船舶生物污垢水下清洗安全风险评估标准研究

船舶生物污垢是导致沿岸国水生物种入侵的重要因素,严重破坏生态系统平衡,影响人类健康,降低船舶能效。文章介绍了船舶生物污垢概况及产生的影响,阐述了目前生物污垢水下清洗方式和安全风险因素。

船舶生物污垢控制和管理导则最新修订进展

为控制船舶生物污垢所带来的不良影响,国际海事组织(IMO)早在2011年便出台了指南性文件《船舶生物污垢控制和管理导则》(下称“生物污垢导则”),从防污底系统安装和维护保养,水下检查、清洁和维护保养以及船体设计和建造等方面提出了指导建议,以进一步降低船舶生物污垢所带来的各类风险。然而,近年来随着人们对生物安全逐年重视,现有导则已不再适应当前社会发展需要,越来越多国家通过制定内部法规指南来加强对船舶生物污垢的管控,并呼吁IMO进一步修订“生物污垢导则”。

船舶生物污垢水下清理法规要求与国际标准动向

船舶生物污垢是带来生物入侵、油耗增加和船体锈损的重要原因,其一般是指微生物、植物、藻类和水生动物在水下结构(特别是船体)上的有害积累。通常情况下,船东会采取防污涂装、坞内清洗和水下清洗等方式处理船舶生物污垢,其中水下清洗是指在水中去除船体和利基区域的生物污垢,当前包括污物回收功能的水下清洗技术已成为实现环境友好、高效作业的热门技术方案。

基于模拟循环冷却装置的微生物污垢形成的影响因素

从松花江水中分离出黏液形成菌N1,形态学及生理生化指标鉴定其为微球菌属。利用污垢形成动态模拟实验装置,进行污垢热阻在线监测及传热特性分析,结果表明:在恒定工况下[水温30℃,流速0.4m.s-1,微生物浓度(7.0×106)～(2.2×1010)cfu.ml-1],不锈钢管的微生物污垢诱导期为57h左右,而铜管的微生物污垢诱导期较不锈钢管长。分别以缩放管及不锈钢管作为管材进行对比实验,结果显示:水流速度对微生物污垢形成具有一定影响,即变化的流速能够延长微生物污垢诱导期。在装置运行过程中,定期检测多个水质参数,包括pH值、电导率、细菌总数、总氮、COD等,并利用灰色关联算法分析了各水质参数与微生物污垢关联的权重比例,从而为微生物污垢预测及制定有效的防垢、抑垢和除垢对策提供了理论依据。

微生物污垢对翅片管换热器空气侧换热和压降特性的影响

为了研究翅片管换热器表面微生物污垢对其换热和压降特性的影响,对4种不同污垢程度的翅片管换热器进行了实验.比较分析了不同ReDc下,不同微生物污垢面积的换热器和清洁换热器的换热和压降特性.结果表明:在ReDc较小时,微生物污垢对换热器空气侧换热有一定的增强作用,随着ReDc的增大,增强作用逐渐减弱;当ReDc>1 200后,污垢对换热只起到衰减的作用.微生物污垢对压降的影响明显大于对换热的影响.随着ReDc的增大,污垢压降因子逐渐减小,并且污垢面积越大,减小的趋势越显著.

微生物污垢检测技术的特点、现状与发展趋势

微生物污垢是工业冷却水污垢的重要组成部分。在适宜条件下,引起污垢的微生物迅速繁殖,不但会显著增大污垢热阻、流动阻力和腐蚀速率,甚至还会堵塞流道而引发停机故障。本文介绍了微生物污垢的概念,阐述了微生物污垢检测技术研究的地位、作用和特点,归纳了目前已知的微生物污垢的形成过程及其主要影响因素,着重分析了目前国内外应用较广的微生物污垢检测方法、优缺点及其最新研究动态,展望了微生物污垢检测技术未来的发展趋势。

循环冷却水管路微生物污垢形成的动态模拟

从松花江水中分离纯化出黏液形成菌N1,形态学及生理生化指标鉴定其为微球菌属。利用动态模拟实验装置,研究此菌株在工业运行环境下细菌总数的变化对不锈钢管式换热器传热表面污垢热阻的影响。在线监测结果显示,细菌总数与污垢热阻变化成正相关;对管壁黏泥分析的结果显示,其中含有约107 cfu/mL的微生物;元素分析结果发现,黏泥内主要成分为C、O、N和Cl,这与微生物基本元素组成相似,表明菌株N1有黏附于传热表面形成黏泥的特性。这对认识微生物污垢形成机制,尤其是形成起始阶段的变化有重要意义,将为新型高效换热设备的设计提供依据。

热泵工况下竖直不锈钢表面微生物污垢动态生长行为

城镇二级出水所含致垢微生物将导致其热能回用过程中在换热面上形成以微生物污垢为主的混合污垢,影响换热、流动效率。以可控微生物种类及浓度的模拟二级出水为介质,对典型热泵供暖、制冷工况下微生物污垢在模拟板式换热器的竖直不锈钢壁面上的形成过程进行了研究,关注起始阶段垢层微观结构演变与宏观垢量生长特性,并考查了流速、菌浓度对成垢过程的影响。实验表明:垢层微观结构演变与宏观垢量增长存在同步关系,污垢生长速率对应于微观结构演变;流速对于成垢过程影响呈非单调性;菌浓度低至103 CFU.ml-1(CFU,菌落形成数)时成垢量可忽略。实验结果可指导除垢时间点的选择及改进抑垢、除垢方法。

不同营养下混合菌种微生物污垢生长机理与交互作用

再生水源热泵能有效回用废热,但再生水换热器的微生物污垢问题一直没有完全解决,严重影响换热效率和系统安全。利用长期监测并且进行16SrRNA鉴定得到的再生水及其污垢中两种主要代表菌属芽孢杆菌属和气单胞菌属,在实验室内配制模拟流体进行混合菌种微生物污垢实验。通过在特制的机理流道上进行不同菌种比例和不同营养物质浓度的污垢生长实验,得出芽孢杆菌属和气单胞菌属的单独生长规律和混合生长规律,总结了混合生长时两种菌属的协同和抑制规律,同时考察了营养物质浓度对生长规律和交互作用的影响。结果表明:芽孢杆菌属成垢能力较强,细胞分裂速度高,耐贫营养能力强;气单胞菌属成垢能力弱于芽孢杆菌属,但分泌物生成速率高,可以与芽孢杆菌属协同生长;两种菌属交互作用在不同阶段和条件下,协同与抑制作用共存并轮流占据主导。

基于Kern-Seaton模型结合Capdeville生物膜增长体系建立的微生物污垢模型

为研究换热设备生物污垢的形成过程,将Capdeville生物膜增长体系引入Kern-Seaton模型,建立了一个新的微生物污垢模型。采用铁细菌和管式换热装置对模型进行了实验验证。结果表明:除诱导期外,新建的微生物污垢热阻模型的计算数据和实验数据的相对误差小于20%。

高频三角波电磁场防治水系统中微生物污垢的研究

工业水系统中微生物污垢广泛存在,实验采用高频三角波对模拟工业水系统中的微生物污垢的防治进行了研究。主要考察了不同流速的流体在未处理和经过不同频率高频三角波处理后,不同材料表面上微生物污垢的生长量的差别以及微生物污垢的生长厚度和形态方面的差异。结果表明:一定流速下5000Hz高频三角波电磁场对实验中使用的非金属材料有明显抑制其表面微生物污垢生长的作用,但是对实验中的金属材料没有抑制作用;高频三角波的抑制作用在距离加载位置较近的实验段比在距离较远的实验段的作用突出,随着与加载位置距离的增大,抑制作用逐渐减弱。

颗粒污垢模型在微生物污垢研究中的适用性

为了研究微生物污垢的生长过程,本文根据微生物污垢与颗粒污垢形成机理的相似性,尝试了颗粒污垢模型应用于微生物污垢的可行性。结合修正的Gompertz微生物生长动力学模型,本文将三种颗粒污垢模型应用于圆管及交叉缩放椭圆管内的铁细菌污垢。结果表明:颗粒Kern-Seaton模型的计算结果与实验结果的相对误差最小,两管内该模型的相对误差基本都在±10%之间。

Ni-P化学镀层表面微生物污垢特性分析

利用化学镀Ni-P的方式对换热设备常见的低碳钢表面进行改性。利用扫描电镜对Ni-P镀层拍摄电镜图,对镀层进行网格实验和结合稳定性实验。然后对低碳钢片和Ni-P镀层进行微生物污垢对比实验,利用称重法记录污垢变化情况和光电比浊法记录铁细菌的数量变化情况。实验结果表明,化学镀Ni-P镀层的结合强度和结合稳定性优良,镀层表面形貌与碳钢表面相比也较好;对于由铁细菌引起的微生物污垢和垢下腐蚀,Ni-P镀层相比碳钢表面具有很好的耐蚀性和抗垢性;Ni-P镀层的存在会对铁细菌生长繁殖及代谢产生一定的影响。

板式换热器Ni-P-TiO2复合纳米镀层微生物污垢特性

换热器微生物污垢问题普遍存在于能源化工领域,污垢的聚集会导致设备的流动阻力、燃料消耗和维护成本支出大幅度增加。本文采用复合纳米镀层来抑制和减轻换热表面的微生物污垢的附着和沉积。首先采用化学镀的方式,在板式换热器的不锈钢316板上镀覆Ni-P-TiO2复合纳米镀层和对照性的Ni-P镀层。基于板式换热器的微生物污垢在线监测实验系统,研究了镀覆Ni-P-TiO2复合纳米镀层的板式换热器微生物污垢特性。结果表明,清洁状态下,镀覆两种镀层的板式换热器其摩擦系数(f)和Nusselt数(Nu)相较未镀覆板式换热器均略有增加;微生物污垢实验后,相比较未镀覆的板式换热器,镀覆Ni-P镀层的板式换热器污垢热阻减少了8.36%~23.07%,而镀覆Ni-P-TiO2复合纳米镀层的板式换热器污垢热阻减少了16.6%~30.96%;在相同微生物污垢实验工况下,镀覆Ni-P-TiO2复合纳米镀层的板式换热器的摩擦系数(f)相比Ni-P镀层的低2.54%~11.82%,但Nu却明显高于Ni-P镀层达8.47%~9.45%,并且污垢热阻明显小于Ni-P镀层达10.66%~18.18%,镀覆Ni-P-TiO2复合纳米镀层的板式换热器展现了优异的强化传热性能和抑垢性能。

Ca^(2+)环境下板式换热器微生物污垢特性

为了研究Ca2+环境下微生物的污垢特性,通过人工配比方法加入Ca Cl2与铁细菌,对板式换热器循环冷却水系统在不同温度、速度和铁细菌浓度下的污垢特性进行了实验研究。结果表明:在Ca2+环境下污垢热阻高于纯铁细菌污垢热阻,且温度越高污垢热阻渐近值越小,流体速度越大污垢热阻渐近值越小,铁细菌浓度越大污垢热阻渐近值越大。

基于Kern-Seaton模型构建的微生物污垢模型

为了探索微生物污垢的形成过程,在Kern-Seaton污垢模型的基础上,结合生长动力学模型建立了微生物污垢模型。以不锈钢光管内铁细菌微生物污垢的实验数据为依据,进行实验验证。结果表明:所建立的微生物污垢模型的计算数据与实验数据除诱导期外,相对误差在±20%以内。

Ni-P化学镀层表面黏液形成菌微生物污垢特性

为了研究化学镀Ni-P换热器上黏液形成菌微生物污垢的特性,利用化学镀Ni-P的方式对低碳钢表面进行改性。采用微生物污垢对比实验,对低碳钢片和具有Ni-P镀层低碳钢片拍摄扫描电镜图,利用称重法记录污垢变化情况和光电比浊法记录黏液形成菌的数量变化情况。结果表明,Ni-P镀层表面形貌明显好于低碳钢;Ni-P镀层相比于碳钢具有很好的耐蚀性和抗微生物污垢特性;黏液形成菌生长繁殖旺盛和细菌代谢产物多时,微生物污垢的形成就快。相反,微生物污垢形成就慢。

电厂换热设备微生物污垢沉积与腐蚀实验

为了研究换热设备上微生物污垢的特性,采用易形成微生物污垢的铁细菌进行静态微生物污垢实验。采用扫描电镜对实验前、后的低碳钢片拍摄电镜图,用称重法记录污垢变化,采用光电比浊法记录铁细菌的数量变化。实验结果表明:低碳钢在清水环境中仅发生轻微腐蚀,有铁细菌存在后腐蚀会急剧增加;铁细菌会使碳钢表面发生严重的腐蚀并形成微生物污垢沉积;微生物污垢沉积与微生物腐蚀同时进行,当污垢沉积影响大于微生物腐蚀时,表现为污垢沉积,当微生物腐蚀影响大于污垢沉积时,表现为微生物腐蚀。

Ca^(2+)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

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Ca^(2+)对微生物污垢的影响及其作用机理。实验中配制了不同Ca^(2+)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Ca^(2+)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:Ca^(2+)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。

利用苯扎氯铵抑制再生水源热泵系统中微生物污垢的实验研究

再生水源热泵系统以城市再生水作为冷热源,为城市建筑制冷、供暖,而微生物污垢是影响再生水源热泵系统效率和安全的重要问题。本研究通过进行挂片实验,利用不同质量分数的杀菌剂苯扎氯铵每天浸泡污垢10 min,考察其抑垢作用。对污垢进行活性染色,并利用共聚焦激光扫描显微镜CLSM对其进行拍照,观察污垢内细胞的活性分布。最后利用Imaris软件分别统计活/死细胞所占的生物体积。结果表明,苯扎氯铵对微生物污垢具有抑制作用,能杀灭污垢内绝大部分细菌细胞,且该作用随其质量分数上升而增强。该研究可对相关抑垢技术提供指导,从而提高再生水源热泵系统的运行效率与系统安全,促进该项技术的实际应用。