4.2 冷却水系统微生物及其危害
4.2.1 循环冷却水系统常见污染性微生物
工业冷却水领域的微生物污染主要指以下两大类微生物体:菌类(无叶绿素,细菌、放线菌和真菌等)和藻类(有叶绿素)。海水直冷或循环系统的生物污损则主要是各种海生物,而不仅限于微生物。无论淡水冷却系统还是海水系统,投加杀菌剂、海生物抑制剂等都是为了防止生物黏泥或海生物污损的形成,保持金属表面干净,减少黏泥等引起的危害。
对循环冷却水而言,化学处理是使用化学药剂达到控制系统腐蚀和结垢的目的,使生产得以正常安全的长周期运行。加入的药剂有缓蚀剂、阻垢剂和杀菌剂三类,分别解决缓蚀、阻垢和控制微生物三方面问题。虽然三者均不可或缺,但控制微生物更加关键,因为微生物的滋生会导致和加速腐蚀结垢。
4.2.1.1 主要微生物
冷却水系统的细菌类微生物按照碳源不同,可分为自养菌和异养菌两大类。
自养菌是指能直接以无机物比如二氧化碳及无机盐类作为营养物来源,合成细胞所需要的碳源的微生物。自养菌又分光能自养菌与化能自养菌。如藻类含叶绿素能够利用叶绿素吸收光能,利用二氧化碳合成所需化合物,是光能自养菌。而化能自养菌能氧化一定的无机化合物,利用产生化学能还原二氧化碳合成有机物,这类细菌如硝化细菌、铁细菌、硫氧化细菌等,其分布较光能自养菌普遍,对于自然界中氮、硫、铁等物质转化有很大作用。
异养菌是指利用环境中的有机物进行氧化发酵得到细胞所需的营养物的菌种,它是不含叶绿素的。其中有些细菌生活在动植物尸体上吸收养料,这种营养方式叫腐生;有些细菌生活在活动的动植物上吸收养料,这叫寄生。异养菌有好气性和厌气性之分,在循环冷却水中的异养菌多为好气性,其优势菌属为假单孢菌属、不动细菌属及芽孢杆菌属等。冷却水系统中常见的微生物见表4⁃1。
表4⁃1 常见冷却水系统微生物及危害
(1)好气异养菌(TGB) 异养菌有好气性和厌气性之分,在循环冷却水中的异养菌多为好气异养菌,能够利用水中的有机碳化合物进行繁殖。一般将特定异养菌培养基培养出的细菌统称为好气异养菌,为混合菌群。好气异养菌在类型和数量上往往都远远超过其他种类,但在系统微生物控制不好时,其他细菌如硝化细菌、铁细菌、氨化细菌等的数量会和好气异养菌数量差不多甚至更多,但多数情况下,好气异养菌占据绝对优势,也正因如此,我们经常将好气异养菌的数量称为细菌总数。
(2)铁细菌(FB) 铁细菌,也称为铁沉积细菌,不是细菌的科名或属名,而是分散在不同目、科、属中的有一定特性的细菌,在自然界分布很广。一般包括嘉氏铁柄杆菌、球衣细菌、鞘铁细菌、泉发菌等40余种。
铁细菌为好气化能自养菌,其特点有以下几个方面:①在含铁的水中生长;②通常被包裹在铁的化合物中;③生成体积很大的红棕色的黏性沉积物;④铁细菌是好氧菌,但也可以在含氧量小于0.5mg/L的水中生长;⑤适合在二氧化碳的弱酸性(pH值为6~7)水中生长,在碱性条件下不易生长;⑥光对铁细菌生长影响不大。
冷却水中有铁细菌繁殖时,常出现浑浊度和色度增加,有时pH值也发生变化,发出异臭,铁的含量增加,溶解氧减少,水管等设备中有棕色沉淀物,水的流量减小。如果采集悬浮物进行显微镜下检查时,可以发现铁细菌的菌落或氢氧化铁鞘层。铁细菌是循环冷却水中重要危害微生物之一,是水处理监控的重要对象,监控指标是每毫升小于100个。
(3)硫酸盐还原菌(SRB) 1891年Carrett从埋藏在地下的钢材腐蚀产物中第一次分离出SRB,SRB引起的腐蚀越来越受到人们的重视。在《伯杰氏细菌分类手册》中,将“异养硫酸盐、硫还原细菌”类定义为:严格厌氧,革兰氏阴性的真细菌,能利用下硫酸盐或其他氧化态的硫化合物、硫等物质作为电子受体,并将其还原成H2S。
SRB的分布也极为广泛:①SRB在水中、土壤中广泛存在;②土壤中、海底铺设的管线,地下油井,深水泵,套管等;③地面与水接触的地方,如冷却系统、储罐、采出液管线、船体排污阀、水流旋风分离器流动管线、排海管线等。
SRB生长环境:①SRB是一种两性营养的菌,以硫酸盐、亚硫酸盐、硫代硫酸盐等为代谢过程的最终电子受体,是厌氧呼吸类型。②盐浓度达30%时,有的菌还可生存。③菌生长的温度范围分中温、高温两类,前者最适宜温度为30~35℃,高于45℃时,菌停止生长;后者在55~60℃生长很好,80℃或更高温度下仍可以生存。④菌生长的pH值范围较宽,pH值为5.5~9.0都可以生长,最适宜的pH值为7.0~7.5。
硫酸盐还原菌(SRB)很适应在冷却水系统中繁殖生长,潜在危险很大。一旦其他细菌形成的黏泥较多,或水的浑浊度很高,产生了较多的沉积物时,这就给硫酸盐还原菌提供了良好的生长环境。循环冷却水系统中如果有大量硫酸盐还原菌繁殖生长时,则会使系统发生严重的腐蚀,因为这种菌还原生成的H2S有臭味,并会腐蚀钢铁形成黑色的硫化铁沉积物,这些沉积物又会进一步引起垢下氧的浓差电池腐蚀和电偶腐蚀。
当SRB大量发生时,仅加入氧化性杀菌剂杀菌效果并不会很好,因H2S具有强还原性,会消耗大量的氧化性杀菌剂,所以需投加其他非氧化性杀菌剂。一般情况循环冷却水中硫酸盐还原菌的监控指标是每毫升不得超过50个。
(4)硝化细菌与氨化细菌 硝化细菌和氨化细菌统称为氮化细菌。其中硝化细菌包括亚硝酸细菌、硝酸细菌和反硝化细菌。氮化细菌对自然界中氮元素的转化起至关重要的作用。图4⁃4为氮化细菌的转化循环过程。
图4⁃4 氮化细菌的转化循环过程
在循环冷却水中的控制指标应为:亚硝酸细菌<100CFU/mL,反硝化细菌<1000CFU/mL。
由于循环冷却水系统温度、pH值适宜,营养具备,有厌氧环境,加上冷却水中含有一定的硫酸盐,特别是在加硫酸调pH的系统中硫酸根含量更高,为反硝化细菌提供了良好的生长环境。在有氧条件下,反硝化细菌失去繁殖能力,但并不死亡,一旦再次进入厌氧环境,则可重新获得繁殖能力。
对循环冷却水而言,我们通常监测的是水体中的微生物数量和种类,但实际运行中,水体中的微生物只是整个系统的一小部分,大部分都以生物膜或生物黏泥的形式存在系统中(如表4⁃2所示,其为某一化肥厂循环水系统的微生物监测结果),其总量会占到整个系统的90%以上,所以循环水系统微生物控制的本质是控制生物黏泥的滋生。
表4⁃2 某化肥厂循环水系统微生物监测结果单位:CFU/mL
水体中的微生物与生物膜或生物黏泥中的微生物处于一个动态平衡的状态,水体中微生物的数量会间接反映生物黏泥滋生的严重程度,这也是循环水水质控制时会确定水中细菌总数指标(一般要求细菌总数≤1×105CFU/mL)的原因。
4.2.1.2 其他微生物
(1)军团菌 军团菌属是好氧菌类,已确定的有37种,其中嗜肺军团菌与军团菌爆发关系最密切(占病例的85%~90%)。其为革兰氏阴性短小杆菌,广布于江、河、湖、泊,泥和砂土及冷却塔的水和黏泥等自然界中。适宜的生长温度是20~45℃,最佳繁殖温度是37℃,高于60℃难以生存,在流动缓慢的死水区、有藻类和原生动物(如纤毛虫类、变形虫类阿米巴)的地方更容易繁殖。军团菌本身对冷却水系统没有危害,但其如果滋生到一定水平,会对人体健康带来极大危害。水生军团菌是通过雾或细小水滴,即气溶胶传入空气,然后传入人的呼吸道的。虽然至今有关军团病的报道主要涉及空调冷却水系统,但其他循环冷却水系统所带出的水滴也可能传播军团菌。冷却水中菌数>100CFU/mL时,应引起足够的重视;菌数≥1000CFU/mL时,应高度重视,这很可能引起军团病的爆发。
军团菌虽然对人体健康危害较大,但对其杀灭并不难。水温在70℃时军团菌立即死亡,在50℃以上时90%的军团菌在2h内死亡,所以一般采取在水中加热3min到至少70℃即可杀灭;杀菌剂则主要采用氧化性杀菌剂。
(2)藻类 藻类也是循环冷却水系统的极为常见的微生物,其过量滋生对循环冷却水系统的危害也很大。藻类存在于土壤和水体中,常随空气和补充水带入冷却水系统,循环冷却水系统中的温度、pH值和营养源非常适宜藻类的生长,而冷却塔的配水池和塔壁正好是藻类生存繁殖的一个良好的环境。表4⁃3是冷却水系统常见到的一些藻类,以及它们生长所需温度和pH值。
表4⁃3 冷却水系统常见藻类及其生长条件
4.2.2 微生物在循环冷却水系统中的危害
循环冷却水系统(也包括海水循环系统)中,由于水的循环使用,浓缩倍率提高,水的停留时间变长,各种盐分和化学需氧量(COD)等的浓缩,加上循环冷却水系统常年温度均在20~40℃,特别适合各种细菌(异养菌、铁细菌、硫酸盐还原菌、硝化细菌等)和藻类滋生。微生物的繁殖和积累产生大量的微生物黏泥,导致产生许多不利影响。
4.2.2.1 形成大量黏泥沉积物,影响传热
黏泥又称软泥或污泥,是菌藻等各种微生物在冷却水系统中管道、冷却塔水槽等壁上产生的黏质膜的总称。
黏泥的组成随着水质和生成地点以及菌藻类属的不同而变化,一般均是由藻类、真菌和细菌等聚集而成。好氧性荚膜细菌、芽孢细菌分泌的黏液能像黏合剂那样将悬浮在水中的无机垢、腐蚀产物、灰沙淤泥等黏结在一起形成黏泥沉积物,附着在管壁、塔壁上,当其愈积愈厚时,不仅影响水侧传热效率,还会因水管界面积变小,限制水的流量而影响冷却效果。藻类在冷却塔填料上、水的分配板上蔓延生长时,将堵塞填料孔隙和配水板上的小孔,使冷却水分布不均、水滴变大,影响气、水传质效率,致使冷却塔温度下降,达不到设计的要求。
微生物学家认为存在两种不同的微生物群体,一种是在本体水中发现的浮游生物群,另一种是在设备表面上存在的附着生物群。在两种生物群中可同时发现相同种类的微生物,但附着生物群易于形成生物污垢。循环冷却水系统中,附着微生物占据系统微生物总量的绝大多数,达到90%以上。
对关于像换热器管这样的润湿表面上生物膜的形成已有较多了解。浸没于水中的设备表面上的微生物分泌聚合物(主要是多糖及蛋白质),这些聚合物坚固地附着在清洁的设备表面上,阻止细胞被正常流动的冷却水冲掉,这些细胞外聚合物在自然状态下是水合的,它们在附着微生物体周围形成凝胶状的网状物。这种聚合物网状物有助于生物膜的完整性,并起到天然阻挡层的作用,阻止有毒物质和掠夺性生物体接触到活性细胞。氧化剂到达并破坏微生物体以前会被生物膜聚合物消耗,因此控制附着微生物所使用的药剂量要比控制浮游生物所使用的药剂量多许多倍。
与水垢相比,生物黏泥的附着速度比水垢的结垢速度快很多,对换热的影响会更大。
4.2.2.2 加速金属设备的腐蚀
细菌聚集形成的菌落附着在金属壁上,分泌出的黏液与水中的悬浮物等杂质黏在一起形成黏泥团,在黏泥团的周围和黏泥团的下方形成氧的浓差电池,黏泥团的下方因缺氧而成为活泼的阳极,铁不断被溶解引起严重的局部腐蚀。微生物不仅本身分泌黏液构成沉积物,而且也黏住在正常情况下可以保持在水中的其他悬浮物质,从而增加了沉积物的形成,加速了垢下腐蚀。
微生物黏泥除了会加速垢下腐蚀外,有些细菌在代谢过程中生成的分泌物还会直接对金属构成腐蚀。如好氧性硫细菌的氧化产物硫酸,可使局部区域的pH值降到1.0~1.4,对这部分金属直接发生氢的去极化作用,加快金属的腐蚀;同时黏泥又给厌氧性细菌如硫酸盐还原菌提供良好的滋生场所,其还原产物H2S可直接腐蚀金属,生成硫化亚铁,硫化亚铁沉积在钢铁表面与没有被硫化亚铁覆盖的钢铁又构成一个腐蚀电池,加速金属的腐蚀。这样相互感染,加深了黏泥给冷却水系统带来的危害。而铁细菌可直接将Fe2+氧化成Fe3+,加速金属的腐蚀。因此,细菌促进腐蚀的过程是多种多样的,在大多数情况下,可以认为是各种细菌共同作用所造成的。
藻类在日光的照射下,会与水中CO2、HC
等碳源起光合作用,吸收碳素为营养而放出氧。因此当藻类大量繁殖时,会增加水中溶解氧的含量,有利于氧的去极化作用,腐蚀过程因而加速。
4.2.2.3 破坏冷却塔中的木材
木材材质在冷却塔中的应用目前已经极少,但作为微生物的污染对象,此前已经做了大量的有关工作,故在此进行描述以备读者了解。
木材由纤维素、半纤维素和20%~30%木质素所组成。纤维素是一种多糖物质(C6H10O5)n,是木材细胞壁的组成部分;木质素是一种聚合的非多糖物质,含有被甲氧基和三碳的侧链所取代的芳香族环,它像一种黏合剂,能将纤维黏结在一起。
冷却塔中的木质填料长期浸泡在水中或连续受潮时,真菌很容易寄生在上面并分泌出消化酶,将木材中的纤维素破坏掉,只留下起黏合作用的木质素,从而使木材结构强度大大降低。有真菌寄生的木材,如果一直处在潮湿状态,木材将变黑并易碎;如果处在干燥状态,则木材上就出现裂纹。当真菌(如子囊菌、半知菌)寄生在木材表面上使之腐烂时,就称该木材得了“白腐病”和“棕腐病”。从表面看来,这种木材似乎仍然完整、坚固,但内部已经腐朽,很容易被锐利的物体戳穿或者受力而被压碎。
在冷却水系统中,为了控制微生物的滋长,常投加一些杀菌剂,如氯、臭氧等。这些物质,会使木材中的木质素脱除。当水中的余氯超过1~2mg/L时,会使冷却塔中的木材迅速脱除木质素,呈现出白色纤维,这些失去黏合物质的纤维素极易被水流冲刷掉,而使木材结构受到破坏,这也可以说是因为微生物问题而间接引起的对木材的破坏。
4.2.2.4 影响浓缩倍率的提高
提高循环冷却水系统浓缩倍率可降低补充水的用量,从而节约水资源;还可以降低排污水量,从而减少对环境的污染和废水的处理量。如果循环水系统生物滋生控制不当,造成生物黏泥滋生,达到一定程度时,必须采用剥离手段对系统的生物黏泥进行剥离清洗,使换热设备正常运行。此时,需要大量排污以降低系统的生物黏泥和浊度,使系统的浓缩倍率不能提高,既浪费了水资源,又浪费了缓蚀阻垢剂。
4.2.3 藻类对循环冷却水系统的危害
藻类对循环冷却水系统的危害主要有(图4⁃5):①藻类在冷却塔墙壁、水槽中、配水池里繁殖,通过碳的同化作用,借助阳光的光合作用,放出氧,使水中溶解氧增加,有利于氧的去极化作用,腐蚀性也就随着增大。②藻类在其细胞中会产生具有恶臭的油类和环醇物质,死亡后成为污泥会产生臭味并使水体变色。③藻类在冷却塔的配水槽和喷嘴上繁殖,堵塞孔口,影响配水的均匀性,使塔的冷却效率下降。塔壁上大片藻类脱落也可能造成滤网和系统堵塞。④硅藻由于其细胞壁上充满着聚合的二氧化硅,将引起硅污垢。
图4⁃5 冷却塔藻类滋生
4.2.4 海生物污损
海生物污损广义而言指由于海洋生物的附着、侵袭而造成设备、设施损害。这些设备、设施包括船舶、码头、浮标、水管、石油平台、养殖设施等。海洋生物在吸、排水管道内大量生长会阻塞管道;大量生物附着使石油平台遭受破坏等。
对工业冷却水而言,海生物污损是指滨海地区、电站等采用海水冷却系统的管路、换热器等,由于发生海生物滋生,导致换热器污堵,影响换热效率和设备正常运行,甚至导致生产安全事故的发生。
海洋中大约有4000多种污损生物,主要包括微生物、植物和动物。常见的海水冷却污损生物物种包括鱼、虾、贝类、藤壶、海瓜子、水螅虫、苔藓虫和水母等,不同区域海生物种类差别很大。
其中,绿贝和藤壶是最主要的两类污损生物,分别是双壳纲和甲壳纲软体动物,虽然不属于同一门,但有一些共同的特点,使其更适于在电厂冷却水系统环境生存。其特点如下:①大量繁殖能力,每个产卵期内的成体生物每年能生产1万~4万个软体动物的缘膜幼体;②以浮游生物为食物的生长阶段漫长,利于幼体散播;③可密集堆积,多至每平方米10万个生物体;④适应温度变化的范围大(18~25℃);⑤有害环境下适应能力强(关闭壳体,不接触);⑥没有寄生幼体阶段,从而具有很高的生长率和生存率。