循環(huán)冷卻水系統(tǒng)微生物控制技術的研究(一)

1、循環(huán)冷卻水系統(tǒng)微生物控制技術的研究(一)摘要：對長期以來認同的循環(huán)冷卻水中微生物總數(shù)控制指標的合理性,提出了質(zhì)疑，指出微生物孳生造成循環(huán)冷卻水系統(tǒng)危害的根源,是系統(tǒng)內(nèi)的附著微生物，即生物粘泥。作者認為，只要控制微生物不能在系統(tǒng)中附著，就會使微生物對循環(huán)水系統(tǒng)構成威脅的幾率，大大降低，甚至不會產(chǎn)生危害。即使水體中細菌總數(shù)超過了現(xiàn)有的指標，循環(huán)水系統(tǒng)仍然可以正常運轉(zhuǎn)。酶處理實驗結(jié)果證明，系統(tǒng)大部分附著的粘泥可去除，而旁濾可使循環(huán)水中細菌總數(shù)，控制在一定范圍內(nèi)，不會無限增長。 關鍵詞：循環(huán)冷卻水 微生物控制 酶處理 生物粘泥 均勻設計 1 引言工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)給大量微生物的生長提供了良好的棲息地，

2、微生物生長所必需的營養(yǎng)物和離子，可以通過補充水和周圍空氣帶入的有機物或無機物供給，生產(chǎn)過程中物料的泄漏也為循環(huán)水系統(tǒng)微生物種群提供了養(yǎng)料。通過管道、熱交換器、冷卻塔填料及配水管道系統(tǒng)所提供的大量表面積，有效地促進了微生物種群的生長，微生物孳長給循環(huán)水系統(tǒng)帶來極大危害。目前微生物控制普遍采用的方法是投加殺生劑直接殺滅微生物體，并將循環(huán)水中的各類細菌數(shù)降到國家標準規(guī)定的指標以下，如異養(yǎng)菌總數(shù)應不超過5105個/ 毫升，以此作為循環(huán)水系統(tǒng)微生物成功控制的評判依據(jù)。在殺生劑的研發(fā)中，亦將殺生劑對水中活菌殺滅能力的大小，作為評判其性能好壞的標準。然而，人們長久以來依賴的這一依據(jù)或標準的合理性是值得質(zhì)疑的

3、。因為，循環(huán)水中懸浮異養(yǎng)菌的總數(shù)不超過5105個/ 毫升，并不等同于循環(huán)水系統(tǒng)中異養(yǎng)菌的總數(shù)不超過5105個/ 毫升。在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中包含著兩種不同的微生物種群：存在于循環(huán)水整體流動中的浮游微生物和在生物膜或生物粘泥中具有生長優(yōu)勢的附著微生物。監(jiān)測循環(huán)水系統(tǒng)中微生物數(shù)量和相應殺生劑性能評價的傳統(tǒng)指標，僅著眼于控制水中的浮游微生物群體，表1的數(shù)據(jù)可以說明1，粘泥中各種菌類數(shù)量都要比循環(huán)水中高得多。盡管水中的懸浮細菌被殺滅，附著在系統(tǒng)壁上的生物粘泥仍然對系統(tǒng)構成危害，并且粘泥中的細菌又為循環(huán)水中細菌的再度繁殖提供了基礎。這也是投加殺生劑來控制循環(huán)水中活菌數(shù)量有時并不能有效解決系統(tǒng)微生物孳長問題的

4、原因。表1 循環(huán)水中與生物粘泥中菌類數(shù)量比較(個/ 毫升) 樣 品 異養(yǎng)菌 鐵細菌 硫酸鹽還原菌 亞硝化細菌 反硝化細菌 硫細菌 氨化菌 真菌 循環(huán)水 1.6105 70 11.5 70 2.0104 9.5102 2.2105 2.5 生物粘泥 1.3108 1.4105 1.6103 7.102 1.6106 1.6105 2.0108 80在有生物粘泥存在的系統(tǒng)，細菌體外通常有生物粘泥包覆，起到屏蔽保護作用，使殺生劑難以滲透接觸到細菌體而將其殺滅，這又是殺生劑對于解決微生物孳長問題有時低效甚至無效的原因之一。殺生劑立足于殺滅微生物，殺滅是其主要手段，因此往往要求藥劑對各種微生物具有極大的

5、毒性。但毒性大的藥劑往往難于或不易生物降解而造成環(huán)境污染。目前，人們合成和篩選新型高效低毒殺生劑的任務已經(jīng)越來越艱難。20世紀70年代，Herbert J Hatcher最早提出了用果聚糖水解酶處理工業(yè)水系統(tǒng)中生物粘泥的方法2。1977年，Nalco Chemical公司的Ronald J Christensen等，用一種主要成分為戊聚糖酶和己聚糖酶的Rhozyme HP150酶(Rohm & Haas公司生產(chǎn))，處理實驗室模擬冷卻塔內(nèi)粘泥，并申請了專利3。本文提出的酶處理方法，將為更好地解決循環(huán)水系統(tǒng)中微生物控制問題，提供一條標本兼治、無環(huán)境污染、有效的新途徑。2 酶處理方法的理論依據(jù)2.1

6、 生物粘泥的特性要從根本上著手解決循環(huán)水系統(tǒng)微生物危害，有必要研究生物粘泥的化學物理性質(zhì)。“生物粘泥”與“生物膜”本質(zhì)是一致的，在過去的20多年里，國外不少學者對生物膜產(chǎn)生了濃厚興趣并進行了大量研究，取得了初步的成果4。2.1.1 生物粘泥的化學組成生物粘泥是由微生物細胞分泌的具有粘性的胞外聚合物(Extracellular Polymeric Substances，簡稱EPS)，其膠合了微生物細胞及各種有機和無機顆粒物質(zhì)，如粘土、腐蝕產(chǎn)物、腐殖質(zhì)等5，EPS的粘性使它易于附著在系統(tǒng)壁上生長。因此，生物粘泥代表了一種穩(wěn)定的由微生物細胞組成的復雜混合物的微生態(tài)系統(tǒng)，細胞鑲嵌在胞外聚合物的基質(zhì)中，

7、并且附著到固體表面。胞外聚合物或稱胞外多糖(Extracellular Polysaccharide)，是生物粘泥的重要組分。克里布特里(Crabtreek)、阿倫(Allen W)和克拉爾(Krul J M)對此進行了深入的研究，對其存在和作用有了比較明確的認識6。胞外聚合物以細纖維的形狀存在，把一些細菌網(wǎng)織在一起形成絮體。胞外聚合物的性質(zhì)和目前人工合成的聚合電解質(zhì)十分相似，并具有“生物絮凝”功能。Flemming H C等指出，胞外聚合物由聚多糖及蛋白質(zhì)、糖蛋白和脂蛋白組成7。從所有的生物膜的胞外聚合物組分中可以提取出腐殖酸、多糖、糖醛酸和DNA8。隨生長環(huán)境不同，胞外多糖由同多糖或雜多糖

8、組成。同多糖通常是末端含有1個葡萄糖單元的果聚糖，而由多粘芽孢桿菌(Bacillus polymyxa)的許多菌株產(chǎn)生的則是雜多糖，包含有D葡萄糖、D甘露糖、D半乳糖、D果糖、葡萄糖醛酸和丙酮酸酯。有研究表明914，由唾液鏈球菌(Streptococcus salivarius strain 51)和一些土壤細菌尤其是芽孢桿菌屬(Bacillus spp.)分泌的胞外多糖為果聚糖，Zymomonas菌屬(產(chǎn)生乙醇的兼性厭氧細菌)也分泌果聚糖作為副產(chǎn)物。同樣，由血清型鏈球菌(Streptococcus serotype)、多粘芽孢桿菌(Bacillus polymyxa)及運動發(fā)酵單胞菌屬(Zy

9、momonas mobilis IN-17-10)分泌的胞外多糖均為唯一的果聚糖。胞外聚合物具有纖維素的特性，對纖維素酶很敏感，在纖維素酶的作用下被溶化。2.1.2 生物膜的物理性質(zhì)細菌細胞分泌的胞外聚合物具有很大的粘性，使細菌能附著生長在各種載體表面。從流變學看，生物膜的性質(zhì)與凝膠一樣，具有粘彈性15。因此，在水流系統(tǒng)中生物膜能導致摩擦阻力的超比例增加。據(jù)報道，由于微生物覆蓋層的影響，某管道的最大輸送能力在3年內(nèi)下降了50以上，而管道橫截面的減小導致相應輸送能力的下降最多為3。在研究生物膜引起輪船速度的下降中發(fā)現(xiàn)生物膜使摩擦阻力增加了22。生物膜的導熱性與水差不多在同1個數(shù)量級上，比相同厚度

10、的優(yōu)質(zhì)鋼的導熱性約低27倍。由于表面的對流傳熱受阻，即使是很薄的生物膜也可明顯地降低通過優(yōu)質(zhì)鋼管的傳熱效率。Carlson G等指出16，生物膜呈負電性，由于靜電排斥作用，生物膜對負電性有機分子的吸附能力降低。2.1.3 生物膜的阻抗性17由于生物膜的特殊組織結(jié)構，生物膜對于抗生素、殺生劑表現(xiàn)了明顯的阻抗性。EPS雖然不能阻止抗生素、殺生劑通過擴散接觸到底部的微生物細胞，但它可猝滅具有化學反應性的殺生劑(如氯和過氧化物等)，極大地結(jié)合帶電性的抗生素(如托普霉素、慶大霉素)，因此對較深層的細胞提供了保護。然而擴散限制作用不是生物膜阻抗特征的惟一控制因素,生物膜群落中建立的氧和營養(yǎng)物質(zhì)梯度,導致不

11、易獲得營養(yǎng)的微生物生長速率被極大地減弱,緩慢的生長速率和嚴格的反應進一步對這種阻抗機制起作用。2.2 生物粘泥的酶處理方法酶處理方法著眼于循環(huán)水系統(tǒng)中的附著態(tài)微生物(生物粘泥)?；谏镎衬嗟幕瘜W物理特性，可利用投加酶處理劑中特定酶的高效催化性質(zhì)，將具有粘性的EPS降解為葡萄糖和氨基酸等小分子物質(zhì)而使其失去粘性，從而使附著微生物失去了粘附在系統(tǒng)壁上的基礎而游離于循環(huán)水中。同時通過控制旁濾裝置運行的方法，將懸浮細菌同步濾除，而把水體中細菌總數(shù)控制在一定限度內(nèi)，不致失控。3 實驗部分在以淀粉酶、纖維素酶等為主要組分研制并優(yōu)化了酶處理劑配方的基礎上，運用均勻設計法對酶處理方法的影響因素進行了研究，并

12、對工藝條件進行了優(yōu)化。同時考察了酶處理前后系統(tǒng)細菌總數(shù)的變化。3.1 實驗流程參考美國腐蝕工程師協(xié)會(NACE)推薦的壓力降法沉積物監(jiān)測裝置和USP 4,936,994描述實驗裝置，搭建本實驗循環(huán)水生物粘泥監(jiān)測系統(tǒng)(見圖1)。3.2 實驗設計18實驗中采用了均勻設計法，選擇A(處理溫度)、B(處理pH)、C(處理流量)3個因素進行考察，采用U5(53)表安排實驗，考察范圍如下：A 處理溫度3038；B 處理pH6.58.5；C 處理流量0.120.16 m3h。3.3 實驗方法經(jīng)過大量的探索與實踐，并對生物膜成膜過程分析后，本文運用了生物粘泥的快速掛膜法。并確定：測壓管道由3段90cm的聚丙烯

13、材質(zhì)管(DN8)串聯(lián)而成，有效長度為342.2cm；營養(yǎng)水質(zhì)按BOD5：N：P=100：5：1配?。惶荚词褂闷咸烟?，葡萄糖：BOD51：0.619；以N取50mgL為基準。實驗使用菌種為污水處理站活性污泥中的異養(yǎng)菌。在系統(tǒng)中投入菌種后，控制水溫(301)，循環(huán)水流量0.13 m3h，循環(huán)曝氣6h，停止曝氣后小流量循環(huán)培養(yǎng)4h，換水排掉懸浮態(tài)細菌，再按BOD5：N：P=100：5：1的比例加入營養(yǎng)液，重復上述操作,以10h為1個培養(yǎng)周期。一般培養(yǎng)45個周期就能使生物膜達到理想的厚度(23mm)，并趨于穩(wěn)定。掛膜速度隨室溫的升高而加快。在生物粘泥生成后，向循環(huán)水系統(tǒng)中投加100mgL酶處理劑，同時

14、開啟旁濾回路，控制旁濾水量為循環(huán)水量的5%8%。恒定溫度和pH值，記錄測壓管段壓差變化，得到壓差與處理時間的關系曲線。待到測壓管段壓差趨于平衡或顯回升態(tài)勢時停止實驗。3.4 分析方法酶處理生物粘泥的效果,可由處理前后管段間壓差的減小來表征。以測壓管段壓降對時間作圖，得到整個處理過程中的初始壓降(Pi)(t=0時)、最大壓降(Pm)和最小壓降(Pt)(t10h)，則粘泥去除效率(Y)由下式計算： Y=1-(Pt-Pi)/(Pm-Pi)100%采用測試瓶法測定異養(yǎng)菌總數(shù)，在處理開始和結(jié)束時各取1次水樣，處理過程中隔5h取1次水樣。 4 結(jié)果與討論 4.1 酶處理的影響因素實驗中將因素A、B、C分為

15、5個水平列于表2，按U5(53)表安排實驗，實驗方案及結(jié)果如表3。表2 水平因素表 水平 因素 1 2 3 4 5A(處理溫度) 30323436 38B(處理pH) C(處理流量m2/h) 表3 酶處理影響因素實驗設計方案及結(jié)果從表3可以看出，在動態(tài)模擬條件下，影響因素的考察范圍內(nèi),酶處理劑均有粘泥去除的效果。然而在pH8.0時，較高溫度促進了酶處理劑中激活組分的失效，從而使處理效果下降。4.2 酶處理工況條件的優(yōu)化對上述均勻設計實驗結(jié)果，采用SAS軟件系統(tǒng)進行了多元回歸分析20，得到Y(jié)與因素A、B、C的回歸方程。在應用二次模型進行回歸分析時，由殘差圖發(fā)現(xiàn)原問題有異方差性，導致參數(shù)的顯著性檢

16、驗失效，回歸模型不理想。于是，對原問題的Y變量進行了方差穩(wěn)定化變換21，令Y=1/Y，消除了原問題的異方差性。對上述問題進行Durbin-Watson檢驗，發(fā)現(xiàn)統(tǒng)計量為 2.250, 接近于2，說明上述數(shù)據(jù)的隨機擾動項與序列無關，保證了對模型有關統(tǒng)計處理的正確性。各變量A、B、C的方差擴大因子分別為：1.5000、2.0000、1.5000，與 1 的差距不是太大，從而表明各個解釋變量之間不存在多重共線性，保證了回歸方程的準確性。此時新得到的回歸方程是：Y0.0401880.000406A 0.003606B 0.110507C 上述方程中各系數(shù)的t 檢驗值都 5%，分別是：0.0152、0.

17、0417、0.0217、0.0307,有顯著差異。根據(jù)開始作的方差變換，此時得原問題的回歸方程為：Y1/(0.0401880.000406A 0.003606B 0.110507C) 由后項回歸分析結(jié)果可知，方差變換后的Y與A、B、C是強相關的，相關系數(shù)的平方和為0.9998，采用的剔除水平為0.1。由殘差圖可知，原問題不再存在異方差性。對原問題回歸方程在因素考察區(qū)間內(nèi)求極大值，得優(yōu)化工藝條件：A30，B6.5，C0.12。進行驗證試驗，酶處理劑投加濃度100mgL，粘泥剝離率理論預報值115%，實驗結(jié)果值94.0%(見圖2)?？梢娀貧w方程的預測值與驗證試驗結(jié)果吻合較好。由此，建議酶處理劑的使

18、用條件為：溫度30，pH為6.5，流量0.12 m3h(即循環(huán)水流速0.66ms)。4.3 酶處理過程細菌總數(shù)監(jiān)測本實驗同時考察了酶處理前后循環(huán)水中細菌總數(shù)的變化情況，結(jié)果證明(見表4)，酶處理方法的確可在大部分去除系統(tǒng)粘泥附著的基礎上，將循環(huán)水中細菌總數(shù)控制在一定范圍內(nèi)而不致失控。從圖2和表4可以看出，在優(yōu)化后的酶處理工藝條件下，系統(tǒng)測壓管段壓降持續(xù)下降，回落到接近初始水平，可基本消除微生物孳長引起粘泥附著對系統(tǒng)管段壓降造成的影響。在酶處理過程中，循環(huán)水中異養(yǎng)菌總數(shù)可控制在一定范圍內(nèi)而不致無限增長。水體中細菌總數(shù)維持在108109個/ 毫升左右時，循環(huán)水系統(tǒng)仍可正常運行。并且應用酶處理方法控

19、制循環(huán)水系統(tǒng)中的微生物可避免向系統(tǒng)投加毒性殺生劑對環(huán)境產(chǎn)生的影響。表4 酶處理前后循環(huán)水中異養(yǎng)菌總數(shù)監(jiān)測結(jié)果(個/ 毫升) 時間12實驗號345處理前105106107108106107108109105106加酶5h1061071071081066 參考文獻1 鄭能靖, 章振玞. 石油化工冷卻水處理技術. 北京：中國石油化工出版社，1989,170 172.2 Economics Laboratory. Inc Slime Control in Industrial Waters. US：3773623, Nov 1973.3 Nalco Chemical Company. Enzymati

20、c Dispersion of Biological Slimes. US：4055467, Oct 25, 1977.4 Hunt A P, Parry J D. The effect of substratum roughness and river flow rate on the development of a freshwater biofilm community. Biofouling, 1998, 12(4)：287303.5 Robin Eycott. Controlling biofilms in cooling water systems. Wat Waste Trea

21、t, 1990,33(7)：4041,43.6 鄭元景, 沈光范, 鄔揚善. 生物膜法處理污水. 北京：中國建筑工業(yè)出版社, 1983：9298.7 Flemming H C.Microbial deterioration of materialsbiofilm and biofouling: biofouling. Werkst Korros, 1994, 45 (1)：2939.8 王文軍, 王文華，黃亞冰等. 生物膜的研究進展. 環(huán)境科學進展, 1999, 7(5):43 51.9 Marshall K C, Weigel H. Extracellular a-D-fructofuran

22、osidase elaborated by streptococcus salivarius strain 51: preparation and mode of action on levan and on homologues of inulobiose. Carbohydr Res, 1980, 83：315320.10 Yamamoto S, Ilzuka M, Tanaka T, et al. The mode of synthesis of levan by bacillus subtilis levansurase. Agric Biol Chem, 1985,49(2)：343 349.11 Shimamura A, Tsuboi K, Nagase T,et al.Structural determination of D-fructan from streptococcus mutans, serotype b, c, e, and f strains, by 13C-NMR spectroscopy. Carbohydr Res,1987, 165 (2)：150154.12 Fukui H, Tanaka M, Misaki A. Structural of a physiologically active polys