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水处理微生物学课后习题答案
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【环境课件】水处理微生物学
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水处理微生物知识整理
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循环冷却水输水管壁生物膜生长发育及微生物腐蚀问题研究51
循环冷却水输水管壁生物膜生长发育及微生物腐蚀问题；应一梅??周瑞云??杨崇豪??苏??矗(华北水利水电学院环境与市政工程学院,郑州??4；????摘要??开发设计了一种模拟输水管道生物膜；关键词??循环冷却水??微生物腐蚀??脂磷??铁；Studyonthegrowthofbiofil；innerwallofcirculatingco；YingYimei,
循环冷却水输水管壁生物膜生长发育及微生物腐蚀问题研究应一梅??周瑞云??杨崇豪??苏??(华北水利水电学院环境与市政工程学院,郑州??450008)????摘要??开发设计了一种模拟输水管道生物膜反应器(SIBR)试验装置,该试验装置通过模拟一定输水条件下的管壁剪切力,实现了对输水管网水力特性的模拟,并获得国家专利。应用SIBR反应器模拟了循环冷却水输水管道中的水力条件,研究了以碳钢作为循环水输水管材时管内壁生物膜生长发育状况,探讨了微生物腐蚀机理,并采用X射线衍射技术对管壁腐蚀产物进行了分析。关键词??循环冷却水??微生物腐蚀??脂磷??铁细菌??SIBRStudyonthegrowthofbiofilmsandmicrobiologicalerosionsontheinnerwallofcirculatingcoolingwatertransportationpipeYingYimei,ZhouRuiyun,YangChonghao,SuZhe(NorthChinaUniversityofWaterConservancyandElectricPower,Zhengzhou450008,China)Abstract:TheSimulateInpipeBiofilmReactor(SIBR,PRCPatent),whichwasdevelopedthroughreproducingtheshearingstrengthontheinnerwalloftransportationpipeundercertainhydrodynamicconditions,wasproventobeagoodmodelingforthehydrodynamicsinwaterpipesystems.BasedonSIBR,thegrowthofinpipebiofilmsandtheprocessofmicrobiologicalerosionincarbon??steelpipesweredeveloped,andtheerosionproductswereanalyzedbyX??raydiffraction.Keywords:CirMiPISIBR????工业循环冷却水具有温度适宜(30~40??)、营养物质与溶解氧含量高等特点,极易导致微生物在冷却水系统中大量繁殖,造成输水水质恶化,形成生物粘泥,造成传热效率下降,管道腐蚀,输水管道能耗增加,堵塞冷却设备及输水管道,使工业企业的正常运行受到威胁。因此研究微生物在循环冷却水输水管道内的生长发育过程及管壁生物膜的形成具有重要意义,可以为控制微生物生长及其引起的金属腐蚀和粘泥控制提供理论指导。本文采用自行设计的一种新型模拟管道生物膜试验反应器(SimulateInpipeBiofilmReactor,SIBR),已获国家专利[1]。该装置不仅可以在循环冷却水输水管道管壁生物膜生长方面应用,还可以用于其他输水管道管壁生物膜的研究,如长距离输水管道、核电站海水工程、市政自来水工程、城市污水回用工程、污水农灌工程等管道。模拟实际的循环水输水管道,研究了循环冷却水输水系统管壁内微生物的生长发育状况,以及循环水的水质变化、管壁的腐蚀状况,并采用X射线衍射对管壁腐蚀产物进行了分析。1??试验装置及设计原理模拟循环冷却水输水系统试验装置采用SIBR,其结构见图1。国外对采用环状挂片物膜反应器(BiologicalAnnulaReactor,BAR)研究输水管道内生物膜的生长已有报道,并有专利产品[2]。BAR产品的载片随着转子一起转动,由于离心力作用,转动载片上生物膜的生长条件发生改变,与实际水流状况有差异。SIBR与BAR的最大区别是,SIBR让挂片固定不动而水动,模拟了实际输水管道中管道固定而水流动的真实状态,更接近真实的输水管道水??V34????2008??流状况。P=pV=??GV式中V
SIBR中水的容积,m。32(4)搅拌是由桨板搅拌器完成的。水流对桨板的阻力大小等于桨板施于水流的推力,于是水流消耗的功率等于桨板搅拌器施于水流的功率。把式(4)代入式(2),得:=图1??SIBR结构示意V(5)水在实际管道输送过程中与管壁间产生剪切力。描述管道输水系统的主要参数有:管道材质、管径d(m)、流速u、水力坡度i、水的密度??(kg/m)、水温t、水的粘度??等。于是,管道中水流与管壁间产生的剪切力 (Pa)见式(1)。i与管材、d、u有关。(1) =4由式(1)知,对于不同的管材、管径、流速条件下,水在管道中流动产生的剪切力大小不同。如果通过反应器模拟实现了输水管道中的剪切力即可以认为模拟了实际管道中输水的水力条件。根据这个思路,SIBR设计了一个圆筒状的反应器,将试验管材做成长条形的载片,竖直插入沿SIBR反应器内壁环形布置的燕尾型插槽内,载片即被固定在反应器内壁,载片表面提供了生物膜的生长面,用轴式桨板搅拌器使反应器中的水流旋转,控制转速可实现水流与反应器内壁四周的插片表面之间产生一个与实际输水管道中的剪切力相同,即可认为模拟了实际管道中输水的水力条件。载片材质的选择可与实际输水管道材质相同。根据牛顿内摩擦定律,在CSTR型的SIBR中,旋转水流与反应器内壁间的剪切力为:=??G(2)式中G
SIBR中旋转水流的平均速度梯度,s-1;??
水的动力粘度,Pa!s。SIBR反应器中水流的旋转由轴搅拌器提供,根据甘布(Camp)和斯泰因(Stein)公式[3]:G=(3)3控制桨板的输入功率P即可控制剪切力 。因此,由式(1)知,当输水管道的材质、管径、流速、水温已知时,就可以计算出在这一水力条件下的管壁剪切力,于是只要在SIBR内通过控制搅拌轴的转速(功率)来创造一个与之相同的剪切力,即可认为模拟了实际管道输水的水力条件。2??试验方法2.1??试验用水水质以市政供水为循环水补充水源,为模拟循环冷却水系统内高盐水特性,向补充水中加入Na2SO4、MgCl2、Na5P3O10、Na2CO3等盐类。配制的循环水水质符合?循环冷却水的水质标准#(GB),浓缩倍数为3.4。试验用循环水水质见表1。表1??试验用水水质项目补充水循环水pH6.86.8TDS/mg/LCl-/mg/L碱度(以CaCO3计)/mg/L774263486.97287.9132.97178.532.2??SIBR运行条件SIBR的材质为碳钢,内插入载片的材质为碳钢,每个载片的挂膜面积为30cm2。模拟DN500、流速1.35m/s、水温30??条件下的碳钢输水管道中的水力条件,经计算可知SIBR的运行转速应设定为700r/min。试验之前对SIBR及载片进行紫外消毒(3h)。将配好的试验用水放入水箱内,通过连接管通入SIBR内,出水循环使用。控制SIBR的运行转速为700r/min。2.3??检测项目和方法pH采用玻璃电极法,异养菌采用平板计数法(HPC),铁细菌采用多试管发酵MPN计数法,脂磷采用钼酸铵分光光度法,腐蚀量采用重量法,浊度采用浊度仪。式中p
SIBR反应器中单位体积水流所消耗的功率,W/m3。于是,SIBR中全部水流消耗的功率P为:????Vol????No??6??2008管壁生物膜剥离方法:在无菌条件下取出载片,首先使用无菌水将未附着在载片表面上的微生物冲洗掉。然后使用灭菌棉签擦拭载片未挂膜面(载片背面),擦拭完后用无菌水淋洗。将载片放入含有少量无菌砂的100mL无菌水玻璃瓶中,密封,放入超声波震荡器中震荡5min,停5min,连续3次,将载片表面生物膜清洗下来,使其进入水中破碎成单细胞悬浮状态,此水样即为待测水样。3??试验结果和分析3.1??SIBR碳钢载片表面异养菌、铁细菌生长曲线将配好的循环冷却水通入SIBR,反应器出水循环使用,应用SIBR碳钢反应器进行了13d的试验研究。试验发现,在通水运行之后,在碳钢表面形成了一层由腐蚀产物、微生物及其代谢产物组成的微生物黏膜。这层微生物膜对管材的腐蚀起到了一定的作用,Flemming认为大约20%的腐蚀来自微生物膜的作用[4],在碳钢金属腐蚀中,我们认为非常重要的腐蚀微生物是直接参与铁循环的铁细菌以及异养菌。试验对异养菌、铁细菌在管壁的生长发育状况进行了研究。载片上异养菌的生长曲线见图2,碳钢载片铁细菌生物量检测结果见图3。在10个/cm数量级水平。试验尽管采用了水质条件较好的自来水作为循环水运行系统的补充水源,但由于循环水是一敞开系统,加之为了控制循环水结垢问题通常要加入磷酸盐类的阻垢剂,易导致异养菌的繁殖,载片上异养菌的生物量仍保持在一个较高水平。由试验结果可见,碳钢载片上铁细菌生物量在2.5?10~3.6?10个/cm,铁细菌、异养菌两类微生物在管内壁共存,两类微生物生物量之和在4.5?103~8.7?104个/cm2,以铁细菌、异养菌为代表的总生物量在通水试验的第5天达到峰值8.7?10个/cm2,之后趋于稳定在104个/cm2数量级水平。3.2??生物量测定的对照试验在输水管壁内除了有异养菌、铁细菌的生长附着外,还会有其他的微生物生长,如硫酸盐还原菌、硝化菌等,人工培养基也具有一定的选择性,不适合培养基的微生物在与优势菌种的竞争中会逐渐处于劣势甚至被淘汰出局,加之生物膜的预处理非常困难,而且将菌胶团破碎成单细胞悬浊液几乎是不可能的,为了较准确的测定本次试验管内壁生物膜生物量,试验采用脂磷法这一原位测定方法测定了总生物量,与培养法进行了对比。原位测定不涉及生物膜与载体的分离及菌胶团的破碎,所用方法多为生物化学和物理方法等,可以避免培养法中细胞分离和培养基的选择性缺陷。脂类物质(Lipids)是所有细胞中生物膜(Biologicalmembrane)的主要组分,在细胞死亡后很快分解,它在细胞中的含量约为50??mol/g干重,不同生理学压力下的波动不超过30%~50%。90%~98%的生物膜脂类是以磷脂的形式存在的,磷脂中的磷(脂磷,Lipid??P)含量很容易用比色法测定,以它表示生物量已经在许多饮用水生物处理的研究中得到应用,并被证明是行之有效的3.2.1??试剂及标准曲线[7][6][5]434242。过硫酸钾、抗坏血酸、钼酸盐溶液按总磷测定的钼酸铵分光光度法制备。以KH2PO4溶液绘制标准曲线(标准储备液:50??gP/mL;标准溶液:吸取标准储备液1mL移入50mL容量瓶中,稀释至刻度线,摇匀,浓度为1??gP/mL)。分别吸取标准溶液0.00mL,0.10??V34????2008由图2可见,碳钢载片异养菌生物量在通水后的第5天,即由开始时的零迅速增殖上升达到最高值5?104个/cm2,之后异养菌数量逐渐趋缓,维持??mL,0.20mL,0.40mL,0.80mL,1.50mL,2.00mL,3.00mL,4.00mL加入25mL比色管中,稀释至25mL标线。分别向每个比色管中加入抗坏血酸0.5mL,混匀,30s后加入1.0mL钼酸盐溶液,充分混匀,室温下放置15min。以水为参比,700nm波长,30mm比色皿比色,制作标准曲线。脂磷测定的标准曲线见图4。????培养法测定的生物量占脂磷测定生物量换算成E.coli大小细胞数的0.%,两者相差10~10数量级,这一测定结果比Vestal认为能被培养出的种类和数量只有0.01%~10%还要低。脂磷法测定结果说明载片上生物量较高,在108个/cm2数量级,远高于以异养菌、铁细菌生物量为代表的10的数量级水平,对于微生物的腐蚀作用要引起重视。脂磷法用于载片上总生物量的检测是比较有效的,但不能反应出生物膜中的微生物种属,要检测分析微生物种属以及每种微生物的生长变化规律还须用培养基培养法。3.3??碳钢输水管道微生物腐蚀及SIBR出水水质变化SIBR碳钢反应器出水水质pH由6.8变化到435图4??脂磷测定的标准曲线8.92,发生较明显的改变,同时发现反应器出水浊度、色度升高,出水浊度变化情况见表3。表3??SIBR碳钢反应器出水水质变化情况运行时间??pH??浊度/NTU1d7.52393d5d9d11d13d3.2.2??样品测定将超声波清洗之后的悬浮液100mL先进行培养法细菌接种,约需要4mL水样,清洗之后碳钢载片仍放入玻璃瓶内,以供脂磷测定萃取磷用,向瓶内加入氯仿、甲醇的萃取混合液(体积比为1%2)30mL,用力振摇10min,静置12h。向瓶中加入氯仿10mL,使得最终氯仿%甲醇为1%1,静置12h。取出含有脂类组分的下层氯仿相转移至25mL具塞刻度试管,水浴蒸干。向试管中加入2mL5%过硫酸钾溶液,并加水至25mL刻度,在高压蒸汽灭菌锅内121??消解30min,按照制作标准曲线的方法测定消解液中的磷酸盐浓度。1nmolP约相当于大肠杆菌(E.coli)大小的细胞108个[8]。3.2.3??脂磷法生物量测定结果将脂磷法和培养计数法生物量测定结果进行对比分析,脂磷量按1nmolP约相当于大肠杆菌(E.coli)大小的细胞108个换算,培养法生物量以铁细菌和异养菌的生物量之和计算。对比结果见表2。表2??脂磷法和培养计数法生物量测定结果对比运行时间??脂磷法生物量/108个/cm21d1.933d1.835d0.559d1.2111d1.6613d1.15??8.41??8.33??8.50??8.69??8.92109243127216132????SIBR碳钢反应器浊度变化较为明显,试验用原水浊度0.4NTU,浊度最高升高到243NTU,静沉后有红褐色沉淀物。碳钢输水管道的腐蚀分为电化学腐蚀和微生物腐蚀。管壁生物膜的存在对于碳钢的腐蚀起到非常重要的作用。尤其是铁细菌和分泌黏液的异养菌。铁细菌通过将水中溶解的亚铁氧化成高价铁而获得能量,高价铁沉积于菌体鞘内或菌体周围。它们经常在输水管壁上附着生长,吸收水流中有机和无机营养物质并不断的吸附水中无机离子形成结瘤。循环冷却水水质溶解氧浓度相对较高,为碳钢的腐蚀提供了去极化剂。溶解氧的去极化作用产生OH也可能是SIBR出水pH升高原因之一,pH升高导致碳酸钙垢形成,并沉积到管壁上。在管壁腐蚀产物分析中检测到碳酸钙垢存在。铁细菌的腐蚀机理可以用构成电化学腐蚀来解释,反应生成的Fe氧化能力很强。腐蚀形成的腐蚀产物Fe(OH)2、Fe(OH)3,在水中发生反应生成二次产物。Fe(OH)2+2Fe(OH)33O4+4H2O3+-??培养法生物21000量/个/cm2??培养法生物量/脂磷法生物0.010.20.????Vol????No??6??2008腐蚀产物一部分在水溶液中,使得水的浊度色度升高,一部分腐蚀产物附着在管壁上,这些腐蚀产物质地较为疏松,在管壁表面上形成小型鼓包,在试验过程中发现载片上鼓包的存在,厚约3~10mm,腐蚀表面不均匀。随着运行时间的增加,在管壁表面附着生物膜的厚度不断增加,在生物膜中形成黏液的异养菌对于金属的腐蚀也起到了重要作用,异养菌较易黏附在管壁上面,同时吸附水中的杂质在其表面,形成粘泥状生物膜,这些有较好的吸附作用、结构疏松的生物膜不能很好的起到保护膜作用,反而对于构成局部的腐蚀原电池以及腐蚀的物质扩散屏障起到重要作用。生物膜的存在,一方面影响水中溶解氧或H+的扩散,使得溶解氧或H+的扩散速度减慢,在其周围形成了浓度差。以溶解氧为例:由于腐蚀产物的阻挡,形成了在腐蚀点四周的溶解氧浓度大于此腐蚀点上的溶解氧浓度的情况。这样,它的四周便成为阴极,腐蚀点本身成为阳极,导致局部腐蚀。腐蚀所产生的Fe会通过疏松的二次产物层慢慢向外扩散,遇到铁细菌、OH-或O2等,将Fe2+转化为Fe3+的沉淀物,腐蚀产物层越积越厚,形成的鼓包也会愈来愈大,鼓包下面形成腐蚀坑。图5为局部腐蚀结构示意。2+(2)SIBR碳钢载片异养菌生物量在通水后的第5天,即由开始时的零迅速增殖上升达到最高值5.0?104个/cm2,之后异养菌数量逐渐趋缓,维持在10个/cm数量级水平。碳钢载片上铁细菌生物量为2.5?103~3.6?104个/cm2,铁细菌、异养菌两类微生物生物量之和为4.5?103~8.7?104个/cm。(3)应用脂磷法测定了总生物量,与培养法进行了对比。培养基培养法测定的生物量占脂磷测定生物量换算成E.coli大小细胞数的0.%,两者相差103~105数量级,脂磷法测定的生物量在108数量级,远高于104的数量级水平,说明碳钢载片上生物量也远高于10的数量级水平。(4)通过X射线衍射分析,SIBR反应器碳钢载片上的腐蚀产物、沉积物主要是Fe3O4、FeO(OH)、CaCO3。参考文献1??杨崇豪,周瑞云,杨超.模拟管道生物膜试验反应器,中国专利,ZL1,200702122??LawrenceJR,SwerhoneGDW,NeuTR.Asimplerotatingannularreactorforreplicatedbiofilmstudies.MicrobiologicalMethods,~2243??严煦世,范瑾初主编.给水工程.第4版.北京:中国建筑工业出版社,19994??FlemmingHC.Microbiallyinflencedcorrosionofmaterial.Eco??nomicalandTechnicalOverview.1996,55NarasimmaluR,OsamuM,NorifumiI,etal.VariationinMicrobialbiomassandcommunitystructureinsedimentsofeutrophicbaysasdeterminedbyphospholipidsester??linkedfatty4232图5??局部腐蚀结构示意acids.ApplEnvironMicrobiol,):562~5716??LazarovaV,ManemJ.(10):7??中国标准出版社编.水质分析方法国家标准汇编(1996).北京:中国标准出版社,19968??于鑫,张晓健,王占生.饮用水生物处理中生物量的脂磷法测定.给水排水,):2~5Biofilmcharacterizationandactivityanalysisinwaterandwastewatertreatment.WatRes,1995,29试验中将生物膜剥落下来之后,发现管壁的坑蚀、点蚀现象较为明显,载片表面形成了凹陷的腐蚀坑,应用X射线衍射技术对碳钢载片腐蚀产物、沉积物进行了分析,分析结果表明载片表面腐蚀产物、沉积物主要是Fe3O4、FeO(OH)、CaCO3。说明碳钢管材在循环冷却水系统运行中不仅存在铁的腐蚀问题,还存在钙的结垢问题。4??结论(1)应用SIBR实现了对循环冷却水输水管道水力条件的模拟,研究了以碳钢作为循环水输水管材时管内壁生物膜生长发育状况。????&电话:(6E??mail:收稿日期:修回日期:??V34????2008??包含各类专业文献、各类资格考试、高等教育、生活休闲娱乐、专业论文、中学教育、循环冷却水输水管壁生物膜生长发育及微生物腐蚀问题研究51等内容。
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