[科普中國]-生物污垢

簡介

生物污垢是指任何實際浸入到含水環(huán)境中的表面上所形成的微生物沉淀或生物膜。對于絕大多數(shù)工業(yè)設(shè)備而言，都不希望有生物膜存在，因為它們有可能極大的損壞工業(yè)設(shè)備。在水冷卻系統(tǒng)中，生物膜會使傳熱速度降低，并且有生物污垢的管道和熱交換管會顯著增加對流體流動的阻力以及泵送流體時所需的能量。在二次采油時，由于需要使用含油層水驅(qū)法，因此，生物膜可能阻塞含油層。另外，眾所周知，伴隨著某些細菌生物膜的生長而產(chǎn)生的酸也可能導(dǎo)致嚴(yán)重的腐蝕發(fā)生。這類細菌生物膜通常由硫酸鹽還原細菌組成，這種細菌通常厭氧地生長在有油和天然氣存在的水中。1

控制方法眾所周知，伴隨著某些細菌生物膜的生長而產(chǎn)生的酸也可能導(dǎo)致嚴(yán)重的腐蝕發(fā)生。這類細菌生物膜通常由硫酸鹽還原細菌組成，這種細菌通常厭氧地生長在有油和天然氣存在的水中。

生物膜可能包含任何種類的微生物，比如藻類、霉菌、需氧細菌和厭氧細菌。除了這些微生物之外，生物膜通常還包括胞外聚合材料，這種聚合材料保護微生物不被捕食和避免毒素的侵害。由于這些聚合物能阻礙化學(xué)生物殺傷劑的滲透，因些，包含于或附著于生物膜中的微生物(固著微生物)比懸浮于水相中的微生物(浮游微生物)更難被化學(xué)生物殺傷劑殺死。

在文獻中已記載有多種能夠殺死浮游生物的生物殺傷劑，例如參見美國專利US-4297224。這些生物殺傷劑包括氧化生物殺傷劑氯、溴、二氧化氯、氯代異氰脲酸酯以及含鹵素的乙內(nèi)酰脲;還包括非氧化生物殺傷劑季銨化合物、異噻唑酮、醛類、對羥基苯甲酸酯類和有機硫化合物。

通常，上述生物殺傷劑已經(jīng)用于殺死循環(huán)水系統(tǒng)、例如水冷卻塔、巴氏滅菌器中的浮游微生物。但是，對固著微生物的生物殺傷效果的常規(guī)測定直到最近都很少進行。最近的研究表明，許多廣泛使用的生物殺傷劑對固著微生物的殺傷效果都不好。1

背景生物污垢廣泛存在于工業(yè)循環(huán)冷卻水系統(tǒng)、飲用水系統(tǒng)及海水系統(tǒng)中所使用的各種設(shè)備表面及內(nèi)部以及各種膜分離過程的膜材料表面上。微生物污垢的存在,降低了換熱器的傳熱性能,增大了流動阻力,促進設(shè)備腐蝕,造成能源和材料的大量浪費。生物污垢誘導(dǎo)期及其影響因素研究,可為抑垢對策研究和換熱器設(shè)計提供理論依據(jù),是實現(xiàn)節(jié)能降耗和低碳循環(huán)經(jīng)濟的重要發(fā)展方向。

本論文是基于作者參與國家自然科學(xué)基金《基于多參數(shù)檢測的微生物污垢誘導(dǎo)期及影響因素研究》[No.50806010]的研究工作總結(jié)。本課題在分析微生物污垢及其誘導(dǎo)期的各影響因素基礎(chǔ)上,選取易于在換熱面或其他固體壁面上形成污垢的典型微生物——粘液形成菌和鐵細菌作為研究對象,利用循環(huán)冷卻水動態(tài)模擬裝置,采用吉林市生活用水并添加一定濃度的典型微生物和營養(yǎng)源作為實驗水質(zhì),在恒定運行工況下,動態(tài)模擬實驗流體的流動狀態(tài)和傳熱傳質(zhì)過程,在線或定期檢測污垢熱阻和各種水質(zhì)參數(shù),針對不銹鋼、銅、不銹鋼縮放管換熱器的結(jié)垢特性進行動態(tài)實驗研究,并利用XPS(電子能譜儀)對污垢成分進行了定量分析。2

研究進展近年來，膜技術(shù)取得廣泛的發(fā)展。然而，生物污垢極大提高了膜技術(shù)的運營成本，降低膜的使用壽命，阻礙膜技術(shù)的應(yīng)用。該研究采用有機化學(xué)鍵和納米材料的共同修飾相結(jié)合的方法，研究了1，2，3-三氮唑和鈀納米顆粒共同修飾后的聚砜膜的抗生物污垢效果。連續(xù)滴流生物膜反應(yīng)器和好氧膜生物膜反應(yīng)器共同使用，較為系統(tǒng)地研究了該膜的抗生物污垢效果。研究結(jié)果表明，經(jīng)過1，2，3-三氮唑和鈀納米的膜材料可有效降低生物膜中胞外聚集物的含量，抑制生物膜形成的相關(guān)信號分子的形成，減少生物膜形成相關(guān)微生物的相對豐度等，顯示出較強的抗生物污垢效果。3

生物污垢的分類、產(chǎn)生原因、特點及成分

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