城市污水热能利用中生物垢生成动态行为及换热特性研究

城市污水是理想的可再生能源，在利用过程中受污水中小尺度污染物引起的生物垢影响，降低了换热设备的传热性能，限制了污水源热泵的推广应用。本项目以换热表面生物垢为研究对象，以不同管材（不锈钢管、铜合金管、铝塑管等）为生物垢载体，利用电镜技术、显微镜技术和表面孔特性分析技术等先进研究方法，研究材料表面微生物的初期黏附、增殖行为及其基质分泌情况；利用小角XRD和表面孔特性分析技术，研究经生物垢长期侵蚀前后载体的表面结构和表面物理化学性质变化情况，以及载体表面生物附着机制；应用显微摄像技术，研究上述材料表面生物垢形貌特征、附着增殖和运移规律，揭示换热表面生物垢的增殖过程和迁移规律，探索抑制材料表面生物垢形成和增殖的最优化工况条件；在此基础上，结合传热量测量法，研究污垢生成及其热阻变化的动态效应，建立生物垢热阻数学模型，为城市污水热能利用中换热系统的设计、制造和运行提供理论依据。

本课题以某污水厂的污水源热泵系统中换热器管道上污垢为对象，进行了包括污垢含水率分析、显微技术分析、X射线衍射技术分析、扫描电镜分析等。结果表明该污垢的含水率在90.10%～95.80%，XSJ/HS型显微图象分析系统得出的结果是换热表面上的污垢是一个细菌、藻类、后生动物共存的微生物群落。X射线广角衍射研究结果表明污垢的主要的无机结晶成分为SiO2和CaCO3。对污垢进行的扫描电镜测试表明污垢的生长初期时污垢首先附着表面粗糙的位置，微生物快速生长的时期污垢的菌类主要以杆菌和球菌为主，脱落期污垢表面微生物减少，膜表面突出的主要是无机颗粒，这些无机颗粒为微生物群落的建立提供了支撑和骨架。.此外，本实验对不同管材（铜合金管、不锈钢管、铝塑管）上污垢生长特性进行了研究，测量了三种不同管材上单位面积的干污垢量，并对污垢样品的含水率、550℃灼烧失重量和950℃灼烧失重量进行分析。结果表明干污垢中的成分主要是有机物，电镜测试表明清洁的铜合金管表面较光滑，孔道分散分布，孔道直径小，缝隙长度在10微米左右。清洁的不锈钢表面光滑平整，只有少数个体较大的微生物能直接附着在不锈钢管材的表面。清洁的铝塑管上表面是数量多且排列规则的缝隙，缝隙在200微米左右。X射线衍射分析和光电子能谱分析表明三种污垢的主表明要无机晶体都为SiO2和CaCO3，三种管材上污垢的主要元素为C和O，这也说明污垢中主要成分是有机物，含量较少的元素为N，Si，Ca。细菌密度进行测试表明管材的材质对管壁上细菌密度的影响很大，铜合金管上细菌密度最少。最后，研究了 pH和有机物对污垢生长的影响，指出几种工程中常用的除垢方法，并对气-水脉冲冲洗前后的换热面进行了扫描电镜测试和对比。