Ca2+浓度对再生水源热泵系统中微生物污垢的影响及作用机理

常思远 方宇晴 史琳

（清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室 CO2资源利用与减排技术北京市重点实验室清华大学热能工程系 北京 100084）

Ca2+浓度对再生水源热泵系统中微生物污垢的影响及作用机理

常思远 方宇晴 史琳

（清华大学热科学与动力工程教育部重点实验室 CO2资源利用与减排技术北京市重点实验室清华大学热能工程系 北京 100084）

再生水源热泵系统能够利用城市再生水中的低品位热能为城市建筑进行制冷、供暖，但微生物污垢会降低系统的运行效率与安全性能，而钙离子浓度对污垢的生长有重要影响。本文考察了流动条件下，不同浓度的Ca2+对微生物污垢的影响及其作用机理。实验中配制了不同Ca2+浓度的人工再生水，并进行旋转挂片实验生成微生物污垢。分别测量了不同Ca2+浓度下微生物污垢的总质量、干重和有机物质量，计算了污垢中游离水与结合水的含水率，并观测了污垢的显微结构。结果表明：Ca2+浓度上升会提高微生物污垢的空间多孔化程度，促进游离水含量及污垢总质量的上升。该研究可以对不同工况下微生物污垢的生长进行预测，提高再生水源热泵系统的工作效率。

再生水源热泵；微生物污垢；Ca2+；显微结构

我国城市再生水排量大，流量稳定，温度冬暖夏凉，是理想的热泵冷热源［1-3］。以城市再生水作为冷热源的再生水源热泵系统能够充分利用城市再生水中含有的大量低品位热能，对城市建筑进行制冷、供暖，近些年发展迅速，并已在实际中投入使用［4-5］。但城市再生水中含有细菌等大量杂质，易在热泵系统中的换热表面上生成微生物污垢，严重影响热泵系统的运行效率与系统安全［6-7］。

微生物污垢是指致垢流体中含有的细菌等微生物首先附着到材料表面，进而生长、繁殖以及分泌胞外分泌物（extracellular polymeric substances，EPS）而形成的生物膜，能够保护内部的细胞不受外界流体冲刷、贫营养、杀菌剂等恶劣条件的影响［8-9］。

有研究表明，致垢流体中的无机离子对微生物污垢的生长具有重要的影响作用。胡学伟等［10］考察了Cu2+对微生物污垢中细胞活性与污垢生长的影响，发现当Cu2+浓度较高时，细胞活性与EPS的分泌受到明显的抑制；Sheikholeslami R［11］总结了污水中多种无机离子对污垢的影响，提出无机离子能够通过影响细胞的新陈代谢从而影响污垢的生长过程。

在各种无机离子中，Ca2+是城市再生水中十分常见的离子，浓度随地域、季节不同而变化显著［12］。研究表明，Ca2+对污垢的生长具有重要影响。Geesey G等［13］发现在较高的Ca2+浓度下，海洋细菌及藻类孢子到船体表面的附着过程得以加强；而Patrauchan M A等［14］发现随着Ca2+浓度提高，假单胞菌形成的污垢厚度逐渐增加，渗透率上升。

但受研究背景等因素的影响，目前关于无机离子对微生物污垢影响的研究大都采用静态浸泡实验，鲜有研究流动状态，这一换热器内特有的状态下，无机离子对污垢的影响；而且，目前关于Ca2+对微生物污垢影响的研究大都集中在关注污垢质量、厚度等宏观参数方面，对Ca2+作用机理的研究较少。

本研究设计了旋转挂片实验，采用宏观称重与微观拍照相结合的检测手段，考察了不同Ca2+浓度下微生物污垢的生长特点，从而研究Ca2+对微生物污垢生长的影响及其作用机理。

1 实验材料与方法

1.1 人工再生水配制

课题组前期研究表明［15］，换热表面污垢中优势菌属为芽孢杆菌属。因此，本研究采用向过滤水中加入枯草芽孢杆菌菌液的方法配制人工再生水，用来模拟在换热板片表面形成微生物污垢的城市再生水。

首先，将枯草芽孢杆菌（-80℃下甘油内保存，防止菌种污染）接种到培养液（1 000 mL过滤水中加入2.5 g牛肉膏，5 g蛋白胨，5 g葡萄糖，2.5 g NaCl，pH调至7.2）中，随后将培养液在摇床中30℃、200 r／min的条件下培养24 h，得到菌浓度达到稳定的芽孢杆菌菌液［16］。随后将该菌液稀释到过滤水中，使其中菌浓度达到城市再生水中常见的 1×105CFU／mL。并向该过滤水中加入葡萄糖，调节其中生化需氧量BOD至城市再生水中常见的15 mg／L。

前期研究表明，北京地区城市再生水中的Ca2+浓度全年在100～400 mg／L内变化［15］。因此，通过向人工再生水中加入一定量的CaCl2，调节其中Ca2+浓度为100、150、200、250、300、350、400、450 mg／L。为了排除Cl-1的影响，再分别加入一定量的NaCl，调节各组实验中Cl-1达到同一浓度［17］。

通过以上操作，配制出具有特定菌浓度、BOD，以及不同Ca2+浓度的人工再生水，用来模拟城市再生水作为致垢流体。

1.2 旋转挂片仪实验

本研究采用旋转挂片仪（RCC3型）进行污垢生长实验，其示意图如图1所示。

图1 旋转挂片仪工作示意图Fig.1 Schematic diagram of the rotating coupon device

首先，利用换热板片的常用材料（不锈钢）加工出成垢挂片（挂片材质为SS316，尺寸20 mm×20 mm ×1 mm），作为成垢基底。将挂片利用紧固螺母固定到挂片仪的旋转转轴上，并将之前配制好的人工再生水放入烧杯中，再将烧杯放置到旋转挂片仪的恒温水浴内，调节水浴温度为城市再生水夏季工况的平均温度25℃，保证成垢过程中致垢流体稳定在特定的温度。随后，将带有挂片的旋转转轴下沉到烧杯内的人工再生水中，并由电机通过传动皮带带动转轴转动，调节转速为96 r／min，对应挂片处线速度0.4 m／s，为板式换热器内常见流速。通过以上操作，使得挂片在人工再生水中转动，从而模拟城市再生水流经换热表面并生成微生物污垢这一实际过程［18］。

污垢生长实验持续5 d，前期研究表明［8］，5 d后板式换热器内的污垢已能够生长至稳定阶段。由于本实验采用闭式成垢系统，为保证人工再生水中营养浓度与细胞活性的稳定，实验过程中每12 h对烧杯内的人工再生水进行更新。利用涂平板法监测其中的菌浓度［19］，发现在该12 h内人工再生水中的菌浓度为（1.0±0.2）×105CFU／mL，较为稳定。

1.3 微生物污垢的检测

实验过程中每24 h将挂片取下，静置5 min待污垢表面水分滴落，利用精密天平（XS 105，测量精度分为d=0.1／0.01 mg两档）对挂片进行称重，污垢质量表示为：

式中：Mf为长有污垢挂片的质量，g；Mc为清洁状况下挂片的质量，g；S为挂片的等效表面积，m2；mf为单位面积上的污垢质量，g／m2。

在实验第5 d，将最终污垢放入恒温电热烘箱（HT4003B）中烘干，并根据质量差计算污垢中游离水的含量；随后，利用冻干机（Alpha1-2LDplus，）对样品进行冻干（-55℃，真空25 Pa下持续24 h），并根据质量差计算污垢中结合水的含量。需要说明的是，在称重过程中，由于微生物污垢中水分占绝大部分比重，烘干后各组污垢质量差距较小，因此将天平的测量精度从d=0.1 mg调整至d=0.01 mg，保证对污垢干重的准确测量，进而根据测量结果计算污垢干重与游离水、结合水的含量。

除对污垢质量这一宏观参数进行测量之外，在实验第5 d，还对最终的微生物污垢（未经烘干、冻干，保留了原始形貌）进行电子扫描显微镜（SEM）拍照［20］：首先利用磷酸缓冲液（phosphate buffer solution，PBS）对长有污垢的挂片浸泡5 min，洗去污垢表面松散附着的细胞；随后将挂片在4℃条件下在2.5%的戊二醛溶液中浸泡2 h，对污垢进行固定；再利用PBS浸泡污垢3次，每次持续5 min；之后利用梯度浓度酒精溶液浸泡污垢（酒精浓度梯度为50%，70%，90%，100%，100%，100%v／v），每次浸泡持续10 min，置换出污垢内部所含的水分，满足SEM中无水的拍摄环境；然后将污垢放入生物冻干箱（Alpha-2DLplus型）内过夜，以缓慢蒸发掉污垢内部的乙醇；最后对污垢进行喷金，并放置到SEM（FEI QUANTA 200型）内进行拍照，观测污垢的微观形貌，考察Ca2+对污垢产生影响的作用机理。

2 实验结果与讨论

2.1 污垢质量曲线

实验过程中每24 h对挂片进行称重，测得的不同Ca2+浓度下污垢质量变化曲线及第5 d实验结束时最终的污垢质量如图2所示。

图2 污垢质量变化曲线及第5 d的污垢质量Fig.2 Biomass development over time and the biomass on the fifth day

从图2中可以看出，挂片在人工再生水中旋转，表面污垢质量随时间增加而逐渐上升，第5 d时污垢质量达到400～600 g／m2左右。

从图2（a）中可以看出，随着Ca2+浓度的升高，虽然在某些情况下（例如从150 mg／L上升至200 mg／L时）污垢质量出现下降，但从总体情况来看，污垢质量表现出逐渐增大的趋势；而从图2（b）中同样可以看出，随着Ca2+浓度的升高，总体来看，最终污垢所对应的质量表现出逐渐上升的趋势。从而说明，较高的Ca2+浓度对污垢的生长具有促进作用。

2.2 污垢干重与含水率

对第5 d的最终污垢先后进行了烘干与冻干，去除污垢中含有的游离水与结合水，并进行称重计算出污垢的干重和含水率，所得结果如图3所示。

图3 最终污垢的干重与含水率Fig.3 The dry weight and the moisture content of the biofouling on the fifth day

从图3（a）中可以看出，随着Ca2+浓度升高，虽然在某些情况下（如200 mg／L上升至250 mg／L时）受随机误差的影响，去除游离水后的污垢质量（污垢干重），出现上升，但总体来看，为逐渐下降趋势；而与之对应的，污垢中游离水的含水率逐渐上升，从40%左右上升至80%左右。

从图3（b）中可以看出，随着Ca2+浓度升高，去除结合水后的污垢质量，即污垢中有机物的质量，并无显著的变化规律，基本在20～30 g／m2范围内变化；而与之对应的污垢中总含水率则基本稳定在95%左右。

从图3中可以看出，随着Ca2+浓度升高，污垢表现出游离水含水率逐渐上升，干重下降的趋势，而总含水率、有机物质量则无显著变化。

2.3 污垢的微观形貌

为了考察Ca2+对污垢质量、含水率等产生影响的作用机理，对第5 d最终的污垢进行了SEM拍照，选取了100、200、300、400 mg／L的Ca2+浓度所对应的污垢进行拍照，其微观形貌如图4所示。

图4 不同Ca2+浓度下污垢的显微形貌（比例尺=50 μm）Fig.4 M icrostructure of biofou ling grown under different Ca2+concentrations（scale bar=50 μm）

从图4中可以看出，随着Ca2+浓度升高，所对应微生物污垢的显微形貌变化显著：当Ca2+浓度处于100 mg／L的较低水平时，污垢为一整体结构，丝状EPS堆积致密，污垢中几乎没有孔隙等结构；当Ca2+浓度上升至200 mg／L时，污垢开始变得略显蓬松，内部开始出现孔状结构，并且有向空间方向分布的微小EPS；当Ca2+浓度上升至300 mg／L时，相比于较低Ca2+浓度下的致密整体结构，污垢中开始出现大量空间方向上分布的丝状EPS，虽然仍存在局部的致密整体，但总体来看污垢变为显著的三维多孔结构；当Ca2+浓度上升至400 mg／L这一较高水平时，对应污垢的空间多孔化程度进一步上升，几乎全部为丝状EPS相互搭载形成的“骨架”，而不再含有致密的整体结构。

2.4 Ca2+影响微生物污垢的作用机理

结合以上对污垢质量等宏观参数的测量，以及对污垢显微形貌这一微观特征的观测，可以总结出Ca2+对微生物污垢产生影响的作用机理。

首先，由于去除结合水后的污垢质量，即污垢中有机物（主要是细胞与EPS）的质量，随Ca2+浓度升高无显著变化，说明Ca2+对细胞的附着、生长、繁殖，以及EPS的分泌这一系列代谢过程无显著影响；但是Ca2+可以通过影响细胞间的静电力作用以及生物膜相关蛋白质（Bap）的分泌，增强污垢内部丝状EPS的桥连作用，使其由均质化的整体向空间方向显著发展，从而促进污垢内部结构的空间多孔化［21］；而随着Ca2+浓度上升，污垢多孔化程度增强，丝状EPS“骨架”间的间隙作为含水通道，使得污垢内部包含了更多游离的水分（从图3（b）中可以看出，Ca2+浓度从100 mg／L上升至400 mg／L，对应污垢中游离水的含水率从40%左右上升至80%左右），因此，虽然不同Ca2+浓度下污垢内有机物含量相近，但随着Ca2+浓度上升，污垢内含有的游离水分增多，对应的污垢质量也随之上升。

值得说明的是，微生物污垢的生长受到温度、菌浓度、营养浓度，以及成垢固体底层材料等多种因素的影响，本文考虑的主要是不同Ca2+浓度对污垢生长的影响，以上讨论也主要是根据Ca2+浓度的影响而展开。

3 结论

本文通过配制人工再生水，进行了挂片实验，在流动条件下生成微生物污垢，并考察Ca2+浓度对微生物的影响，对污垢质量、含水率、微观结构等进行检测，得到以下结论：

1）从宏观称重来看，随着Ca2+浓度上升，所形成的微生物污垢总质量上升，内部游离水的含水率上升，但有机物质量随Ca2+浓度上升并无显著变化；

2）从显微拍照来看，随着Ca2+浓度上升，污垢的显微结构由均质化的致密整体逐渐变化为细丝状EPS为“骨架”的三维多孔结构，空间多孔化程度显著上升，而这也是Ca2+对污垢产生影响的主要作用机理；

3）通过本研究可以预测，在Ca2+浓度较高的工况下，再生水源热泵系统具有更强的结垢倾向，且所生成的微生物污垢的多孔化程度更高，从而可以指导在不同工况下分别采用具有针对性的除垢抑垢手段，以保证热泵系统的工作效率。

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About the corresponding author

Shi Lin，female，professor，Institute of Thermophysics Engineering，Department of Thermal Engineering，Tsinghua University，+ 86 10-62687613，E-mail：rnxsl＠tsinghua.edu.cn.Research fields：refrigeration and heat pumps.

The Effect and Mechanism of Calcium Ions Concentration on Biofouling Grown in Treated Sewage Source Heat Pump Systems

Chang Siyuan Fang Yuqing Shi Lin
（Key Laboratory for Thermal Science and Power Engineering of Ministry of Education，Beijing Municipal Key Laboratory for CO2Utilization＆Reduction，Department of Thermal Engineering，Tsinghua University，Beijing，100084，China）

Treated sewage source heat pump systems could reuse the large amount of wasted heat in the city sewage to refrigerate and heat the buildings.However，biofouling，which is the key problem in treated sewage heat pump systems，decreases the system efficiency and security.Ca2+，which is an important inorganic ion for bacteria metabolism，has a significant influence on biofouling formation.In this study，the effect and mechanism of calcium ions concentration on biofouling growth were investigated under flowing conditions.Model sewage was prepared，with the Ca2+concentration ranging from 100 mg／L to 450 mg／L，and a rotating coupon device was used for biofouling formation.The total weight，dry weight and organic weight of biofouling grown under different Ca2+concentrations were measured，the moisture content of the biofouling was calculated，and the microstructure of the biofouling was viewed.The results indicated that biofouling grown under higher Ca2+concentrations have a more heterogeneous and porous structure，thus the moisture content and the total mass of the biofouling were increased.The results of this study could be used for predicting the biofouling formation under different operation conditions and improving the performance of treated sewage source heat pump systems.

treated sewage source heat pumps；biofouling；Ca2+；microstructure

TK124；TQ051.5

0253-4339（2016）06-0055-06

10.3969／j.issn.0253-4339.2016.06.055

简介

史琳，女，教授，清华大学热能工程系工程热物理研究所，（010）62687613，E-mail：rnxsl＠tsinghua.edu.cn。研究方向：制冷与热泵。

国家自然科学基金（51476090，50976060）和国家创新团队资助项目（51321002）资助。（The project was supported by the National Natural Science Foundation of China（No.51476090＆No.50976060）and the Science Fund for Creative Research Group（No.51321002）.）

2016年5月17日