燃氣機組循環冷卻水殺菌劑篩選與現場應用

摘 要：火電廠中循環冷卻水系統容易滋生微生物，并形成生物黏泥，影響機組性能與安全，因此需要通過加入殺菌劑以控制微生物。長期使用單一種類的殺菌劑容易使微生物產生抗藥性，導致殺菌劑失效，因此該研究擬采用氧化型殺菌劑與非氧化型殺菌劑交替的方式進行加藥。研究對非氧化性殺菌劑進行篩選，通過比對殺菌效果與黏泥殺菌效果確定目標藥劑和加藥濃度。同時，對加藥前后菌落結構的變化進行比對。最后現場加藥實驗表明，方案可取得較好微生物防治效果。

關鍵詞：循環冷卻水系統；微生物；殺菌劑；異噻唑啉酮；雙癸基二甲基氯化銨

中圖分類號：TK263.2 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2024）29-0081-05

Abstract： The circulating water cooling system in thermal power plant is easy to breed microorganisms and form biological slime， which affects the performance and safety of the unit， so it is necessary to add fungicides to control microorganisms. Long-term use of a single type of fungicides is easy to cause microbial resistance， resulting in fungicides failure， so this study intends to use oxidizing fungicides and non-oxidizing fungicides alternately. In this study， non-oxidizing fungicides were screened， and the target agent and concentration were determined by comparing the germicidal efficacy and slime germicidal efficacy. At the same time， the changes of colony structure before and after adding drugs were compared. Finally， the field experiment shows that the scheme can achieve better microbial control effect.

Keywords： circulating water cooling system; microorganism; fungicide; isothiazolinone; didecyl dimethyl ammonium chloride

位于沿海地區的火力發電機組常就地使用海水作為循環冷卻水，以節省建設成本與運行成本。但由于海水中含有氮、磷、有機質等營養物質[1-2]，微生物在適宜條件下容易大量繁殖。若細菌、真菌、藻類等微生物附著在設備表面，其分泌的胞外聚合物會攔截海水中的物質，并逐漸形成生物黏泥[3]。生物黏泥會增大傳熱阻力，影響換熱器的換熱性能，直接影響機組效率。此外，在生物黏泥的覆蓋下金屬表面將形成化學原電池，且部分微生物會分泌有機酸，均會加速金屬腐蝕，給設備帶來極大的安全風險[4]。

往循環水中加入殺菌劑是防止微生物在設備中形成生物黏泥的常用方法。按照殺菌劑的作用機理，可分為氧化型殺菌劑與非氧化型殺菌劑。常見的氧化型殺菌劑包括Cl2、NaClO、O3等[4-5]，通過氧化酶或者功能蛋白后，破壞微生物的代謝過程，使微生物失活死亡。非氧化型殺菌劑包括氯酚類、異噻唑啉酮、季銨鹽等[4，6]，可與微生物的特定部位結合，產生窒息、中毒效果，以達到殺菌目的。當前循環水加藥運行仍存在某些問題。例如，若長期使用單一種類的殺菌劑，微生物會產生抗藥性，使藥劑逐漸失效；殺菌劑種類繁多，效果差異大，難以確定合適的藥劑及加藥濃度。

廣東某燃氣電廠（以下簡稱“Z廠”）位于珠江口，配有2×390MW燃氣輪機聯合循環發電機組。機組輔機設備采用直流式閉冷水冷卻方式，閉冷水通過水-水熱交換器進行冷卻，換熱器采用鈦管。換熱器循環水水源取自虎門水道獅子洋河水，電廠現投加的藥劑為NaClO，頻次為每周一次，濃度為8 ppm，加藥時長為4 h。為減少長期加同一種藥物導致的抗藥性問題，Z廠計劃未來采用氧化性與非氧化型殺菌劑交替使用的方式進行殺菌。為確定Z廠循環水非氧化型殺菌劑種類及濃度，擬開展殺菌劑篩選與性能研究，并通過現場應用驗證加藥方式的合理性。

1 殺菌劑選擇

異噻唑啉酮類殺菌劑是由一種或者多種異噻唑啉酮衍生物配制而成。依據HG/T 3657—2017《水處理劑異噻唑啉酮衍生物》，用于工業水處理中的異噻唑啉酮類殺菌劑分別為5-氯-2-甲基-4-異噻唑啉-3-酮（CMI）與2-甲基-4-異噻唑啉-3-酮（MI），CMI∶MI介于2.5～3.4。本研究擬選用異噻唑啉酮作為實驗藥劑，其CMI∶MI為3∶1。

季銨鹽種類較多，按結構可分為單鏈與雙鏈季銨鹽。季銨鹽可在細菌表面通過靜電作用結合并富集，形成自組裝效應，從而導致細菌死亡。有研究表明，相比于單鏈季銨鹽，由于具有更大的烷烴鏈密度與正電荷密度，雙鏈季銨鹽殺菌性能更強。雙鏈季銨鹽應用范圍廣，包括食品、紡織、醫療和水處理等。雙癸基二甲基氯化銨（DDAC）是一種雙鏈季銨鹽，是一種廣譜型殺菌劑，本研究擬采樣DDAC作為實驗藥劑。

2 殺菌劑研究進展

秦雙等[7]使用DDAC對油田廢水中硫酸鹽還原菌、鐵細菌以及腐生菌的殺滅性能進行了研究。研究表明DDAC在10 mg/L時，對細菌產生抑制效果，在20 mg/L時可完全抑制細菌的活性。與十四烷基三丁基氯化磷（AP350）、苯扎氯銨（1227）、戊二醛等殺菌劑進行比較，發現DDAC的殺菌能力最強，而各類細菌對1227產生了一定耐性，效果不佳，在生物膜殺菌實驗中也得到了類似的結果。

錢瑤[8]研究了苯扎氯銨對蛋白核小球藻與銅綠微囊藻的影響。研究表明，1227濃度從2 mg/L上升至12 mg/L，對蛋白核小球藻的抑制率從17%上升至47%，96 h-EC50（96 h半數有效濃度）為11.20 mg/L；1227濃度從1 mg/L上升至10 mg/L對銅綠微囊藻的抑制率從2%上升至85%，96 h-EC50為3.61 mg/L，表明同一種藥劑對不同藻類的抑制作用存在較大差異。通過對藻類生理指標的比對發現，1227對藻類光合作用活性產生了抑制，提高了藻細胞內過氧化應激脅迫水平，以及通過破壞細胞膜等方式對藻類起到殺滅作用。

夏露[9]研究了穩定二氧化氯和異噻唑啉酮在不同水質條件下對生物黏泥的控制效果。研究表明，穩定ClO2所需的有效殺菌濃度隨著水體中營養成分濃度的升高而增大。在CODcr∶N∶P=50∶10∶1（CODcr=50 mg/L）下，0.5 mg/L的二氧化氯已經可以有效殺滅微生物；在CODcr∶N∶P=150∶10∶1（CODcr=150 mg/L）下，有效殺菌濃度則上升至2.0 mg/L。對于異噻唑啉酮，CODcr∶N∶P=50∶10∶1與CODcr∶N∶P=150∶10∶1的最佳殺菌濃度均為100 mg/L。鑒于殺菌成本，穩定ClO2可節約用藥成本。此外，研究模擬了油品泄漏時，對二氧化氯殺菌能力和黏泥剝離能力的影響。研究發現，泄漏的油品對微生物活性存在抑制作用，因而隨著泄漏量的增加ClO2最佳殺滅濃度下降。此外，隨著油品泄漏量的增大，ClO2所需的最佳剝離濃度也增大，可能是油品增大了黏泥的機械強度，導致殺菌劑剝離黏泥的效果下降。

趙小芳等[6]研究了不同碳鏈、連接基團長度的雙鏈季銨鹽對海水中異養菌的殺菌效果。研究合成了烷烴鏈原子數m為12，連接基團碳原子數n為4、6、8的各類m-n-m型雙鏈季銨鹽殺菌劑。研究表明，雙鏈季銨鹽在5 mg/L時，殺菌率均超過99%，1277僅略大于20%，且隨著連接基團的增長，殺菌效果越強。同時，研究發現，并非烷烴鏈越長，殺菌效果越好。烷烴碳原子數為12～14時，表現出較好的殺菌效果。雙鏈季銨鹽可使陽離子頭基與微生物膜表面的距離縮短，增大了殺菌劑與細菌的親和能力，使得殺菌劑效果明顯提升。同時，文章也指出，海水鹽濃度會削弱季銨鹽與細菌的靜電結合能力，導致在高鹽海水中殺菌效果下降。

劉亮[5]研究了ClO2的殺菌效果及耦合使用有機膦藥劑對金屬的緩蝕作用。在初始菌落數1.0×107個/mL、pH=7.0、T=20 °C條件下，加入0.2 mg/L的ClO2 15 min后，對異養菌和硫化菌殺菌率均可達到80%以上，對兩類菌的殺菌率達到98%時，則濃度分別需要0.6 mg/L及1.0 mg/L，體現出較好的殺菌效果。但由于ClO2具有強氧化性，對金屬存在腐蝕作用，研究表明，對碳鋼的腐蝕最為嚴重，其次是鋁和銅，不銹鋼的抗腐蝕能力最強。為解決ClO2對金屬的腐蝕問題，該研究還探討了單膦、雙膦及三膦的緩蝕效果。研究首先分析了ClO2對有機膦的氧化能力，表明藥劑在接觸120 h后，雙膦與三膦的分解率較低，而單膦較高，從緩蝕能力來說，則是單膦、雙膦緩蝕性能能較好。

王玲玲[4]則對各類殺菌劑的效果進行了評估。首先研究了各類殺菌劑與緩蝕劑的配伍性，實驗發現ClO2與1227和特定阻垢緩蝕劑會發生了反應，導致水質發生了變化。但在殺菌實驗中，ClO2、NaClO與二亞乙基三胺在較低濃度下已起到較好的殺菌效果，但是異噻唑啉酮與1227則較差。如ClO2、NaClO分別在3 mg/L、4 mg/L下殺菌率可達到100%，當二亞乙基三胺在3 mg/L時也接近100%，而異噻唑啉酮與1227在投加100 mg/L的濃度下仍然無法完全殺滅細菌。研究通過正交試驗得出了基于ClO2的復合藥劑，即0.4 mg/L的ClO2配合0.5 mg/L的異噻唑啉酮及1 mg/L 1227，通過進行測試取得了較好的抑菌效果。

3 實驗方法

3.1 菌落總數

菌落總數參考GB 4789.2—2022《菌落總數測定》進行，稀釋梯度分別為10、100、1 000倍，其中配制及稀釋用水均使用所采水樣。

3.2 殺菌實驗

取500 ml水樣于絲口瓶中，分別加入1、2、3、5、7、10 mg/L的殺菌劑。將絲口瓶置于100 rad/min搖床中震蕩4 h。結束后對菌落總數進行分析。殺菌率計算如下

φ=，

式中：φ為殺菌率，N0為加藥前水樣菌落總數，N1為實驗結束時菌落總數。

3.3 生物黏泥測定

微生物所分泌的胞外聚合物具有黏附性，可使微生物發生團聚形成黏泥。本研究擬進行殺菌劑黏泥抑制實驗，以確定殺菌劑抑制黏泥形成的效果。實驗使用所取水樣配制含200 mg/L胰蛋白胨、100 mg/L 酵母浸粉、100 mg/L葡萄糖的培養液1.2 L。同時，加入一定濃度的殺菌劑，實驗濃度將根據殺菌實驗的結果，每種藥劑選擇2個合適濃度進行。本研究使用腐蝕懸掛儀進行實驗，并安裝標準鈦片使微生物附著生長。實驗時，水浴溫度設置在30 ℃，攪拌速度為60 rad/min。

隨著微生物在培養液中不斷生長，營養成分會被快速消耗，從而使水體變為貧營養狀態。為了確保微生物可保持連續快速的生長，實驗時，每隔12 h將倒出1 L的培養液，以排出懸浮態微生物。隨后往培養液中重新加入1 L相同濃度的營養物與殺菌劑。實驗將持續7 d，結束后取出鈦片，吸取表面液滴，并靜置1 h直至表面無明顯水分。隨后進行稱重，實驗前后掛片質量之差黏泥量。

3.4 微生物群落結構

本研究將研究原水、殺菌實驗以及培養液中微生物菌落結構關系，以研究殺菌劑對菌落結構變化，并研究耐藥性較強的微生物類群。分析方法如下：

原水及培養液中微生物首先使用0.22 μm無菌濾膜進行過濾，隨后使用液氮進行快速冷凍，并放入20 ℃冰箱中冷凍保存。

在殺菌實驗中，則直接提取培養基中的菌落菌絲，置于1 mL的試管中。隨后同樣使用液氮進行快速冷凍，并放入20 ℃冰箱中冷凍保存。

細菌DNA經過提取后，使用16SV3-V4引物。第一輪PCR反應程序如下：①95 ℃，3 min；②94 ℃，20 s→55 ℃，20 s→72 ℃，30 s；72 ℃，5 min，該步驟循環5次；③10 ℃，∞。在第二輪PCR擴增時，引入Illumina橋式PCR兼容引物，其反應程序如下：①95 ℃，3 min；②94 ℃，20 s→55 ℃，20 s→72 ℃，30 s，該步驟循環5次；③72 ℃，5 min；④10 ℃，∞。

4 實驗結果與討論

4.1 殺菌劑性能比較

圖1與圖2分別給出了異噻唑啉酮與DDAC殺菌效果比對。對水樣分析表明，其菌落總數約為2.78×104 cfu/mL，微生物數量較高，存在形成生物黏泥的風險。在投加1、5、10 mg/L的異噻唑啉酮時，殺菌率分別為81.8%、88.4%與92.0%，而DDAC分別為83.6%、95.2%以及97.3%。對比異噻唑啉酮與DDAC可知，DDAC殺菌性能優于異噻唑啉酮。

4.2 黏泥抑制實驗

由殺菌劑性能比較可知，DDAC在5 mg/L時，殺菌率已經超過95%，盡管繼續加大加藥濃度后殺菌率仍有提高，但是經濟性偏低。因此實驗擬選用2 mg/L、3 mg/L 2個濃度進行測試。為進行比對，異噻唑啉酮也同樣采用上述濃度。

黏泥實驗實驗結果見表1。由表1可知，DDAC具有較好的黏泥抑制性能，在相同濃度下抑制率均高于異噻唑啉酮，在2 mg/L時抑制率已達到了20.3%，已經可在一定程度上抑制生物黏泥的生長。

4.3 菌落結構特征分析

表2給出了水體菌落結構特征。由表2可知，水體中微生物多樣性豐度高，同時還鑒別出了少量未分類的細菌。水體中以放線菌綱類的細菌為主，各類變形菌豐度也相對較高。

殺菌實驗中由于需要檢驗分析添加殺菌劑后存活下來的細菌類別，需在培養基中對細菌進行培養，無法判定細菌的相對豐度，但可初步識別仍具有生物活性的細菌。從結果來看，在異噻唑啉酮與DDAC處理后，均可檢測出黃桿菌綱、γ-變形菌綱與擬桿菌綱的細菌，因此可判斷這類細菌對藥劑具有耐受性。

殺菌劑取2 mg/L的異噻唑啉酮和DDAC樣品做分析。由結果可見，在空白實驗中，黃桿菌綱豐度最高，占到了36.53%，其次是β、γ-變形桿菌綱，分別占到了26.98%、19.10%。與原水相比，微生物多樣性發生了一定下降，同時發現，放射菌綱豐度明顯減少，黃桿菌綱豐度明顯升高，說明在特定的環境下，會顯著改變原有的微生物群落結構特征。

加入殺菌劑后發現，含2 mg/L異噻唑啉酮和DDAC的培養液中，γ-變形桿菌綱分別占93.53%、88.52%，出現了單一類型微生物占據了主導地位的情形，說明該類微生物對上述2種藥劑有較強的長期耐受能力，因此，也容易形成主導菌及其他少數類型菌復合的生物黏泥。

4.4 現場應用測試

經過市場調研可知，14%異噻唑啉酮的價格約為18元/kg，70%的DDAC約為25元/kg。同樣的殺菌劑加藥濃度下，異噻唑啉酮的價格約為DDAC的3～4倍，成本較高。同時，異噻唑啉酮是一種弱酸性殺菌劑，具有一定腐蝕性，使用時存在安全風險[10-11]。此外，異噻唑啉酮因化學性質不穩定，若存儲不當存在失效的風險[12-13]。對于貽貝、藤壺等海生物，季銨鹽類物質也具有一定的效果[1，14]。結合殺菌效果、經濟型、安全性等多方面考慮，應優先選擇DDAC進行實驗，加藥濃度為2 mg/L。

在機組滿負荷運行時，使用GE PT900超聲波流量計對循環冷卻水至水-水熱交換器母管流量進行測定，測得流量為2 206 m3/h，同時測得70%DDAC密度為0.92 g/cm3，加藥量計算如下

my=，

式中：my為每小時70%DDAC的加藥質量，kg/h；cs為循環冷卻水中殺菌劑濃度，取2 mg/L；fs為循環冷卻水流量，取2 206 m3/h；ηy為藥品濃度，取70%；10為單位轉化系數。經計算，my為6.30 kg/h。

fy=，

式中：fy為70%DDAC的加藥流量，L/h；ρ為70%DDAC密度，取0.92 g/cm3，經計算fy為6.85 L/h。按照加藥計劃進行氧化性殺菌劑（次氯酸鈉）與非氧化性殺菌劑（DDAC）交替加藥，每月共進行4次加藥，次氯酸鈉加藥3次，DDAC加藥一次，每次間隔一周。其中次氯酸鈉每次加藥4 h，加藥濃度為8 mg/L；DDAC每次加藥4 h，加藥濃度為2 mg/L。加藥測試于2023年9月12日開始，一直至2024年1月15日。數據選取加藥測試期間機組投運時每日0、4、8、12、16、20時的數據。數據表明溫差和壓差沒有發生明顯變化，壓差在0.12 kPa上下波動，沒有明顯上升；溫差在3 °C上下波動，也沒有出現明顯變化，說明當前的加藥方法可確保水-水熱交換器不產生生物污泥，能保護設備正常運行。

5 結論

鑒于當前發電企業循環冷卻水殺菌存在選藥難，加藥濃度不易確定等問題，本研究開展了殺菌篩選、黏泥抑制等實驗，最終確定了合適的殺菌劑及加藥濃度。同時對使用殺菌劑前后水體中微生物菌落結構變化進行了分析，指出了使用殺菌劑時應當注意的問題。最后通過現場加藥實驗，得到了較好的效果。本研究對后續電廠藥劑選擇與使用具有參考意義。

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