循环冷却水水质条件对生物粘泥性质及控制的影响研究

摘要

循环冷却水系统通常具有适宜的温度，pH范围，充足的溶解氧及营养物质，极易导致微生物大量繁殖。某些微生物会在代谢过程中产生致密的粘液，并与水中的悬浮物、沙粒、藻类等物质粘附在一起形成生物粘泥，进而引起结垢腐蚀加剧、传热效率降低、管道堵塞等一系列问题，因此，对生物粘泥的控制已成为提高循环冷却水系统工作效率，实现企业节能减排的关键前提。从本质上讲，循环水水质条件是影响粘泥性质及后续处理效果的主要因素，且受补充水的影响，循环冷却水水质状况通常会在一定范围内波动，为此在静态模拟循环冷却水系统中研究了营养物质、常见无机离子及颗粒物质浓度对生物粘泥组成及活性的影响，旨在从源头上抑制粘泥的形成。依据前期研究结果，分别在贫、中、富三种具有代表性的营养水平下考察了悬浮细菌数量对生物粘泥理化性质的影响。根据粘泥的生长特性，建立了不同营养水平下粘泥生长的动力学模型，并考察了循环冷却水营养水平对生物粘泥生长动力学特性的影响。进一步运用分子生物学技术鉴定不同营养水平下生物粘泥中的优势菌种组成，并对比分析了不同类型粘泥细菌群落结构的多样性和相似性以及优势菌群之间的系统发育关系。最后结合扫描电镜(SEM)分析，考察了氧化性和非氧化性杀菌剂对不同营养水平下生物粘泥的处理效果，建立了营养水平与杀菌剂用时、用量之间的相关关系。
　　 研究结果表明：循环冷却水水质条件会对生物粘泥的理化性质产生较大影响，其中有机碳源浓度的高低对粘泥性质影响最为显著；粘泥形成量与粘泥活性之间没有明显的相关性，因此在处理循环水中的生物粘泥时，不但要关注生物粘泥的剥落率，还应考察对生物粘泥活性的抑制效果。综合考虑对生物粘泥EPS及DHA的影响，应将循环冷却水中COD、NH4+-N及TP的浓度分别控制在25mg/L、5mg/L、1mg/L以内。而颗粒物(以CaCO3为例)、Ca2+、Mg2+、Na+、Fe3+的浓度则需分别控制在40mg/L、50mg/L、25mg/L、50mg/L、0.5mg/L以内，且浓度越低，对粘泥生长的抑制效果越显著。
　　 循环冷却水中悬浮态异养菌的数量会对附着态生物粘泥的理化性质产生一定影响，且在不同营养水平下，即使悬浮异养菌数量相同，悬浮态与附着态细菌的生长过程、竞争关系以及影响生物粘泥形成的主要原因也都存在较大差异。
　　 根据粘泥的实际生长特点，采取分段方程的形式对一般的Logistic模型加以改进，可更加直观、精确地描述生物粘泥从初期附着直到平衡稳定的整个过程，尤其是在稳定期粘泥量波动幅度较大的情况下，模型仍能准确地拟合粘泥在稳定期的脱落与再生过程，因而更具有实际应用价值。
　　 利用PCR-DGGE技术对粘泥中的优势菌种分析发现，贫营养下的粘泥中细菌群落多样性最为丰富，通过16S rDNA序列系统进化树分析可知，有多组菌种在系统发育上具有相近的亲缘关系，但其在不同粘泥中的优势地位由于受到营养水平和生物粘泥空间结构的影响而各不相同。
　　 杀菌剂对粘泥的处理效果在一定程度上依赖于循环水的营养水平。营养水平越低，杀菌剂对粘泥的最小有效灭活时间和浓度均越小。杀菌剂对生物粘泥的灭活效果并不完全是由待处理粘泥的初始活性大小所决定的，不同营养水平下粘泥结构特征的差异也是影响杀菌效率的重要因素。

目录

文摘

英文文摘

论文创新点摘要

第一章 绪论

1.1 课题的研究背景

1.2 课题国内外研究现状

1.2.1 石化废水回用于循环冷却水概述

1.2.2 循环冷却水系统中的有害微生物及其控制

1.2.3 循环冷却水系统中生物粘泥的成因及其特性

1.2.4 循环冷却水中生物粘泥的危害及其控制方法

1.3 课题的研究目的及意义

1.3.1 课题的研究目的

1.3.2 课题的研究意义

1.4 课题的研究内容、技术路线及创新点

1.4.1 课题的主要研究内容及采用的技术路线

1.4.2 课题的主要创新点

第二章 循环水营养条件对生物粘泥理化性质的影响

2.1 实验材料与方法

2.1.1 设备与仪器

2.1.2 实验方法

2.2 实验结果与讨论

2.2.1 实际循环水水质监测结果

2.2.2 实验所考察营养物质浓度范围的选择

2.2.3 营养物质浓度对生物粘泥EPS的影响

2.2.4 营养物质浓度对粘泥EPS中蛋白质与多糖比例(PR/PS)的影响

2.2.5 营养物质浓度对生物粘泥脱氢酶活性(DHA)的影响

2.3 本章小结

第三章 循环水中颗粒物及无机离子对生物粘泥理化性质的影响

3.1 实验材料与方法

3.1.1 设备与仪器

3.1.2 实验方法

3.2 实验结果与讨论

3.2.1 实际循环水水质监测结果

3.2.2 实验所考察营养物质浓度范围的选择

3.2.3 颗粒物及无机离子浓度对生物粘泥EPS的影响

3.2.4 颗粒物及无机离子浓度对粘泥EPS中蛋白质与多糖比例的影响

3.2.5 颗粒物及无机离子浓度对生物粘泥脱氢酶活性(DHA)的影响

3.3 本章小结

第四章 悬浮细菌对不同营养下生物粘泥理化性质的影响

4.1 实验材料与方法

4.1.1 设备与仪器

4.1.2 实验方法

4.2 实验结果与讨论

4.2.1 不同营养水平下悬浮细菌数量对生物粘泥组分的影响

4.2.2 不同营养水平下悬浮细菌数量对生物粘泥DHA的影响

4.3 本章小结

第五章 不同营养水平下生物粘泥生长过程的动力学分析

5.1 实验材料与方法

5.1.1 设备与仪器

5.1.2 实验方法

5.2 实验结果与讨论

5.2.1 不同营养水平下生物粘泥在诱导期和对数期的生长情况比较

5.2.2 不同营养水平下生物粘泥在平衡稳定期的生长情况比较

5.2.3 改进的动力学模型对不同营养水平下粘泥生长过程的拟合比较

5.3 本章小结

第六章 循环水中粘泥细菌群落结构多样性的PCR-DGGE分析

6.1 实验材料与方法

6.1.1 设备与仪器

6.1.2 实验方法

6.2 实验结果与讨论

6.2.1 不同营养水平下生物粘泥中的含菌量比较

6.2.2 生物粘泥细菌基因组总DNA的提取

6.2.316S rDNA片段扩增

6.2.4 DGGE谱图及细菌群落多样性分析

6.2.5 不同粘泥中细菌群落结构相似性分析

6.2.6 不同粘泥中优势菌种鉴定

6.2.7 所测部分序列16S rDNA系统进化树

6.2.8 实际应用建议

6.3 本章小结

第七章 杀菌剂对不同营养水平下生物粘泥的处理效果研究

7.1 实验材料与方法

7.1.1 设备与仪器

7.1.2 实验方法

7.2 实验结果与讨论

7.2.1 杀菌剂对不同营养下生物粘泥的剥落效果研究

7.2.2 杀菌剂对不同营养下生物粘泥的灭活效果研究

7.2.3 不同营养水平下形成粘泥的SEM分析

7.3 本章小结

第八章 结论及建议

8.1 结论

8.2 建议

参考文献

附 录

攻读博士学位期间取得的研究成果

致谢

作者简介