圆管内微生物与颗粒混合污垢特性的实验研究

徐志明，郑伟超，王景涛，王宇航

(东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012)

圆管内微生物与颗粒混合污垢特性的实验研究

徐志明，郑伟超，王景涛，王宇航

(东北电力大学 能源与动力工程学院，吉林 吉林 132012)

为了探讨纳米氧化镁颗粒与铁细菌混合物在圆管中的污垢特性，对混合污垢与单一污垢、不同纳米氧化镁浓度、铁细菌浓度、流速下不锈钢圆管中的污垢特性进行了实验研究，采用热阻实时监测、微观结构观察、静置实验等检测手段研究了影响污垢形成的因素。结果表明：混合污垢的污垢热阻渐近值最大，其次为单一纳米氧化镁污垢，铁细菌形成的污垢渐近值最小且污垢热阻经历最长时间才达到稳定；混合污垢热阻渐近值随颗粒浓度、铁细菌浓度的增加而增加，并且增加幅度呈现变缓的趋势；结垢速率与流速有关，流速大结垢速率小，热阻小，达到稳定时间长。

混合污垢；纳米氧化镁；铁细菌；污垢特性

凡是使用热源和化工热交换的地方大多都使用换热器，其污垢问题不容忽视。污垢通常为混合物，是表面从干净到玷污的过程[1]。徐志明等[2]研究了三角翼涡流发生器中纳米氧化镁颗粒的结垢特性，结果表明：三角翼的抑垢效果与水浴槽中的温度、工质的浓度，及循环工质的流速有关。张冠敏等[3]研究了板式换热器内颗粒污垢，完善了污垢预测模型，得到的预测关联式与实验对比具有较好的预测精度。李红霞等[4]实验与模拟相结合研究了管内颗粒污垢的特性。Yiantsios[5]实验研究了平坦表面上微米颗粒的沉积，结果表明：在一个水平通道内，如果重力存在，它以低壁面剪切应力控制颗粒的沉积。Bennett[6]详述了一种理论来预测换热管内水平流动下颗粒物沉降的阈值，理论上得出了流速和管壁剪应力值以保持颗粒物悬浮。

Swee[7]研究表明：多糖的吸附形成生物凝胶，然后诱导多糖、蛋白质和生物颗粒的黏附用以形成沉积层，最后进而形成生物污垢。曹生现[8]实验研究了微生物污垢对典型换热器传热的影响研究，在由铁细菌引发的污垢垢样中Fe元素与C元素含量较多，且Fe元素含量比C元素含量多。王大成[9]做了有关硫酸盐还原菌及铁细菌下工质的污垢形成过程，结果表明：硫酸盐还原菌及铁细菌存在协同作用，使得污垢更容易、更快形成。曹生现等[10]综合研究了微生物污垢的形成过程，张一龙[11]实验探究了强化管内水质参数与生物污垢热阻的联系，得出了：实验中循环工质的电导率、pH值均随生物污垢热阻值先升高后趋于平缓。杨帅[12]实验研究了板式换热器生物污垢，研究结果表明：污垢层样貌随时间会有所变化。沈艺雯等[13]将Capdeville生物膜增长体系导入到Kern-Seaton模型，建立了一个新的微生物污垢模型。

Lei Tian[14]研究了二氧化硅粒子与生物污垢演变过程的关系，得出了：颗粒粒子对生物膜的发展有影响，并导致传热量下降。Guan-min Zhang[15]不但实验研究了板式换热器内颗粒与混合污垢，而且做了理论分析，结果表明：最大水力直径及高度螺距比有最好的抑垢特性。Kazi[16]做了换热器表面矿物结垢缓解的研究，得出了污垢热阻的发展是表面热导率、表面温度和溶液浓度的函数。Arsenyeva[17]计算并校核了板式换热器的污垢热阻，提出了污垢热阻变化的方程式。混合污垢形成复杂，影响因素较多，特点有别于单一污垢[18]。王建国[19]研究了电磁作用下污垢的抑制机理，并阐述了电磁抑垢的研究进展，分析了其存在的问题和今后发展的趋势。王九令[20]介绍了颗粒进入细胞的路径，阐述了影响颗粒/细胞交互作用的关键因素，表明纳米颗粒吸附在细胞膜表面，并通过不同方式被细胞所摄取。王宇航[21]研究了实验室条件下的管式换热器中粘液形成菌与温度的关系，入口温度和水浴温度对污垢热阻和诱导期有影响。郑建祥[22]研究了声波对超细颗粒团聚效率的影响，声频率对颗粒的团聚呈现非线性关系，但存在最佳频率。

实际工业冷却水系统中的污垢多为混合污垢，而对于混合污垢的研究还甚少。本实验以铁细菌与纳米氧化镁混合物为研究对象，来研究其在不锈钢圆管中的污垢特性。

1 实验内容

1.1 实验系统及装置

图1为操作系统实验图，由如下叙述的三部分组成。(1)工质循环系统：高位水箱里的循环工质由于溢流管的作用保持一定水位，从而使工质以一定流速流经实验管路，流入低位水箱中，低位水箱中的工质由循环水泵送入高位水箱，这样就完成了循环。(2)冷却系统：冷却系统由冷却水箱和制冷机组成，共同实现对循环工质的冷却，从而确保循环工质的温度保持相对恒定。(3)数据采集系统：实验系统测量温度的装置和计算机连接，实时把测量的温度输送到计算机，并由计算机储存。

图1 实验系统示意图

1.2 实验原理

工质单位时间内吸收的热量Φ为

Φ=ρπd2vcp(tfo-tfi)/4，

(1)

系统的总传热系数为

k=Φ/(πdlΔtm)，

(2)

其中：cp为定压比热容，kJ/(kg·K)；tfo、tfi为循环工质的出入口温度；Δtm为对数平均温差；d为管内径用，m；l为实验管长，m；v为管内工质流速，m/s。

联立公式(1)、公式(2)中可得：

(3)

对数平均温差Δtm定义为

(4)

式中：tsy为水域温度，K。

由污垢热阻的定义式：

(5)

式中：Rf为污垢热阻，m2·KW；k0、k为实验刚开始(洁净换热面)和实验结束后(有污垢的换热面)的传热系数，W/(m2·K)。

1.3 误差分析

由温度传感器厂家提供的数据，Pt100型热电阻，级别为A级，测量误差为±0.15%，而T型热电偶误差范围为±0.4%。

实际工质流速是用人工称重法称量工质质量换算而来，所得误差范围小于±0.3%。

相对误差公式为

(6)

其中：

(7)

(8)

(9)

联立公式(6)、公式(7)、公式(8)、公式(9)得：

(10)

由公式(3)可计算出总传热系数k，k的传递误差为

(11)

式中：

(12)

(13)

(14)

(15)

(16)

由实验数据可得公式(11)的总传热系数的误差得知，刚开始结垢时污垢热阻变化较大，之后变化较小，相对误差较为稳定，且不大于10%，满足工程允许要求，由此知实验台符合要求，可进行实验研究。

表2 铁细菌的培养基及用量

图2 铁细菌实物图

表3 纳米氧化镁颗粒参数

图3 纳米氧化镁粒径分布

1.4 细菌的培养

实验所用微生物为铁细菌，是由某电厂循环冷却塔的底部黏泥经分离并提纯得到的，图2为铁细菌培养的一组实物图片。铁细菌培养基，如表2所示。培养基用碱或酸调节使pH值为6.8±0.2，用蒸汽压力灭菌锅(型号为YXQ-SG46-280S)灭菌20 min，灭菌环境要求高于大气压0.1 MPa、(121±1)℃，然后将灭菌的培养基冷却放入净化工作台(型号为SW-CJ-2FD)内经紫外线消毒并接种。最后在生化培养箱中(温度保持为(29±1)℃)培养3天～4天。

1.5 纳米氧化镁颗粒

实验中使用的颗粒污垢为纳米氧化镁，相关参数见表3；其平均粒径为50 nm，其粒径分布图由厂家提供，如图3所示。

2 实验结果与讨论

2.1 混合污垢与单一污垢的比较

图4为混合污垢与单一纳米氧化镁污垢、单一铁细菌污垢的对比图，实验条件为50 ℃的水浴温度，流速为0.4 m/s，(300.5) ℃的入口温度。单一纳米氧化镁污垢其浓度为200 mg/L。单一铁细菌实验中铁细菌浓度为实验用水的0.5%(体积比0.5∶100)。混合污垢中颗粒氧化镁的浓度为200 mg/L、生物铁细菌浓度为0.5%。

图4 混合污垢与单一污垢比较图5 静置实验所得到的“粘胶状混合物”

由所得实验结果图可以得出：混合污垢的污垢热阻渐近值(RC)最大，其次为单一纳米氧化镁污垢，铁细菌形成的污垢渐近值最小且污垢热阻经历最长时间才达到稳定。

文献[23-24]已经对单一纳米氧化镁污垢与单一铁细菌污垢做了充分的研究，单一铁细菌存在明显的诱导期，纳米氧化镁的结垢速率较快，对于混合污垢，纳米氧化镁粒径较小，具有很大的比表面积和高的表面能，容易吸附生物污垢形成的粘泥形成“粘胶状混合物”增强了粘着性，图5所示为静止实验得到的“粘胶状混合物”。一部分“粘胶状混合物”之间相互聚集形成更大的“粘胶状混合物”，这时重力的影响较为显著，一方面使“粘胶状混合物”的聚沉增加，进而使得流经实验管段的工质量减少，污垢热阻值降低；另一方面由于这时重力的影响较为显著，流经实验管段的工质更容易附着在换热器表面，使附着概率增加，并且微生物所需要的营养物质容易吸附在颗粒物的表面[25]，“粘胶状混合物”被吸附的同时有利于微生物对营养物质的吸收，所形成的混合污垢也较单一污垢更均匀致密，从而使得污垢热阻值增加，由于这两方面的作用，对于混合污垢来说，污垢热阻渐近值大于单一污垢，但又小于两者之和，即RC>RA；RC>RB且RC

图6 纳米氧化镁浓度对混合污垢热阻的影响

2.2 浓度变化对热阻的影响

混合污垢中改变纳米氧化镁浓度的实验结果，如图6所示。实验工况流速为0.4 m/s，50℃左右的水浴温度，入口温度为(30±0.5)℃，三组实验的铁细菌浓度均为实验用水的0.5%(体积比0.5∶100)，纳米氧化镁浓度分别为100 mg/L、200 mg/L、300 mg/L。由图6的实验结果可以看出：混合污垢热阻渐近值随颗粒浓度的增加而增加，并且增加幅度呈现变缓的趋势，同时结垢速率加快，污垢热阻趋于稳定的时间缩短。

文献[26]中指出结垢速率的快慢与污垢热阻值的大小很大程度上由物质的输运、污秽物质的附着和污秽物质的剥蚀决定。对于混合污垢来说，纳米氧化镁浓度对混合污垢的影响主要体现在三个方面：一是输运，浓度的增加，浓度差增大，所产生的驱动力增加，会有更多的污秽物质输运到表面；二是附着，输运到换热器表面的污秽物质，开始时会对表面进行调试和改良，为污垢的附着提供条件，污秽物质有的附着在圆管表面形成污垢，有的会从圆管表面进入到循环工质中，随着纳米氧化镁浓度的增加，驱动力增加，会有更多的污秽物质附着；三是剥蚀，随着污垢的附着，一旦在换热器表面形成污垢，此时的污垢应是零星点状地分布在换热器的表面，这些零星点状污垢，更容易污秽物质的聚集、附着，进而使点状污垢延伸、扩大、连成更为致密的片状污垢。浓度的增加，刚开始形成的点状污垢增加，进而会更快的形成更大的片状污垢，结垢速率加快，而更大的片状污垢会使剥蚀率增加，由于浓度的增加引起的附着概率增加和剥蚀率的增加，会使随着纳米氧化镁浓度等幅度的增加，污垢热阻渐近值增加，且这一趋势逐渐变缓。

图7 铁细菌浓度对热阻的影响

在其他工况不变的情况下，通过改变混合物中铁细菌的浓度，进行了三组不同铁细菌浓度下的混合污垢热阻对比实验，铁细菌浓度分别为0.5%，1.0%，1.5%，实验结果如图7所示。由图7可以看出：随着铁细菌浓度的增加，污垢热阻渐近值增大，但增加幅度是逐渐减小的，同时结垢速率也稍有加快。

对于纳米氧化镁与铁细菌形成的混合污垢，由于铁细菌会形成生物膜，其对圆管表面进行调试，这种调试膜对换热表面进行调试和改良，使换热器表面具有一定的黏性，有利于随后生物细胞、氧化镁颗粒吸附到大分子前体。随着铁细菌浓度的增加，工质的黏性提高，经调试和改良的换热器表面的面积增大且黏性提高，这样更有利于生物细胞、氧化镁的吸附，但这种作用的影响对换热器形成污垢的初始阶段有影响，一旦完成生物细胞、氧化镁的吸附，接下来污垢的形成主要是这些混合污垢之间的吸附，所以，铁细菌浓度的增加，形成污垢的速率也加快。

2.3 流速对热阻的影响

在其他工况相同条件下，改变实验的流速，流速分别为0.2 m/s，0.4 m/s，0.6 m/s，结果如图8所示。由图8可以看出，结垢速率与流速有关，流速大速率小，热阻小，达到稳定时间长。

图8 流速对热阻的影响

同样可以从污垢的输运(传递)、污垢的附着、污秽物质的剥蚀来分析流速对混合污垢的作用，流速增加，物质输运(微生物可简单认为是很小的物质粒子)和养分输运量增加，可为微生物提供养分和氧，同时带走微生物生长、繁殖、衰亡所产生的代谢产物，有助于微生物的生长和繁衍后代，同时污秽物质会更加频繁的接触换热表面，有利于附着，污垢热阻值增加，另一方面，流速增加，不利于污秽物质的附着，因为流速的增加，使得剥蚀率的增加，工质的扰动性增强，会有更多的小粒径物质粒子结合成较大颗粒的物质，此时重力的影响较为明显，颗粒易于沉积到换热表面。由实验结果及实验操作中仔细的观察流速增加结垢速率减小，这是因为随着流速的增加，虽然输运量增加，污秽物质有更多的机会附着在换热器表面，但因为流速的增加不利于刚开始时污秽物质的附着，同时流速增加，剥蚀率也会增加，这就会使得粘附在换热表面的污垢量减小；同样，流速增大切应力增大，剥蚀率随之增大，由于污垢随流速的增大不断附着和剥蚀，使得污垢的强度增强，污垢表面更光滑，不利于随后污垢的附着。

流速的增加使得剥蚀率增加，工质的附着、脱落加剧，工质的附着使得循环工质随着时间的进行浓度降低，而工质的脱落、再溶解反过来会使得流体中工质的浓度增加，进而又会引起污秽物质的附着、剥蚀，即流速增大，附着和剥蚀作用会更强，热阻达到稳定时间增长。

3 结 论

(1)混合污垢的污垢热阻渐近值最大，其次为单一纳米氧化镁污垢，铁细菌形成的污垢渐近值最小且污垢热阻经历最长时间才达到稳定。

(2)混合污垢热阻渐近值随颗粒浓度的增加而增加，并且增加幅度呈现变缓的趋势，同时结垢速率加快，污垢热阻趋于稳定的时间缩短。

(3)随着铁细菌浓度的增加，污垢热阻渐近值增大，但增加幅度是逐渐减小的，同时结垢速率也稍有加快。

(4)结垢速率与流速有关，流速大速率小，热阻小，达到稳定时间长。

[1] 杨善让，徐志明，孙灵芳.换热设备污垢与对策[M].2版.北京：科学出版社，2004.

[2] 徐志明，杨苏武，朱新龙，等.三角翼涡流发生器纳米氧化镁颗粒污垢特性[J].化工学报，2015，66(1)：86-91.

[3] 张冠敏，李冠球，李蔚，等.板式换热器内颗粒污垢预测模型与实验[J].工程热物理学报，2013，34(9)：027.

[4] 李红霞，李冠球，李蔚.管内颗粒污垢特性分析[J].浙江大学学报：工学版，2012，46(9)：1671-1677.

[5] S.G.Yiantsios，A.J.Karabelas.Deposition of micron-sized particles on flat surfaces：effects of hydrodynamic and physicochemical conditions on particle attachment efficiency[J].Chemical Engineering Science，2003，58(14)：3105-3113.

[6] C.A.Bennett.Theory Describing Sedimentation Particulate Fouling Thresholds Inside Heat Exchanger Tubes[J].Heat Transfer Engineering，2016，37(5)：468-474.

[7] S.L.Khor，D.D.Sun，Y.Liu，et al.Biofouling development and rejection enhancement in long SRT MF membrane bioreactor[J].Process Biochemistry，2007，42(12)：1641-1648.

[8] 曹生现，崔长龙，关晓辉，等.微生物污垢对典型换热器传热影响研究[J].工程热物理学报，2015，36(3)：631-635.

[9] 王大成，钱才富，曹生现.换热设备微生物污垢的动态模拟及影响因素分析[J].化工进展，2013，32(8)：1934-1938+1942.

[10] 曹生现，孙嘉伟，刘洋，等.微生物污垢形成的传热传质模型[J].工程热物理学报，2012，33(6)：1023-1026.

[11] 张一龙，夏玲丽，刘坐东，等.交叉缩放管内生物污垢热阻与水质参数的关联分析[J].热能动力工程，2015，30(4)：503-508+646.

[12] 杨帅，梅宁，袁瀚.海水板式换热器微生物污垢特性的实验研究[J].化工进展，2013，32(12)：3026-3031.

[13] 徐志明，沈艺雯，张一龙，等.基于 Kern-Seaton 模型结合 Capdeville 生物膜增长体系建立的微生物污垢模型[J].化工学报，2016，67(7)：2999-3003.

[14] L.Tian，X.D.Chen，Q.P.Yang，et al.Effect of silica dioxide particles on the evolution of biofouling by Bacillus subtilis in plate heat exchangers relevant to a heat pump system used with treated sewage[J].Chemical engineering journal，2012，188(15)：47-56.

[15] G.M.Zhang，G.Q.Li，W.Li，et al.Particulate fouling and composite fouling assessment in corrugated plate heat exchangers[J].International Journal of Heat and Mass Transfer，2013，60(9)：263-273.

[16] S.N.Kazi，K.H.Teng，M.S.Zakaria，et al.Study of mineral fouling mitigation on heat exchanger surface[J].Desalination，2015，36(1)：248-254.

[17] O.P.Arsenyeva，B.Crittenden，M.Yang，et al.Accounting for the thermal resistance of cooling water fouling in plate heat exchangers[J].Applied Thermal Engineering，2013，61(1)：53-59.

[18] H.C.Flemming，P.S.Murthy，R.Venkatesan，et al.Marine and industrial biofouling[M].Berlin：Springer，2009.

[19] 王建国，梁延东，尹钊，等.电磁抑垢效果及其机理研究进展[J].东北电力大学学报，2016，36(6)：1-6.

[20] 王九令，孙佳姝，施兴华.纳米颗粒与细胞的交互作用[J].科学通报，2015，60(21)：1976-1986.

[21] 徐志明，王宇航，王景涛，等.温度对黏液形成菌污垢特性的影响[J].东北电力大学学报，2016，36(4)：49-54.

[22] 郑建祥，康文瑶，吕辛桐.超细颗粒在声波作用下团聚的数值模拟[J].东北电力大学学报，2016，36(3)：26-33.

[23] 徐志明，王景涛，王磊，等.交叉缩放椭圆管颗粒污垢特性的实验分析[J].化工进展，2014，33(4)：831-836.

[24] 徐志明，贾玉婷，王丙林，等.板式换热器铁细菌生物污垢特性的实验分析[J].化工学报，2014，65(8)：3178-3183.

[25] J.Chapman，E.Weir，F.Regan.Period four metal nanoparticles on the inhibition of biofouling[J].Colloids and Surfaces B：Biointerfaces，2010，78(2)：208-216.

[26] 徐志明，张仲彬，孙灵芳，等.析晶与颗粒混合污垢的实验研究[J].工程热物理学报，2005，26(5)：853-855.

Abstract：In order to study the mixed fouling characteristics of Nano Magnesium Oxide and iron bacteria in a tube，experimental study was carried out on the characteristics of fouling in stainless steel tubes with mixed fouling and single fouling，different concentrations of Nano Magnesium Oxide，iron bacteria concentration and flow rate.By means of real-time monitoring of thermal resistance，micro structure observation，static test and so on to study the factors that affect the formation of fouling.The results show that：the asymptotic value of fouling resistance of mixed fouling is the largest，following by the single Nano Magnesium Oxide fouling，however the asymptotic value of fouling resistance of iron bacteria is the minimum also it has the longest time to reach stability；The asymptotic value of fouling resistance of mixed fouling increased with the increase of the particle concentration and the concentration of iron bacteria，and there is a slowing down trend of this phenomenon；The fouling rate is related to the flow rate，the flow rate is small，the thermal resistance is small，and the stable time is long.

Keywords：Mixed fouling；Nano magnesium oxide；Iron bacteria；Fouling characteristic

ExperimentalStudyontheMixedFoulingCharacteristicsofMicroorganismsandParticlesinaTube

XuZhiming，ZhengWeichao，WangJingtao，WangYuhang

(Energy Resources and Power Engineering College，Northeast Electric Power University，Jilin Jilin 132012)

TK124

A

2017-05-12

国家自然科学基金项目(51476025)

徐志明(1959-)，男，博士，教授，主要研究方向：节能理论、换热设备污垢机理与对策研究.

电子邮箱：xuzm@nedu.edu.cn(徐志明)；386656669@qq.com；(郑伟超)；wangjingtao@yeah.net(王景涛)；262554842@qq.com(王宇航)

1005-2992(2017)05-0044-07