循環冷卻水系統微生物控制
循環冷卻水系統微生物控制
1、循環冷卻水系統中的微生物
循環冷卻水中的微生物種類很多,為了便于我們以下的討論,主要分成三大類:細菌、真菌、藻類。
1.1 細菌
是循環水中數量最多,危害最大的一類微生物,是單細胞生物、二次分裂、形狀有球狀、桿狀、螺旋狀、少數絲狀。形體大?。呵蚓睆綖?.5~2µm;桿菌以長寬表示:為1~1.5×0.5µm.
細菌種類主要有兩種類型:異養菌和自養菌。這是以微生物對營養源中碳源的攝取的不同來源進行的劃分。凡是以有機物為碳源的細菌都稱為異養菌。而自養菌是對于二氧化碳,碳酸鹽作為碳源的細菌。
1.2 真菌
是指在低等植物中沒有根莖葉分化,不能進行光合作用的真核生物,存在于循環冷卻水中的真菌包括霉菌和酵母菌兩類。它們生長在冷卻塔的木質構件上、水池壁上和換熱器中,它們能利用木材作為有機養分,并分解纖維素,使冷卻塔木質結構的設備腐爛損壞。真菌的生長能產生粘泥而沉積覆蓋在換熱器中換熱管的表面上,降低冷卻水冷卻作用。真菌對金屬并沒有直接的腐蝕性,但它產生的粘狀沉積物會在金屬表面建立差異腐蝕電池而引起金屬的腐蝕,并且粘狀沉積物覆蓋在金屬表面,使冷卻水中緩蝕劑不能到那里去發揮它的防護作用。冷卻水系統中的真菌可以用殺真菌的藥劑,如五氯酚和三丁基錫的化合物。
1.3 藻類
循環水中的藻類主要有藍藻、綠藻和硅藻。藻類產生的顏色,是由于它們體內有進行光合作用的葉綠素和其他色素存在,藻類的生長需要陽光,它們常常停留在陽光和水分充足的地方,死亡的藻類會變成冷卻水系統中懸浮物和沉積物。在換熱器中,它們將成為捕集冷卻水中有機體的過濾器,為細菌和霉菌提供食物。藻類形成的團塊進入換熱器中后,會堵塞換熱器中的管路,降低冷卻水的流量,從而降低冷卻水的冷卻效果。一般說,藻類本身并不直接引起腐蝕,但它們生成的沉積物所覆蓋的金屬表面則由于形成差異腐蝕電池而常會發生沉積物下腐蝕??刂妻k法,投加非氧化性殺生劑,如季胺鹽類控制藻類的生長是十分有效的。
2、冷卻水系統中的有害微生物
2.1 有害細菌
2.1.1 產粘泥細菌
產粘泥細菌又稱粘液形成菌、粘液異養菌等,是冷卻水系統中數量最多的一類有害細菌。它們既可以是有芽孢細菌,也可以是無芽孢細菌。在冷卻水中,它們產生 一種膠狀的、粘性的或粘泥狀的、附著力很強的沉積物。這種沉積物遮蓋在金屬的表面上,降低冷卻水的出冷卻效果,阻止冷卻水中的緩蝕劑、阻垢劑和殺生劑到達金屬表面發生緩蝕阻垢和殺生作用,并使金屬表面形成差異腐蝕電池而發生沉積物下腐蝕。但是這些細菌本身并不直接引起腐蝕。
2.1.2 鐵沉積細菌
人們常把鐵沉積細菌簡稱為鐵細菌。主要特點有
①在含鐵的水中生長;
②通常被包裹在鐵的化合物中;
③生成體積很大的紅棕色的粘性沉積物;
④鐵細菌是好氧菌,但也可以在氧含量小于0.5mg/L的水中生長。
鐵細菌能在冷卻水系統中產生大量氧化鐵沉淀是由于它們能夠把可溶于水中的亞鐵離子轉變為不溶于水的三氧化二鐵的水合物,并從該化合反應中獲取生命活動的能量,成為其代謝作用的組成部分。
2.1.3 產硫化物細菌
產硫化物細菌又稱硫酸鹽還原菌。
硫酸鹽還原菌是在無氧或缺氧的狀態下,利用硫酸鹽中的氧進行氧化反應而得到能量的細菌群。它們廣泛存在于厭氧性有機物聚集的地方。
硫酸鹽還原菌能把水溶性的硫酸鹽還原為硫化氫,故被稱為硫酸鹽還原菌。
在循環冷卻水系統中,硫酸鹽還原菌引起的腐蝕速度是相當驚人的。0.4mm厚的碳鋼腐蝕試片,曾在60天內就腐蝕穿孔??變鹊母g綠達到2.4mm/a。硫酸鹽還原菌對不銹鋼、鎳或其他合金的腐蝕速度同樣很嚴重。硫酸鹽還原菌引起的孔蝕穿透速度約為1.25~5.0mm/a。
只用加氯的微生物控制方案難于控制硫酸鹽還原菌的生長。季銨鹽和有機硫化合物(二硫氰基甲烷),對硫酸鹽還原菌的殺滅都是有效的。
2.1.4 產酸細菌
2.1.4.1 硝化細菌
冷卻水中經常遇到的一種腐蝕性的微生物就是硝化菌。它們能把水中的氨轉化變為硝酸。
氯以及 非氧化性的殺生劑對殺滅硝化菌非常有效。
2.1.4.2 硫桿菌
這種微生物能夠使可溶性的硫化物轉變為硫酸。
2.2 真菌
冷卻水中的真菌包括霉菌和酵母兩類。它們往往生長在冷卻塔的木質構件上、水池壁上和換熱器中。
真菌破壞木材中的纖維素,使冷卻塔的木質構件朽蝕。
真菌的出生長能產生粘泥。
氯對于真菌的殺滅作用不是很有效,可以通過其他殺生劑來控制其危害,例如五氯酚、三丁基錫的化合物等。
2.3 藻類
冷卻水中的藻類主要有藍藻、綠藻和硅藻。它們本身并不直接引起腐蝕,但它們生成的沉積物能引起垢下腐蝕。
3、冷卻水系統中微生物的來源
在敞開式循環冷卻水系統中,人們經??梢钥吹轿⑸锎罅可L的情景,這些微生物又是如何進入循環水系統的呢?它們主要通過三個渠道進入系統:一通過補充水;二由空氣帶入;三由雨水帶入。循環冷卻水系統,由于不斷地蒸發,排污和飛濺損失,必須連續不斷地加入補充水,生長在自然水體中的微生物是很多的。循環水在涼水塔靠大氣對流以及循環水蒸發冷卻,大氣中夾帶的泥砂、灰塵、絨毛及昆蟲等雜物會隨氣流進入循環水中,大氣中的微生物大部分附著在這些雜物上而隨之進入系統。雨水會把大氣中懸浮的微生物從涼水塔的敞開部分帶入系統。
4、影響微生物的生長條件和環境因素
進入循環水系統中的微生物是會造成危害的,但是如果沒有其適宜的生活條件,微生物是不可能迅速生長繁殖的,是循環水系統特殊的生態環境,恰恰滿足了微生物生長繁殖需要的各種條件。如:
4.1 微生物的營養源
微生物的生長繁殖需要各種營養源,最重要的元素是C、N、P、S,另外微生物依其種類的不同而攝取能源和營養源的方法也不同。冷卻水在運行過程中,由于蒸發濃縮、泄漏,水中營養鹽隨之增加,補充水中的各種有機物,大氣中的NH3、H2S、NO2等也會進入系統,特別是系統工藝介質泄漏為微生物的生長繁殖提供了豐富的養料。循環冷卻水在冷卻塔內噴淋曝氣過程中溶入了大量的氧氣,為好氧性微生物提供了必要條件;而冷卻水中懸浮物形成的淤泥又為厭氧性微生物提供了庇護場所,如:冷卻水中的硫酸鹽還原菌是厭氧性微生物。以上這些營養源在冷卻水中加速了菌藻、生物粘泥的增加,判定營養源滲入的程度是由化學耗氧量(CODCr)為指標。循環水中的CODCr值一般如在10mg/L以上就容易發生粘泥引起的故障。
4.2 適宜的溫度和pH值
微生物繁殖的最佳溫度一般在30~40℃、pH在6.0~9.0,而循環水溫度一般在32~42℃、pH值在6.5~9.0,這些條件正好為循環水系統中微生物的繁殖提供了幫助。
4.3 溶解氧
冷卻水中生長的大多數細菌都為好氧菌,好氧性細菌和絲狀菌(霉菌類)利用溶解氧,氧化分解有機物,吸收細菌繁殖所需的能量,在敞開式循環冷卻水系統中,水在冷卻塔里的噴淋、曝氣過程為微生物的生長提供了充分的溶解氧,具備了微生物繁殖的最佳條件。
4.4 光
一般指藻類,由于它們體內有進行光合作用的葉綠素和其他色素存在,藻類的生長需要陽光。
4.5 細菌數
冷卻水中當細菌數在103個/ml以下時,水質故障發生得少;細菌數在105個/ml以上時,水質中粘泥故障容易發生。
4.6 懸浮物
粘泥的形成與冷卻水中的懸浮物密切相關,設計規范要求懸浮物濃度不大于20mg/L。而換熱器為板式、翅片式、螺旋式時,懸浮物的濃度不大于10mg/L。
4.7 粘泥量
粘泥量是使1m3的冷卻水通過生物過濾網所得到的粘泥體積(ml),當粘泥量在10ml/ m3以上時,粘泥故障的發生率高。經顯微鏡觀察到絲狀細菌(球衣細菌類)和絲狀菌(霉菌類)的冷卻水的粘泥量高。
4.8 氧化還原電位(ORP)
ORP值對系統中微生物生長有明顯的影響,它與溶解氧、pH值有關,好氧微生物最適宜的ORP值為0.3~0.4V,而厭氧微生物只能在0.1 V以下生長。冷卻水中氧的分壓高,pH值較高,因而其ORP值更適宜好氧微生物的生長,如硝化菌群中的亞硝化菌、硝化菌等。由于受這些影響在冷卻水中增大了對微生物、生物粘泥、NO2-等有效控制的難度。
5、微生物粘泥
5.1 粘泥的組成
指循環冷卻水系統中溶解的營養源而引起細菌、絲狀菌(霉菌)、藻類等微生物群的增殖,并以這些微生物為主體,混有泥砂、無機物和塵土等,形成附著的或堆積的軟泥性沉積物,這種軟泥性沉積物也就稱之為微生物粘泥。微生物在粘泥中的分布不一定是均勻的。主要是以好氧性細菌為主體的粘泥,其下面也有厭氧性的菌群,產生像硫酸鹽還原菌那樣的厭氧性細菌。它們的組成是以微生物菌體及其粘結在一起的粘性物,多糖類蛋白質為主體組成的,并附著在換熱器上。
5.2 粘泥的危害
在循環水系統中,由產粘泥細菌引起的危害為最多,其次是藻類、霉菌等。循環冷卻水系統中微生物粘泥引起的危害如下:
①粘泥附著在換熱冷卻部位的金屬表面上,降低冷卻水的冷卻效果;
②大量的粘泥將堵塞換熱器(水冷器)中冷卻水的通道,從而使冷卻水無法工作,少量的粘泥則減少冷卻水通道的截面積,從而降低冷卻水的流量和冷卻效果,增加泵壓;
③粘泥集積在冷卻塔填料的表面或填料間,堵塞了冷卻水的通過,降低冷卻塔的冷卻效果;
④粘泥覆蓋在換熱器內的金屬表面,阻止緩蝕劑與阻垢劑到達金屬表面發揮其緩蝕與阻垢作用,阻止殺生劑殺滅粘泥下的微生物,降低藥劑的功效;
⑤粘泥覆蓋在金屬表面,形成差異腐蝕電池,引起設備的腐蝕;
⑥大量的粘泥,尤其是藻類,存在于冷卻水系統中的設備上,影響了冷卻水系統的長周期運轉。為此對于循環冷卻水系統中微生物粘泥必須經常地投加生物粘泥剝離劑和殺生劑共同作用,以便達到有效地控制微生物粘泥,要決定進行粘泥的處理時,必須了解構成沾泥的微生物種類、性質和特點。見表一:
表一 敞開式循環冷卻水系統中組成粘泥的微生物
微生物的種類 |
特點 |
|
藻類 |
藍藻類 |
細胞內含有葉綠素,利用光能,進行碳酸同化作用,在冷卻塔和熱水池、冷卻池等接觸光的場所最常見。 |
綠藻類 |
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硅藻類 |
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細菌類 |
產粘泥細菌 |
是塊狀瓊脂,細菌分散于其中。在有機物污染的水系中最常見。 |
球衣細菌 |
在有機物污染的水系中呈棉絮狀集聚(有時分在鐵細菌類)。 |
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鐵細菌 |
氧化水中的亞鐵離子,使之成為高鐵化合物沉積在細菌周圍。 |
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硫細菌 |
污水中常見,一般在體內含有硫磺顆粒。 |
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硝化細菌 |
將氨氧化成亞硝酸的細菌和使亞硝酸氧化成硝酸的細菌。在循環水中有氨的地區繁殖。 |
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硫酸鹽還原菌 |
使硫酸鹽還原,生成硫化氫的厭氧性細菌。 |
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真菌類 (霉菌類) 絲狀菌 |
藻菌類(水霉菌) |
在菌絲中沒有隔膜,全部菌絲成為一個細胞。 |
不完全菌類 |
在菌絲中有隔膜。 |
6、微生物危害的控制
6.1 選用耐蝕材料;
在換熱器等關鍵部位或因工藝要求金屬器壁較薄的地方,可選用耐微生物腐蝕的金屬。幾種常用金屬耐微生物腐蝕的性能排列如下:
鈦>不銹鋼>黃銅>純銅>硬鋁>碳鋼
這是在一般情況下的大致排列,在一些特殊環境中則應具體分析,選用材料。例如在合成氨廠,大氣中氨含量較高,則銅的腐蝕速度很快。
6.2 控制水質;
做好水質清潔工作的目的是去除水的油、懸浮物等微生物的營養物。對于在含塵量較大的環境中的冷卻水系統,最好加裝旁濾設備。
6.3 采用殺生涂料;
用添加有能抑制微生物生長的殺生劑(如偏硼酸鋇、氧化亞銅、氧化鋅、三丁基氧化錫等)的特種涂料涂刷換熱器的冷卻水一側,既能保護金屬不受腐蝕,又能防止微生物粘泥的沉積,并且對水垢的沉積也有一定的預防作用。這種涂料的熱阻較小,對換熱效果影響不大。
用由酸性水玻璃、氧化亞銅、氧化鋅和填料等組成的無機防藻涂料涂刷在冷卻塔和水池內壁上,可有效地控制藻類的生長。
6.4 陰極保護;
采用外加電流保護法或犧牲陽極保護法,可控制陰極金屬上硫酸鹽還原菌的繁殖
6.5 清洗
用物理或化學清洗的方法去除微生物粘泥,可去除大部分的微生物,并破壞了微生物賴以生存的環境,微生物繁殖的速度受挫。
清洗后剩下來的微生物暴露在外,更易于被殺生劑殺死。
對于一個已經被微生物嚴重污染的冷卻水系統來說,清洗是一個十分有效的措施
6.6 防止陽光照射
采用各種方式防止或減少陽光直接照射冷卻水,可大幅降低藻類繁殖的速度。
6.7 旁流過濾
6.8 混凝沉淀
6.9 噬菌體法
噬菌體法也叫細菌病毒,是一種能吃掉細菌的微生物,是一種生物殺菌方法。
噬菌體靠寄生在叫做“宿主”的細菌里繁殖,繁殖的結果是將“宿主”吃掉,這種過程叫溶菌作用。噬菌體繁殖的后代又寄生到其它的細菌里,其數量成百上千地增長,因此用噬菌體法殺菌只須加少量噬菌體即可,靠它的自我繁殖可達到殺菌的目的,因此費用較低。
據報道,噬菌體法殺菌對控制濱?;鹆Πl電站冷卻水系統及造紙廠冷卻水系統微生物繁殖十分有效。但在其它系統中應用效果未見類似的報告。
6.10 添加殺生劑;
往冷卻水系統中添加殺生劑(也稱殺菌滅藻劑)是控制微生物繁殖的最有效、最常用的方法之一。只要選藥得當,方法合適,添加殺生劑能有效控制微生物的繁殖。
通常情況下,幾種方法聯合使用效果較好,費用較低。
6.10.1 冷卻水用殺生劑應具備的特點
①能有效的控制或殺死范圍很廣的微生物——細菌、真菌和藻類,特別是形成粘泥的微生物,即廣譜性。
②在不同于 冷卻水的條件下,它易于分解或被生物降解。
③在游離活性氯存在時,具有抗氧化性。
④在使用濃度下,與緩蝕阻垢劑彼此相容。
⑤在冷卻水運行的pH值范圍內不被分解。在
⑥在對付微生物粘泥時,具有穿透粘泥和分散或剝離粘泥的能力。
6.10.2 冷卻水用殺生劑的選用依據
①廣譜高效。
②經濟適用。
③如果有木質結構,應使用非氧化性殺生劑。
④選用的出殺生劑的排放能夠被當地環保部門允許。
⑤要能夠適用于該冷卻水系統的溫度、pH值和設備材質。
6.10.3 常用氧化性殺生劑
①氯以及氯制劑
氯是人們最熟悉和有效的工業殺生劑。
它們的共同特點是能夠水解產生次氯酸,次氯酸是一種極強的氧化劑。它容易擴散通過微生物的出細胞壁,與原生質反應,與細胞的蛋白質生成化學穩定的氮—氯鍵。使細胞蛋白質失活而殺死微生物。
②二氧化氯
它不僅具有和氯相似的殺生性能,而且還能分解菌體的殘骸,殺死芽孢和孢子,控制粘泥生長。
另一個特點上適應pH值范圍很廣。
③臭氧
臭氧是一種氧化性很強又不穩定的氣體。作為殺生劑,它的作用機理和其它氧化性殺生劑有許多相同之處,臭氧與微生物的蛋白質結合,破壞細胞呼吸所不可缺少的還原酶的活性。
④溴制劑
溴制劑與氯制劑相比,具有很大的優越性。在堿性冷卻水中,溴制劑水解產生的次溴酸殺生性能降低不如氯制劑快,殺生效果好;在含氨和氮基化合物的冷卻水中,用氯處理生成的一氯胺的殺生能力極差,而用溴處理產生的一溴胺具有很強的殺生活性,并接近游離溴的殺生效果;溴的殺生速度比氯快;溴制劑對設備的腐蝕比是氯制劑的1/2到1/4;溴在排放方面比氯要環保,降解很快。
6.10.4 常用非氧化性殺生劑
①季銨鹽和雙季銨鹽
是長鏈的陽離子表面活性劑。最常用的兩種藥劑是潔爾滅(十二烷基二甲基芐基氯化銨)和新潔爾滅(十二烷基二甲基芐基溴化銨)。兩者都具有殺生力強、使用方便、毒性小和成本低的特點。這兩種藥劑還具有緩蝕作用、剝離粘泥作用和除去水中臭味的功能。
季銨鹽的殺菌作用應歸功于其正電荷,這些正電荷與微生物細胞壁上帶負電荷的基團結合產生應力,導致溶菌作用和細胞死亡。它也能使蛋白質變性而導致細胞死亡。它還可以破壞細胞壁的可透性,使維持生命的養分攝入量降低,到達控制微生物生長的效果。
季銨鹽在使用過程中遇到的主要問題是:在被塵埃、油類和碎屑嚴重污染的系統中,它們會失效;使用中要產生大量的出泡膜。
雙季銨鹽是今年新開發的殺生劑,殺生能力比季銨鹽強。
②有機硫化合物
使用最廣的是二硫氰基甲烷有稱二硫氰基甲酯。對于抑制藻類、真菌和細菌,尤其是硫酸鹽還原菌十分有效。
一般不單獨使用,而是要配入分散劑和滲透劑使用,可以增大藥劑的殺生活性。
它的作用機理是阻止微生物中電子的轉移,從而使細胞死亡。
③異噻唑啉酮
異噻唑啉酮是一類較新的殺生劑,屬于廣譜高效殺生劑。它是通過斷開細菌和藻類蛋白質的鍵而起殺生作用的。它與微生物接觸以后,就能迅速抑制其生長。這種抑制是不可逆的,從而導致微生物細胞的死亡。它適應pH值范圍很廣,還可以跟其它殺生劑復配使用。
6.10.5 殺生劑使用的注意事項
①殺生劑應與分散劑聯合使用
②殺生劑要交替使用避免微生物產生抗藥性
③考慮溫度和pH值對殺生劑使用效果的影響
④投加方式宜采取沖擊式
⑤考慮濃縮倍數對殺生劑投加量的影響
6.11 采用高能物理類技術殺菌滅藻