给水管道的微生物腐蚀

给水管道的微生物腐蚀 国内图书分类号:TU991.38 学校代码:10213 国际图书分类号:628.1 密级:公开 工学硕士学位论文 给水管道的微生物腐蚀 硕 士研究生:陈笑居 导 师:袁一星教授 申 请 学 位:工学硕士 学 科:市政工程 所 在 单 位:市政环境工程学院 答 辩 日 期:2011 年6 月 授予学位单位:哈尔滨工业大学 Classified Index: TU991.38 U.D.C: 628.1 Dissertation for the Master Degree in Engineering Microbiologically Influenced Corrosion in Water Distribution Systems Candidate : CHEN Xiaoju Supervisor : Prof.YUAN Yixing Academic Degree Applied for : Master of Engineering Speciality : Municipal Engineering Affiliation : School of Municipal and Environmental Engineering Date of Defence : June, 2011 Degree-Conferring-Institution : Harbin Institute of Technology 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 摘 要 在给水管道中，腐蚀是影响给水管道寿命，降低饮用水安全的一个重 要隐 患。其中，微生物的腐蚀是导致给水管道腐蚀的重要影响因素，在导致给水 管 道腐蚀的微生物中，又以自养需氧型铁细菌(IRB )和异样厌氧型硫酸盐还 原 菌(SRB )为引起腐蚀的最普遍菌种。因此，研究这两种细菌对给水管道的腐 蚀对减小给水管道腐蚀，提高饮用水水质有着十分积极的作用。 本文利用从哈尔滨水厂附近的输水管网自来水管道中取得腐蚀产物，对其 中的铁细菌以及硫酸盐还原菌进行了检测，给水管道腐蚀产物中存在着大量的 铁细菌以及少量硫酸盐还原菌，结果表明，服役 10 年的未加涂衬的给水铸铁管 已经发生了严重腐蚀，铁细菌和硫酸盐还原菌在除铁外的其他营养物质极为匮 乏的条件下可以生存。对硫酸盐还原菌及铁细菌菌种进行了分离纯化后，对自 来水管道的铸铁管材进行了静态腐蚀试验，对在静水中此两种微生物的生长情 况进行研究，利用最大可能计数法(MPN 法)研究了两种微生物在一个腐蚀试 验周期里的生长情况，并利用电化学腐蚀和失重法研究了在这些腐蚀周期内此 两种微生物对铸铁管材的给水管道腐蚀的影响。结果表明，两种细菌同时存在， 并达到一定数量后情况下形成的生物膜有减缓腐蚀发生，对金属管材保护的作 用，而单独菌种存在情况下则会加速腐蚀的发生。 在此基础上，为保证水质，减小腐蚀程度，本文研究了在给水管道中余氯 对铁细菌和硫酸盐还原菌的去除效果，实验表明，余氯浓度达到 0.2mg/L ，对 于铁细菌接触时间达到 100min 时，细菌的去除率可以达到 90% 以上，对于硫 酸盐还原菌，接触时间30min 去除率即可达到90% 。但在初始细菌浓度很高的 情况下，对铁细菌，只有初始浓度达到 1.00mg/L，对硫酸盐还原菌，余氯浓度 要高于0.20mg/L ，才能被认为有效去除。在给水管道中，虽然水相中存在的细 菌数量不多，但附着在管道内壁及其腐蚀产物中的细菌含量很多，去除这种数 量级的细菌，就需要提高余氯的浓度并保证相应的足够长的接触时间。由于管 道中的细菌量可以达到 108cfu/ml，在余氯为 0.5mg/L 以下时，铁细菌和硫酸 盐还原菌的生长不能得到良好的控制，因此，在管道的清洗以及修复中，保 持 较高的余氯浓度是有必要的。 关键词:给水管道;微生物腐蚀;铁细菌;硫酸盐还原菌;余氯 I 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 Abstract Corrosion in drinking water distribution systems has become one of the causes of drinking water pollution and the decrease of durable years of water distribution pipes. Among the processes of corrosion in water pipes, microbiologically influenced corrosion MIC is of significant importance. This paper includes the study on the two most characterized corrosion related bacteria, iron bacteria IRB and sulfate-reduced bacteria SRB in drinking water distribution systems. In this paper, SRB and IRB, which were gained from drinking water distribution pipe in Harbin and purified with solid mediums in the laboratory, there were lots of IRB and a small amount of SRB existing in the corrosion products of water distribution systems. The results indicated that cast iron pipelines without coating had already been corroded after the serving of 10 years. Coupon tests were implemented to compare the growth condition of the two kinds of bacteria. MPN method was applied to measure the growth rates in one experimental period. Using these two kinds of bacteria, the effect of microbiologically influenced corrosion on water supply pipes was studied applying electrochemical techniques and weight-loss method in static coupon tests. Most probable number method was also used to obtain the actual number of SRB and IRB in a corrosion test period. The result showed that the corrosion rate of iron pipe samples decreased in a mixed bacteria environment. Based on the previous research, the disinfection efficacy of bacteria was studied in order to improve the water quality as well as to decrease the corrosion process. The results showed that, the disinfection efficacy could reach 90% after the contact of 100 mins when the concentration of residual chlorine was up to 0.2mg/L. However, it was considered to be effectively disinfected as long as the initial concentration of 1.00mg/L for IRB whereas the initial concentration of 0.20mg/L for SRB. When the residual chlorine was under 0.5mg/L, the growth of SRB and IRB could not be controlled effectively as the actual number of IRB in the corrosion product of water supply system was up to 108cfu/ml, hence high residual chlorine should be maintained in pipe cleaning and repairing techniques. II 哈尔滨工业大学工学硕士学位论 文 Keywords : microbiologically influenced corrosion, sulfate-reduced bacteria, iron bacteria, chlorine residual III 哈尔滨工业大学工学硕士学位 论文 目 录 摘 要......................................................................................................................I Abstract .................................................................................................................. II 第 1 章 绪 论........................................................................................................ 1 1.1 课题背景及研究的目的和意 义................................................................. 1 1.1.1 给水管道腐蚀与饮用水安 全.............................................................. 1 1.1.2 给水管道的腐蚀种 类.......................................................................... 1 1.2 给水管道的电化学腐 蚀............................................................................. 1 1.2.1 给水管道的电化学腐蚀机 理..............................................................2 1.3 给水管道的微生物腐 蚀.............................................................................2 1.3.1 微生物腐蚀机 理..................................................................................2 1.3.2 给水管道中引起腐蚀的微生 物........................................................... 3 1.3.3 影响给水管道微生物腐蚀的因 素.......................................................4 1.4 研究给水管道微生物腐蚀的方 法............................................................. 7 1.4.1 静态试 验............................................................................................. 7 1.4.2 动态试 验............................................................................................. 8 1.4.3 腐蚀速 率............................................................................................. 8 1.5 给水管道防止微生物腐蚀的方法以及管道冲 洗.................................... 10 1.5.1 给水管道防止微生物腐蚀方 法......................................................... 10 1.5.2 管道冲洗和修 复................................................................................ 10 1.6 微生物的灭 活.......................................................................................... 11 1.7 本课题主要研究内 容 .............................................................................. 12 第2 章 实验方 法.............................................................................................. 13 2.1 腐蚀试验准 备.......................................................................................... 13 2.1.1 腐蚀实验试片材料及制 备................................................................ 13 2.1.2 管道内细菌取 样................................................................................ 13 2.2 微生物实验方 法...................................................................................... 13 2.2.1 常用设 备........................................................................................... 13 2.2.2 基本仪 器........................................................................................... 13 2.2.3 微生物实验基本方 法................................................................... ..... 14 IV 哈尔滨工业大学工学硕士学位 论文 2.2.4 腐蚀试验基本方 法............................................................................ 16 2.2.5 腐蚀速率的测 定................................................................................ 16 第3 章 给水管道微生物提取及分离纯 化........................................................ 18 3.1 给水管道微生物提 取.............................................................................. 18 3.2 液体稀释法细菌数量统 计....................................................................... 18 3.2.1 铁细菌数量统 计................................................................................ 18 3.2.2 硫酸盐还原菌数量统 计.................................................................... 19 3.3 细菌的分离纯 化...................................................................................... 20 3.3.1 铁细菌的分离纯 化............................................................................ 20 3.3.2 硫酸盐还原菌的分离纯 化................................................................ 22 3.4 结 论......................................................................................................... 23 第4 章 微生物对给水管道管材腐蚀的静态试 验............................................ 25 4.1 静态试片分析步 骤.................................................................................. 25 4.2 静态试片法结果分析与讨 论................................................................... 32 4.3 本章小 结.................................................................................................. 45 第5 章 氯对硫酸盐还原菌的灭活试 验............................................................ 46 5.1 余氯衰减与微生物量测定过 程............................................................... 46 5.2 氯对两种细菌灭活的结果与分 析........................................................... 46 5.2.1 氯对铁细菌的杀灭试 验.................................................................... 46 5.2.2 氯对硫酸盐还原菌的杀灭试 验......................................................... 51 5.3 本章小 结.................................................................................................. 56 结 论 ...................................................................................................................... 57 参考文 献............................................................................................................... 59 哈尔滨工业大学学位论文原创性声明及使用授权说 明..................................... 64 致 谢................................................................................................................... 65 V 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第1章 绪论 1.1课题背景及研究的目的和意义 1.1.1 给水管道腐蚀与饮用水安全 水资源与人类的生存和发展息息相关，在人民越来越重视饮用水安全 的 今天，如何为用户提供安全可靠价格合理的饮用水是水处理研究工作者的重 要职责。引用水水质有两方面因素决定，第一个方面是净水厂对水源水的处 理，在这一方面提高饮用水质量中涉及到对水源水的保护以及对净水工艺的 提高;另一方面是饮用水从水厂流出，在配水管网中输送到用户的过程，在 这一过程中，目前研究尚不涉及如何对饮用水水质进行进一步提高，只涉及 对饮用水水质的二次污染防控的研究。因此，如何对配水管网中对饮用水的 二次污染进行有效地防控成为给排水科学与工程专业的一项重大研究课题。 原水经处理达到国家水质 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 ，通过供水管网输送后，有时在细菌学指 标、浊度、铁锰含量、色度、有机物含量等方面超标，严重地影响了供水水 质;发生这种现象的原因就是水在供水管网内有较长的停留时间并受到了供 水管网内锈垢的二次污染[ 1] 。目前，我国 90% 以上的供水管道是铸铁管、钢 管、球墨铸铁管等金属管材;近几年新建的给水管道仍有 85%采用金属管材 [2] 。这些大量应用的金属管材由于腐蚀，对饮用水安全造成了严重威胁，因 此，对给水管道中管材腐蚀的研究是提高水质的重要组成部分，研究腐蚀的 成因，影响因素，以及对腐蚀的防控成为提高饮用水安全的重要保障。本课 题中研究的给水管道腐蚀将对提高饮用水安全产生重大意义。 1.1.2 给水管道的腐蚀种类 在以铸铁为管材的饮用水给水管道中，腐蚀由两种形式组成，分别为电 化学腐蚀和微生物腐蚀。这两种腐蚀既有所区别，又有一定的关联，共同作 [2] 用构成了对管道的腐蚀作用 。 1.2给水管道的电化学腐蚀 管道的电化学腐蚀是以金属为管材的管道与自来水这种电解质溶液接触 时发生的原电池反应。在此反应中，比较活泼的金属管材失去电子而被氧化， 1 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 形成管道的电化学腐蚀。电化学腐蚀普遍存在于给水管道中，新铺设投入使 用的金属管道由于电化学腐蚀作用，形成管道的局部腐蚀，这种腐蚀被称为 “点蚀”，这种腐蚀形成的铁垢又与金属表面形成新的点位差，从而引起进一 步腐蚀，形成恶性循环[3] ，加之给水管道中，饮用水不断携带大量的溶解氧 与之接触，这样的氧补充会加速腐蚀，形成短时间内的大面积腐蚀。 1.2.1 给水管道的电化学腐蚀机理 一般认为，电化学腐蚀机理分为析氢腐蚀和吸氧腐蚀，析氢腐蚀发生在 [3] 金属表面水膜的酸性较强时，反应方程式为 : + - 正极:2H ，2e H2 电池反应:Fe ，2H O Fe OH ，H ? 2 2 2 总反应:Fe2 + ，2H2O Fe OH 2 ，2H+ [3 ] 吸氧腐蚀发生在管道表面吸附水膜酸性较弱时，反映方程式如下 : 负极:Fe ,2e Fe2 + 正极:O ，2H O ，4e 4OH- 2 2 总反应:2Fe ，O ，2H O 2Fe OH 2 2 2 给水管道中由于饮用水的pH 都在6- 8 之间，主要发生的是吸氧腐蚀。 1.3给水管道的微生物腐蚀 1.3.1 微生物腐蚀机理 管道的微生物腐蚀(MIC )是在微生物存在的情况下，其在管道中进行 生命活动，与管道内环境相互作用，对管道产生的腐蚀作用。给水管道表面 由于利用铸铁作为管材，其表面如存在生物膜，金属表面与生物膜成为一整 体，他们之间的作用使这个整体内部的 pH 值、有机物浓度、无机物浓度、 溶解氧等有别于没有生物膜存在情况下的给水管道表面，从而，使生物膜内 部腐蚀的机理和速率与没有生物膜存在情况下有所改变[4] 。微生物的代谢过 [1] 程与电化学腐蚀同时发生 ，从而与电化学腐蚀互相促进，导致给水管道的 腐蚀。 在给水管道中，导致腐蚀的两种微生物分别为好氧类细菌，如铁细菌和 厌氧类细菌，如硫酸盐还原菌。由于给水管道内的特殊环境，这两类细菌均 存在并得以繁殖，他们的代谢活动互相联系，共同导致了微生物腐蚀的发生。 在给水管道中，好氧菌存在于管壁与水流接触的部分，靠饮用水携带的溶解 2 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 氧维持代谢活动。该种菌类在管壁上参与腐蚀，形成腐蚀产物，这些腐蚀产 物覆盖的部分形成了死水厌氧区，这一区域为厌氧菌提供了生存条件。水中 的各种元素可以促进微生物的代谢过程, 某些微生物的代谢产物又成为另一 [ 1] 种微生物的营养源, 这些过程都会导致管道腐蚀的加剧 。 [6][7] 金属的微生物腐蚀机理尚不明确，目前有以下几种理论 : 阴极去极化理论 浓差电池理论 沉积物下的酸腐蚀理论 阳极区固定理论 局部电池作用 代谢产物腐蚀理论 微生物腐蚀是一种参与电化学腐蚀的过程，因此，微生物腐蚀也是一种 电化学腐蚀，由于微生物是一种生命体，因此，研究微生物腐蚀的机理是一 个复杂的过程，想要确定机理的本质还需要化学学科，腐蚀科学，生命科学， 有机科学等各个学科互相帮助，共同努力。 1.3.2 给水管道中引起腐蚀的微生物 给水管道中的环境为贫养环境，由于特殊的环境，加之输配水系统中消 毒剂的投加，使给水管道中的微生物种类及数量都十分稀少。管道中微生物 种类及含量受水源水的影响和净水厂处理效果的因素影响。其中，引起微生 物腐蚀的微生物主要由两种组成，分别为铁细菌和硫酸盐还原菌。 铁细菌是一类细菌的总称，广泛存在在含有亚铁离子的水域中。典型的 铁细菌具有以下特征[5][6]: 1.可以在亚铁离子转化为铁离子的过程中起到催化反应的作用。 2.生理反应中有大量的氢氧化铁分泌。 3.生命活动的需要的能量通过这个反应获得。 1.3.2.1 铁细菌 铁细菌可分为自养型，异氧型以及兼性型三种，存在于给水管道中的 铁 细菌多为自养型铁细菌。这种铁细菌在利用自身的新陈代谢作用将亚铁离子 氧化为铁离子的过程中起到了催化作用，促进了阳极去极化作用[5] 。同时， 反应中将生成的铁离子与体系中的氢氧根作用，生成大量的氢氧化铁;这些 氢氧化铁在管壁表面形成沉淀，小阳极点在金属管道表面形成，与引用水中 3 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 高浓度氧存在的大范围阴极区形成原电池，发生局部点蚀[6] 。其反应式如 下: 2Fe-4e――2Fe2+ 阳极过程 - O +2H O+4e――4OH 阴极过程 2 2 2+ - 2Fe +4OH ――2Fe OH 腐蚀产物 2 4Fe OH +O +2H O――4Fe OH 腐蚀产物 2 2 2 3 总反应式: 4Fe+6H O+3O ――4Fe OH 2 2 3 同时，形成的致密氢氧化铁沉淀为硫酸盐还原菌等厌氧菌提供了很好的 生存条件，在这种环境中，硫酸盐还原菌迅速增值，并促进腐蚀的加快，两 种细菌共同作用加速腐蚀。同时，这样的生物膜条件下，为一些异养菌如大 肠杆菌提供了良好的生存环境，导致水质的恶化。 1.3.2.2 硫酸盐还原菌 硫酸盐还原菌是一种厌氧菌，革兰氏阴性，在自然界分部很广泛，存在 于土壤、河流、海水等介质中。硫酸盐还原菌造成的腐蚀常为以点蚀为代表 行的局部腐蚀，腐蚀产物为黑色硫化物。在给水管道中的硫酸盐还原菌为脱 [7][8] 硫弧菌属，生存在绣垢和沉淀物内部 。 在硫酸盐还原菌存在的条件下金属腐蚀的机理目前尚未定论，主要有两 种理论，一种认为由于细菌的作用去除阴极表面的氢离子，从而加速了金属 6+ [7] 的腐蚀，另一种认为由于细菌能使S 还原形成硫化物，加速了金属的腐蚀 。 机理反应式如下: Fe-2e――Fe2+ 阳极反应 + 2H +2e――H 阴极反应 2 SO 2 -+8H―― S2 -+4H O SRB 阴极去极化 4 2 2- + S +2H ――H S 阴极去极化 2 Fe2++S2 -――FeS 阳极去极化 2+ + Fe +H S――FeS+2H 2 1.3.3 影响给水管道微生物腐蚀的因素 无论何种微生物，为完成自身的新陈代谢作用，都需要一定的营养物质。 给予营养方式的不同，不同的微生物所需的营养物质千差万别。导致微生物 腐蚀的微生物由于营养方式的不同，对环境的 要求 对教师党员的评价套管和固井爆破片与爆破装置仓库管理基本要求三甲医院都需要复审吗 也不同。由于给水管道的 环境特殊，具有独特的营养环境，因此，影响给水管道微生物腐蚀的因素也 4 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 较其他类型的，其他材料的腐蚀有所区别[46][47][48] 。 1.3.3.1 pH值的影响 给水管道体系中，pH 值较为特殊。由于饮用水流出净水厂时，净水厂对 水质指标已经进行了严格的控制，无论新颁布的饮用水水质标准还是多年前 参考的饮用水标准，pH 值都是需要控制的重要指标。我国2006 年颁布的《生 活饮用水卫生标准》(GB 5749-2006 )规定，出厂水的pH 值应不小于6.5 且 不大于 8.5 。由于管网中的二次污染，给水管道中的pH 可能略大于或略小于 此值。在这一 pH 值范围内，非常适宜铁细菌及硫酸盐还原菌的生长。研究 表明，适合硫酸盐还原菌的最佳pH 为 7.0-7.5 ，在pH 为 5.5-9.0 环境下可以 生存，最适宜铁细菌生长的环境pH 为 5.4-7.2 ，在pH 为 5.4,8.0 之间可以 生存[9][10][11] 。 1.3.3.2 溶解氧的影响 给水管道的腐蚀是一个电化学过程，溶解氧的存在可促进这个反应的发 生。对于微生物腐蚀来讲，因为溶解氧是微生物生存的一种有利或不利因素， 所以溶解氧对微生物腐蚀的影响也有两方面组成。一方面，由于引起腐蚀的 [40] 铁细菌属于好氧菌，溶解氧的存在对铁细菌的生存有利 ;另一方面，由于 硫酸盐还原菌是一种厌氧菌，溶解氧的存在对其生长有不利影响。有研究表 明[12] [14] ，在氧气浓度较低(0.1-0.2mg/L )的情况下，铁细菌生长良好，当浓 度较高(大于2.75mg/L )的时候，铁细菌的生长受到抑制。在管材表面金属 与饮用水水流接触的部分，溶解氧的存在影响到管壁上生物膜表层的生物构 成，但在生物膜内部及管垢内部，饮用水中的溶解氧基本不影响生物膜的构 成。另外，溶解氧提供了电化学腐蚀的动力，也为微生物的代谢提供了生长 条件。因此，溶解氧的浓度对管道的电化学腐蚀及微生物腐蚀都有重要意义。 1.3.3.3 温度的影响 温度是微生物生长的重要影响因素之一。温度直接影响微生物的代谢， 从而影响管道微生物腐蚀的速率，并间接地影响电化学反应的速率以及消毒 剂的用量，消毒速率等化学反应的进行。给水管道中引起腐蚀的铁细菌和硫 酸盐还原菌均适宜在20 ?左右的室温中生长。有研究表明，铁细菌适宜生长 温度为 20-30 ?之前，硫酸盐还原菌的适宜生长温度在 30-40 ?之间[ 12][ 13] ， 因此在天气较为炎热的夏季，管道中的铁细菌含量明显高于温度较低的冬季 5 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 [11][12][13] 。同时，由于夏季温度较高，普遍应用的消毒剂，如氯，在给水管道 中衰减加速，导致对细菌去除率降低，从而导致管网中细菌数的增加也是细 菌减少的一部分原因。 1.3.3.4 BDOC及AOC 的影响 由于给水管道中的异养菌需要利用有机碳来合成新的细胞，并需要有机 碳作为能量来源，因此，饮用水中携带的有机碳成为构成管道中异养菌的重 要营养条件之一。由于引用水水体中有机物种类很多，目前测定与微生物生 长相关的有机碳采用代表参数AOC 和BDOC 。 AOC ，指生物可同化性有机碳，是有机物中最容易被微生物吸收的，可 以直接被同化成细菌细胞体的，支持菌生长繁殖的营养基质。AOC 是BDOC 的一部分，BDOC 指生物可降解性溶解性有机碳，指水体中可被细菌分解， 形成二氧化碳或合成细胞体的那部分有机物。由于 AOC 和 BDOC 是构成管 道中细菌生长的重要营养物质，所以 AOC 和 BDOC 是评价管网生物稳定性 的两个重要参数。有研究表明[7][ 16] ，随着AOC 和 BDOC 值的升高，管道中 稳态生物膜量随之升高;反之，生物膜量减少。 因此，AOC 和BDOC 的浓度与微生物造成的腐蚀一定的相关性，即AOC 和BDOC 值得升高，导致微生物量的增加，从而导致微生物影响的腐蚀反应 速率随微生物量的变化而变化，反之亦然。 1.3.3.5 余氯的影响 氯作为一种普遍使用的消毒剂，虽然被证明有十分显著的缺点，但由于 其拥有其他消毒剂不可比拟的优势，例如可以产生持续一段时间的消毒效果， 其在大型净水厂中被普遍使用。余氯对给水管道的腐蚀表现在其对电化学腐 蚀的影响以及对微生物腐蚀的影响。就微生物腐蚀而言，氯对参与腐蚀反应 的细菌具有灭活作用，这间接地影响了腐蚀的速率，从而影响腐蚀效果。有 研究表明，余氯浓度增加，导致管道水中铁细菌数量有所减少，同时对于给 水道中悬浮铁细菌有杀灭作用。有资料表明，高浓度余氯可以抑止管壁上生 物膜的生长[9] 。 1.3.3.6 水力条件的影响 管道微生物腐蚀的影响表现在水力方面包括水力停留时间以及流态改变 导致的水力作用。 6 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 由于城市配水系统 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 中考虑到水力停留时间对水质的影响，引用水在 给水管道中需要保证超过设计最小流速，因此，理论上在给水管道中水力停 留时间应尽量小，在设计时应考虑使其尽量不影响管道的微生物腐蚀及水质。 但由于设计、施工、长期腐蚀等问题，导致管道中形成微小的死水区域，这 些区域中的水力停留时间成为影响腐蚀的重要因素。同时，考虑到在饮用水 从配水管网中流出用户水龙头这一环节中还要经过调节水量、水压构筑物， 如小区集水箱，水泵等，在这些设施中，饮用水有一定的水力停留时间，因 此，研究水力停留时间对在给水管道中微生物腐蚀的影响对腐蚀的防控及饮 用水安全的保证有重要意义。有研究表明[9] ，管网中细菌数量随管道长度 增 加而增加，此研究可能证明了水力停留时间的增加导致微生物数量的增加， [17] 但其并未考虑余氯衰减对微生物数量的影响，王洋 认为，由于给水管道中 生物膜脱落是一个随机过程，所以由于管壁上脱落进入管网水中铁细菌引起 的细菌量变化也是一个随机的过程，不能反映出管网沿程上的变化规律。 管网中，水力剪切对微生物生长及腐蚀有一定的影响。流速的增大和 减 小，流态的变化均可以导致附着在给水管道内壁上的生物膜脱离，剥落，进 入水体。这一过程导致了管壁状态的迅速改变，并且影响了饮用水体内部的 生物量、有机物浓度、无机物浓度，从而改变了饮用水水质。在腐蚀方面， 由于表面状况的突然改变，使新的表面暴露，重新形成新的腐蚀电位。新的 生物膜挂膜的过程就是新的腐蚀周期的开始。同时，水力剪切力大小影响生 物膜形成的时间，水力剪切力越大，生物膜行程时间越长，反之越短。 1.4研究给水管道微生物腐蚀的方法 研究给水管道中的微生物腐蚀，涉及相关微生物的研究方法以及相对腐 蚀科学的研究，因此，管道的微生物腐蚀需要微生物方面的实验以及对腐蚀 研究的实验。并应该针对管道内的独特环境进行研究、设计实验。 1.4.1 静态试验 静态试验相对动态试验而言，是一种对试样负荷较小的，不考虑水力剪 切情况的试验。对腐蚀研究的静态试验一般是将试片浸泡在可以产生腐蚀的 介质中，在设定时间和设定条件下进行腐蚀试验，在设计时间达到后将试片 [16] 进行腐蚀程度的测定，从而得到结论 。 在给水管道中，除非遇到停水断水，水流完全静止的情况理论上并不存 在。但由于静态实验是研究腐蚀的基础，而且在一定的特殊情况下，如管道 7 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 中的死水区、小区水箱中、停水期管网等，确实存在着静水情况。因此，静 态试验是非常必要的。 1.4.2 动态试验 相对静态试验，动态试验是对试样负荷较大的，考虑水力剪切力、流速 等动态力对试片的影响的实验。动态试验需要将试片放在有一定负荷的条件 中，设定这些负荷的强度，再对试片的情况进行研究。 动态试验由于考虑到了水力因素，更接近管网的实际情况。因此，对于 微生物腐蚀的研究，在静态实验的基础上进行动态实验是非常必要的。目前， 已有模拟管网中实际水流情况的仪器，利用这种仪器针对管网中生物膜情况 的研究已经有了很大进展。对于给水管道中的腐蚀，这种仪器也有非常有效 的作用[19][20] 。 1.4.3 腐蚀速率 在腐蚀科学方面，由于腐蚀破坏形式不同，对金属的腐蚀程度的评定方 [21] 法有很多，对于全面的腐蚀，通常用平均腐蚀速度来衡量腐蚀程度 。因此， 对给水管道的微生物腐蚀的研究，可以用腐蚀速度来衡量管材被腐蚀的程度。 研究腐蚀速度传统方法有失重法、深度法、容量法、电流密度法、电阻性能 指标法等[20][21] 。 1.4.3.1 失重法 失重法在研究腐蚀速度中，是应用最普遍、操作最简单、使用最经济 的 一种方法。这种传统方法不需要借助高端仪器，通过测量腐蚀前后试样质量 的变化来评定腐蚀速度[3][23] : m ?m vs 0 1 1- 1 S ?t 2 式中v ――腐蚀速度，(g/ m h ); s m ――试样腐蚀前质量，(g ); 0 m ――试样腐蚀后质量，(g ); 1 S―― 试样表面积，(m2 ); t――腐蚀时间，(h )。 失重法适用于均匀腐蚀，在试验完毕后，将试片取出，将表面残留物 去 除干净即可，不需要关心表面情况是否被破坏。因此，对管道的微生物腐蚀 8 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 而言，短期的静态试验适合用失重法来衡量腐蚀程度。 1.4.3.2 电化学技术 在研究腐蚀速度的方法中，电流密度法、电阻性能法等都是通过电化 学 方法来测定腐蚀速率，另外，电化学技术还包括阳极、阴极极化曲线的测定 等。研究方法涉及恒电位研究、动电位研究、极化电阻技术、交流阻抗研究 技术等。 极化电阻测定，通常情况下，是在线性极化区内测定电位和电流的关 系， 通常为线性关系，准确计算出腐蚀电流(icorr )值，或利用 1/Rp (Rp 表示 极化电阻，利用线性关系中的斜率确定)来表示腐蚀速率的变化。它的特点 是对体系的扰动小，不改变微生物的腐蚀历程，并且可以连续监测。但缺点 [29] 是对局部生物膜和局部腐蚀体系测量不能定量 。 极化曲线测量是利用动电位扫描，通过极化曲线形状及某些参数的变化 来确定微生物对腐蚀的影响并判断腐蚀反应的类型。动电位极化技术通过测 定 Tafel 常数、腐蚀速率和孔蚀特征数据来快速评定微生物对金属腐蚀行为 的作用，并获得较多的数据信息。该技术的缺点是试样不能多次使用，这是 由于对试样施加了大电位极化导致的，同时电位极化对微生物的附着产生一 定的影响，微生物腐蚀过程的将不能被测定[30] [31] 。 另一种研究微生物腐蚀的技术- 电化学阻抗谱技术-近年来也得到了广泛 的应用[49] 。它的原理是通过施加一个小幅值的电压或电流扰动信号，测量腐 蚀体系的响应信号，通过相应技术得到含实部、虚部的阻抗、相角等因素与 频率的关系，再进行分析，从而得到电化学腐蚀过程的相关信息。电化学阻 抗技术对微生物腐蚀研究非常有帮助。这种方法由于对系统施加的扰动信号 [27] 很小，因此对体系的影响不大，适用于微生物腐蚀的分析 。 1.4.3.3 现代表面分析技术 对于腐蚀研究研究来讲，腐蚀形貌和腐蚀特征有时需要借助表面分析 技 术以观察证实腐蚀的发生;对于微生物来讲，研究管道表面引起腐蚀的微生 [44] 物形态特征、群落特征等也有这重要意义 。借助表面分析技术，可以对腐 蚀试验的机制作出合理的解释，对腐蚀现象所得电化学数据作出合理判断。 对腐蚀表观形貌的分析方法有很多，传统方法有金相分析技术、扫描电镜、 [42] 原子力显微镜、透射电镜等。对于腐蚀产物特征分析有x-射线衍射等 ，在 [26] 微生物腐蚀研究中，荧光显微镜、扫描共聚焦显微镜等也是几种研究手段 。 9 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 1.5给水管道防止微生物腐蚀的方法以及管道冲洗 由于给水管道的腐蚀严重影响供水安全以及水质安全，管道的防腐工作 变得十分重要。由于我国的历史、经济条件所限，很多已铺设的管线没有采 取任何的防腐措施，给饮用水的供水安全以及人民生活水平带来影响。因此， 对于新敷设的管线进行防腐处理以及对以后管线进行冲洗和改造十分必要。 1.5.1 给水管道防止微生物腐蚀方法 对于金属的防腐蚀方法，基本有三种传统方法，即投放缓蚀剂、电化 学 保护、表面覆盖保护层。由于给水管道中运送的是饮用水，对水质要求有极 高的要求，所有投加缓蚀剂的方法在给水管道的防腐蚀中是不可行的。电化 学保护方法由于成本高，不易操作也不适用于给水管道的防腐蚀中。目前应 用较多的防腐方法是涂加表面覆盖层的方法，这种方法时金属管材的金属层 与水层隔绝，通过这种方法达到防腐目的，这种方法在给水管道工程中被叫 做管道涂衬[32] 。 管道涂衬的基本要求是其结构致密、完整、没有小孔;与管道有良好的 结合能力，不易脱落;在整个管道内部均匀分布;涂抹方便，经济可行;涂 衬材料符合食品级标准，不释放有毒有害物质，与水不产生反应。目前常用 的涂衬材料有水泥砂浆涂衬、环氧树脂涂衬。 水泥砂浆涂衬的管道是一种成型的工艺，目前我国新敷设的金属给水管 道中多采用这种涂衬方法，其工艺是将搅拌好的水泥砂浆分一次或者多次涂 抹到管道内壁，经一定时间的养护后形成与管道内壁结合紧密的内衬层。我 国已经制定了水泥砂涂衬标准ISO4179-2005 。水泥砂浆涂衬法的缺点是柔韧 性差，受内部或外部高压冲击是会产生显著的脱落，使金属层暴露，产生腐 蚀，并会引起水质的变化，主要表现在使水中碱度和碳酸盐的增加以及使氯 衰减加快。 环氧树脂涂衬是一种新型工艺，主要用于铸铁管道的内部防腐。环氧树 脂涂衬后，是一种无毒无害防腐材料，不向水中释放有毒有害物质，这种涂 衬是一种经济有效的防腐措施。 1.5.2 管道冲洗和修复 由于我国现有管线的腐蚀严重，如果全部更换新管又大量浪费人力物力， 不利于低碳产业的发展。因此，对以产生腐蚀的管线进行冲洗并修复是一项 10 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 有前景的研究课题，起到保障管网供水水质的重要作用。 1.5.2.1 管道冲洗 清除给水管道中的杂质方法很多，主要有化学药剂法和水力清洗法。 化学药剂法，顾名思义，是利用向管道中投入化学药剂的办法将附着在 管壁上的杂质清除。在城市给水管网中，这种方法的可行性很小。由于现有 的城市配水系统多是一个完整的整体，很难做到就某段管段投加化学药剂对 其清洗，如果向整个系统中投加化学药剂，势必将对饮用水安全造成巨大影 响。另外，由于腐蚀产物分部的不均匀性，化学药剂很难做到全面的清除腐 蚀产物。因此，这种方法比较适用于小范围内，小的调节构筑物内的腐蚀产 物的清除，不适用于大的城市管网系统。 外力清洗法，就是利用外力作用产生的剪切力将管壁上附着的污染物去 [33] 除。这种作用力的提供可能是由机械的办法提供，例如机械刮管法 ，也可 [34] 能是由水力的作用提供，例如高压射流法 ，也可以由其它力提供，例如气 压脉冲法。这些办法的方式各不相同，但核心都是利用外加的力使管壁上的 腐蚀产物以及污染物脱落，从而达到管道清洗的目的。 1.5.2.2 管道修复 从经济有效地改善水质条件出发，完全采用换新管的方式不仅造价高， 而且施工周期长，断水时间长，给人民的生产生活带来诸多不便，因此，对 于具有一定强度，可以继续服役的旧管道，可以采取管道修复的技术。这些 技术避免了大开挖带来的补偿费用，又经济的解决了管道的腐蚀问题和水质 恶化问题。 管道修复通常在管道清洗之后进行，近年来得到广泛的研究。其方法具 [7] 体有反转法内衬软管、内衬管法、纤维布法等 。这些方法的核心就是利用 多种方法，将已经完成清洗的旧管内部加入一个新的内壁，这个内壁需要具 有一定强度，韧性，与涂衬有所区别。其工艺 流程 快递问题件怎么处理流程河南自建厂房流程下载关于规范招聘需求审批流程制作流程表下载邮件下载流程设计 一般为勘察-断水-清洗-排 渣-修复- 固定。 1.6 微生物的灭活 为去除饮用水中的微生物，需要采用特殊的方法。余氯消毒法自发明以 来，应用至今，虽然有一些显著的缺点，例如产生消毒副产物等，但由于其 有可以持续消毒的特点，仍然作为一种广泛使用的消毒剂被应用。除氯消毒 11 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 外，管道中去除微生物的方法还有二氧化氯消毒、氯胺消毒等。 1.7 本课题主要研究内容 本课题基于给水管道中微生物腐蚀的原理，对某市给水管道中提取的 微 生物进行了分离纯化培养，对其形态进行了观察。利用提取的微生物，对微 生物腐蚀给水管道铸铁管的效果进行了研究，通过不同种类微生物及在不同 条件下对给水管道的腐蚀情况进行了测定，利用电化学方法以及失重法对给 水管道铸铁试片进行了腐蚀速度的测量。并对氯对引起腐蚀的两种微生物进 行了灭活试验，对管网内去除引起腐蚀的微生物所需的余氯浓度进行了研究。 12 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第2章 实验方法 2.1 腐蚀试验准备 2.1.1 腐蚀实验试片材料及制备 试样材料为从 DN700 的给水球墨铸铁管上切割的铸铁试片，尺寸约为 30mm ×30mm ，厚约为 8mm 。经过丙酮除油，水磨砂纸打磨，蒸馏水冲洗， 酒精擦拭后冷风吹干，在浸泡实验前用紫外消毒 30 分钟，以去处试片上可能 携带的细菌。 2.1.2 管道内细菌取样 本实验中所使用到的微生物均分离培养于已经腐蚀的自来水管道的腐蚀 部位。管道为哈尔滨市某给水厂附近配水干管，由于发生爆管需要更换，在 进行抢修时取得。方法为用小铁铲从腐蚀部位取样，放置于已经灭菌的采样 瓶中，用胶布封口，迅速带回实验室，放入冰箱中保存，在48 小时内对细菌 进行计数。 2.2 微生物实验方法 2.2.1 常用设备 涉及微生物实验用的设备有很多种，除化学实验常用的天平、pH 计、 分 光光度计、溶解氧测定仪、余氯仪等，还有涉及微生物实验的光学显微镜、 烘箱、高压灭菌锅、恒温培养箱、无菌操作台、冰箱、水浴锅等[18] 。 2.2.2 基本仪器 微生物实验常用玻璃仪器见表 2- 1。微生物实验常用其他仪器有接种环、 接种针、试管架、酒精灯、滤纸、记号笔等。 13 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 表 2- 1 常用微生物实验玻璃仪器 名称 规格 试管 18 ×180mm,15 ×150mm,10 ×100mm,杜氏小 管等 培养皿 900mm ，高 15mm 吸管 0.1mL, 0.2mL, 0.5mL, 1.0mL, 5.0mL, 10.0mL 量筒 10.0mL,50.0mL,100mL,500mL,1000mL 漏斗 直径 3.0mL,6.0mL, 10.0mL 烧杯 50mL, 100mL, 250mL, 500mL,1000mL, 2000mL, 容量瓶 50mL, 100mL, 250mL, 500mL,1000mL 试剂瓶 50mL, 100mL, 250mL, 500mL 等 滴瓶 一般为 125mL (白色和棕色) 载玻片 2.5 ×7.5mm,厚0.01-0.13mm, 盖玻片 1.8 ×1.8mm,厚0.07 干燥器 不同直径的普通干燥剂 涂布棒 直径2mm 的玻璃棒一端弯成3.5cm-4.5cm 的等边三角形， 倾斜45 ? 2.2.3 微生物实验基本方法 2.2.3.1 细菌的染色 细菌染色主要为革兰氏染色法，通过此法可鉴别细菌的种类。具体方法 如下: (1) 在载玻片上滴一小滴水，用接种环从菌种中取菌接种到小水滴上。 (2 ) 制作涂片，要使涂片层薄，均匀，防止形成假阳性。 (3 ) 自然风干或微热使其干燥，注意控制温度。然后再火焰上通过1-2 次。 (4 ) 加结晶紫溶液一滴，覆盖约 1 分钟，然后用水冲洗。 (5 ) 加碘液以出去残留的水，覆盖约 1 分钟，用水冲洗碘液，用滤纸 将盖玻片上的水吸干。 (6 ) 将盖玻片倾斜，流滴 95% 乙醇溶液约20-30 秒，立即用水冲洗。 (7 ) 加繁红液染色 1-2 分钟，用水冲洗，待干燥后镜检。 14 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 (8 ) 用油镜观察单独分散的菌体，菌体为蓝色是为革兰氏阳性菌， 红 色时为革兰氏阴性菌。 2.2.3.2 微生物的计数 本试验主要应用最大可能计数法(MPN 法)对细菌进行计数。具体方法 如下: (1) 将水样稀释，利用倍比稀释法将菌液稀释到合适的稀释度。 (2 ) 取不同稀释度的菌液 1ml，接种到合适的试管内，加入培养基， 充分摇匀。每个稀释度应接种 3-5 管，管数越多，结果越准确误 差小。 (3 ) 合适温度培养合适的时间，检查结果， 记录 混凝土 养护记录下载土方回填监理旁站记录免费下载集备记录下载集备记录下载集备记录下载 。 (4 ) 确定数量指标后查表计算。 2.2.3.3 微生物的分离 将混在水中的微生物的某一种提取出来的过程叫做细菌的分离。本实验 中的分离方法为平板分离法以及厌氧夹层培养法。平皿培养法方法如下: (1)将已灭菌的固体培养基趁热倒入培养皿中，静置待其冷却。 (2 )取菌液0.1ml ，接种到平板培养基上。 (3 )用涂布棒将菌液均匀涂布在平面上。 (4 )将培养皿封口，标记，合适温度培养合适天数。 厌氧夹层培养法方法如下: (1)将已灭菌的固体培养基趁热倒入培养皿三分之一处，静置待其冷 却。 (2 )取菌液0.1ml ，迅速接种到冷却后的养基上。 (3 )用涂布棒迅速将菌液均匀涂布在平面上。 (4 )将未冷却的培养基从培养皿的一侧再次迅速倒入，直至液体表面 突起，达到将要溢出的状态。 (5 )将盖皿迅速盖上，向下压，使培养皿中充满培养基，并不留气泡。 (6 )将培养皿封口处加入少量液体石蜡，造成厌氧状态，标记，合适 温度培养合适天数。 15 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 2.2.4 腐蚀试验基本方法 2.2.4.1 腐蚀试验的设计 腐蚀试验设计，应使试样材料及其制造加工过程方法满足对腐蚀试验提 出的要求，对产生的腐蚀损耗或破坏进行预先分析，采取适当保护措施，考 虑装置的维修及其预期寿命等。应考虑导致试样腐蚀的因素，如化学因素， 包括介质以及杂质的成分、pH 值等可能发生的化学反应，以及物理因素，包 括介质温度、流速、抗冲击力大小等因素。 2.2.4.2 试样的制备 根据不同要求，确定试样的形状及尺寸。另外需要考虑式样的粗糙度以 及表面对腐蚀条件的影响。需要利用规范化程序对试样进行处理。例如酸洗、 打磨、除油、抛光、干燥等方法。 要根据不同实验的要求选择一定数量的平行样。 对试样进行标记主要方法有人工记录方式、钢印方式、化学腐蚀方式等。 2.2.4.3 浸泡试验(挂片实验) 将已经制备好的试片在设计好的介质中浸泡一定的时间，时间长短由试 验设计决定。试验完毕取出试片，通过称重、表面分析、电化学分析等方法 评定金属材料的腐蚀行为。浸泡实验可以分为全浸实验、半浸实验和间浸实 验。本课题中使用的是全浸实验。 全浸实验是将试片完全浸入溶液的一种浸泡方法。次方法操作简单， 重 现性好。在全浸试验中，应注意要使试片彼此之间绝缘，互相不遮蔽。 2.2.5 腐蚀速率的测定 2.2.5.1 失重法 失重法是测量金属腐蚀速率的一种经典方法。操作方法如下: (1)将待测金属样品进行表面处理，将表面打磨光滑，除去表面的 油迹及污垢。 (2 )在指定温度下，利用分析天平精确测量其质量，利用游标卡尺 精确测量其表面积。 (3 )在一定设计条件下，将其放在设定的腐蚀介质中，经实验设计 16 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 的一定时间后取出。 (4 )迅速处理实验后的试片，防止其在空气中发生腐蚀。冲洗试片 以除去附着在其表面的腐蚀产物。 (5 )烘干试片，防止其表面残留的液体影响测定结果。 (6 )利用分析天平再次精确称重。 (7 )跟据腐蚀前后的重量差计算腐蚀速率。 2.2.5.2 电化学方法 腐蚀电位是测定金属腐蚀热力学可能性的重要参数，测定腐蚀电位的方 法为利用电化学工作站，即电化学测量系统，可进行的测量方式有循环伏安 法、交流阻抗法、交流伏安法等。其核心部分为电解池，电解池由两个电极 和电极之间的电解质构成[30][31] 。 本实验中利用动电位扫描法，再利用计算机软件对其中的弱极化区进 行拟合,具体参数指标见表 2-2 。 表 2-2 动电位扫描法测量各项指标设定 动电位极化曲线扫描速度 013 mV/ s 交流阻抗测试用频率范围 0.01 Hz-100 kHz 正弦波电位幅值 5 mV 参比电极 饱和甘汞电极 辅助电极 铂电极 电解液 1mol/L硫酸钠溶液 17 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第3章 给水管道微生物提取及分离纯化 3.1 给水管道微生物提取 本实验中为了保证实验效果更接近给水管道内部实际情况，故提取给水 管道中的细菌，进行分离纯化后用于腐蚀实验研究。细菌提取自哈尔滨市一 水源附近的配水干管，管径DN800 ，提取时间为2010 年 11 月。利用第2 章 中叙述的方法采集给水管道中泥样，带回实验室，48 小时内进行细菌的分 离。 3.2 液体稀释法细菌数量统计 本实验中使用液体稀释法，又称最可能计数法，MPN (Most Probable Number )法，计数。这种方法适用于不容易在平板上进行计数的细菌。硫 酸 [16] 盐还原菌是一种厌氧菌，平板计数不可行。有资料表明 ，对于铁细菌的技 术，MPN 法的准确性和稳定性强于平板计数法。因此，本试验中选用 MPN 法对硫酸盐还原菌以及铁细菌进行计数。 3.2.1 铁细菌数量统计 3.2.1.1 液体稀释法培养基选择与制备 铁细菌计数培养基为铁细菌培养基。其营养成分为: NH SO 0.5g ， 4 2 4 NaNO 0.5g ，K HPO 0.5g ，MgSO ??7H O 0.5g ，CaCl ??6H O 0.5g ，柠檬酸铁 3 2 4 4 2 2 2 铵 10.0g, 蒸馏水 1000ml, pH 7.0。 分装3 个 500ml 锥形瓶，121 摄氏度灭菌20 分钟。 3.2.1.2 液体稀释计数方法 (1)将从给水管道中提取的污泥放入已灭菌的 500ml 锥形瓶中，加 入蒸 馏水200ml ，震荡使污泥与蒸馏水充分混合，静置直至溶液上清。 用移液枪吸取 1ml 上清液加入 100ml 锥形瓶中，准备计数。 (2 )样品按倍比稀释法稀释，取 10- 1- 10-7 稀释度，每个试管加入 1ml， 每个稀释度 3 个重复管。 18 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 (3 )在每个试管中加入铁细菌培养基，加到试管三分之二处。 (4 )放入 30 ?恒温培养箱中培养 7 天。培养箱用报纸遮蔽门上玻璃视 窗，以创造和管网中相似的黑暗环境。 (5 )7 天后观察，培养液变浑浊，表面长有菌膜的试管为阳性。 (6 )记录，查表计数。 3.2.1.3 结果分析与讨论 实验结果表明，铁细菌含量为45000cfu/ml ，所以，每克干样品中细菌数 应为 6923cfu/g 。证明管道污泥中含有大量的铁细菌。这些铁细菌的数量达到 了可以腐蚀给水管道，并影响水质的作用。 3.2.2 硫酸盐还原菌数量统计 3.2.2.1 液体稀释法培养基选择与制备 硫酸盐还原菌计数培养基为硫酸盐还原菌培养基。其营养成分为:70% 乳酸钠溶液 5ml, Na SO 1.0g, NH Cl 1.0g, K HPO 0.5g, MgSO ??7H O 2 .0g, 2 4 4 2 4 4 2 CaCl ??2H O 0. 1g, Fe SO ??7H O 0.2g, 蒸馏水 1000ml, pH 7.0-7.5。 2 2 4 2 分装3 个 500ml 锥形瓶，121 摄氏度灭菌20 分钟。 3.2.2.2 液体稀释计数方法 (1)将从给水管道中提取的污泥放入已灭菌的 500ml 锥形瓶中，加入蒸 馏水200ml ，震荡使污泥与蒸馏水充分混合，静置直至溶液上清。 用移液枪吸取 1ml 上清液加入 100ml 锥形瓶中，准备计数。 (2 )样品按倍比稀释法稀释，取 10- 1- 10-7 稀释度，每个试管加入 1ml， 每个稀释度 3 个重复管。 (3 )在每个试管中加入硫酸盐还原菌培养基，加到试管三分之二处。 (4 )在试管中加入已灭菌的液体石蜡 0.2ml ，制造无氧环境。 (5 )放入 37 ?恒温培养箱中培养 7 天。培养箱用报纸遮蔽门上玻璃视 窗，以创造和管网中相似的黑暗环境。 (6 )7 天后观察，产生黑色沉淀，并有轻微臭鸡蛋气味(产生H S )的 2 19 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 试管为阳性。 (7 )记录，查表计数。 3.2.2.3 结果分析与讨论 实验结果表明，铁细菌含量为 45cfu/ml ，所以，每克干样品中细菌数应 为 6.9cfu/g 。证明管道污泥中含有硫酸盐还原菌。硫酸盐还原菌数量较铁细 2 菌显著减少，只达到了 10 cfu/ml 数量级，这证明在给水管道中硫酸盐还原菌 较铁细菌生长不占优势，这可能是由于给水管道中的营养物质极度匮乏，而 硫酸盐还原菌与铁细菌不同，是一种异养菌，在有机物严重匮乏的给水管道 中难以成为优势种群的原因。但实验结果又表明，虽然不是优势种群，但硫 酸盐还原菌在给水管道中又是存在的，这种细菌与铁细菌共同构成促进了给 水管道腐蚀的因素。 3.3 细菌的分离纯化 利用 MPN 法进行细菌的计数后，为获得纯菌，需要进行细菌的分离纯 化。分离纯化过程需要重复多次以获得纯菌种用于腐蚀试验。 3.3.1 铁细菌的分离纯化 3.3.1.1 平板分离法培养基选择与制备 培养基为 Winogradsky 培养基[17] 。其营养成分为: NH4 2SO4 0.5g ， NaNO3 0.5g ，K2HPO4 0.5g ，MgSO4??7H2O 0.5g ，CaCl2??6H2O 0.5g ，柠檬酸 铁铵 10.0g, 蒸馏水 1000ml, 琼脂粉 20.0g, pH 7.0 。 分装3 个 500ml 锥形瓶，121 摄氏度灭菌20 分钟。 3.3.1.2 铁细菌分离纯化步骤 采用平板分离法分离细菌、平板划线法进行纯培养。 (1)将已灭菌的固体培养基趁热倒入培养皿中，静置待其冷却。 (2 )用移液枪取计数后阳性的试管中菌液0.1ml ，接种到平板培养基上。 (3 )用涂布棒将菌液均匀涂布在平面上。 (4 )将培养皿封口，标记，放入 30 ?恒温培养箱中培养5-7 天。 (5 )7 天后，平板上长出明显菌落，菌落为棕色平滑圆形，表面有金属 20 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 光泽，有轻微酸臭味。镜检表明为革兰氏阴性菌。 (6 )挑取单个菌落中央菌苔，于平板划线，在 30 ?下培养7 天。 (7 )重复上述过程 3 次，纯化完成。放入-4 ?冰箱保存备用。 图3- 1 为平板分离后的铁细菌，菌落为棕色平滑圆形，表面有金属光泽， 有轻微酸臭味。镜检表明为革兰氏阴性菌。图3-2 为划线培养铁细菌，划线 培养后的铁细菌最初三天在平板上并没有形成菌落，第四天开始有菌落出现， 第五天菌落明显，此后的两天肉眼无法辨别与前几日区别。 图 3- 1 铁细菌-平板分离法 图 3-2 铁细菌-平板划线法 21 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 分离后的铁细菌用于腐蚀试验，此后，每两周要对铁细菌进行重划线， 以防止时间过长细菌达到衰亡期或者培养基缺水导致龟裂。每次重新划线的 铁细菌步骤与上述划线培养步骤相同。 3.3.2 硫酸盐还原菌的分离纯化 3.3.2.1 平皿夹层厌氧法培养基选择与制备 铁细菌计数培养基为改进的硫酸盐还原菌培养基。其营养成分为:70% 乳酸钠溶液 5ml, Na2SO4 1.0g, NH4Cl 1.0g, K2HPO4 0.5g, MgSO4??7H2O 2.0g, CaCl2??2H2O 0.1g, FeSO4??7H2O 0.2g, 酵母膏 1.5g，琼脂 20.0g, 蒸馏水 1000ml, pH 7.0-7.5 。 分装3 个 500ml 锥形瓶，121 摄氏度灭菌20 分钟。 3.3.2.2 平皿夹层厌氧法分离纯化步骤 由于硫酸盐还原菌是厌氧菌，所以采用平皿夹层厌氧法分离纯化细菌: (1)将已灭菌的固体培养基趁热倒入培养皿三分之一处，静置待其冷 却。 (2 )用移液枪取计数后阳性的试管中菌液 0.1ml ，迅速接种到冷却后的 养基上。 (3 )用涂布棒迅速将菌液均匀涂布在平面上。 (4 )将未冷却的培养基从培养皿的一侧再次迅速倒入，直至液体表面突 起，达到将要溢出的状态。 (5 )将盖皿迅速盖上，向下压，使培养皿中充满培养基，并不留气泡。 (6 )将培养皿封口处加入少量液体石蜡，造成厌氧状态，标记，放入 37 ?恒温培养箱中培养5-7 天。 (7 )7 天后，培养皿内部长出明显黑色菌落。 (8 )用接种针挑取一个黑色菌落，放入已灭菌的 0.9% 的生理盐水中， 从菌液中取 1ml 重复上述步骤 3 次，得到纯菌种。 图3-3 为厌氧夹层法培养的硫酸盐还原菌。硫酸盐还原菌因为是用厌氧 夹层培养法培养，所以在操作时应注意不要将气泡带入培养基，否则培养基 上易混入好养菌，对结果造成影响。硫酸盐还原菌菌落为黑色圆形，有臭鸡 22 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 蛋气味。培养皿盖皿一旦打开，表层暴露于空气中时，黑色从与空气接触一 侧开始逐渐消失，暴露空气中4 小时后，培养皿中的黑色全部消失。此现象 表明，硫酸盐还原菌产生的黑色沉淀有可能可以指示硫酸盐还原菌的有无， 如有活菌，培养皿中有黑色颗粒状斑点，如无活菌，黑色斑点消失。此种现 象在培养皿未打开情况下防止时间过长后也有发生，表明培养基中的底物已 经被消耗完毕，硫酸盐还原菌逐渐死亡，此时黑色颗粒也逐渐消失。理论上， 黑色沉淀是硫酸盐还原菌还原硫酸盐产生的硫化氢气体遇到培养基中的铁离 子产生的[ 18] ，实验表明，此种沉淀物质有可逆性，这种可逆性导致硫化氢不 存在时沉淀消失，对这种现象需要进行进一步的实验研究，对硫酸盐还原菌 的检测研究可能会有进一步的促进作用。同时，细菌在培养基缺少酵母膏， 只有乳酸钠一种有机碳源的情况下长势良好，细菌培养后，存放时间较有酵 母膏的情况下时间短，只有有酵母膏存在情况下的二分之一。 图 3-3 硫酸盐还原菌-平板厌氧夹层法 3.4 结论 本实验中提取细菌的给水管道服役 10 年，已经产生了显著的生长环。在 提取的管道污泥中分离出显著数量的铁细菌和一定数量的硫酸盐还原菌，表 明铁细菌在给水管道腐蚀产物中生长活跃，硫酸盐还原菌在给水管道中营养 极度缺乏的条件下也可生长。对分离出的铁细菌、硫酸盐还原菌分别用相应 方法进行分离纯化后，得到两种菌的纯菌种。实验表明，铁细菌菌落状态为 23 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 棕色平滑圆形，表面有金属光泽，有轻微酸臭味，镜检表明为革兰氏阴性菌; 利用硫酸盐还原菌培养培养的铁细菌菌落状态为棕色平滑圆形，表面有金属 光泽，有轻微酸臭味，镜检表明为革兰氏阴性菌厌氧夹层培养发培养出的硫 酸盐还原菌，培养皿一旦打开，培养基暴露与空气后，黑色斑点会逐渐消失， 如培养时间过长(超过30 天)，培养基中的黑色斑点也会逐渐消失，黑色 斑 点是硫化氢与铁离子的沉淀，现象表明这种反应是可逆的，在细菌死亡，不 再产生硫化氢后，黑色沉淀分解，消失。在培养基中只含有乳酸钠一种有机 营养源时，硫酸盐还原菌也可生长良好。但培养后的存放时间较短。 24 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 第4章 微生物对给水管道管材腐蚀的静态试验 本实验对铁细菌、硫酸盐还原菌及这两种细菌的混合菌对给水铸铁管材 试片的腐蚀进行了初步研究。利用静态试验对给水铸铁管进行浸泡实验，通 过每日对试片进行腐蚀速度及腐蚀电位的测定研究微生物对给水管道铸铁管 材的腐蚀情况。对每日水中的微生物量进行测定，进而研究微生物在静水状 态的自来水中的生长情况。同时对比上述两项结果，进一步得出微生物腐蚀 与生物量之间的关系。 4.1 静态试片分析步骤 (1) 取处理过的给水铸铁管试片48 个，用记号笔标号，称重。分别放 入 24 个 100ml 锥形瓶中，每瓶 2 个，用记号笔标号 1-24 。试片 处理具体方法见第2 章，试片形态见图4- 1。 (2 ) 在锥形瓶中加入 100ml 用紫外灭菌 30min 的自来水。 (3 ) 用接种环挑取铁细菌菌落接种至紫外灭菌 30min 的自来水 100ml 中。 (4 ) 从中取 1ml 溶液，利用MPN 法计数。 (5 ) 用移液枪取菌液 1ml，接种到锥形瓶中充分振荡，重复此过 程， 将24 个锥形瓶都接种完毕。 (6 ) 从中取 1ml 溶液，利用MPN 法计数。 (7 ) 加入试片，见图4-2 。将24 个锥形瓶放入 30 摄氏度恒温培养箱中 培养。 (8 ) 24 小时后，取 1-3 号锥形瓶，可见试片上附着黄褐色沉淀，证明 试片已被腐蚀。振荡锥形瓶，待杂质充分沉淀后从上清液中取 1ml，利用MPN 发计数。 (9 ) 用镊子取出试片，迅速用滤纸擦干，其中的 3 个试片用烘箱烘干 后待其冷却，称重，利用失重法计算其腐蚀速度。对另3 个 试片 25 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 号进行电化学检测，测定其腐蚀电位。 (10) 24 小时后，取4-6 号锥形瓶，重复上述过程。 (11) 重复上述过程，测定 8 天细菌对试片的腐蚀情况。结果为三次 测定的平均值。 (12) 整理实验数据，列表分析。 图 4- 1 铸铁试片形态 图 4-2 静态试验样品 26 哈尔滨工业大学工学硕士学位论文 图 4- 1 为从实际新给水球墨铸铁管上选取并加工成的试片形态，图 4-2 为腐蚀静态试验的样品图。 表 4- 1 腐蚀试验前试片质量 温度:T 30?，M 为第 i 次测量值，i 1,2,3 ， 为三次 i m 测量平均值 试片编号 M g M g M g 1 2 3 m g 1 22.1226 22.1225 22.1226 22.1226 2 25.7737 25.7736 25.7736 25.7736 3 23.1310 23.1311 23.1310 23.1310 4 22.6573 22.6572 22.6572 22.6572 5 24.2906 24.2907 24.2907 24.2907 6 24.3877 24.3875 24.3875 24.3876 7 22.8747 22.8746 22.8746 22.8746 8 22.0005 22.0004 22.0004 22.0004 9 23.1693 23.1692 23.1691 23.1692 10 24.4189 24.4190 24.4190 24.4190 11 21.7606 21.7604 21.7604 21.7605 12 23.2851 23.2850 23.2850 23.2850 13 22.7660 22.7660 22.7660 22.7660 14 22.2787 22.2785 22.2786 22.2786 15 21.8413 21.8413 21.8413 21.8413 16 21.5906 21.5906 21.5906 21.5906 17 25.0922 25.0923 25.0923 25.0923 18 23.3684 23.3685 23.3684 23.3684 19 24.1381 24.1383 24.1382 24.1383 20 22.7351 22.7351 22.7351 22.7351 21 22.3344 22.3343 22.3344 22.3344 22 22.1881 22.1880 22.1881 22.1881 23 23.603