài)平衡中.磁場為水分子的熱運(yùn)動提供了能量，導(dǎo)致部分氫鍵畸變，對污垢的吸附能力隨之改變.

選取含鐵離子細(xì)菌溶液作為微生物生長溶液，初始溶液的水質(zhì)參數(shù)濃度為定值，代入模型.設(shè)定流體速度u=0.4 m/s，換熱管道粗糙度Ra=0即管道內(nèi)壁絕對光滑，二者均為定值.加電磁場ψ后，根據(jù)不同水質(zhì)參數(shù)預(yù)測電磁場作用下的污垢熱阻，與未加電磁場時的污垢熱阻做對比，微生物污垢熱阻曲線如圖3 所示.

2.1.2 不同水質(zhì)參數(shù)的電磁抑垢率

電磁抑垢率表示電磁場抑制污垢的效率，計(jì)算公式為

(15)

微生物污垢熱阻與水質(zhì)參數(shù)的關(guān)聯(lián)特性見圖3，不同水質(zhì)參數(shù)對應(yīng)的電磁抑垢率見表1.

圖3 不同水質(zhì)參數(shù)下的微生物污垢熱阻曲線

水質(zhì)參數(shù)η/%pH36.21Feion39.11TDS38.43

圖3和表1表明，電磁場對微生物污垢有強(qiáng)烈的抑制作用.水流經(jīng)過電磁場時，電磁場可以打亂水體中電離子和極性水分子，導(dǎo)致一部分帶電離子相互聚合最終變成微小的懸浮顆粒，這種微小的懸浮顆粒隨著電磁場的作用而不斷生成.循環(huán)水不斷產(chǎn)生沉淀，這種沉淀以之前受電磁場作用而產(chǎn)生的微小懸浮顆粒為核心，不斷附著，不斷增大，但不會聚合，使得沉淀最終變成疏松絮狀水垢，被水帶走.電磁場的加入影響溶液中帶電離子的運(yùn)動，改變水質(zhì)參數(shù)值，進(jìn)而影響污垢熱阻值.水質(zhì)參數(shù)作為模型中未知量之一，其數(shù)值可通過儀器測定.

2.2 流體流速

較低的流速有利于沉淀，且晶核間填充了較多其他成分，垢質(zhì)較疏松.隨著流速的增大，沖刷作用加強(qiáng)，結(jié)垢速率減緩.流體流速的變化可能會影響電磁抑垢率，保持外加電磁場和管道內(nèi)壁粗糙度不變，檢驗(yàn)流速的變化對電磁抑垢率的影響.

2.2.1 流速對微生物污垢熱阻的影響

選取綜合水質(zhì)參數(shù)預(yù)測加電磁場和不加電磁場的污垢熱阻.依次取流速u=0.1 m/s，u=1 m/s，u=10 m/s，預(yù)測電磁場作用下的污垢熱阻，與未加電磁場時的污垢熱阻做對比，微生物污垢熱阻曲線如圖4所示.實(shí)驗(yàn)表明，流體流速越大，結(jié)垢效率越低.

(a)流速u=0.1 m/s

(b)流速u=1 m/s

(c)流速u=10 m/s

2.2.2 不同流速的電磁抑垢率

不同流速下的電磁抑垢率如表2所示.由表2可知，隨著流速的增大，電磁抑垢率變小.由圖4對比可知，隨著流速的增大，加電磁場和不加電磁場作用下的污垢熱阻都減小.

表2 不同流速下的電磁抑垢率

u/(m·s-1)η/%0.138.981 32.9310 26.20

在微生物強(qiáng)化傳質(zhì)的過程中，隨著流速的增加，微生物繁殖所需要養(yǎng)分的供給狀況改善，增強(qiáng)了成垢表面附近的對流傳質(zhì)，微生物繁殖加快，黏膜厚度增大也較快.但是，膜厚的增大使介質(zhì)的剪切力大大增加，增大了垢層脫落的動力，進(jìn)而導(dǎo)致黏膜與成垢表面脫離，流速的增加減小了傳熱邊界層中的滯流底層的厚度，污垢生長速度變慢.

2.3 管道內(nèi)壁粗糙度的影響

管道內(nèi)壁粗糙度越小、表面越光滑，污垢越難附著.粗糙的表面有很多凹槽，溶液中的懸浮粒子容易滯留在凹槽里形成絮狀沉淀，絮狀沉淀繼續(xù)吸附溶液中的粒子，促進(jìn)污垢的生長.管道內(nèi)壁的粗糙度不同可能會影響電磁抑垢的效率.

2.3.1 粗糙度對微生物污垢熱阻的影響

由式(9)可知，粗糙度和粗糙面切線與沿管道方向夾角θ成正比.粗糙度和θ的變化趨勢一致，選取綜合水質(zhì)參數(shù)預(yù)測加電磁場和不加電磁場作用下的污垢熱阻.依次取cosθ=0.5、cosθ=0.8、cosθ=1，檢驗(yàn)不同粗糙度對污垢熱阻的影響.預(yù)測電磁場作用下的污垢熱阻，與未加電磁場時的污垢熱阻做對比，微生物污垢熱阻曲線如圖5所示.

2.3.2 不同粗糙度下的電磁抑垢率

由圖5可知，粗糙的管道內(nèi)壁會加快污垢熱阻的生成，但是不會改變污垢熱阻的最終值.管道內(nèi)壁粗糙度和θ成正比，cosθ越小，θ越大，粗糙度越大.管道內(nèi)壁不同粗糙度下的電磁抑垢率如表3所示.由圖5和表3可知，隨著粗糙度的增加，電磁抑垢率變小.即換熱管道內(nèi)壁越粗糙，電磁抑垢效果越差.

粗糙管道內(nèi)壁的凸出部分有利于成核、吸收和表面化學(xué)活性的增加，而凹下部分則為沉積物提供了避開流體沖刷的場所，這兩方面都便于污垢的沉積.此外，粗糙表面還可以減小黏性底層厚度，從而有利于湍流擴(kuò)散沉積.粗糙表面污垢形成速度比光滑表面快，表面粗糙同樣有利于晶體的黏附.

表3 不同粗糙度下的電磁抑垢率

圖5 不同粗糙度下的微生物污垢熱阻曲線

3 結(jié)論

(1)建立了電磁場作用下微生物污垢生長模型，計(jì)算表明電磁場對微生物污垢有強(qiáng)烈的抑制作用.

(2)電磁場通過改變?nèi)芤褐袔щ婋x子的運(yùn)動而影響水質(zhì)參數(shù)值，進(jìn)而影響污垢熱阻值.

(3)流體流速越大，微生物強(qiáng)化傳質(zhì)速度越緩慢，電磁抑垢效率越低.

(4)粗糙度越大，微生物強(qiáng)化傳質(zhì)速度越快，但是終值不變；粗糙度越大，電磁抑垢效率越低.

[1] 楊善讓，徐志明，孫靈芳.換熱設(shè)備的污垢與對策[M].北京：科學(xué)出版社，2004：47-50.

[2] YAMABHAI M，CHUMSENG S，YOOHAT K.Diverse biological effects of electromagnetic-treated water[J].Homeopathy，2014，103(3)：186-192.

[3] TIJING L D，KIM H Y，LEE D H，et al.Physical water treatment using electric fields for the mitigation of CaCO3fouling in cooling water[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2010，53(7-8)：1426-1437.

[4] KIM J Y，LEE J H，CHANG I S.High voltage impulse electric fields：Disinfection kinetics and its effect on membrane bio-fouling[J].Desalination，2011，283：111-116.

[5] 丁振瑞，趙亞軍，陳鳳玲.磁化水的磁化機(jī)理研究[J].物理學(xué)報，2011(6)：432-439.

[6] KASHKOOLI A G，F(xiàn)ARHAD S，CHABOT V，et al.Effects of structural design on the performance of electrical double layer capacitors[J].Applied Energy，2014，138：631-639.

[7] 曹生現(xiàn)，孫嘉偉，劉洋.微生物污垢形成的傳熱傳質(zhì)模型[J].工程熱物理學(xué)報，2012(6)：1023-1026.

[8] MOHAMED M，HATFIELD K.Dimensionless parameters to summarize the influence of microbial growth and inhibition on the bioremediation of groundwater contaminants[J].Biodegradation，2011，22(5)：877-896.

(責(zé)任編輯：石紹慶)

Establish microbial transfer model with EMF and analysis influence factors

CAO Sheng-xian1，XU Jia-ning2，WANG Yun-han1，WANG Gong1，ZHAO Bo1

(1.School of Automation Engineering，Northeast Dianli University，Jilin 132012，China； 2.Guangdong Yudean Xinhui Generation Co.，LTD.，Xinhui 529149，China)

To explore the principle and influence factors of electromagnetic anti-fouling in industrial circulating water treatment，mechanism of electromagnetic field strengthening mass transfer is inferred in theory based on microbial growth kinetic and electric double layer principle.The simulated curve is drawn.The microbial fouling resistance tendency and electromagnetic anti-fouling efficiency is calculated with Matlab software with different water quality parameters，fluid flow rates and pipe wall roughness as model parameters.The results show that the electromagnetic field has relatively strong inhibiting effect on microbial fouling.The model can calculate electromagnetic anti-fouling efficiency accurately，which provides theoretical basis for the development and applications of electromagnetic anti-fouling equipments.

biofouling；electromagnetic field；simulate；electromagnetic anti-fouling efficiency

1000-1832(2017)01-0083-05

10.16163/j.cnki.22-1123/n.2017.01.016

2015-12-10

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51376042)；吉林市科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(2013121002).

曹生現(xiàn)(1974—)，男，博士，教授，主要從事?lián)Q熱設(shè)備研究；通訊作者：徐佳寧(1991—)，女，碩士研究生.

TQ 012 [學(xué)科代碼] 530·11

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