发电厂循环冷却水系统弗式柠檬酸杆菌生物膜特性与控制机理研究

Under the background of using reclaimed water in the circulation cooling system of the power plant,the citrobacter freundii biofilm formed on the surface of condenser stainless steel tube is regarded as the research object. Using the principles of water chemistry, environmental microbiology, electrochemistry and surface chemistry,research on the influence of the key water quality parameters in reclaimed water on citrobacter freundii bacteria growth, adhesion characteristics,biofilm structure, metabolic processes, extracellular polymer substances. Study on interaction mechanism between citrobacter freundii bacteria metabolites, extracellular polymer substances and stainless steel substrate. Focus on the critical components (or combine state)concentration and distribution in the biofilm,which effect on stainless steel surface electrochemical reaction process, and the effect ofthe composite bactericide on the biofilm desorption rate and dehydrogenase (DHA) change.Evaluatethe mechanism of composite bactericide on citrobacter freundii bacteria biofilm.Provide the theoretical basis for the reclaimed water quality control in the process of reclaimed water resources utilization.

本项目以再生水回用于发电厂循环冷却水系统为背景，以循环冷却水系统凝汽器不锈钢管材表面形成的弗氏柠檬酸杆菌生物膜为研究对象，运用水化学、环境微生物学、表面化学和电化学原理，研究再生水环境中主要水质因子对弗氏柠檬酸杆菌生长粘附特性、生物膜结构、新陈代谢过程、胞外聚合物组分等方面的影响；研究弗氏柠檬酸杆菌生物膜代谢产物，胞外聚合物与不锈钢基体金属元素的作用机制；生物膜中影响不锈钢基体表面电化学反应的关键物质（或化合态）浓度和分布；研究复合杀菌剂作用下弗氏柠檬酸杆菌生物膜的脱附率与脱氢酶(DHA)变化规律，评价复合杀菌剂的作用机理。为再生水资源化利用过程中发电厂循环冷却系统水质控制提供理论依据。

再生水回用于发电厂循环冷却水系统，有效地节约了水资源，同时也增大了系统中凝汽器不锈钢管材微生物腐蚀的潜在风险。本课题以弗氏柠檬酸杆菌（CF）生物膜为研究对象，运用分析化学，环境生物化学，电化学原理和表面化学技术，研究了CF在不锈钢表面吸附动力学特性，生物膜代谢产物胞外聚合物（EPS）组分，不锈钢表面生物腐蚀产物浓度及分布；生物膜与不锈钢作用关系；杀菌剂对生物膜控制机制；杀菌剂与阻垢剂的配伍性。实验获得了不锈钢材质SS317、SS316L和SS304表面自由能（△G）参数, 分别为-31.69 mJ·m-2、-24.18 mJ·m-2和-13.92 mJ·m-2，表明细菌粘附到不锈钢表面是一个自发过程。细菌在SS317、SS316L的黏附速率大于SS304，其表面细菌黏附动力学常数K（min-1）依次为0.0282、0.0354、0.0190。研究发现SS316L表面生物膜中EPS主要由多糖和蛋白质组成，且多糖/蛋白质比值最大为12.9。多糖/蛋白质的比值在一定程度上反映了EPS疏水性能，EPS是影响细菌在不锈钢表面黏附的重要因素。红外光谱检测证实EPS主要含有O-H、N-H、C=O、C-O-C等官能团，EPS中配位原子与金属离子形成稳定的Men+ (EPS)络合物，促进阳极去极化过程。XPS证实了CF具有硫酸盐还原能力，即将不锈钢表面吸附的氧化态SO42-还原为S2-，S2-是不锈钢微生物腐蚀重要的敏感因素。在生物膜存在下，SS316L表面腐蚀产物主要是FeS和FeCr2O4，其中FeS占 Fe化合物的比例达到46%。S2-与Fe2+结合生成FeS，FeS作为腐蚀产物在SS316L表面聚集，建立了FeS/Fe腐蚀原电池。研究揭示了杀菌剂对CF生物膜控制机制，添加杀菌剂NaClO和1227后，改变了SS316L表面生物膜化学组分，间接减缓了不锈钢的腐蚀速率。NaClO对蛋白质的削减为60%，1227对多糖的削减为72%；SS316L表面未检测到FeS腐蚀产物产物。从杀菌、阻垢和缓蚀协同性角度，优选出配伍药剂：PBTCA+NaClO，其杀菌率可达95%，阻垢率可达82%，缓蚀率可达81%。研究成果为发电厂凝气器选材，循环水处理方式及水处理药剂的选择提供了详细的数据支撑。