李 進(jìn) 許兆義 李久義 焦 迪

(北京交通大學(xué)市政與環(huán)境工程系,北京 100044)

再生水環(huán)境中304不銹鋼生物膜腐蝕電化學(xué)特征

李 進(jìn)*許兆義 李久義 焦 迪

(北京交通大學(xué)市政與環(huán)境工程系,北京 100044)

研究了以再生水作為循環(huán)冷卻系統(tǒng)補(bǔ)水的北京某熱電廠冷卻塔底粘泥中分離純化培養(yǎng)出來的硫酸鹽還原菌(SRB)生長(zhǎng)特性.采用原子力顯微鏡(AFM)、掃描電鏡(SEM)、能譜分析儀(EDS)和電化學(xué)交流阻抗(EIS)方法研究了304不銹鋼(SS304)表面生物膜特征及其主要成分和不銹鋼/生物膜界面電化學(xué)行為.結(jié)果顯示,再生水環(huán)境下304不銹鋼表面形成的生物膜是由吸附的SRB菌體及以含碳有機(jī)物為主的胞外聚合物和FeS腐蝕產(chǎn)物構(gòu)成.浸泡前期(前7 d)SS304電極表面阻抗值主要由SS304表面鈍化膜的貢獻(xiàn);浸泡后期(14 d后),電極體系阻抗值由不銹鋼表面鈍化膜和生物膜共同貢獻(xiàn).

再生水;304不銹鋼; 硫酸鹽還原菌; 生物膜; 原子力顯微鏡; 交流阻抗譜

將城市再生水作為發(fā)電廠工業(yè)循環(huán)冷卻系統(tǒng)的補(bǔ)充水對(duì)節(jié)約水資源具有重大的意義.但是污水再生回用仍存在著一些問題:就再生水而言,其濁度、化學(xué)耗氧量(COD)、有害離子、總含鹽量和微生物等水質(zhì)指標(biāo)均高于各種淡水的用水標(biāo)準(zhǔn),這些物質(zhì)在循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中經(jīng)過生物化學(xué)反應(yīng)可能形成大量粘泥沉積于管壁.在厭氧條件下,硫酸鹽還原菌(SRB)大量繁殖,產(chǎn)生粘液物質(zhì),加速垢的形成.當(dāng)金屬表面有微生物存在時(shí),將進(jìn)行特殊的生物化學(xué)反應(yīng),改變金屬表面的物理、化學(xué)性質(zhì),促進(jìn)粘泥下微生物腐蝕[1].

由于再生水的推廣使用,國內(nèi)許多新建電廠采用不銹鋼材料作為凝汽器的管材,以減緩設(shè)備的失效.然而不銹鋼對(duì)SRB、Cl-和還原性硫化物引起的局部腐蝕非常敏感[2-3].

微生物細(xì)菌吸附到不銹鋼表面是生物膜形成的第一步,在缺氧條件下硫酸鹽還原菌能夠在不銹鋼表面上形成生物膜.研究表明生物膜是由細(xì)菌和它們的胞外聚合物以及腐蝕產(chǎn)物組成的[4].在生物膜中,微生物生活在一個(gè)與自由懸浮狀完全不同的微生態(tài)環(huán)境中,微生物大體上是不動(dòng)的,被包藏于水化的有機(jī)質(zhì)中.微生物不僅可將水中組分轉(zhuǎn)變成不溶性的生物質(zhì),使之沉積于固體表面,而且還可將本身并不沉積的物質(zhì)帶到表面上而形成污垢,為厭氧腐蝕提供場(chǎng)所.微生物附著于金屬表面后,由于新陳代謝活動(dòng)產(chǎn)生了胞外聚合物質(zhì)(EPS).EPS中含有多糖、蛋白質(zhì)、核酸等物質(zhì)[4].EPS對(duì)生物膜的結(jié)構(gòu)完整性起主要作用.生物膜結(jié)構(gòu)和形態(tài)對(duì)不銹鋼腐蝕有顯著影響[5],如多孔生物膜不僅可以捕獲細(xì)菌分泌的代謝產(chǎn)物,還可以使不銹鋼表面溶液組分濃度,pH值和氧濃度在局部發(fā)生較大的改變,形成濃度梯度[6],導(dǎo)致金屬表面的局部腐蝕.而含硫化物致密的生物膜在某些情況下對(duì)金屬表面具有保護(hù)作用[7-8].微生物腐蝕的關(guān)鍵在于生物膜與金屬基體間的相互作用[9-11].

不銹鋼基質(zhì)表面狀態(tài)以及表面生物膜結(jié)構(gòu)對(duì)不銹鋼合金鈍化膜點(diǎn)蝕的發(fā)生和發(fā)展有很大關(guān)系.本工作的目的是應(yīng)用AFM、SEM和EDS表面分析技術(shù)定性和定量地研究再生水環(huán)境下SS304表面生物膜結(jié)構(gòu)的形態(tài);采用電化學(xué)阻抗譜研究SS304 SRB生物膜界面的電化學(xué)腐蝕特性.

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)菌種與培養(yǎng)

實(shí)驗(yàn)菌種取自以再生水作為循環(huán)冷卻系統(tǒng)補(bǔ)水的北京某熱電廠冷卻塔底粘泥,將5 g粘泥加入到45 mL無菌水中,充分振蕩、靜置,取上層清液,即粘泥浸出液.將浸出液接入分離富集培養(yǎng)基中進(jìn)行厭氧培養(yǎng).采用稀釋涂布-疊皿夾層培養(yǎng)法分離、純化菌種,重復(fù)分離純化2-3次,獲得可以轉(zhuǎn)接、保存的純種SRB,4℃以下保存在冰箱中作為實(shí)驗(yàn)用菌種.

實(shí)驗(yàn)采用修正的Postgate B、Postgate C[12]兩種液體培養(yǎng)基和修正的Postgate E固體培養(yǎng)基.修正的Postgate B培養(yǎng)基用于SRB菌種的富集培養(yǎng),修正的Postgate E固體培養(yǎng)基主要用于SRB菌種的分離提純.

實(shí)驗(yàn)用培養(yǎng)基采用Postgate C培養(yǎng)基,其成分為KH2PO40.50 g,NH4Cl 1.0 g,CaCl2·2H2O 0.060 g, Na2SO44.5 g,MgSO4·7H2O 0.060 g,乳酸鈉(80%)6 mL,酵母浸膏1.0 g,FeSO4·7H2O 0.0040 g,檸檬酸鈉0.30 g,蒸餾水1000 mL,用HCl和NaOH(0.05 mol·L-1)調(diào)節(jié)pH在7.0-7.2范圍內(nèi),在0.14 MPa滅菌鍋中消毒20 min,快速冷卻后加入經(jīng)紫外線消毒30 min的半胱酸胺鹽酸鹽和抗壞血酸.

冷藏的菌種使用時(shí)需要活化.將冷藏的菌種置于培養(yǎng)箱中于(37±1)℃恒溫2 h,移取20 mL菌種接種到滅菌的300 mL碘量瓶中,加入滅菌的培養(yǎng)基至瓶口.通氮?dú)?0 min趕走培養(yǎng)基中的溶解氧,塞好瓶塞,使用液體石蠟將口密封.將接種的培養(yǎng)基放入恒溫培養(yǎng)箱中于(37±1)℃恒溫培養(yǎng),24 h后若培養(yǎng)基變成黑色,即為所需要的具有一定活性的菌種.

硫酸鹽還原菌的檢測(cè)由于SRB可以將SO2-4還原,生成H2S氣體,把浸有AgNO3液體的試紙條置于液體培養(yǎng)基瓶口,Ag+遇到H2S發(fā)生化學(xué)反應(yīng),試紙條慢慢從邊緣向內(nèi)變黑,證明存在SRB;如果3 min內(nèi)(時(shí)間長(zhǎng)了,空氣中的氧氣會(huì)把Ag離子氧化變黑)試紙沒有變黑,就表明沒有硫化氫產(chǎn)生,不存在SRB.

實(shí)驗(yàn)中所用的培養(yǎng)基、無菌水等在121℃、0.14 MPa壓力下,經(jīng)高壓蒸汽鍋滅菌20 min;培養(yǎng)皿、移液管等用具采用干熱滅菌;且實(shí)驗(yàn)相關(guān)操作均在經(jīng)紫外滅菌過的無菌操作臺(tái)中進(jìn)行.實(shí)驗(yàn)中所用化學(xué)試劑均為分析純?cè)噭?所用水為三級(jí)水.

1.2 實(shí)驗(yàn)用水

將具有活性的SRB接種于實(shí)驗(yàn)用再生水中,以考察SRB在再生水中生長(zhǎng)特性.實(shí)驗(yàn)用再生水取自發(fā)電廠循環(huán)冷卻系統(tǒng),其水質(zhì)見表1.

1.3 不銹鋼試片的制備

實(shí)驗(yàn)材料選用304不銹鋼管材,用以研究再生水環(huán)境下304不銹鋼表面SRB生物膜形成與發(fā)展特性.材料主要成分質(zhì)量分?jǐn)?shù):C為0.040%,Si為0.40%,Mn為1.0%,P為0.030%,S為0.0040%,Cr為18.1%,Ni為8.1%,其余為Fe.

將304不銹鋼管材加工成面積為1 cm2的圓形試片,用耐水砂紙逐級(jí)打磨至1200#,再用0.5 μm的金剛石研磨膏拋光.之后用丙酮除油,無水乙醇脫水,備用.

表1 發(fā)電廠循環(huán)冷卻系統(tǒng)的再生水水質(zhì)Table 1 Quality analysis of reclaimed water from power plant

1.4 試樣表面分析

取純化的SRB菌液,采用真空抽濾泵經(jīng)2.5 μm的微孔濾膜過濾.將截留在微孔濾膜上的細(xì)菌溶在一定量的無菌水中,配成細(xì)菌懸液.滴加一滴于碳膜銅網(wǎng)上,近干燥時(shí),用2%磷鎢酸溶液滴加在樣品上進(jìn)行染色1-2 min,自然干燥后,在HITACHI H-800型(日本)透射電子顯微鏡下觀察SRB形態(tài).

SRB為革蘭氏染色陰性.通過革蘭氏染色[13],使用COIC XSZ-3G光學(xué)顯微鏡(重慶光電儀器有限公司)觀察細(xì)菌是否為革蘭氏染色陰性.

應(yīng)用日本SHIMADZU公司SPM-9500J3型掃描探針顯微鏡即原子力顯微鏡(AFM)和LEICAS440i型(德國)電子掃描顯微鏡(SEM)以及能譜分析儀(EDS)對(duì)試片表面生物膜的特征、成分和膜下腐蝕形貌進(jìn)行定性和定量分析.將接種了SRB的再生水置入廣口瓶,并充氮?dú)?0 min以驅(qū)趕氧氣,然后將經(jīng)過滅菌處理的不銹鋼試片置入該再生水中,并將瓶口密封放入生化培養(yǎng)箱中,在(37±1)℃恒溫條件下厭氧培養(yǎng).經(jīng)浸泡不同時(shí)間將304不銹鋼試片取出,用無菌水輕輕清洗表面,然后用2.5%戊二醛在4℃下固定2 h,用磷酸緩沖溶液和無菌水分別清洗干凈,在空氣中自然干燥后備用.另準(zhǔn)備一組樣品,用超聲波清洗機(jī)去除掉表面生物膜后對(duì)膜下腐蝕形貌進(jìn)行觀察.

AFM采用接觸式掃描模式,探針由氮化硅制成,彈性系數(shù)0.16 N·m-1,最大掃描范圍30 μm×30 μm,掃描頻率 0.5 Hz.使用 AFM自帶 SPM-offline2.2軟件對(duì)試片表面粗糙度進(jìn)行分析.表面粗糙度可定量地反映試片表面形成生物膜的厚度、均勻程度和腐蝕程度等特征.本實(shí)驗(yàn)中的粗造度以均方根粗糙度(RMS)表示,即使試片表面各點(diǎn)相對(duì)于零平面的高度數(shù)值的均方根.

1.5 電化學(xué)測(cè)試

在制備好的SS304試片背后焊接導(dǎo)線,用環(huán)氧樹脂密封在塑料圓環(huán)內(nèi),制成電極.用耐水砂紙逐級(jí)打磨至1200#,再用0.5 μm的金剛石研磨膏拋光,之后用丙酮和無水乙醇擦洗干凈,用來研究再生水環(huán)境下304不銹鋼/SRB生物膜界面電化學(xué)特性.電化學(xué)測(cè)試采用三電極系統(tǒng),工作電極由304不銹鋼材料制成,參比電極為飽和甘汞電極(SCE),輔助電極為鉑電極.

不銹鋼電極在含SRB再生水中浸泡過程同1.4節(jié)所述.分別在浸泡1、3、7、14和20 d時(shí)取出電極,測(cè)定304不銹鋼電極的電化學(xué)阻抗譜.另準(zhǔn)備一組在無菌再生水中浸泡的電極,作為空白對(duì)照.交流阻抗譜的測(cè)定采用美國EG&G公司的273A恒電位儀測(cè)試系統(tǒng)以及M398軟件.測(cè)定頻率范圍為0.05 Hz-100 kHz,正弦電壓信號(hào)幅值為5 mV,在37℃恒溫條件下測(cè)定.

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 硫酸鹽還原菌形貌與生長(zhǎng)規(guī)律

將接種SRB的培養(yǎng)基于(37±1)℃下恒溫培養(yǎng)14 d后,取出處理后,采用TEM觀察到的SRB形貌見圖1.發(fā)電廠循環(huán)冷卻塔底粘泥中SRB的細(xì)胞形狀基本為細(xì)小桿狀,具有鞭毛.經(jīng)革蘭氏染色檢測(cè),為革蘭氏染色陰性.

SRB在再生水中生長(zhǎng)規(guī)律如圖2所示.由圖2可以看出SRB的生長(zhǎng)分為三個(gè)階段.0-8 h為指數(shù)生長(zhǎng)期,細(xì)胞新陳代謝活動(dòng)旺盛,細(xì)菌數(shù)量增加了近2個(gè)量級(jí).8 h-3 d為穩(wěn)定生長(zhǎng)期,細(xì)菌活性保持在較高水平,代謝活動(dòng)穩(wěn)定.在3 d時(shí)細(xì)菌數(shù)量達(dá)到峰值2.0×106mL-1.3-10 d為衰亡期,細(xì)菌數(shù)量逐漸減少.結(jié)果表明在再生水環(huán)境下,SRB可以在相對(duì)長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定生長(zhǎng).

圖3顯示了介質(zhì)pH值隨SRB生長(zhǎng)時(shí)間的變化規(guī)律.pH值從接種SRB 1 h的7.03逐漸增大到1 d的7.67,隨后迅速降低.3 d時(shí)pH值降到最小值6.59,之后基本維持在6.70-6.80.對(duì)應(yīng)圖2中SRB的生長(zhǎng)曲線可以看出,在SRB指數(shù)生長(zhǎng)期,介質(zhì)pH值升高;在穩(wěn)定生長(zhǎng)期內(nèi)pH值下降.這種現(xiàn)象與SRB的代謝活性有關(guān).氫化酶的陰極去極化理論[14]認(rèn)為,SRB含有一種氫化酶,它能利用在陰極區(qū)產(chǎn)生的氫離子將硫酸鹽還原成H2S或硫化物,化學(xué)反應(yīng)如式(1)-(3)[15].

SRB處于生長(zhǎng)對(duì)數(shù)期時(shí),細(xì)胞代謝旺盛,硫酸鹽還原菌的活性強(qiáng),生成的S2-多,H+被消耗的就多,從而導(dǎo)致pH值升高.當(dāng)SRB處在穩(wěn)定生長(zhǎng)期時(shí), SRB新陳代謝產(chǎn)生的H2S和有機(jī)酸不斷積累,使得pH值降低.

2.2 不銹鋼表面SRB生物膜特性

圖4為AFM觀察的304不銹鋼試片的原始表面和在接種SRB的再生水中浸泡1、7和14 d后試片表面形貌.相應(yīng)浸泡時(shí)間試片表面SEM圖像(圖5)的EDS成分分析見表2.

從圖4a可以看出,浸泡前試片表面很光滑,僅有拋光留下的印痕.應(yīng)用SPM-offline 2.2軟件進(jìn)行表面粗糙度分析知,浸泡前304不銹鋼試片表面的均方根粗糙度(RMS)值為(8.61±2.1)nm.而在含SRB的再生水中浸泡后,試片表面形貌顯著改變.SRB首先以單個(gè)細(xì)菌的形式在試片表面附著,隨后逐步以菌落的形式形成生物膜.浸泡1 d時(shí),試片表面有少量的SRB附著(圖4b).7 d時(shí)吸附的SRB量增多(圖4c),EDS分析(表2)顯示有少量的S元素出現(xiàn),質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.23%.說明此階段SRB還原SO2-4生成的具有還原性的S出現(xiàn)在不銹鋼基體表面.14 d時(shí)試片表面生物膜基本形成(圖4d),生物膜厚度(同樣用RMS值表示)為(222.9±16.06)nm.此階段,由表2分析可知,S元素含量從7 d時(shí)的0.23%升高到3.14%;此外,試片表面C元素出現(xiàn),質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到65.52%,遠(yuǎn)大于其基體的C含量,這可能是SRB代謝活動(dòng)產(chǎn)生的以含碳為主的胞外聚合物(EPS)等有機(jī)物質(zhì)引起的;而金屬元素Fe、Cr、Ni和Mn的含量變化,表明基體表面溶解的金屬離子逐漸擴(kuò)散進(jìn)入生物膜層,且含量隨膜層厚度增加逐漸降低.

試片表面S元素含量主要源于在厭氧條件下, SRB利用硫酸鹽作為電子受體將其還原為H2S或硫化物的過程.Marcus[16]研究指出,S2-是加速金屬溶解的催化劑,它可以減弱金屬鍵之間的結(jié)合,降低反應(yīng)的活化能.研究者[17-18]證實(shí)了H2S為陰極還原反應(yīng),可加速金屬的腐蝕速率,當(dāng)有二價(jià)鐵離子存在時(shí),形成二價(jià)鐵的硫化物沉積在金屬表面[19],反應(yīng)如式(4)和(5)所示. S2-與溶解下來的Fe2+迅速結(jié)合,并以FeS沉積物的形式離開金屬表面,此過程促進(jìn)了陽極去極化作用.FeS在電極表面逐漸沉積,與吸附在電極表面的SRB菌體及細(xì)菌胞外聚合物共同形成生物膜.

表2 浸泡不同時(shí)間試片表面成分分析Table 2 Composition analysis on the SS304 surface for different immersion time

生物膜中C含量的增加間接地反映出,隨時(shí)間推移,吸附到試片表面的SRB數(shù)量逐漸增多,SRB代謝產(chǎn)生的以含碳為主的胞外聚合物(EPS)及有機(jī)酸含量增加.EPS不僅對(duì)生物膜結(jié)構(gòu)的完整性起至關(guān)重要的作用,而且它還可以直接參與金屬腐蝕溶解過程[20].EPS中所含有的—NH、—COOH、—OH官能團(tuán)具有捕獲許多高價(jià)金屬離子(如Ca2+、Mg2+、Cu2+和Fe3+)的能力[21],它對(duì)金屬的生物膜腐蝕產(chǎn)生重要影響[22-23].不銹鋼材料一旦發(fā)生點(diǎn)蝕,EPS通過捕獲溶解的金屬離子,形成Men+(EPS)[21]的絡(luò)合物,加速不銹鋼材料的溶解.這個(gè)溶解過程意味著不銹鋼材料遭受到了生物膜的腐蝕.正如實(shí)驗(yàn)結(jié)果所示,隨試片表面S和C元素含量增加,304不銹鋼基體金屬原子逐漸溶解并擴(kuò)散進(jìn)入生物膜層中.

圖6為浸泡14 d去掉表面生物膜后304不銹鋼試片表面腐蝕形貌.

浸泡14 d去掉生物膜后,304不銹鋼試片表面整體依然比較平整光滑,但在局部有明顯的蝕坑(圖6(a,b)),蝕坑最深處為541.2 nm,局部腐蝕速率相當(dāng)于每年0.014 mm.SRB生物膜對(duì)不銹鋼的腐蝕主要為點(diǎn)蝕特征.

2.3 304不銹鋼/SRB生物膜界面電化學(xué)特性

圖7和圖8是304不銹鋼電極在無菌再生水(作為參照系)和接種SRB的再生水中浸泡不同時(shí)間的Nyquist和Bode圖.

從圖7中可以看出,304不銹鋼電極在無菌再生水和接種SRB的再生水體系中電極容抗弧隨浸泡時(shí)間延長(zhǎng)不斷減小,容抗弧半徑減小意味著電極表面阻抗值降低.1-7 d浸泡期間,兩個(gè)體系中304不銹鋼電極的Nyquist圖均顯示近1/4圓弧,表明電極阻抗值較大,電極表面溶解速率較低.此階段,在有菌介質(zhì)中已觀察到電極表面有SRB吸附(圖4(b, c)),但還未形成完整的生物膜層.兩個(gè)體系的電極阻抗值主要來自于表面鈍化膜的貢獻(xiàn),電極表面的電極過程為活化極化控制.浸泡14 d,兩個(gè)體系的容抗弧顯示為半圓,容抗弧半徑顯著下降;20 d時(shí),無菌體系電極容抗弧半徑與14 d相比下降不多;而有菌體系電極容抗弧半徑遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于14 d時(shí)的容抗弧半徑,且小于無菌體系的容抗弧半徑.這表明電極表面鈍化膜局部受損,引起電極阻抗值大大降低.浸泡14 d后,生物膜在電極表面基本形成(圖4 d),在生物膜下SRB以硫酸鹽為電子受體將其還原為硫化物如H2S以及生物代謝產(chǎn)生的有機(jī)酸,降低了電極表面局部環(huán)境的pH(pH＜6.7)值,破壞了不銹鋼表面的鈍化膜層.一般認(rèn)為不銹鋼表面的鈍化膜由兩部分組成[24],內(nèi)層以鉻的氧化物為主,稱阻擋層,是產(chǎn)生鈍化的主要部分;外層主要以鐵的氧化物和氫氧化物為主.當(dāng)溶液顯酸性,即pH較低(pH＜7)時(shí),可能會(huì)加速外層氫氧化物以及鐵的氧化物的溶解導(dǎo)致不銹鋼的腐蝕.

從圖8來看,304不銹鋼電極在無菌和有菌介質(zhì)中的相角圖有不同的變化.相角-頻率曲線中相位角峰值即時(shí)間常數(shù)位于中高頻區(qū)時(shí),與電極表面氧化膜的電化學(xué)響應(yīng)有關(guān);相位角峰值出現(xiàn)在低頻區(qū)時(shí)則與生物膜的生長(zhǎng)和穩(wěn)定性有關(guān).浸泡1 d后,在無菌體系中,304不銹鋼電極的相角-頻率曲線相角峰值位于高中頻區(qū),隨時(shí)間推移,相角峰值和低頻端相角值有所降低,特別是浸泡14-20 d時(shí),低頻端相角值顯著降低,表明304不銹鋼電極表面鈍化膜受到再生水中Cl-等無機(jī)陰離子的侵蝕.而在有菌體系浸泡1 d,304不銹鋼電極的相角-頻率曲線相角峰值位于中低頻區(qū);隨時(shí)間推移,相角峰值向低頻端稍有移動(dòng),且低頻端相角值逐漸降低,這與生物膜的生長(zhǎng)特性有關(guān);浸泡14-20 d,相角-頻率曲線中相角峰值顯著下降,預(yù)示不銹鋼表面的鈍化膜受到破壞;高頻端相角值增加,這可能與具有半導(dǎo)體性質(zhì)的FeS腐蝕產(chǎn)物形成的異質(zhì)相有關(guān)系.

采用圖9中兩個(gè)等效電路對(duì)有菌體系的交流阻抗圖譜進(jìn)行擬合.由于浸泡前期(前7 d)生物膜還不完整,電極體系Bode中只顯示一個(gè)時(shí)間常數(shù),故采用圖9(a)等效電路對(duì)浸泡1 h到7 d的交流阻抗譜進(jìn)行擬合;浸泡后期(14 d后),電極表面由鈍化膜層和生物膜層構(gòu)成,應(yīng)為兩個(gè)時(shí)間常數(shù),所以采用圖9 (b)等效電路擬合14和20 d的交流阻抗譜.

表3 有菌體系中304不銹鋼電極交流阻抗譜的擬合參數(shù)值Table 3 Fitted parameters for EIS spectra of SS 304 electrodes exposed in reclaimed water with SRB for different time

對(duì)有菌體系304不銹鋼電極的交流阻抗譜擬合結(jié)果見表3.表中卡方檢驗(yàn)值χ2是最常用的擬合度指標(biāo),若檢驗(yàn)結(jié)果差異不顯著且χ2值越接近于零,則表明模型擬合程度越好.由表3可知,對(duì)304不銹鋼電極交流阻抗譜擬合的 χ2值均在 9.75×10-4-1.78×10-2范圍,表明擬合數(shù)據(jù)與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)吻合較好.

在整個(gè)浸泡期間,有菌體系的溶液電阻Rs值變化不大,在28.24-60.19 Ω·cm2范圍內(nèi),表明溶液導(dǎo)電性良好.

鈍化膜極化電阻Rp的變化意味著腐蝕過程中電荷轉(zhuǎn)移的難易程度,電容值Cdl的變化主要與雙電層的介電性能及電極表面粗糙度相關(guān),雙電層電容可以表示為Cdl=ζκαA/d,其中ζ是真空電容率,κ是介質(zhì)的介電常數(shù),A是電極表面積,d是電容極板間距,α是電極表面粗糙度.浸泡前7 d,304不銹鋼電極的極化電阻Rp較大,在1.62×105-8.30×103Ω· cm2范圍內(nèi)變化,表明此期間304不銹鋼電極表面鈍化膜耐蝕性良好;14 d時(shí),極化電阻Rp顯著下降,降到50.4 Ω·cm2.這意味著電極表面鈍化膜可能出現(xiàn)點(diǎn)蝕,使腐蝕電荷轉(zhuǎn)移變得容易.同時(shí),鈍化膜電容值Cdl隨著浸泡時(shí)間逐漸變大,從7 d時(shí)的8.31× 10-5μF·cm-2增大到 14 d時(shí)的3.45×10-2μF·cm-2,電容值明顯增大可能的原因有,其一是電極表面出現(xiàn)點(diǎn)蝕,使鈍化膜變得粗糙,引起電極表面雙電層電容增加;其二是雙電層間介電常數(shù)增加,具有半導(dǎo)體性質(zhì)的硫化鐵的生成是介電常數(shù)增加的原因.根據(jù)反應(yīng)(4)和(5),此階段,由于生物膜下SRB腐蝕,產(chǎn)生的硫鐵化物在電極表面形成異質(zhì)相,引起雙電層間介電常數(shù)的增加.

SRB及其代謝產(chǎn)物和腐蝕產(chǎn)物等在電極表面形成的生物膜,其電化學(xué)行為類似一個(gè)電容,其阻抗反應(yīng)用生物膜電阻Rbf和電容Cbf表示.浸泡前14 d,隨浸泡時(shí)間延長(zhǎng),304不銹鋼電極的電阻Rbf和Cbf值逐漸增加,表明電極表面生物膜逐漸發(fā)展并趨于完整.而20 d時(shí),304不銹鋼電極的Rbf值下降,這可能與SRB的脫附使生物膜變得疏松有關(guān).

浸泡前7 d,304不銹鋼電極的鈍化膜極化電阻Rp值遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于電極表面生物膜電阻Rbf,顯示此階段304不銹鋼電極表面的電化學(xué)過程應(yīng)為活化極化控制,而浸泡14 d后,由電極/生物膜界面電化學(xué)參數(shù)變化可知,304不銹鋼電極表面生物膜電阻Rbf值大于其鈍化膜極化電阻Rp,說明304不銹鋼電極表面生物膜對(duì)基質(zhì)和腐蝕產(chǎn)物擴(kuò)散的阻礙作用有所顯現(xiàn),由此推測(cè)此階段電極反應(yīng)過程是受活化極化和擴(kuò)散步驟共同控制.

3 結(jié) 論

(1)從北京某熱電廠冷卻水塔塔底粘泥中分離得到的硫酸鹽還原菌在實(shí)驗(yàn)所用再生水環(huán)境中可以繁殖生長(zhǎng).

(2)在304不銹鋼表面SRB優(yōu)先選擇單層排列吸附,然后逐漸聚集形成菌落.在再生水環(huán)境下,304不銹鋼表面形成的生物膜是由吸附的SRB菌體及以含碳有機(jī)物為主的胞外聚合物和腐蝕產(chǎn)物FeS構(gòu)成的.隨著浸泡時(shí)間延長(zhǎng),304不銹鋼表面由SRB代謝產(chǎn)生的S和C含量增加.

(3)在浸泡前期(前7 d),304不銹鋼電極表面阻抗值主要來源于304不銹鋼表面鈍化膜的貢獻(xiàn),電極表面的電化學(xué)反應(yīng)過程主要受活化極化控制;浸泡后期(14 d后),生物膜在電極表面形成,電極體系阻抗值由不銹鋼表面鈍化膜和生物膜共同貢獻(xiàn),電極表面的電化學(xué)反應(yīng)過程受活化極化和擴(kuò)散步驟控制.

1 Beech,I.B.;Sunner,J.Biocorrosion,2004,15:181

2 Moreno,D.A.;Ibars,J.R.;Ranninger,C.;Videla,H.A.Corrosion,1992,48(3):226

3 Stott,J.F.D.Corrosion Sci.,1993,35:667

4 Wingender,J.;Neu,T.R.;Flemming,H.C.Microbial extracellular polymerics substances:characterisation,structure and function. Berlin:Springer Press,1999

5 Sheng,X.X.;Ting,Y.P.;Pehkonen,S.O.Corrosion Sci.,2007, 49:2159

6 Dexter,S.C.Corrosion test and standard:application and interpretation.In:Baboian,R.ASTM.Philadephia:PA,1995

7 Dubiel,M.;Hsu,C.H.;Chien,C.C.;Mansfeld,F.;Newman,D.F. Appl.Environ.Microbiol.,2002,19(1):65

8 Gonza′lez,J.E.G.;Santana,F.J.H.;Mirza-Rosca,J.C.Corrosion Sci.,1998,40:2141

9 Buchanan,R.A.;Stansbury,E.E.Fundamentals of coupled electrochemical reactions as related to microbially influenced corrosion[C]//Dowling,N.J.;Mittleman,M.W.;Danko,J.C. Microbially influenced corrosion and biodeterioration.Knoxville: TN,1991:5,33

10 Videla,H.A.;de Mele,M.F.L.;Brankevich,G.J.Biofouling and corrosion of stainless steel and 70/30 copper nickel samples after several weeks of immersion in seawater[C]//Videla,H.NACE International,Houston,1989

11 Videla,H.A.Int.Biodeterior.Biodegrad.,2001,48:176

12 Postgate,J.R.The sulfate reducing bacteria.Cambridge:CU Press, 1984

13 Ma,F.;Ren,N.Q.;Yang,J.X.Pollution control microbiology experiment.Harbin:Harbin Institute of Technology Press,2002 [馬 放,任南琪,楊基先.污染控制微生物學(xué)實(shí)驗(yàn).哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社,2002]

14 Hardy,J.A.Br.Corros.J.,1983,18(4):190

15 von Wolzogen Kukr,C.A.H.;van Vlugt,L.S.Water,1934,18: 147

16 Marcus,P.Electrochim.Acta,1998,43(1-2):109

17 Little,B.;Wagner,P.Electrochim.Acta,1992,37(12):2185

18 Sanders,P.F.;Hamilton,W.A.Biological and corrosion activities of sulphate——reducing bacteria within natural biofilms[C]// Dexter,S.C.Biologically induced corrosion.NACE International, Houston:TX,1986:47

19 Beech,I.B.Microbiol.Today,2003,30:115

20 Fang,H.H.P.;Xu,L.C.;Chan,K.Y.Water Res.,2002,36:4709

21 Beech,I.B.;Sunner,J.Curr.Opin.Biotechnol.,2004,15(3):181

22 Kinzler,K.;Gehrke,T.;Telegdi,J.;Sand,W.Hydrometall,2003, 71:83

23 Rohwerder,T.;Gehrke,T.;Kinzler,K.;Sand,W.Appl.Microbiol. Biotechnol.,2003,63:239

24 Chler,S.M.;Vogel,A.;Mathiece,H.J.Corrosion Sci.,1991,32: 925

Characteristics of the Microbiologically Influenced Corrosion of 304 Stainless Steel in Reclaimed Water Enviroment

LI Jin*XU Zhao-Yi LI Jiu-Yi JIAO Di
(Department of Municipal and Environmental Engineering,Beijing JiaoTong University,Beijing 100044,P.R.China)

The growth characteristics of sulfate reducing bacteria(SRB)in real reclaimed water were studied. Characteristics of the biofilm and its main components on the surface of stainless steel 304(SS304)sample immersed in reclaimed water with SRB,the electrochemical behavior of the interface between the SS304 sample and the biofilm were investigated using atomic force microscopy(AFM),scanning electron microscopy(SEM),energy disperse spectroscopy(EDS),and electrochemical impedance spectroscopy(EIS).The results show that this strain of SRB can survive in reclaimed water.A biofilm formed on the surface of SS304 and consisted of microbial cells,a carbohydrate component from extracellular polymeric substances(EPS)and a corrosion product such as FeS.During the early immersion period (before 7d),the impedance value mainly originated from the contribution of passivation film on the SS304 electrode surface.During the later immersion period(after 14 d),the impedance value was mainly due to the combined effect of the passivation film and the biofilm on the SS304 electrode surface.

Reclaimed water;Stainless steel 304; Sulfate reducing bacteria; Biofilm;AFM;EIS

O646

Received:February 24,2010;Revised:April 28,2010;Published on Web:July 20,2010.

*Corresponding author.Email:jinli@bjtu.edu.cn;Tel:+86-10-51684077.

The project was supported by the Datang International Power Generation Co.,LTD,China(TX06-15).

大唐國際發(fā)電股份有限公司項(xiàng)目(TX06-15)資助

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