再生水用于循環(huán)冷卻水中鐵細(xì)菌對(duì)碳鋼腐蝕的影響

吳 卿，李 云，李亞男，田一梅，彭 森

（1.天津大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，天津 300072；2.太原理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，太原 030024）

隨著國(guó)內(nèi)城市中水深度處理技術(shù)的不斷進(jìn)步，再生水的應(yīng)用領(lǐng)域變得更加廣泛.將城市污水再生水作為工業(yè)冷卻補(bǔ)充水的水源是目前世界各國(guó)解決缺水問題的首選方案，而其帶來的微生物腐蝕問題是目前各工業(yè)企業(yè)關(guān)注的焦點(diǎn).金屬腐蝕是由金屬表面、無機(jī)腐蝕產(chǎn)物、微生物細(xì)胞及其代謝產(chǎn)物協(xié)同作用產(chǎn)生的.鐵細(xì)菌又稱為鐵氧化細(xì)菌（iron-oxidizing bacteria， IOB），是造成金屬腐蝕的主要微生物之一.IOB能將二價(jià)鐵氧化成三價(jià)鐵然后轉(zhuǎn)化為FeOH3沉淀，并從中獲取能量[1].這些氫氧化鐵在管壁表面形成沉淀，在管道表面形成小陽(yáng)極點(diǎn)，與水體中氧氣存在的大范圍陰極區(qū)域形成原電池，發(fā)生局部腐蝕[2-3].在微生物腐蝕方面，現(xiàn)有研究主要集中在鐵細(xì)菌與其他細(xì)菌共同作用產(chǎn)生腐蝕方面[4-6]，而有關(guān)鐵細(xì)菌的生長(zhǎng)特性及其引起的腐蝕機(jī)理方面的研究較少.為了研究鐵細(xì)菌的腐蝕作用，本文通過相應(yīng)的電化學(xué)實(shí)驗(yàn)以及靜態(tài)掛片腐蝕實(shí)驗(yàn)來研究鐵細(xì)菌對(duì)碳鋼的腐蝕行為.

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與設(shè)備

所用材料包括：菌種，由冷卻塔下的儲(chǔ)水池中所取循環(huán)冷卻水中獲取；尿素培養(yǎng)基[7]、Winogradsky培養(yǎng)基[8]、Stokes培養(yǎng)基[7]、CGY培養(yǎng)基[7]、碳源利用鑒定培養(yǎng)基[7]、生長(zhǎng)特性基礎(chǔ)培養(yǎng)基[9]，自制；葡萄糖、蔗糖、甘油、可溶性淀粉，天津市北方天醫(yī)化學(xué)試劑廠生產(chǎn)；乳糖、檸檬酸鈉、草酸鈉、半乳糖，天津市光復(fù)精細(xì)化工研究所生產(chǎn)；NH4NO3、（NH4）2SO4，天津市天大化工實(shí)驗(yàn)廠生產(chǎn)；尿素，天津市江天化工技術(shù)有限公司生產(chǎn)；KNO3、NaNO3，天津市津科精細(xì)化工研究所生產(chǎn).

所用設(shè)備包括：WKMZ-Ⅱ型智能動(dòng)態(tài)模擬裝置，高郵市新郵儀器廠生產(chǎn)，設(shè)定濃縮倍數(shù)3.0，進(jìn)口溫度25℃，pH控制在8.5以下，以天津市某再生水廠出水為補(bǔ)充水，不投加殺生劑；CS2350電化學(xué)工作站，武漢科斯特公司生產(chǎn)，Q235碳鋼工作電極內(nèi)徑為8 mm、有效截面積為0.502 4 cm2；Q235標(biāo)準(zhǔn)腐蝕掛片，高郵市新郵儀器廠生產(chǎn)，長(zhǎng)×寬×厚為50 mm×25 mm×2 mm，本研究所采用的Q235碳鋼成分為C（≤0.22%）、Mn（≤1.4%）、Si（≤0.35%）、S（≤0.050%）、P（≤0.045%），余量為Fe；XL-30TMP型環(huán)境掃描電子顯微鏡（EMES），荷蘭Philips公司產(chǎn)品.

1.2 較為純凈的菌種培養(yǎng)

取水樣接種到尿素培養(yǎng)基、Stokes培養(yǎng)基富集得到鞘細(xì)菌，在28℃下培養(yǎng)24～48 h，觀察取出培養(yǎng)基中的半透明絮體，接種到Winogradsky培養(yǎng)基上，在28℃下進(jìn)行培養(yǎng)，富集得到具有氧化鐵能力的鞘細(xì)菌[7-8].對(duì)氧化鐵鞘細(xì)菌進(jìn)行分離，可在Stokes培養(yǎng)基的基礎(chǔ)上添加1.5%~2.0%的瓊脂，制成固體培養(yǎng)基，采用劃線分離的方法分離得到單個(gè)菌落.將分離得到的菌落接種到CGY培養(yǎng)基上，等形成大量的單菌體后，用無菌水制備形成適當(dāng)濃度的菌懸濁液.得到的菌種再重復(fù)進(jìn)行分離、純化2~3次[7，10-11]，從而得到較為純凈的菌種，并用蒸餾水法保存.

1.3 IOB最佳碳源和最佳氮源的確定

將得到的IOB接種到裝有不同碳源和氮源鑒定培養(yǎng)基的試管中進(jìn)行篩選實(shí)驗(yàn)[7].參照《工業(yè)循環(huán)冷卻水中菌藻的測(cè)定方法第6部分：鐵細(xì)菌的測(cè)定MPN法》[12]，測(cè)定鐵細(xì)菌的數(shù)量來反映其生長(zhǎng)情況.

（1）最佳碳源的確定：將生長(zhǎng)特性基礎(chǔ)培養(yǎng)基[9]中的檸檬酸鐵銨按1%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)添加，在此基礎(chǔ)上分別以碳含量相同的不同碳源代替檸檬酸鐵銨，測(cè)定鐵細(xì)菌數(shù)量.

（2）最佳氮源的確定方法：將生長(zhǎng)特性培養(yǎng)基中的NaNO3按0.2%的質(zhì)量分?jǐn)?shù)進(jìn)行添加，在此基礎(chǔ)上分別以氮含量相同的不同氮源代替NaNO3，測(cè)定鐵細(xì)菌數(shù)量.

1.4 開路電位和極化電阻的測(cè)定

采用CS2350電化學(xué)工作站，在30℃±1℃條件下進(jìn)行測(cè)試.采用傳統(tǒng)三電極體系，Q235碳鋼為工作電極，飽和甘汞電極作參比電極，大面積鉑電極作輔助電極.電位基本穩(wěn)定后對(duì)自腐蝕電位進(jìn)行測(cè)試.極化電阻的測(cè)定采用電動(dòng)掃描法，掃描速率為1 mV/s（電流-60~-150 μA），利用儀器自帶CView軟件采用線性區(qū)域進(jìn)行計(jì)算.

1.5 腐蝕掛片試驗(yàn)

將2塊經(jīng)過除油、紫外線滅菌的Q235標(biāo)準(zhǔn)腐蝕掛片分別懸掛于2個(gè)250 mL具塞三角瓶中，瓶中均裝滿經(jīng)過121℃滅菌的液體培養(yǎng)基，并用40 nm無菌濾膜密封，在30℃下培養(yǎng)5 d，將其中1瓶按5%接種量接種鐵細(xì)菌液、另1瓶不做任何處理后，仍密封置于30℃培養(yǎng)；30 d后取出掛片，清洗、干燥后用XL-30TMP型環(huán)境掃描電子顯微鏡（EMES）對(duì)碳鋼掛片腐蝕的表面形貌及能譜進(jìn)行分析.

2 結(jié)果與討論

2.1 最佳碳源的確定

以葡萄糖、蔗糖、甘油、乳糖、檸檬酸鈉、草酸鈉、半乳糖及可溶性淀粉為碳源，對(duì)IOB進(jìn)行培養(yǎng)，經(jīng)實(shí)驗(yàn)分析確定鐵細(xì)菌能夠利用的碳源包括：葡萄糖、蔗糖、甘油、乳糖、檸檬酸鈉.選擇其中較為常用的碳源，并通過測(cè)定鐵細(xì)菌數(shù)來確定各種碳源利用的程度，確定最佳碳源.圖1所示為不同碳源下IOB的數(shù)量變化情況.

由圖1可以看出，當(dāng)添加碳源為檸檬酸鐵銨時(shí)，鐵細(xì)菌數(shù)量最大；碳源為甘油、葡萄糖時(shí)次之；碳源為蔗糖、檸檬酸鈉、乳糖時(shí)，鐵細(xì)菌生長(zhǎng)較為緩慢.將碳源為檸檬酸鐵銨的鐵細(xì)菌數(shù)量計(jì)為100%，計(jì)算其他各種碳源下鐵細(xì)菌數(shù)量的相對(duì)百分?jǐn)?shù)，結(jié)果表明：甘油、葡萄糖的相對(duì)百分?jǐn)?shù)較高，分別為94.1%和88.2%；而蔗糖的相對(duì)百分?jǐn)?shù)為58.8%，乳糖、檸檬酸鈉的均不足50%.由此可見，鐵細(xì)菌對(duì)不同碳源利用能力的順序?yàn)椋簷幟仕徼F銨>甘油>葡萄糖>蔗糖>檸檬酸鈉>乳糖.因此，鐵細(xì)菌最適宜碳源為檸檬酸鐵銨.這是由于鐵細(xì)菌一般生活在含氧量少但溶有較多鐵質(zhì)及二氧化碳的弱酸性水體中，檸檬酸鐵銨更能促進(jìn)微生物生長(zhǎng)的原因可能是檸檬酸鐵銨能夠分解出鐵離子，從而促進(jìn)鐵細(xì)菌的生長(zhǎng)，增加對(duì)碳源的利用.

圖1 不同碳源下IOB的生長(zhǎng)情況Fig.1 Growth state of IOB cultured by different carbon sources

2.2 最佳氮源的確定

圖2所示為不同氮源下IOB的數(shù)量變化情況.

圖2 不同氮源下IOB的生長(zhǎng)情況Fig.2 Growth state of IOB cultured by different nitrogen sources

由圖2可以看出，氮源為NaNO3時(shí)鐵細(xì)菌數(shù)量最大；氮源為NH4NO3、（NH4）2SO4、尿素時(shí)次之；氮源為KNO3時(shí)，鐵細(xì)菌數(shù)量最少.將氮源為NaNO3的鐵細(xì)菌數(shù)量計(jì)為100%，計(jì)算其他氮源下鐵細(xì)菌數(shù)量的相對(duì)百分?jǐn)?shù).結(jié)果表明：氮源為NH4NO3、（NH4）2SO4時(shí)，相對(duì)百分?jǐn)?shù)均為77.8%；氮源為尿素時(shí)，相對(duì)百分?jǐn)?shù)為66.7%；當(dāng)?shù)礊镵NO3時(shí)，只有24.4%.因此，鐵細(xì)菌對(duì)不同氮源的利用能力順序?yàn)椋篘aNO3>NH4NO3≈（NH4）2SO4>尿素>KNO3，最適宜的氮源為NaNO3.這主要是因?yàn)镹aNo3為氮源時(shí)IOB的產(chǎn)酶量較高，此時(shí)IOB的微生物活性相對(duì)更強(qiáng)[9].

2.3 pH值對(duì)IOB生長(zhǎng)的影響

在30℃利用生長(zhǎng)特性基礎(chǔ)培養(yǎng)基進(jìn)行培養(yǎng)，只改變pH值的情況下，鐵細(xì)菌生長(zhǎng)數(shù)量隨著pH值變化的情況如圖3所示.

圖3 pH值對(duì)IOB生長(zhǎng)的影響Fig.3 Effect of pH value on growth of IOB

由圖3可以看出，在pH值為6.5~7.5的范圍內(nèi)，鐵細(xì)菌能保持較高的數(shù)量；在pH值為7.0時(shí)，鐵細(xì)菌數(shù)量最大，達(dá)到7.0×106個(gè)/mL.pH會(huì)影響鐵細(xì)菌的生物活性.鐵細(xì)菌好氣，嗜中性和弱酸性環(huán)境，且在堿性條件下不易生長(zhǎng).實(shí)驗(yàn)結(jié)果的最佳pH值范圍支持了這一理論.

2.4 IOB生長(zhǎng)過程中碳鋼的電化學(xué)指標(biāo)

利用電化學(xué)工作站對(duì)30℃時(shí)碳鋼電極在接種有鐵細(xì)菌的液體培養(yǎng)基中的開路電位、極化電阻、腐蝕率隨時(shí)間的變化趨勢(shì)進(jìn)行測(cè)定，結(jié)果如圖4所示.

由圖4可以看出，在無菌溶液中碳鋼電極的開路電位保持在-0.65 V左右，其極化電阻和腐蝕率也分別保持在1 230 Ω/cm2和0.25 mm/a不變.在有菌溶液中，開路電位和極化電阻都是在接種鐵細(xì)菌后先變大再變小，最終分別保持在-0.72 V和950 Ω/cm2不變；其腐蝕率先變小后變大最終保持在0.32 mm/a左右，最終有菌溶液的腐蝕速率保持在無菌溶液的1.28倍左右.由此可知：在接種鐵細(xì)菌后碳鋼的腐蝕先降低，這是因?yàn)榕囵B(yǎng)基本身對(duì)碳鋼的腐蝕較小，金屬表面形成一層有機(jī)覆蓋層，剛接種時(shí)鐵細(xì)菌少，細(xì)菌處于增長(zhǎng)期，代謝產(chǎn)物生成速率慢，此時(shí)電極表面覆蓋的生物膜致密，對(duì)電極產(chǎn)生一定的保護(hù)作用[13].但是隨著時(shí)間的進(jìn)一步推進(jìn)，碳鋼的腐蝕速率逐漸增加，最終超過無菌電解池碳鋼的腐蝕速率，并保持不變.這主要是因?yàn)殍F細(xì)菌達(dá)到一定數(shù)量后，可以比較穩(wěn)定地進(jìn)行新陳代謝活動(dòng)，增大了反應(yīng)動(dòng)力，促進(jìn)了碳鋼的腐蝕.

2.5 IOB對(duì)掛片形貌影響的ESEM分析

通過觀察發(fā)現(xiàn)，在無菌培養(yǎng)液中的掛片表面平整；而有菌培養(yǎng)液中的掛片表面顏色變化很大，部分區(qū)域接近鐵銹的顏色，且該區(qū)域內(nèi)有一些點(diǎn)狀凹陷的腐蝕坑，為鐵細(xì)菌促進(jìn)碳鋼點(diǎn)蝕所致.有菌培養(yǎng)液中的掛片發(fā)生點(diǎn)蝕主要與碳鋼表面生物膜覆蓋不均勻和代謝產(chǎn)物有關(guān)[14].進(jìn)一步應(yīng)用ESEM對(duì)無菌和接種有鐵細(xì)菌的培養(yǎng)液中的掛片進(jìn)行形貌分析.掛片在培養(yǎng)液中放置30 d后的ESEM圖片如圖5所示.

圖4 IOB對(duì)相應(yīng)電化學(xué)指標(biāo)的影響Fig.4 Influence of IOB on electrochemical index

圖5 Q235碳鋼在培養(yǎng)基中30d后的腐蝕表面微觀形態(tài)Fig.5 Micrographs of corrosion product formed by carbon steel immersed 30 d in medium

由圖5可以看出，無菌培養(yǎng)液中的掛片表面存在一些分布比較均勻、形狀以圓形居多的平滑凸起，并沒有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)；而有菌培養(yǎng)液中的掛片表面存在2種形態(tài)顯著不同的結(jié)構(gòu)，一種是表面粗糙的球狀結(jié)構(gòu)，另一種則是片層結(jié)構(gòu).Duan等[15]在研究海水自然水體的微生物膜引起的碳鋼腐蝕時(shí)也發(fā)現(xiàn)了這2種結(jié)構(gòu)，認(rèn)為此種片狀結(jié)構(gòu)是一種鐵氧化物，可能包含F(xiàn)eCO3成分.

2.6 IOB對(duì)碳鋼腐蝕的元素分析

針對(duì)圖5電鏡掃描圖，對(duì)無菌、接種有鐵細(xì)菌的培養(yǎng)基中的碳鋼掛片采用能譜進(jìn)行元素成分及含量分析，所獲得的能譜圖如圖6所示，表1所示為腐蝕產(chǎn)物環(huán)境掃描電鏡的能譜測(cè)試結(jié)果.

圖6 培養(yǎng)液中掛片能譜圖Fig.6 EDS spectra of carbon steel coupons in medium

表1 腐蝕產(chǎn)物環(huán)境掃描電鏡能譜測(cè)試結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）Tab.1 Result of EDS spectra of carbon steel corrosion product（percentage of quality）

由圖6和表1可以看出，無論有菌還是無菌培養(yǎng)液中的碳鋼掛片，其表面主要物質(zhì)均為鐵氧化物，但各掛片表面的元素含量有所不同.與無菌培養(yǎng)液中的掛片相比，有菌培養(yǎng)液中的掛片球狀和片狀結(jié)構(gòu)中O、P含量均有所增加，F(xiàn)e含量均有所下降.這是由于O、P等元素是微生物細(xì)胞、代謝產(chǎn)物的主要組成元素，由于微生物細(xì)胞及代謝產(chǎn)物的附著而導(dǎo)致O、P等元素含量的增加.鐵細(xì)菌會(huì)使Fe元素被氧化成Fe2+、Fe3+離子并從金屬表面游離出來，因此導(dǎo)致掛片表面Fe的含量減少.對(duì)于有菌培養(yǎng)液中的掛片表面兩種腐蝕結(jié)構(gòu)元素組分的差異，可能是由掛片表面生物膜分布不均勻造成的.

綜上所述，IOB的參與可明顯影響碳鋼掛片的元素成分及含量，使金屬的腐蝕加重.

3 結(jié)論

（1）IOB對(duì)不同碳源的利用能力順序?yàn)椋簷幟仕徼F銨>甘油>葡萄糖>蔗糖>檸檬酸鈉>乳糖，鐵細(xì)菌的最適宜碳源為檸檬酸鐵銨.

（2）IOB對(duì)不同氮源的利用能力順序?yàn)椋篘aNO3> NH4NO3≈（NH4）2SO4>尿素>KNO3，最適宜的氮源為NaNO3.

（3）IOB最適宜的pH值范圍為6.5~7.5，最佳pH值為7.0.

（4）鐵細(xì)菌促進(jìn)了碳鋼微生物腐蝕的發(fā)生，并且使掛片發(fā)生點(diǎn)蝕，這主要與生物膜分布不均勻和代謝產(chǎn)物有關(guān).

（5）IOB能使掛片腐蝕表面產(chǎn)生球狀（可能包含腐蝕產(chǎn)物FeCO3）和片狀兩種不同的結(jié)構(gòu)，并且兩種結(jié)構(gòu)的元素成分有所差異，可能與生物膜在電極表面覆蓋不均勻和代謝產(chǎn)物有關(guān).

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