微生物污垢形成的机理分析

徐佳宁 蔡佳成 王云汉（东北电力大学自动化工程学院，吉林吉林 132012）

微生物污垢形成的机理分析

徐佳宁 蔡佳成 王云汉
（东北电力大学自动化工程学院，吉林吉林 132012）

微生物污垢是工业循环冷却水污垢的重要组成部分，它是热的不良导体，污垢的存在严重影响换热设备的正常运转，造成巨大的危害。研究水质参数对微生物污垢的形成、污垢的生产机理、污垢特性以及建立微生物污垢的预测模型对换热器设计和高效运行提供技术支持，也对于工业生产中防治微生物污垢具有实际指导意义。

微生物污垢 危害 机理 指导意义

1　微生物污垢的特点

Melo和Bott概括了微生物污垢形成的基本过程［1］，微生物污垢是以微生物膜的形态粘附在换热设备表面。微生物膜的特征是随着时间的不同而变化的，微生物膜形成过程共分为五个阶段［2，3］。

第一阶段，微生物调节膜形成阶段。换热管道内的冷却水含有大量的微生物和大分子颗粒物质。初始阶段，首先是大分子有机物质吸附到换热设备表面形成调节膜。调节膜的形成会影响换热管内壁的表面能、电荷的电性等发生改变。这为微生物及其他致垢组分在换热管的积聚提供了环境；

第二个阶段，微生物附着阶段。溶液中的微生物开始吸附到材料表面生长繁殖，分泌大量胞外聚合物。这些胞外聚合物是具有粘性的胶体，使得微生物能够牢固的吸附在壁面。当换热设备表面形成比较完整的调节膜后，微生物及其所需的营养物质更容易吸附在壁面，在此阶段致垢微生物开始大量繁殖；

第三个阶段，微生物膜形成阶段。微生物在材料表面大量的生长繁殖，新陈代谢过程微生物分泌出胞外聚合物，微生物及其大分子物质开始在调节膜上形成生物膜。与此同时，冷却水中的微生物和大分子物质继续往管壁积聚并附着在壁面，使得微生物膜逐渐完整；

第四个阶段，污垢快速增长阶段。微生物膜本身也是一个富有粘性的优质调节膜，不仅使微生物及其营养物质物质吸附在壁面，还能粘附住无机大分子助长其他类污垢的形成；

第五个阶段，污垢厚度稳定阶段。随着污垢层厚度的增加，紧靠金属壁面的微生物无法正常的吸收营养物质进行生长繁殖，逐渐开始大量死亡；污垢层厚度的增加导致生物膜承受水流冲击力越来越大。在上述因素的影响下，微生物膜有可能会从壁面脱落，露出材料壁面重新形成生物膜。生物污垢的厚度还与换热管材、运行工况等因素相关。

2　典型致垢微生物

一般情况下，水冷器中的水温和pH值适于多种微生物生长。蒸发作用提高了冷却水杂质的浓缩倍率，使得循环冷却水中所含的营养物质得以积聚。因此，冷却水中的微生物会迅速繁殖，并产生粘泥附着在换热设备表面，降低了换热系统的传热效率，其中的一些腐蚀型微生物还会引发设备腐蚀。尤其是敞开式循环冷却水系统不断从河流、湖泊等水源中补充冷却水，这些水中的微生物是冷却水系统中微生物的主要来源，也是形成微生物污垢的主要致垢成分。但并不是冷却水中所有的微生物都会形成生物污垢，只有三类微生物（细菌、藻类和真菌）可能富集在换热设备表面，经过一系列的生理生化过程后形成生物污垢。

工业中会对补充的冷却水进行过滤和消毒处理，水中微生物的数目虽然有所减少，但仍有残余。如果空气的灰分与冷却塔的水接触，这些都可能成为日后生成微生物污垢的致垢成分。对于一座较大的冷却塔来说，每天进入其中的杂质可能达到几十甚至几百公斤。这些杂质含有大量的微生物、灰尘等［4］。

致垢微生物可由空气、补给水进入到换热设备，也可由泄露引起的污染进入。只要冷却水与空气接触，就存在微生物污染。这些进入系统的微生物，一些可能由于水温、pH值等不适合其生存条件而受到抑制或死亡；而另外的一些则有可能适应条件而迅速生长繁殖。

微生物进入到换热设备后，首先会自由悬浮分散到整个系统中，那些代谢产物中够形成生物粘泥的则开始分泌粘液，尽管分泌的产物很少，但由于其极强的粘附性质，仍可在冷却水流动过程中吸附到换热设备表面，通常这个起点是某个缝隙或者死角，因为那里水的流速极低或是几乎静止的，对这些粘泥的剪切作用极小。随后，致垢微生物就大量附着并开始生长繁殖。首先形成很小的团块状物质，而后继续生长并增大团块，与此同时增大了自身与换热设备表面的附着力［5］。

3　致垢微生物腐蚀机理

微生物腐蚀作用是指微生物的代谢活动及其产物促进了金属表面的电化学腐蚀过程，而微生物引起的腐蚀污垢除了金属的腐蚀污垢外，还包括有微生物对木材等非金属材料的侵蚀产物，其对换热设备的腐蚀机理主要包括以下三个方面［6］：

（1）浓差电池作用。微生物等在金属表面形成黏膜后，其生长繁殖会消耗其中的氧和其它养分，在黏膜厚度方向形成的浓差腐蚀电池会加速金属的腐蚀，且这层黏膜也会阻碍防腐蚀药剂的扩散，使黏膜所覆盖的金属不易形成保护膜。微生物的代谢产物会破坏在金属表面的保护膜，形成局部活化/钝化电池，其中黏膜覆盖区域的金属便成为这种电池的活化区而被腐蚀。

（2）去极化作用。水中金属的腐蚀速率通常取决于阴极反应速度，H2的积累产生高电压，致使阴极反应停止。例如硫酸盐还原菌，因其生命活动需摄取H、H+或电子，从而减弱甚至消除H2的极化作用，致使阴极反应加速并无限制地继续下去，这就加剧了阳极腐蚀反应。

（3）腐蚀作用。微生物的代谢产物有很多种，其中某些代谢产物可直接或间接引起金属腐蚀，如：硫酸盐还原菌的代谢产物H2S便具有强烈的腐蚀性，它几乎可以腐蚀所有类型材料的换热设备。

［1］徐志明，杨善让，郭淑青等.电站凝汽器污垢费用估算［J］.中国动力工程学报，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］曹生现.冷却水污垢对策评价与预测方法及装置研究［D］.北京：华北电力大学，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，门洪，穆胜伟等.微生物污垢检测技术的特点、现状与发展趋势［J］.微生物学通报，2008，35（12）：1955-1960.

［6］刘天庆，于瑞红.材料表面性质影响生物垢形成的综合评价及预测［J］.环境科学学报，2001，21（4）：491-495.

徐佳宁（1991—），辽宁朝阳人，主要从事换热设备污垢的研究。