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自把水作為熱交換工質之日起，受熱表面和傳熱表面的結垢就成為熱交換工藝中主要困擾問題之一。200餘年來，人們對垢種、成垢原因已有充分研究，推出了各種防垢技術，但是至今仍未得到徹底解決；在防垢的同時發展了清洗技術，作為保持受熱面和傳熱表面清潔的輔助手段。

　　第1節　垢

　　垢是在受熱面或傳熱表面上的附著物。使用天然水作為工作介質的時代，垢是由水中沉澱結晶出來的碳酸鹽，稱作水垢。當硬度鹽類被完全除去後，受熱面自身腐蝕產生的腐蝕產物附著於金屬表面上，仍然和水垢一樣影響傳熱，因此也是垢層。

　　1水垢及其鑒別

　　在受熱面與傳熱表面上沉積的附著物層均可稱作水垢。在鍋爐中常出現由碳酸氫鈣分解產生的一次水垢和因排汙不及時由水渣轉化成的二次水垢；在熱交換器中，尤其是迴圈冷卻系統中，含有碳酸氫鹽分解產物和微生物污泥。

　　高矽或高硫酸鹽的水可產生極難清洗的矽垢和硫酸鹽垢，即使用經處理後的水這種垢也可形成。例如採取弱鹼樹脂進行離子交換時鍋爐水可富集矽酸鹽；用硫酸中和碳酸鹽防垢時，冷卻水高度濃縮可能析出硫酸鈣水垢。

　　1.1碳酸鹽水垢及其鑒別

　　碳酸鹽水垢是受熱面和傳熱表面上最常見的垢種。在飲用水的茶爐和家用熱水器內產生的大都是碳酸鹽水垢，家庭用的水壺和電熱飲水器中結的也大多是這種垢。碳酸鹽水垢還是低壓蒸汽鍋爐和熱水鍋爐受熱面的主要垢種，也是迴圈冷卻水系統和熱交換器傳熱表面的主要垢種。

　　1.1.1碳酸鹽水垢的基本性狀

　　碳酸鹽水垢外觀為白色或灰白色。如果設備有腐蝕時，會染上腐蝕產物的顏色。氧氣豐富時，腐蝕產物以三氧化二鐵為主，垢呈粉紅色或紅色；氧氣供應不足時，腐蝕產物以四氧化三鐵為主，垢呈灰白色或灰褐色。

　　碳酸鹽水垢質硬而脆，附著堅牢，難以剝離刮除。自然界中碳酸鹽有多種形式和成分，碳酸鹽水垢也與之相對應。自然界中常見的碳酸鹽有石灰石、大理石、漢白玉和方解石，它們都是碳酸鈣，但是性狀有很大差異，石灰石呈青灰色，大理石研磨後有各種花紋，漢白玉為白色，方解石為白色結晶。水垢類似於大理石和漢白玉，其斷口呈顆粒狀，較厚而且夾雜有腐蝕產物或其他雜質時，由斷口處可觀察到呈層狀沉積的特點(如圖2-1中白色物質)。

　　 

　　碳酸鹽水垢產生在設備受熱和工質水有濃縮的部位，哪裡受熱程度最強烈，哪裡結垢就最嚴重。

　　1.1.2碳酸鹽水垢的組成

　　碳酸鹽水垢中含80%以上碳酸鈣，如果水中矽酸鹽及硫酸鹽含量低且設備不存在腐蝕時，碳酸鈣的含量可達95%左右。碳酸鹽水垢中常含有少量鎂鹽，它以氫氧化鎂形式存在。呈灰白色或粉紅色的碳酸鹽水垢中常含有少量二氧化矽和氧化鐵。

　　進行化學成分分析時，所測得垢中的金屬氧化物及雜質含量的總量不超過60%，其原因是碳酸鹽水垢含有碳酸酐(二氧化碳)和水，它們在用酸分解垢樣時分別進入空氣和溶液中(水)，不便用化學方法測量。通常在作水垢成分分析時，把無機碳(碳酸酐)和有機碳(有機物粘泥中可燃部分)都計入灼燒減量中，化合水分和羥基也進入灼燒減量中。如果要測量碳酸酐含量，可採取酸堿滴定法或管式爐灼燒吸收法測量。

　　表2-1列出了典型的碳酸鹽水垢化學成分。

　　 

　　1.1.3碳酸鹽水垢的鑒別特徵

　　進行化學成分分析可以確認垢種，但是費時較長，費用較高。因此可根據垢的基本性狀並對照各種垢的特點來鑒別垢種。

　　碳酸鹽水垢是各種水垢中最易溶於稀酸的，常見的無機酸與有機酸均可將其溶解。在用酸溶解碳酸鹽水垢時，將產生大量二氧化碳氣泡，這是其主要特徵。在常溫的5%以下稀鹽酸中，碳酸鹽水垢可全部溶解。100g碳酸鹽水垢溶于酸中時，可放出20餘升二氧化碳氣體，其反應如下:

　　 

　　碳酸鹽水垢的另一特點是，在850～900C下灼燒時，水垢品質損失近四成，這是由於二氧化碳與化合水分分解的緣故。由於二氧化碳的消失，水垢變得鬆散，並可溶于水中，使水溶液呈鹼性。碳酸鈣灼燒變成氧化鈣和氧化鈣溶于水形成氫氧化鈣的反應如下:

　　 

　　 

　　觀察水垢溶解後的少量殘渣及注意水垢灼燒時的氣味，可瞭解垢中所含雜質。溶解之後的少量殘渣如果為白色是矽酸鹽，如果呈黑褐色是腐蝕產物。灼燒時如果嗅到焦糊氣味是有機炭(碳水化合物)，如果嗅到腥臭味是微生物污泥。

　　1.2磷酸鹽水垢及其鑒別

　　磷酸鹽水垢產生於進行磷酸鹽防垢處理的2.5MPa、3.8MPa及其以上鍋爐中，也產生於採取水質穩定處理的熱水鍋爐和供熱系統中。迴圈冷卻水採取磷酸鹽阻垢處理或採用膦酸鹽系列水質穩定劑時，也常產生磷酸鹽水垢。

　　磷酸鹽水垢往往是和碳酸鹽水垢共存的。鍋爐中，當軟化水的殘餘硬度過高時，當凝汽器管洩漏時，鍋爐受熱面既結碳酸鹽水垢，又會由於產生大量磷酸鹽水渣未能及時排除，而形成二次水垢。對於迴圈冷卻水系統來說，濃縮倍率偏高，磷(膦)系列水質穩定劑劑量不足、藥齡過久或藥效不理想均可產生磷酸鹽水垢。

　　通常把碳酸鹽含量(灼燒減量加氧化鈣)不足50%而磷酸鹽含量超過10%的垢種稱作磷酸鹽水垢。

　　1.2.1磷酸鹽水垢的基本性狀

　　磷酸鹽水垢外觀為灰白色，質地較為疏鬆。僅有碳酸鹽和磷酸鹽的水垢呈灰白色就是由於磷灰石是灰色。如果有腐蝕產物則呈灰紅色或紅褐色，鍋爐中或給水中加有除氧劑時，垢的顏色多呈灰黑色。

　　磷酸鹽水垢的附著能力差，容易用捅刷刮磨等方法除去。不受熱部分的磷酸鹽垢鬆軟，呈堆積狀。磷酸鹽垢隨受熱面的熱流強度和金屬溫度升高而結垢嚴重，垢質也變得堅硬難除。

　　1.2.2磷酸鹽水垢的組成

　　低壓鍋爐和熱交換器的磷酸鹽水垢中常含有15%～20%的磷酸酐和大致等量的碳酸鹽。鍋爐壓力越高，碳酸酐含量越低，這是由於在5MPa下碳酸鈉基本可分解轉化為氫氧化鈉的緣故。

　　除了與磷酸酐、碳酸酐對應的鹼土金屬氧化物之外，垢中常含有一定量的腐蝕產物和矽酸鹽。表2-2列出了典型的磷酸鹽水垢化學成分。

　　 

　　表2-2所列的垢取自鍋爐中，由於壓力較高，作為灼燒減量損失的碳酸酐僅3%左右。在鍋爐中鎂鹽與矽酸鹽結合為蛇紋石(3MgO·2SiO2·2H2O)，鈣鹽主要形成鹼性磷灰石，其成分為Ca10(OH)2(PO4)6。前者在灼燒時也有一定程度的品質損失，不超過蛇紋石量的13%。

　　1.2.3磷酸鹽垢的鑒別特徵

　　磷酸鹽垢與碳酸鹽垢外狀近似，而且其中常含一定量的碳酸鹽垢。兩者的區別在於磷酸鹽垢在常溫下不能在5%以下稀酸中全部溶解，需要加熱助溶，或者用10%以上的酸而且在溫熱條件下使之全溶。

　　在用酸溶解磷酸鹽垢時，由產生氣泡情況可以瞭解其中碳酸鹽垢所占比例大小。如果基本不冒氣泡，則是單純的磷酸鹽垢。

　　由水處理工藝也可以判別磷酸鹽垢。天然水中基本不含磷酸鹽，除非人工投加磷(膦)酸鹽，否則在受熱面和傳熱表面上不會產生磷酸鹽水垢。

　　1.3矽酸鹽水垢與硫酸鹽水垢及其鑒別

　　這兩種水垢外觀均呈白色，有雜質時為灰白或粉紅色。但是它們都不溶於酸，據此可以將它們區別於碳酸鹽水垢和磷酸鹽水垢。

　　矽酸鹽水垢產生于原水二氧化矽含量高的鍋爐或迴圈冷卻水系統中，有的水處理工藝使用水玻璃作為助凝劑或分散劑、緩蝕劑，更容易結矽酸鹽水垢。

　　在天然水的強酸陰離子中，硫酸根的含量最高，通常為100mg/L以上，有的達300mg/L以上。這種水作為鍋爐補充水的原水進行軟化處理時，或作為迴圈冷卻水的補充水進行高濃縮倍率處理時，難免要結硫酸鈣水垢。

　　1.3.1矽酸鹽水垢和硫酸鹽水垢的基本性狀

　　矽酸鹽垢和硫酸鹽垢往往不是單獨出現的，它們與其他垢種共存。但是，由於它們難於溶解除去，對受熱面和傳熱表面的熱阻影響較大，因此，當它們各自的含量在垢中達20%時，就可分別認為這種垢是矽酸鹽水垢或硫酸鹽水垢。

　　這兩種垢均呈白色或灰白色，有時呈粉紅色，在受熱面或傳熱表面上結成硬質薄層，附著牢固，質硬而脆，敲擊或鏟刮時能呈小片狀剝離，難以用常規的機械方法清除，也不能用酸清洗除去。

　　1.3.2矽酸鹽和硫酸鹽水垢的組成

　　矽酸鹽水垢、硫酸鹽水垢都可和碳酸鹽水垢或磷酸鹽水垢共存；但是其含量較高時，會使垢層難以清除。因此，不再稱作碳酸鹽水垢或磷酸鹽水垢，而是根據垢中有20%或更高含量的難溶成分定名。這類垢的組成和碳酸鹽水垢或磷酸鹽水垢相近似，只是垢中矽酸鹽或硫酸根(硫酸酐)含量偏高。表2-3舉出了矽酸鹽水垢成分作為例證，該垢是與銅鐵垢共存的矽酸鹽水垢，並有一定量的硫酸鹽水垢，難溶於酸液。1.3.3矽酸鹽和硫酸鹽水垢的鑒別特徵

　　設備無腐蝕現象時，矽酸鹽水垢和硫酸鹽水垢的外觀與碳酸鹽水垢或磷酸鹽水垢接近，但是比它們更為堅硬，附著更為牢固。當設備有腐蝕現象時，尤其是產生附著物下的局部腐蝕時，該處的矽酸鹽水垢或硫酸鹽水垢可被染成灰黑、紅褐或赤紅色。

　　如前文所述，如果將垢置於5%的稀鹽酸中，不加熱即迅速溶解，且伴隨有大量氣泡產生，則是碳酸鹽水垢；如果溶解速度較慢，產生氣泡較少，但是加熱時溶解迅速，尤其是在10%含量以上、70℃溫度以上的鹽酸中快速溶解者，是磷酸鹽水垢。將鹽酸含量提高到20%以上並加熱，如果仍有一定量的白色水垢不能溶解，則可認為剩餘物是矽酸鹽或硫酸鹽。

　　將不溶物用濾紙濾出並清洗，直到濾液中加入1%酸性硝酸銀不出現混濁時，將濾紙連同不溶物置於燒杯中，加入150mL去離子水並攪拌，當以硫酸鹽水垢為主時，不溶物將減少，向其中加入1%氯化鋇溶液，如果有大量白色沉澱產生，表明硫酸鹽含量較高；如果不溶物無溶解減少現象，而且加入氯化鋇溶液也不出現混濁和沉澱，則表明垢中含矽酸鹽。

　　1.4磷酸鐵鈉水垢及其鑒別

　　磷酸鐵鈉水垢產生於高壓鍋爐，這是在鍋爐有腐蝕而且以鐵為主的腐蝕產物較多時產生的。此時。向鍋爐中投加的磷酸鈉可與亞鐵離子作用形成沉積物，附著於鍋爐水冷壁管表面。

　　1.4.1磷酸鐵鈉水垢的基本性狀

　　磷酸鐵鈉垢與磷酸鹽水垢相近，但是由於發生了腐蝕，垢層為黑褐色。該垢較疏鬆，易用機械方法清除掉。

　　該垢在酸中的溶解特點與磷酸鹽水垢相似，所不同的是它還可溶於強鹼中。磷酸鐵鈉與堿的反應受水的飽和溫度影響較大，在鍋爐水溫低於200C時生成磷酸鈉和氫氧化鐵；超過200℃，生成磷酸氫二鈉和亞鐵酸鈉。其反應為:

　　 

　　1.4.2磷酸鐵鈉水垢的組成

　　該種垢是特殊的磷酸鹽水垢，可以看作是酸性磷酸鹽與氫氧化亞鐵的複合物，符合NaFePO4的分子式。但是其中也會夾雜有其他成垢物質。表2-4是較為典型的磷酸鐵鈉垢的化學成分。

　　 

　　1.4.3磷酸鐵鈉垢的鑒別特徵

　　磷酸鐵鈉垢只產生在高參數鍋爐中，低壓供汽鍋爐、熱水鍋爐、熱交換器和迴圈冷卻水系統中不產生此類水垢。當高參數鍋爐結有磷酸鐵鈉垢時，將產生鹽類隱藏現象。

　　鍋爐受熱面結磷酸鐵鈉垢時，鍋爐內的水質在鍋爐使用過程中會呈現一些特殊現象。每遇到鍋爐啟動或停止運行，爐水成分會有異常變化。通常是在不向鍋爐投加磷酸鈉而且停止排汙的情況下，鍋爐升壓過程中，鍋爐水的含鈉量、電導率、磷酸根含量、含鐵量、甲基橙鹼度將自動升高，酚酞鹼度下降或不變，pH值有所下降；當鍋爐壓力達到某一數值(例如50%以上額定參數)時，鍋爐水的含鈉量、電導率、磷酸根含量、含鐵量、甲基橙鹼度會自動降低，酚酞鹼度和pH值會有所升高。這是由於鍋爐受熱面上的磷酸鐵鈉溶出和再沉澱之故。如果鍋爐有此現象，表明受熱面的腐蝕產物量已大到有進行清洗的必要了。

　　1.5腐蝕產物(鐵銅的氧化物)及其鑒別

　　當水垢中鐵和銅的氧化物含量超過50%時，儘管其中還有鈣鎂等鹼土金屬氧化物和碳酸酐、磷酸酐等成垢物質，也將其作為腐蝕產物看待。

　　事實上，在腐蝕坑中採集的附著物是以設備腐蝕產物為主；在一般受熱面上採集的試樣，則兼有設備腐蝕產生的和外來沉積的兩部分。

　　1.5.1腐蝕產物的基本性狀

　　腐蝕產物可產生於任何受熱面和傳熱表面，但是，在介質溫度較低的設備上它僅作為垢中夾雜物存在。隨著介質溫度升高，設備腐蝕加重，腐蝕產物在垢中含量顯著增加。在高參數鍋爐的受熱面上，附著物以腐蝕產物為主。圖2-2中自右向左，鍋爐壓力分別為低壓、中壓、高壓和超高壓，宏觀可以看出其中腐蝕產物的變化。

　　腐蝕產物以黑褐色為主，當水中含有豐富的氧時多呈紅色；在一般的鍋爐和熱交換器中氧的供應不足，多呈黑色。如果腐蝕產物中含銅較多，銅可由於電化學作用而以金屬形態存在，腐蝕產物呈紫紅色，並能看到金屬光澤。如果是在腐蝕坑中採集得到，附著物層常呈貝狀，邊緣薄而中間厚。

　　1.5.2腐蝕產物(鐵銅垢)的組成

　　腐蝕產物與系統、設備的材質有關，常見的成分是鐵、銅的氧化

　　 

物(銅含量高時可游離存在)和其他Ca2+、Mg2+鹽類。表2-5是以鐵的氧化物為主的垢；表2-6則以銅為主。

　　 

　　1.5.3腐蝕產物(鐵銅垢)的鑒別特徵

　　鐵銅垢的外觀與鈣鎂垢明顯不同，容易鑒別。由顏色偏紅或偏黑可以得知是以高價鐵為主還是以低價鐵為主。如果見到有紫紅色金屬光澤，則其含銅量可達50%以上。

　　水垢灼燒時品質減少，鐵銅垢灼燒時品質則常增加。這是灼燒時垢中銅氧化為氧化銅，氧化亞鐵氧化為氧化鐵，另外磁性氧化鐵可看作氧化鐵與氧化亞鐵的複合物，它在灼燒時品質也有所增加。

　　 

　　 

　　銅氧化為氧化銅時品質增加25.14%；氧化亞銅氧化為氧化銅時品質增加11.18%；氧化亞鐵氧化為氧化鐵時品質增加11.15%；磁性氧化鐵氧化為氧化鐵時品質增加3.44%。在粗略地探求垢中鐵銅的存在形式時，可由其含量與灼燒增量按上述關係推知。

　　鐵銅的腐蝕產物較矽酸鹽垢和硫酸鹽垢易溶，但是比碳酸鹽垢和磷酸鹽垢難溶得多，它甚至難溶於常溫的濃鹽酸中。加熱到接近沸騰溫度時，它可溶於20%以上的鹽酸中，但是需時較長。在鹽酸中加入少量硝酸並加熱可使之溶解，這是由於在溶解過程中，亞鐵離子和亞銅離子被氧化為高價，破壞了溶解平衡之故。

　　鐵銅垢溶解後的溶液帶有一定顏色。如果以鐵為主時，溶液呈淡黃色；如果以銅為主時，溶液呈淡綠色。

　　用氨水中和鐵銅垢的酸溶液可輔助鑒別。鐵在中和至pH≥6時，可產生棕紅色絮狀氫氧化鐵沉澱；pH值再高，銅可產生淺藍色氫氧化銅沉澱；如果含銅量較高，在過量的氨水中可產生深藍色的銅氨絡離子。

　　2 微生物污垢

　　在鍋爐和高溫熱交換器的運行溫度下，微生物難以存活，因此僅有水垢的困擾。在迴圈冷卻水的工作溫度下，微生物生長旺盛，許多阻垢劑常常是微生物的營養源，因此，微生物粘泥的汙塞作用是冷卻水及低溫換熱器的危害之一。

　　2.1工業冷卻水系統中的微生物

　　微生物是低等生物的統稱，其個體小，但是裂殖繁衍快，可形成很大的群體。在工業冷卻水中常見的是病毒、細菌、真菌、藻類和原生動物。但是有時也把水生物中較大的個體歸入其中，這是由於它們同樣造成汙塞，同樣可被殺菌滅藻劑殺滅。

　　2.1.1病毒

　　微生物是指無法用肉眼觀察的微小生物，其中最微小的生物是病毒。病毒能通過過濾細菌的濾器、濾膜和濾層，其尺寸約為50～500nm，大型病毒能用光學顯微鏡觀察到，小型病毒只能用電子顯微鏡觀察。病毒由蛋白質與核酸組成，它沒有完整的細胞結構，並在活的細胞內繁殖。病毒對人體有害，但對迴圈冷卻系統的汙塞傳熱無顯著影響。

　　2.1.2細菌

　　細菌是單細胞生物，其尺寸為0.5～10μm，亦即最小的細菌個體與最大的病毒相當。細菌有呈球形和杆形者，也有呈弧形和螺旋狀者。

　　細菌外層為細胞壁和細胞膜，內含營養豐富的細胞質與代謝產物，核心部分是細胞核。細胞核的主要成分是去氧核糖核酸和蛋白質。

　　細菌以分裂的形式繁殖，以2n的速度增長。細菌的分裂週期稱世代時間，一般為20～30min。細菌在生長繁殖過程中，從迴圈冷卻水中吸收營養，本身產生新陳代謝的產物。細菌繁殖的群體、其代謝產物和已死亡的細菌都是在傳熱表面積汙的主要原因。

　　2.1.3真菌

　　真菌的形體大於細菌，其尺寸是細菌的幾倍到幾十倍，構造也更複雜，有單細胞生物，也有多細胞生物。單細胞真菌呈球狀或橢圓形；多細胞真菌有孢子和菌絲。真菌的孢子有圓形、橢圓形、棒形等，並常帶有顏色，菌絲呈絲狀。真菌靠營腐生長或寄生生存，既可以裂殖方式無性繁衍，也可以孢子接合有性繁殖。在迴圈冷卻系統中，真菌不構成汙塞，但在停用的設備中真菌的代謝物可對設備產生腐蝕。

　　2.1.4藻類

　　藻類是比菌類更高級的植物。菌類不含葉綠素，藻類細胞內含葉綠素，可靠光合作用攝取營養。在迴圈冷卻水系統中藻類是主要的汙塞原因之一，常見的藻如藍藻、綠藻、矽藻、球藻、絲藻、團藻、魚腥藻等，能使水染色，帶有草腥味或魚腥味，並使迴圈冷卻水渾濁，附著物變得粘稠易附難除。因此藻類是主要的殺滅對象之一。

　　2.1.5原生動物

　　原生動物有最簡單的單細胞動物和多細胞動物，由於其形體微小，肉眼難以發現，也是微生物。形體小的原生動物為纖毛蟲、草履蟲等；較大些的原生動物如輪蟲、線蟲、變形蟲、甲殼類生物，它們可在低倍顯微鏡下觀察到，或用肉眼觀察到。原生動物不是迴圈冷卻水汙塞的主要原因，但也在應殺滅之列。

　　能夠穿過濾網的較大的水生物，通常不會在迴圈冷卻水系統中停留，尤其不會卡塞在冷卻表面(換熱器管子)上，但是有些介殼類生物可在其上附著繁殖，對傳熱造成較大影響。

　　2.2對冷卻水系統影響較大的細菌

　　迴圈冷卻水中含有微生物後，首先是出現令人不快的氣味和顏色，其次是形成有機物粘泥影響傳熱。迴圈冷卻水的氣味來自菌藻自身或其代謝產物。例如鐵細菌有鐵腥味並使水呈黑色或紅色，硫細菌有硫化氫的惡臭並使水呈黑色，藻類使水變綠，有黴腐味和腥味。

　　2.2.1鐵細菌

　　鐵細菌除造成冷卻水系統汙塞之外，還引起設備腐蝕。鐵細菌有鏽鐵菌與蓋氏鐵菌等類別。鏽鐵菌可在冷卻水系統和冷卻管中附著，它可形成菌絲，聚集成菌苔，使鋼鐵設備腐蝕，使管道堵塞。河北某電廠迴圈水管道腐蝕穿透，經對腐蝕產物進行細菌培養，檢出大量鏽鐵菌；北京某熱電廠鍋爐補充水處理系統堵塞嚴重，經培養與鏡檢有大量呈絲狀糾結的蓋氏鐵細菌和桿菌組成的細菌膜。鐵細菌在鐵被腐蝕時得到營養，鐵細菌也可與水中亞鐵離子起作用。亞鐵離子在鐵細菌的原生質中被氧化而提供營養與熱量，氧化反應產物貯存在鐵細菌的粘性鞘膜的膠質物中，在細菌呼吸時以鐵銹形式排出，鐵細菌本身也呈鐵銹色。其氧化反應如下:

　　 

　　2.2.2硫化細菌與反硫化細菌

　　硫化細菌依靠水中有機質的硫分存活，它們可以把蛋白質中含硫氨基酸分解為硫化氫，也可由反硫化細菌把硫化氫經次亞硫酸、亞硫酸而轉化為硫酸。硫化細菌使水具有難聞的臭味，反硫化細菌可引起設備腐蝕。這些細菌的生存繁殖過程中都可使冷卻水系統汙塞。

　　2.2.3硝化細菌與反硝化細菌

　　硝化作用是在好氣條件下，硝化細菌使氨氧化為硝酸。此過程經由兩個階段，首先是由亞硝酸細菌將氨氧化為亞硝酸；再由硝酸細菌將亞硝酸氧化為硝酸，反應如下:

　　 

　　反硝作用是經由厭氣菌將硝酸還原為亞硝酸鹽，再將亞硝酸還原為氨(胺)。這個過程中起作用的厭氣菌分別稱為硝酸鹽還原細菌和亞硝酸鹽還原細菌。

　　水中有機物蛋白質如氨基酸可被氨化細菌分解為氨，使水有氨臭。

　　硝化細菌、反硝化細菌及氨化細菌的活動使水質被污染，其分解產物粘附於傳熱面上形成污垢，並對設備產生腐蝕。

　　2.3細菌的鑒別測定

　　在防治冷卻水系統汙塞時，往往要瞭解細菌的種類、數量，以便有針對性地殺滅。鑒別時，先從冷卻水系統取出樣品。將樣品接種在細菌可以迅速生長的培養基中，經過一定時間後，可以測量細菌增殖的效果或計數正在生長的細菌菌落。選擇對於所關心的細菌生長具有某種專一性的培養介質和培養條件，就可在不同的細菌之間作出區別。用顯微鏡檢查，或者試驗所生長的細菌菌落，可更肯定地作出鑒定。

　　2.3.1鐵細菌的培養與鑒定

　　用鐵細菌培養基進行培養。常用的培養基為:檸檬酸鐵銨10g，含結晶水的硫酸鎂0.5g，硫酸亞鐵銨0.5g，磷酸氫鉀0.5g，氯化鈣0.2g，硝酸鈉0.5g，瓊脂20g，共溶入1升去離子水中，調pH值至6.8～7，120C溫度下滅菌20min。做成平板後，將適度稀釋的水樣接人平板上，在28～30C下培養3天，如果有黃白色菌落即是。

　　也可用硫酸錳0.1g，瓊脂20g在1升水中，調pH值到7.8～8，滅菌20min。在同樣條件下培養，在培養基上出現棕黑色菌落即是。

　　鏡檢時，會發現鐵細菌為絲狀，蓋氏鐵柄桿菌則糾結在一起。用化學方法檢查時，錳培養基的菌落檢出有鐵離子則可確認。

　　2.3.2硫細菌的培養和鑒定

　　用硫化鉀8g，磷酸氫二鉀0.2g，氯化銨0.1g，氯化鎂0.1g，瓊脂20g，在1升去離子水中，120C下滅菌20min。將適度稀釋的水樣接種在該培養基平板上，于30C培養3～5天，或者先在液體培養基中同樣條件下培養3～5天，再把液體培養物轉接於固體培養基平板上，如果出現黃白色或紅褐色菌落，可能分別是硫絲菌及紅硫菌。在液體培養基中加入1%氯化鋇溶液，如果有白色沉澱產生表明是硫細菌。如果反應不明顯，可延長培養時間到10天以上，或使用10%氯化鋇溶液檢驗。

　　硫酸鹽還原細菌是厭氧菌，在缺氧條件下培養。為此可使用大試管盛培養液，接種後用膠塞塞緊，再以石蠟封固。溶液應盛滿試管而不存留氣泡。所用的培養基為氯化鈉5g，含結晶水硫酸鎂2g，硫酸鈉1g，氯化銨1g，磷酸二氫鉀0.5g，氯化鎂0.1g，硫酸亞鐵銨0.1g，70%的乳酸鈉溶液5mL，去離子水1升，調pH值為7.2，在120℃下滅菌20min，裝人試管中接種適度稀釋的水樣1mL。在30C下培養7天，觀察是否出現黑色的硫化鐵或嗅到有硫化氫味。應和不接種的空白培養液對比，以此確定。

　　2.3.3細菌總數測定

　　使用肉湯瓊脂培養基進行測定。根據水的含菌量不同對水樣作適度稀釋，至少對兩種不同稀釋程度的水樣進行培養測定。在兩個以上滅菌平皿中，分別注入0.1mL稀釋水樣，加入已熔化且冷至40C以下的肉湯瓊脂培養基，混合之後將各接種了水樣的培養液分置兩個培養皿中，其中一個在室溫下培養，另一個在37C下培養。24h後對平皿菌落計數。室溫下得到水中固有菌數，37℃下為大腸菌。對菌落數為25～250的平皿進行計數，將其平均值乘以稀釋倍數，求得每毫升中的活菌數。

　　肉湯瓊脂培養基的制取:取500g去掉油骨及筋的牛肉，絞成肉泥，加入1L自來水，在50C下泡30min，用粗布過濾，濾去肉渣，肉漿內以溶解性蛋白質為主。將肉漿煮沸30min，使蛋白質凝固，用粗濾紙過濾，得到的肉湯備用。另取蛋白腖10g，氯化鈉5g，置於蒸餾水中加熱溶化，稀釋到1L，調pH值為7.4，煮沸以粗濾紙過濾。上述兩溶液均在120C下滅菌15min。將蛋白腖溶液加入肉湯中，調pH值到7.2～7.6用以進行細菌培養。

　　2.4鍋爐補充水系統細菌鑒別實例

　　微生物汙塞雖多見於迴圈冷卻水系統，但是隨著水體污染趨於嚴重，在鍋爐補充水系統中細菌繁殖造成的汙塞也較常見。在使用反滲透器的水處理系統中，有機物膜的汙塞更不容忽視。

　　2.4.1鍋爐補充水系統的細菌膜汙塞

　　70年代中期北京某熱電廠化學除鹽水製備系統因細菌膜汙塞影響正常制水，由此作了國內首例系統研究微生物膜對鍋爐補充水影響的報告。隨後在吉林、河北等省陸續發生使用地表水為原水的電廠出現微生物汙塞的事件。80年代到90年代在地表水資源豐富、河流水量豐度相當高的中南及華東地區也陸續發生類似情況。

　　北京某熱電廠使用河水作為原水。該河河道全長8km，70年代中期河水平均流量約6m3/s，水量分佈不均，枯水季節不足3m3/s。該河道兩岸共55處排水口，1976年進入河道污水平均流量為2.77m3/s，其中生活污水1.07m3/s，工業污水1.02m3/s，工業冷卻水0.5m3/s，在冬季該河道主要是污水。在該熱電廠上游4個釀酒廠排放污水總量為0.18m3/s，紙廠及生物製品廠排出污水流量為0.07m3/s，這些排水中含有大量有機質與菌種。

　　該熱電廠自1975年冬季起，除鹽系統中出現微生物膜，主要出現在一級除鹽水箱中，其增殖速度快，約經2～3星期可生成0.5～2mm厚的肉紅色膜，形如膠凍，手感滑膩，略粘，附著不牢，可成0.5～1m2大片揭落，膜本身強度小，稍用力即可扯破。將微生物膜置於水中可分散為0.1～0.2mm的薄膜，顏色變淡以至無色透明，用指示劑或鋼筆墨水可使其著色。將微生物膜置於顯微鏡下觀察，只能看到均勻而連續的膜體，難以辨認單獨的菌體。將載片懸吊於水箱中3天后可觀察到菌團，在1250倍生物顯微鏡下觀察為鞘菌與桿菌。鞘菌直徑0.5μm，長5μm以上，不分枝，桿菌直徑0.5μm，長3μm，是微生物膜的主要組成部分，其外形與取自釀酒廠排水口的污水中菌種相似。

　　調節生物顯微鏡焦距，可觀察發現剛形成的微生物膜是由鞘菌與桿菌交織而成。

　　2.4.2微生物的確認

　　微生物膜呈淡紅色，可考慮到可能存在鐵細菌。將微生物膜用鹽酸處理，加入硫氰酸銨後呈紅色，顯示有鐵離子存在。將溶液用氫氧化銨中和後，紅色褪去而產生氫氧化鐵絮狀沉澱。未經酸處理的微生物膜直接加硫氰酸銨則檢不出鐵離子，表明鐵存在於細菌組織之中。

　　進一步的試驗確定了鞘菌的表層含鐵:向載片的蓋片邊緣滴加亞鐵氰化鉀的鹽酸溶液，在顯微鏡下可觀察到鞘菌被滲入的指示劑染藍，而且僅限於外鞘染藍。此現象恰與菌體的生物染色劑染色相反，用生物染色劑染色時，僅菌體被染色，外鞘不染色。在向鞘菌與桿菌組成的微生物薄膜滴加亞鐵氰化鉀的鹽酸溶液時，可看到生物膜上出現細絲樣網狀染藍，表明是鞘菌中的鐵先被溶解並染色。

　　以上試驗證明，是由鞘鐵細菌與水體中大量存在的釀酒工藝廢液中的桿菌組成了微生物膜。

　　2.4.3生物膜的成分分析

　　為查明微生物膜的成因，利用化學分析的方法，對生物膜進行了成分分析。取500g生物膜在(120±10)C下烘乾8h。再將呈深紅色的殘留物研細繼續烘烤1h，使之恒重，測得原生物膜含水分為98.34%，烘烤後殘留物為土黃色。

　　將烘乾的試樣進行有機物的元素分析，分析結果列於表2-7。

　　 由表2-7可知，該微生物膜主要由蛋白質和碳水化合物組成。蛋白質可占六成以上。

　　微生物膜在烘烤過程中有難聞的臭味。在對乾燥樣品測量灼燒減量時，灼燒物發出類似牛肉浸膏的氣味。乾燥後樣品的灼燒減量為96.16%，這部分是有機物，對灼燒殘渣進行了無機物含量測量，其結果如下(表2-8)。

　　

 

　　表2-8中所列成分是生物中必需的營養成分與組成，其中磷酸酐、硝酸酐和硫酸酐分別是磷、氮、硫等有機成分在灼燒時的氧化產物。由表2-8可知，該微生物膜成分以鐵為主，是鐵細菌的殘留物，氧、矽、鈉、鈣、鎂是其主要營養成分。

　　2.4.4鍋爐補充水系統細菌生態研究

　　該熱電廠的補充水處理系統採用兩級化學除鹽，在一級除鹽水箱與二級除鹽水箱的壁上均有細菌膜。掛片試驗表明，將載片懸吊於水箱中3晝夜即可形成連續的膜，1～2周膜厚達0.3～0.5mm。除鹽水箱水溫26～31℃，pH8～9，適於細菌生存。一級除鹽水的化學需氧量為2.9mg/L，矽0.2～0.5mg/L，鈉0.6～2mg/L，鈣和鎂0.05～0.1mg/L，流過水箱的水量是100t/h，亦即每小時流經的營養物質為:有機質290g，氧600g，鐵2～5g，矽20～50g，鈉50～200g，鈣和鎂5～10g。　因此除鹽水可提供生物必需的營養。

　　除鹽水溫適於嗜冷性和嗜溫性細菌生存繁殖。以2n速度分裂增殖的細菌，平均30min繁殖一代時，不計其死亡，兩晝夜後將變成2.8×1014個，三晝夜將達4.7×1021個。以微生物膜的主要組成桿菌尺寸為例，其長2.5μm，直徑0.5μm，體積0.5μm3，3×1018個即達1m3。儘管細菌不能這樣理想地增殖下去，但是在菌種不斷隨水流大量進入、營養物質不斷隨水流流過的優越生存環境下，微生物膜能得以良好發育。

　　對水源污染狀況調查和對排水中污染物調查表明，該熱電廠原水中生活污水比例過高，達總水量的20.7%，生活污水帶人的有機物質給細菌創造了良好的生存條件，酒廠排出的丙酮菌、麴菌等及河水中固有的鐵細菌是主要菌種。水經處理後仍有大量可供細菌生命活動的熱量與營養物質，是微生物膜的形成條件。

　　用成分分析方法對細菌膜的組成進行研究，以及用定性分析方法對鐵細菌進行研究，對水源進行調查，結合細菌培養研究確定了細菌的來源及種類。成分分析的研究方法得到了微生物研究部門的認可和贊同。

　　3　冷卻水系統中的泥汙

　　完全由微生物組成的微生物汙團較少，大多數情況下是微生物與泥汙組成的粘泥。這種在傳熱表面上形成的粘泥膜對傳熱影響很大。由於微生物粘泥的增長速度往往高於水垢，因此，在迴圈冷卻系統中，尤其是使用含磷(膦)水質處理劑的冷卻水系統中，泥汙和粘泥膜倍受關注。

　　3.1泥汙的主要來源

　　迴圈冷卻水中的泥汙隨補充水帶入和水塔中下淋的冷卻水洗滌空氣中塵埃所致。

　　無論是用地表水作為原水，還是用地下水作為原水，水中總含有一定量二氧化矽、鐵鋁的氧化物和腐植酸等等，它們以懸浮物和膠體狀態存在，在水的迴圈濃縮和受熱過程中，都會以泥汙形式沉積出來。以內蒙某電廠的原水為例，其懸浮物13mg/L、耗氧量10.8mg/L、二氧化矽10.1mg/L；附近的達賚湖水懸浮物28mg/L、耗氧量11.6mg/L、腐植酸0.7mmol/L、二氧化矽36.5mg/L、鐵離子0.12mg/L；該廠深井水懸浮物10mg/L、耗氧量3.2mg/L、腐植酸0.19mmol/L、二氧化矽17.6mg/L、鐵離子0.1mg/L。該廠水中耗氧量達16.4～24.6mg/L。　由此可知，水中有大量成泥物質可被引人迴圈冷卻水中。

　　冷卻塔對空氣的淋洗作用，是顆粒從外部進入循環系統的主要原因。火電廠周圍地區大氣的總懸浮顆粒物(TSP)常高於300μg/m3。地面的揚塵帶入的顆粒物含量更高，它們在冷卻塔中被下淋的冷卻水洗下，與微生物一起成為污垢。山西某電廠凝汽器管中垢厚約0.3mm，用鹽酸清洗時，總有0.15mm以上的附著物不能溶解。當對清洗後的管樣進行烘烤時，殘留的附著物乾燥起皮剝離，將烘乾物移人高溫爐灼燒時，其顏色由灰黑轉為灰白，大部被燒去。這就是由於該廠水塔旁有燃煤堆放，以煤為主的揚塵隨氣流進入冷卻塔而被下淋的冷卻水洗留下來所致。

　　3.2泥汙與微生物的結集

　　單純的懸浮物或二氧化矽、鐵的氧化物顆粒不能附著於傳熱表面上成垢。如果沒有微生物的粘附集聚，它們將沉積在冷卻系統的水流停滯和死角部位。當冷卻系統的傳熱面上有微生物生長繁殖時，其代謝產物多為粘性物質，對懸浮于水中的顆粒，或者呈膠體狀態存在的物質，均有很強的捕集作用，使其進入生物膜中，形成生物粘泥，或者粘泥膜。

　　補充水中的有機物(水質分析中表示為耗氧量)含有菌藻等成分，在與陽光接觸的地方藻類易於生長，而在絕大多數見不到陽光的設備系統中，細菌都可存活。因此，各種菌類及其粘液在自身生長成膜遮蓋傳熱表面的同時，對所有流過其表面的物質都進行捕集、過濾而使微生物膜增厚。微生物粘泥對傳熱表面也有很強的粘附能力，使其不能被流速高達2～3m/s的冷卻水流沖走。

 

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