循环冷却水系统中的微生物及其控制.pptx
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1、第一节 微生物及其特性1.微生物微生物是一切肉眼看不见或看不清的微小生物 现代生物学将微生物分细胞型微生物,和非细胞型微生物。没有细胞形态的微生物叫非细胞型微生物,如病毒,亚病毒。有细胞形态的叫细胞型微生物。根据其细胞结构的明显差异分原核微生物和真核微生物。原核的常见类群有细菌,放线菌,支原体,衣原体,立克次体。真核的常见有酵母菌,霉菌,真核原生生物。第1页/共85页2、微生物的特点1)个体微小,面积大在形态上,个体微小,肉眼看不见,需用显微镜观察,细胞大小以微米和纳米计量。2)吸收多、转化快 3)生长旺、繁殖快.繁殖快生长繁殖快,在实验室培养条件下细菌几十分钟至几小时可以繁殖一代。4)易变异
2、、适应性强抗药性、抗热性、抗寒性、抗酸性、抗辐射等等5)种类多、分布广 在局部环境中数量众多,如每克土壤含微生物几千万至几亿个。第2页/共85页第3页/共85页第二节 冷却水系统中引起故障的微生物 并不是冷却水系统中所有的微生物都会引起故障,常见的会引起故障的微生物主要是细菌、真菌和藻类。现分别对它们作一扼要的介绍。一、细菌 与藻类和霉菌相比,细菌显得微小。除非有大的菌落,否则就需借助显微镜才能察见或鉴别。冷却水系统中与金属腐蚀或黏泥形成有关的细菌主要有下面几类:第4页/共85页1、产黏泥细菌、产黏泥细菌 又称又称黏液形成菌黏液形成菌、黏液异养菌黏液异养菌等,是冷却水系统中数量最多的等,是冷却
3、水系统中数量最多的一类有害细菌。包括一类有害细菌。包括11个细菌属:假单胞菌属、气单胞菌属、微球个细菌属:假单胞菌属、气单胞菌属、微球菌属、芽孢杆菌属、不动杆菌属、葡萄球菌属、产碱杆菌属、棒状菌属、芽孢杆菌属、不动杆菌属、葡萄球菌属、产碱杆菌属、棒状杆菌属、肠杆菌科、黄杆菌属和布鲁氏菌属。杆菌属、肠杆菌科、黄杆菌属和布鲁氏菌属。在冷却水中,它们在冷却水中,它们产生一种胶状的、黏性的或黏泥状的、附着产生一种胶状的、黏性的或黏泥状的、附着力很强的沉积物力很强的沉积物,这种沉积物遮盖在金属的表面上,这种沉积物遮盖在金属的表面上,降低降低冷却水的冷却水的冷却效果冷却效果,阻止阻止冷却水中的缓蚀剂、阻垢
4、剂和杀生剂到达金属表面冷却水中的缓蚀剂、阻垢剂和杀生剂到达金属表面发生发生缓蚀、阻垢和杀生作用缓蚀、阻垢和杀生作用,并使金属表面形成差异腐蚀电池而,并使金属表面形成差异腐蚀电池而发发生沉积物下腐蚀生沉积物下腐蚀(垢下腐蚀垢下腐蚀)。但是,这些细菌但是,这些细菌本身并不直接引起腐蚀本身并不直接引起腐蚀。直接引起金属腐蚀的。直接引起金属腐蚀的细菌,按其作用来分有细菌,按其作用来分有铁沉积细菌、产硫化物细菌和产酸细菌铁沉积细菌、产硫化物细菌和产酸细菌。第5页/共85页2、铁沉积细菌、铁沉积细菌 简称铁细菌简称铁细菌。包括:嘉氏铁杆菌、球衣细菌、鞘铁细菌和泉。包括:嘉氏铁杆菌、球衣细菌、鞘铁细菌和泉发
5、菌等。发菌等。铁细菌有以下铁细菌有以下特点特点:在含铁的水中生长;在含铁的水中生长;通常被包裹在铁的化合物中;通常被包裹在铁的化合物中;生成体积很大的红棕色的黏性沉积物;生成体积很大的红棕色的黏性沉积物;铁细菌是好氧菌。但也可在氧含量小于铁细菌是好氧菌。但也可在氧含量小于0.5mg/L的水中生长。的水中生长。铁细菌铁细菌能使水中的亚铁化合物转变为不溶于水的三氧化二铁能使水中的亚铁化合物转变为不溶于水的三氧化二铁的水合物沉积下来,通过反应获得生长所需的能量。沉积物在细的水合物沉积下来,通过反应获得生长所需的能量。沉积物在细菌周围形成大量的棕色黏泥,从而引起管道堵塞,同时在铁管壁菌周围形成大量的棕
6、色黏泥,从而引起管道堵塞,同时在铁管壁上形成锈瘤结节,产生点蚀。上形成锈瘤结节,产生点蚀。第6页/共85页铁细菌的腐蚀机理铁细菌的腐蚀机理(好氧腐蚀好氧腐蚀):锈瘤遮盖了钢铁的表面,由于微生物耗氧,锈瘤又阻碍氧的锈瘤遮盖了钢铁的表面,由于微生物耗氧,锈瘤又阻碍氧的扩散,结果使锈瘤下部常常处于缺氧状态,扩散,结果使锈瘤下部常常处于缺氧状态,形成氧浓差腐蚀电池形成氧浓差腐蚀电池,缺氧区形成阳极使金属溶解,有氧区的金属表面成为阴极;并使缺氧区形成阳极使金属溶解,有氧区的金属表面成为阴极;并使冷却水中的缓蚀剂难于与金属表面作用生成保持膜。从而使钢的冷却水中的缓蚀剂难于与金属表面作用生成保持膜。从而使钢
7、的腐蚀速度增加。如图腐蚀速度增加。如图6-1。铁细菌易用铁细菌易用加氯或非氧化性杀生剂加氯或非氧化性杀生剂(例如季铵盐例如季铵盐)的方法来控制。的方法来控制。第7页/共85页 3、产硫化物细菌、产硫化物细菌 H2S +氧浓差腐蚀氧浓差腐蚀 又称又称硫酸盐还原菌硫酸盐还原菌,(Sulfate-Reducing Bacteria,简称SRB)是一种厌氧菌,它能利用金属表面的有机物作为碳源,并利用细菌生物膜内产生的氢,将硫酸盐还原成硫化氢,从还原反应中获得生存的能量。冷却水中的硫酸根既可以是天冷却水中的硫酸根既可以是天然存在的,也可以是加硫酸控制冷却水然存在的,也可以是加硫酸控制冷却水pH值时引入的
8、。硫酸盐还原菌使硫酸盐值时引入的。硫酸盐还原菌使硫酸盐变为硫化氢,从而创造了一个没有氧的还原性环境,并生活于其中。变为硫化氢,从而创造了一个没有氧的还原性环境,并生活于其中。硫酸盐还原菌是硫酸盐还原菌是厌氧微生物厌氧微生物。1)冷却水中)冷却水中黏泥下面黏泥下面缺氧,故硫酸盐还原菌常在那里生长繁殖。常见的是脱硫缺氧,故硫酸盐还原菌常在那里生长繁殖。常见的是脱硫弧菌和梭菌。弧菌和梭菌。2)硫酸盐还原菌)硫酸盐还原菌产生的硫化氢主要腐蚀碳钢产生的硫化氢主要腐蚀碳钢,也包括不锈钢、铜合金、镍合金,也包括不锈钢、铜合金、镍合金以及在低以及在低pH值和硫化物或还原性条件下能腐蚀的金属。值和硫化物或还原性
9、条件下能腐蚀的金属。3)硫化氢与铬酸盐和锌硫化氢与铬酸盐和锌盐反应盐反应,使这些缓蚀剂从水中沉淀出来,生成的沉淀则沉积在金属表面形成污垢。,使这些缓蚀剂从水中沉淀出来,生成的沉淀则沉积在金属表面形成污垢。第8页/共85页硫酸盐还原菌的硫酸盐还原菌的腐蚀机理腐蚀机理(厌氧腐蚀厌氧腐蚀):阳极反应阳极反应 4Fe 4Fe2+8e阴极反应阴极反应 8H2O 8H+8OH-SO42-+8H+8e S2-+4H2O水中水中 Fe2+S2-FeS Fe2+6OH-3Fe(OH)2 在阴极,在阴极,SRB利用体内的氢化酶消耗电子将硫酸盐还原为硫利用体内的氢化酶消耗电子将硫酸盐还原为硫化氢,在水中生成化氢,在
10、水中生成FeS、Fe(OH)2促进阳极腐蚀。促进阳极腐蚀。冷却水中,冷却水中,SRB引起的孔蚀的引起的孔蚀的穿透速度为穿透速度为1.255.0mm/a,是相当惊人的。是相当惊人的。0.4mm厚的碳钢试样,在厚的碳钢试样,在60天内就腐蚀穿孔。其天内就腐蚀穿孔。其大小取决于大小取决于SRB的污染程度和生长速度。即使的污染程度和生长速度。即使pH值控制良好和用值控制良好和用铬酸盐铬酸盐锌盐作复合缓蚀剂,锌盐作复合缓蚀剂,SRB仍能使金属迅速穿孔。仍能使金属迅速穿孔。第9页/共85页 控制硫酸盐还原菌的生长控制硫酸盐还原菌的生长只用加氯的方案不行。这是因为:只用加氯的方案不行。这是因为:硫酸盐还原菌
11、通常为粘泥所覆盖,水中的活性氯不容易到达这硫酸盐还原菌通常为粘泥所覆盖,水中的活性氯不容易到达这些微生物生长的深处;些微生物生长的深处;硫酸盐还原菌周围硫化氢的还原性环境使氯还原生成氯化物,硫酸盐还原菌周围硫化氢的还原性环境使氯还原生成氯化物,从而使氯失去了杀菌的能力。从而使氯失去了杀菌的能力。硫酸盐还原菌中的梭菌不但能产生硫化氢气体,而且还能产硫酸盐还原菌中的梭菌不但能产生硫化氢气体,而且还能产生甲烷,从而为硫酸盐还原菌周围的产黏泥细菌提供营养。产黏生甲烷,从而为硫酸盐还原菌周围的产黏泥细菌提供营养。产黏泥细菌很不容易用杀生剂进行控制,因为它们周围有一层气体保泥细菌很不容易用杀生剂进行控制,
12、因为它们周围有一层气体保护着,阻碍了氯的进入。护着,阻碍了氯的进入。长链的脂肪酸胺盐长链的脂肪酸胺盐对控制硫酸盐还原菌是很有效的。其他的对控制硫酸盐还原菌是很有效的。其他的非氧化性杀生剂非氧化性杀生剂,例如,例如有机硫化合物有机硫化合物(二硫氰基甲烷二硫氰基甲烷),对硫酸盐,对硫酸盐还原菌的杀灭也是有效的。还原菌的杀灭也是有效的。第10页/共85页4、产酸细菌、产酸细菌 pH受到影响受到影响硝化细菌硝化细菌 为自养型细菌,当冷却水中有氨或含氮的无机化为自养型细菌,当冷却水中有氨或含氮的无机化合物时,合物时,能将氨氧化为硝酸能将氨氧化为硝酸,产生能量供自身生长繁殖。,产生能量供自身生长繁殖。2N
13、H3+4O2 2HNO3+2H2O+能量能量 当硝化细菌存在于含有氨的冷却水中时,水的当硝化细菌存在于含有氨的冷却水中时,水的pH值将发生意值将发生意外的变化。因为氨本应使水的外的变化。因为氨本应使水的pH值升高,但硝化细菌将氨氧化成值升高,但硝化细菌将氨氧化成硝酸,故硝酸,故冷却水的冷却水的pH值反而会下降值反而会下降。将使一些在低。将使一些在低pH值条件下易值条件下易被侵蚀的金属被侵蚀的金属(主要是碳钢,还有铜和铝主要是碳钢,还有铜和铝)遭受腐蚀。遭受腐蚀。氧对硝化细菌并没有不利的影响。这些微生物对铬酸盐或锌氧对硝化细菌并没有不利的影响。这些微生物对铬酸盐或锌盐等缓蚀剂也是相容的。在盐等缓
14、蚀剂也是相容的。在控制硝化细菌生长控制硝化细菌生长上,上,氯以及某些非氯以及某些非氧化性杀生剂非常有效氧化性杀生剂非常有效。然而,当冷却水中有较多的氨时,氯将。然而,当冷却水中有较多的氨时,氯将与氨反应而被消耗掉。与氨反应而被消耗掉。第11页/共85页第12页/共85页硫杆菌硫杆菌 H2SO4 一种好氧型细菌,一种好氧型细菌,能把硫、硫化物或硫代硫酸盐氧化成硫酸能把硫、硫化物或硫代硫酸盐氧化成硫酸。从而对铁管或水泥管产生腐蚀破坏,其从而对铁管或水泥管产生腐蚀破坏,其产生的黏质膜产生的黏质膜也可能堵也可能堵塞管道,并使水发臭。塞管道,并使水发臭。二、真菌二、真菌 冷却水系统中的真菌冷却水系统中的
15、真菌包括霉菌和酵母菌包括霉菌和酵母菌两类。它们往往生两类。它们往往生长在冷却塔的长在冷却塔的木质构件木质构件上、水池壁上和换热器中。上、水池壁上和换热器中。真菌破坏木材中的纤维素,真菌破坏木材中的纤维素,使冷却塔的本质构件朽蚀使冷却塔的本质构件朽蚀。可。可用用有毒盐类有毒盐类(例如铜盐例如铜盐)溶液浸渍木材溶液浸渍木材的方法来防护。但木材安的方法来防护。但木材安装前需要除去多余的铜盐,否则冷却水将把铜盐带到各处,铜装前需要除去多余的铜盐,否则冷却水将把铜盐带到各处,铜离子被还原为铜,析出在金属离子被还原为铜,析出在金属(例如碳钢或铝例如碳钢或铝)的表面,的表面,引起电引起电偶腐蚀。偶腐蚀。第1
16、3页/共85页 真菌生长能真菌生长能产生黏泥产生黏泥而沉积覆盖在换热器中换热管的表面而沉积覆盖在换热器中换热管的表面上,降低冷却水的冷却作用。上,降低冷却水的冷却作用。一般来讲,真菌对冷却水系统中的金属一般来讲,真菌对冷却水系统中的金属并没有直接的腐蚀并没有直接的腐蚀性性,但产生的黏状沉积物会在金属表面建立,但产生的黏状沉积物会在金属表面建立氧浓差腐蚀电池氧浓差腐蚀电池而而引起金属的腐蚀。黏状沉积物覆盖在金属表面,引起金属的腐蚀。黏状沉积物覆盖在金属表面,使使冷却水中的冷却水中的缓蚀剂不能缓蚀剂不能到那里去到那里去发挥发挥防护防护作用作用。冷却水系统中的真菌可以用冷却水系统中的真菌可以用杀真菌
17、的药剂杀真菌的药剂,例如五氯酚或,例如五氯酚或三丁基锡的化合物等来控制。氯对于真菌不是很有效。三丁基锡的化合物等来控制。氯对于真菌不是很有效。第14页/共85页三、藻类三、藻类 冷却水中的藻类主要有蓝藻蓝藻、绿藻绿藻和硅藻硅藻死亡的藻类会变成冷却水系统中的悬浮物和沉积物在换热器中,它们将成为捕集冷却水中有机体的过滤器,为细菌和霉菌提供食物。藻类形成的团块进入换热器中后,会堵塞换热器中的管路,降低冷却水的流量,从而降低其冷却作用。第15页/共85页 总之,循环冷却水中的微生物主要引起的总之,循环冷却水中的微生物主要引起的危害危害包括三个方包括三个方面:面:形成大量黏泥沉积物形成大量黏泥沉积物,降
18、低传热效率,降低冷却水流量,引,降低传热效率,降低冷却水流量,引起垢下腐蚀;起垢下腐蚀;直接加速金属设备的腐蚀直接加速金属设备的腐蚀;破坏冷却塔中的木材破坏冷却塔中的木材,微生物分泌消化酶破坏木材中的纤维,微生物分泌消化酶破坏木材中的纤维素,投加的杀生剂也会破坏木质素。素,投加的杀生剂也会破坏木质素。第16页/共85页根据腐蚀的作用机理,一般可分为物理腐蚀、化学腐蚀和电化学腐蚀,而对于微生物腐蚀来讲,它并不是一种单纯的腐蚀机制,主要通过一层微生物薄膜的作用来间接引起腐蚀过程,包括化学的氧化还原过程、物理扩散过程和电化学腐蚀等的综合过程。目前认为微生物腐蚀材料的原因主要有以下三个方面:(1)微生
19、物代谢产物对金属的腐蚀;(2)形成氧浓差电池产生电化学腐蚀;(3)阴极或阴极的去极化作用加速腐蚀。不同的菌群所发生的具体的腐蚀机理也不同。第17页/共85页第三节第三节 冷却水系统中金属的微生物腐蚀冷却水系统中金属的微生物腐蚀 冷却水系统中金属微生物腐蚀的形态可以是均匀腐蚀,也可冷却水系统中金属微生物腐蚀的形态可以是均匀腐蚀,也可以是缝隙腐蚀和应力腐蚀破裂,但以是缝隙腐蚀和应力腐蚀破裂,但主要是点蚀主要是点蚀。一、铁和低碳钢一、铁和低碳钢 铁细菌铁细菌是好氧菌,可以将二价铁氧化为三价铁,使之以鞘的是好氧菌,可以将二价铁氧化为三价铁,使之以鞘的形式沉淀下来,同时还形式沉淀下来,同时还产生大量黏液
20、,构成锈瘤产生大量黏液,构成锈瘤。由于它们耗氧,。由于它们耗氧,而锈瘤又阻碍氧的扩散,锈瘤下面的金属表面常常处于缺氧状态,而锈瘤又阻碍氧的扩散,锈瘤下面的金属表面常常处于缺氧状态,从而从而构成氧浓差电池,引起钢的腐蚀穿孔构成氧浓差电池,引起钢的腐蚀穿孔,还会,还会降低降低管道中水的管道中水的流速流速,从而,从而降低降低冷却水的冷却水的冷却效果冷却效果。SRB能能使碳钢和低合金钢产生点蚀使碳钢和低合金钢产生点蚀,生成黑色,生成黑色FeS沉积物。沉积物。硫氧化菌硫氧化菌能把元素硫或其他还原态的硫化物氧化为硫酸,能把元素硫或其他还原态的硫化物氧化为硫酸,使使介质的介质的pH值降低值降低。其他好氧菌因
21、产生有机酸,故也具有不同程度。其他好氧菌因产生有机酸,故也具有不同程度的的腐蚀作用腐蚀作用。第18页/共85页二、不锈钢二、不锈钢 不锈钢的微生物腐蚀是不锈钢的微生物腐蚀是严重严重的,即使含钼量达的,即使含钼量达4.5的奥氏体的奥氏体不锈钢也会发生微生物腐蚀。不锈钢也会发生微生物腐蚀。其微生物其微生物腐蚀特征是点蚀腐蚀特征是点蚀,最常见最常见的是在的是在不锈钢的焊件上不锈钢的焊件上。有时有时微生物可使不锈钢微生物可使不锈钢先以晶间腐蚀开始先以晶间腐蚀开始,最终成为最终成为氯化物的氯化物的应应力腐蚀破裂力腐蚀破裂。蚀孔和裂纹主要发生在焊缝的热影响区和应力区。蚀孔和裂纹主要发生在焊缝的热影响区和应
22、力区。如如SRB曾使曾使904L奥氏体不锈钢奥氏体不锈钢(20Cr,25Ni,4.5Mo,1.5Cu,0.02C,其余为,其余为Fe)制造的海水换热器水室的法兰制造的海水换热器水室的法兰处处发生缝隙腐蚀和点蚀发生缝隙腐蚀和点蚀。蚀孔呈。蚀孔呈“墨水瓶状墨水瓶状”。又如又如铁细菌曾使铁细菌曾使井水试压后未排放干净的、壁厚为井水试压后未排放干净的、壁厚为3mm的的304L和和316L不锈钢管道不锈钢管道在试压在试压1个月后个月后发生点蚀穿孔发生点蚀穿孔。此时,蚀。此时,蚀孔上覆盖有大量的红棕色沉积物。孔上覆盖有大量的红棕色沉积物。第19页/共85页三、铜和铜合金三、铜和铜合金 因为铜离子或铜盐对微
23、生物有一定毒性,故主要是一些耐铜因为铜离子或铜盐对微生物有一定毒性,故主要是一些耐铜离子的细菌造成腐蚀。例如,离子的细菌造成腐蚀。例如,氧化硫硫杆菌氧化硫硫杆菌能在铜离子浓度高达能在铜离子浓度高达2的溶液中生长。的溶液中生长。假单胞菌假单胞菌可使铜合金在海水中的腐蚀速度增可使铜合金在海水中的腐蚀速度增大约大约20倍。倍。SRB曾使海水管道系统中铜镍合金的焊接区和热影响曾使海水管道系统中铜镍合金的焊接区和热影响区发生孔蚀和选择性腐蚀。区发生孔蚀和选择性腐蚀。在核电站的主凝汽器、给水加热器、各种小型换热器、泵和在核电站的主凝汽器、给水加热器、各种小型换热器、泵和阀门中,广泛使用着各种铜合金。虽然铜
24、对一般的污垢生物是有阀门中,广泛使用着各种铜合金。虽然铜对一般的污垢生物是有毒的,但这些铜合金对微生物腐蚀仍是敏感的。在核电站的冷却毒的,但这些铜合金对微生物腐蚀仍是敏感的。在核电站的冷却水等系统中,人们曾遇到一些由于微生物活动影响而发生的铜合水等系统中,人们曾遇到一些由于微生物活动影响而发生的铜合金的点蚀、选择性腐蚀和氨引起的应力腐蚀开裂的事例。金的点蚀、选择性腐蚀和氨引起的应力腐蚀开裂的事例。第20页/共85页四、镍和镍合金四、镍和镍合金 镍合金镍合金耐微生物腐蚀能力较强耐微生物腐蚀能力较强,但也能产生严重的,但也能产生严重的点蚀点蚀。例如例如 嗜热菌嗜热菌可使可使Ni201受到严重腐蚀;
25、受到严重腐蚀;在用河水作直流冷却水的系统中,用在用河水作直流冷却水的系统中,用镍管制作的换热器镍管制作的换热器曾发生由曾发生由硫酸盐还原菌硫酸盐还原菌引起的腐蚀穿孔;引起的腐蚀穿孔;在含有假单胞菌在含有假单胞菌的冷却水中,由的冷却水中,由蒙乃尔合金制造的换热蒙乃尔合金制造的换热器器曾发生严重的点蚀,金相检验发现,蒙乃尔合金管上有明显曾发生严重的点蚀,金相检验发现,蒙乃尔合金管上有明显的晶间腐蚀,有些部位还发生选择性腐蚀,合金中的镍被优选的晶间腐蚀,有些部位还发生选择性腐蚀,合金中的镍被优选浸出而剩下海绵状的富铜物质。浸出而剩下海绵状的富铜物质。第21页/共85页五、钛和钛合金五、钛和钛合金 钛
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