市政再生水补水的电厂循环冷却水系统微生物特征及控制技术研究

摘要

采用市政再生水作为电厂循环冷却水的补水水源是我国解决城市水危机的关键措施之一。与自然水体相比，市政再生水中微生物数量多，有机物和营养物质含量高，采用市政再生水作为补水水源，电厂循环冷却水系统将面临更为复杂的微生物问题。
　　本文在常规水质和微生物指标分析的基础上，综合应用现代分子生物学DNA技术、电化学分析和扫描电镜技术，实验室研究与现场试验相结合，首次系统全面地研究了市政再生水补水的电厂循环冷却水系统的水质特征、微生物特征、微生物对金属腐蚀行为的影响以及微生物化学控制技术，主要结论如下:
　　(1)根据23项水质指标的全分析结果，市政再生水中电导率、TDS、氯离子、表面活性剂含量是地表水的2～4倍，CODMn、总磷、溶解性总磷、溶解性正磷、总氮含量是地表水的1.5～2倍，细菌总数高1个数量级，表明采用市政再生水替代地表水作为补水水源，电厂循环冷却水系统的结垢趋势减缓，但腐蚀程度和微生物风险增大。
　　(2)市政再生水补水的电厂循环冷却水系统中，增大浓缩倍数，氯离子、电导率、硬度、硫酸根浓度成倍增加，浊度略有增加，铁离子浓度不变，表明水质的腐蚀性增强，析晶垢、颗粒垢、沉积物增多;CODMn浓度增加，氨氮浓度降低，表明硝化和亚硝化自养菌的代谢速率高于异养菌。升高温度，水中的硬度、浊度、正磷酸根浓度降低，表明析晶垢、微粒垢增多;CODMn浓度持续下降，氨氮浓度趋于稳定，异养菌数量大幅增长，因碱度降低，硝化菌和亚硝化菌的生长受到限制。
　　(3)市政再生水中污垢产量比地表水低44％，但单位质量污垢中的细菌总数和铁细菌含量分别是地表水的8.6倍和2.7倍，表明市政再生水替代地表水作为补水水源，电厂循环冷却水系统的污垢产量降低，但微生物腐蚀的影响增大。电镜扫描图片显示，碳钢在地表水中以均匀腐蚀为主，市政再生水中则为点蚀。
　　(4)市政再生水补水的电厂循环冷却水系统中，浓缩倍数和温度增加，污垢量增大，因此系统传热阻力和能耗损失增加。流速提高，污垢量变化不大，但污垢热阻升高，粘附率提高，剪切作用使污垢的密实度和粘附性能增强，机械清除难度增大。微生物对系统最不利的运行条件是:浓缩倍数4.0倍、温度35℃、流速0.8m/s～1.0m/s。添加缓蚀阻垢剂后，循环冷却水中有机物增加了92％，磷含量增大了43.5倍，因此导致污垢产量增加40％，污垢中粘液形成菌、异养菌总数增加80％，表明缓蚀阻垢剂导致微生物风险加剧。
　　(5)市政再生水含有悬浮微生物28种，优势菌种隶属于变形菌门β-变形菌纲的嗜甲基菌科。进入循环冷却水系统后，悬浮和固定微生物的物种分别为18种和44种，优势菌种仍然隶属于变形菌门的β-变形菌纲。添加水处理药剂后，循环冷却水中悬浮微生物种数为38种，菌种的数量分布较为均匀，优势菌种转变为隶属于厚壁菌门的葡萄球菌科，微生物种群结构改变的主要原因是循环水中有机物和磷含量的大幅增加。
　　(6)市政再生水补水的电厂循环冷却水系统中，虽然碳钢腐蚀最严重、不锈钢腐蚀最轻，但微生物对不锈钢腐蚀的影响却最大。以15d的平均腐蚀率计算，不锈钢MIC所占的比例为36.36％，是碳钢的1.6倍，黄铜的2.4倍。电镜扫描结果表明，不锈钢点蚀造成的微生物分布不均，可能是其MIC腐蚀严重的主要原因。
　　(7)市政再生水补水的电厂循环冷却水系统中，微生物化学控制技术研究结果表明，与异噻唑啉酮、生物分散剂DREWSPERSE738相比，氯锭和次氯酸钠对悬浮和固定微生物的作用效果最优。结合实际，建议采用氯锭为微生物控制药剂，同时根据其对细菌总数、铁细菌和硫酸盐还原菌的有效作用时间试验结果，确定其投加周期为3天。正交试验的结果显示，增加阻垢缓蚀剂，碳钢缓蚀剂和黄铜缓蚀的投加剂量，氯锭的杀菌率会相应增加。通过现场动态中试试验，提出微生物化学控制投药参数为:氯锭150mg/L，阻垢缓蚀剂8mg/L，黄铜缓蚀剂6mg/L，碳钢缓蚀剂6mg/L。

目录

声明

致谢

摘要

序

1．绪论

1．1 课题背景

1．1．1 市政再生水回用于火电厂循环冷却水系统的发展

1．1．2 火电厂循环冷却水系统及其微生物问题

1．2 国内外研究现状

1．2．1 循环冷却水系统的污垢及其形成过程

1．2．2 生物膜及其结构特性

1．2．3 EPS对污垢生物特性的影响

1．2．4 循环冷却水系统中微生物生长的影响因素

1．2．5 微生物对金属材料的腐蚀

1．2．6 循环冷却水系统中微生物的预防与控制技术

1．3 课题研究内容与技术路线

1．3．1 研究内容

1．3．2 技术路线

1．3．3 创新点

2．研究方法与材料

2．1 水质指标分析

2．2 微生物指标分析

2．2．1 细菌总数

2．2．2 粘液形成菌

2．2．3 铁细菌

2．2．4 硫酸盐还原菌

2．2．5 胞外聚合物

2．3 微生物种群结构分析

2．3．1 仪器和工具酶

2．3．2 主要试剂

2．3．3 DNA的提取

2．3．4 DNA浓度和纯度的检测

2．3．5 PCR扩增

2．3．6 TA克隆和测序

2．3．7 测序结果的拼接

2．3．8 OTU分析

2．4 电化学分析

2．4．1 电化学理论基础

2．4．2 测试方法与主要指标

2．4．3 工作电极

2．5 腐蚀失重法和电镜扫描

2．5．1 腐蚀失重法

2．5．2 电镜扫描

2．6 试验装置与材料

2．6．1 静态试验

2．6．2 动态模拟和现场试验

2．6．3 金属试片与试验管

3．循环冷却水系统水质特征研究

3．1 引言

3．2 市政再生水水质特征分析

3．2．1 市政再生水与地表水水质对比

3．2．2 春夏季市政再生水水质分析

3．3 循环冷却水水质变化规律

3．3．1 常规物理化学指标

3．3．2 微生物相关指标

3．4 小结

4．循环冷却水系统中微生物特征研究

4．1 引言

4．2 市政再生水与地表水中污垢微生物特征分析

4．2．1 污垢产量

4．2．2 胞外聚合物、蛋白质与多糖

4．2．3 细菌总数、铁细菌与硫酸盐还原菌

4．3 循环冷却水中污垢微生物特征影响规律研究

4．3．1 运行工况的影响

4．3．2 无机沙粒与缓蚀阻垢药剂的影响

4．4 市政再生水与循环冷却水微生物种群结构特征研究

4．4．1 DNA提取

4．4．2 PCR扩增

4．4．3 TA克隆与测序

4．4．4 市政再生水中悬浮微生物多样性分析

4．4．5 动态装置中循环冷却水微生物多样性分析

4．4．6 电厂系统中循环冷却水微生物多样性分析

4．4．7 微生物种群结构对比分析

4．5 小结

5．循环冷却水中微生物对金属腐蚀行为的影响研究

5．1 引言

5．2 不锈钢

5．2．1 腐蚀电位与腐蚀电流密度

5．2．2 交流阻抗分析

5．2．3 腐蚀速率

5．3 碳钢

5．3．1 腐蚀电位与腐蚀电流密度

5．3．2 交流阻抗分析

5．3．3 腐蚀速率

5．4 黄铜

5．4．1 腐蚀电位与腐蚀电流密度

5．4．2 交流阻抗分析

5．4．3 腐蚀速率

5．5 综合对比分析

5．5．1 腐蚀电位与腐蚀电流密度

5．5．2 交流阻抗分析

5．5．3 腐蚀速率

5．6 小结

6．循环冷却水系统中微生物化学控制技术研究

6．1 引言

6．2 化学控制技术优化研究

6．2．1 最佳化学控制药剂及其作用时间优化研究

6．2．2 缓蚀阻垢剂对微生物控制药剂作用效果的影响研究

6．3 动态装置模拟试验

6．3．1 运行工况

6．3．2 控制效果

6．4 小结

7．结论

参考文献

作者简历

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