再生水中硫酸鹽還原菌對(duì)Q235碳鋼腐蝕行為研究 摘要：從以再生水作為補(bǔ)充水源的3倍循環(huán)冷卻水中分離純化出硫酸鹽還原菌（SRB），采用環(huán)境掃描電鏡（SEM）、原子力顯微鏡（AFM）、開(kāi)路電位(OCP)、線性極化電阻、交流阻抗譜（EIS）等方法研究了實(shí)驗(yàn)室條件下SRB對(duì)Q235碳鋼的腐蝕行為.結(jié)果表明：SRB菌體首先單個(gè)吸附在碳鋼表面，然后以菌落形式在碳鋼表面聚集.該SRB促進(jìn)了碳鋼的腐蝕，表現(xiàn)為點(diǎn)蝕，且隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，碳鋼表面的粗糙度和腐蝕坑深增大.7天時(shí)碳鋼表面形成完整的生物膜，隨后擴(kuò)散作用成為電極反應(yīng)控制的主導(dǎo)，在浸泡后期生物膜并未出現(xiàn)脫落.浸泡初期SRB生物膜抑制碳鋼的腐蝕，隨后開(kāi)始促進(jìn)碳鋼的腐蝕，腐蝕速率逐漸下降，最后趨于穩(wěn)定.關(guān)鍵詞：再生水； Q235碳鋼；微生物腐蝕；原子力顯微鏡；極化曲線；線性極化電阻；交流阻抗譜 Corrosion Behavior of Q235 Carbon Steel in Sulfate Reducing Bacteria from Reclaimed Water Wan Jianmei Tian Yimei Zheng Bo(School of Environmental Science and Engineering, Tianjin University,Tianjin 300072, China)Abstract: Sulfate Reducing Bacteria(SRB) was separated and purificated from cooling water of cycling three times,which is suppled by reclaimed water. corrosion behavior of Q235 carbon steel in sulfate reducing bacteria was not only performed by scanning electron microscope(SEM)and atomic force microscope(AFM),but also was tested by electrochemical method, such as open circuit potential(OCP),linear polarization resistance (LCP), polarization curve, electrochemical impedance spectroscopy(EIS). It turns out that SRB bacteria first adsorpps single on the surface of carbon steel, and then gathers in the form of colonies. SRB promotes the pitting of carbon steel, and the roughness and pit depth on the surface of the carbon steel increases with time. 7 days later a complete biological membrane forms , then the diffusion has become the dominant of electrode reaction control, and the biofilm does not fall off in the late soaking. At first, SRB biofilm inhibits the corrosion of carbon steel, then accelerates the corrosion. However, corrosion rate is falling, finally tends to be stable.Key Words: Reclaimed Water; Q235 carbon steel; Microbiologically induced corrosion; AFM; Polarization curve; Linear polarization resistance; EIS再生水回用于電廠循環(huán)冷卻水系統(tǒng)對(duì)緩解北方水資源危機(jī)和提高污水回用率具有重大意義.然而，與地表水相比，再生水營(yíng)養(yǎng)豐富，含鹽量高，氨氮含量高，微生物種類繁多.微生物的分泌物與水中的懸浮物、膠體和不溶性有機(jī)物形成生物粘泥沉積于管壁，在厭氧或缺氧條件下，硫酸鹽還原菌（SRB）大量繁殖，加速生物垢的形成，引起管壁的微生物腐蝕[1].微生物吸附在金屬表面，逐漸形成微生物膜.在生物膜內(nèi)，微生物的生命活動(dòng)產(chǎn)生的代謝產(chǎn)物和腐蝕產(chǎn)物，改變了金屬表面的pH值、溶解氧濃度、溶液濃度、氧化還原電位等，從而引起或促進(jìn)金屬的微生物腐蝕[2].微生物腐蝕廣泛地存在于海水和循環(huán)冷卻水系統(tǒng)中[3-5].近年來(lái)，再生水回用電廠循環(huán)冷卻水引起的微生物腐蝕問(wèn)題也受到了極大關(guān)注[6].李進(jìn)等[7]研究了304不銹鋼在再生水中的微生物腐蝕，張靜[8]等研究了再生水中銅合金表面微生物膜的成分對(duì)金屬腐蝕的影響.傳統(tǒng)的循環(huán)冷卻水系統(tǒng)的冷卻水管道材質(zhì)為碳鋼，冷凝器的材質(zhì)為碳鋼和黃銅，Reza[9]用模糊算法認(rèn)為有菌時(shí)碳鋼的腐蝕速率是無(wú)菌的三倍多，但目前很少涉及對(duì)再生水中碳鋼的研究.因此，再生水中碳鋼的微生物腐蝕問(wèn)題亟待研究.本文利用SEM定性研究Q235碳鋼表面硫酸鹽還原菌（SRB）生物膜的形成過(guò)程.利用AFM定量研究碳鋼腐蝕程度，再結(jié)合自腐蝕電位、線性極化電阻、極化曲線、交流阻抗譜方法分析碳鋼表面SRB生物膜腐蝕的電化學(xué)特性.1實(shí)驗(yàn)部分1.1實(shí)驗(yàn)材料試樣采用Q235碳鋼，其化學(xué)成分為C 0.14%～0.22%，Si 0.12%～0.30%，Mn 0.40%～0.65%,P ≤0.045%,S ≤0.055%,其余為Fe.試驗(yàn)工作電極均為武漢高仕睿聯(lián)科技有限公司定制的Q235碳鋼電極，有效截面積為0.5024cm2,用金相砂紙逐漸打磨至2000#，再用拋光粉拋光，然后丙酮除油，無(wú)水乙醇脫水后，放在干燥箱中保存.在插入電解池前，在紫外下滅菌30min.1.2菌種來(lái)源與培養(yǎng)運(yùn)行高郵市新郵儀器廠生產(chǎn)的WKMZ-Ⅱ型智能動(dòng)態(tài)模擬裝置，以天津市某再生水廠出水為補(bǔ)充水源，獲得濃縮倍數(shù)為3.0的循環(huán)冷卻水.將該水接入分離富集培養(yǎng)基中進(jìn)行厭氧培養(yǎng).采用稀釋涂布一疊皿夾層培養(yǎng)法分離、純化菌種，重復(fù)分離純化3-4次，可獲得純種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. 修正的Postgate C[10]培養(yǎng)基成分：NH4Cl 1g，KH2PO4 0.5g，Na2SO4 4.5g，CaCl2 0.06g，MgSO4·7H2O 0.06g，F(xiàn)eSO4·7H2O 0.004g，乳酸鈉6mL(80%)，酵母浸出汁1.0g，檸檬酸鈉0.3g，蒸餾水1000mL，pH 7.0～7.5.快速冷卻后加入紫外線滅菌的維生素C 0.2g、半胱氨酸鹽酸鹽 0.5 g.該培養(yǎng)基可用于SRB的純化、活化、電化學(xué)測(cè)試以及碳鋼掛片浸泡.實(shí)驗(yàn)中所用的培養(yǎng)基、培養(yǎng)皿、移液管、無(wú)菌水等在121℃,0.14MPa壓力下，經(jīng)高壓蒸汽鍋滅菌20 min，實(shí)驗(yàn)中所用化學(xué)試劑均為分析純?cè)噭?，?shí)驗(yàn)相關(guān)操作均在經(jīng)紫外滅菌過(guò)的無(wú)菌操作臺(tái)中進(jìn)行.1.3電化學(xué)測(cè)試采用三電極體系，工作電極為Q235碳鋼電極，參比電極為飽和甘汞電極，輔助電極為鉑電極.電化學(xué)測(cè)試系統(tǒng)為武漢科斯特儀器有限公司生產(chǎn)的CS2350電化學(xué)工作站.極化電阻測(cè)定采用動(dòng)電位掃描法，掃描電位相對(duì)于開(kāi)路電位為±15mV，掃描速度1mV/s.交流阻抗譜測(cè)定的頻率范圍為0.01Hz到100kHz，正弦波幅為5mV.動(dòng)電位極化曲線測(cè)定的掃描電位相對(duì)于開(kāi)路電位為±0.12V（120mV），掃描速度為2mV/s.所有電化學(xué)測(cè)試在恒溫30℃進(jìn)行，并設(shè)置一組不接種細(xì)菌的培養(yǎng)基做空白對(duì)照.1.4表面形貌分析 應(yīng)用美國(guó)Burker公司Multimode 8型掃描探針顯微鏡即原子力顯微鏡(AFM)和荷蘭Philips公司XL-30TMP型電子掃描顯微鏡(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Q235碳鋼試片放入了接種了SRB的Postgate C培養(yǎng)基中，并將瓶口密封放入生化培養(yǎng)箱中，在30℃恒溫條件下厭氧培養(yǎng).將浸泡不同時(shí)間的Q235碳鋼試片取出，用無(wú)菌水輕輕清洗表面，然后用2.5%戊二醛在4℃下固定2h，用磷酸緩沖溶液和無(wú)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，用鹽酸和六次甲基四銨去除表面生物膜后對(duì)膜下腐蝕形貌進(jìn)行觀察. AFM采用輕敲式掃描模式，探針為由硅制成的RTESP探針，彈性系數(shù)為20～80 N·m-1，最大掃描范圍30μm × 30μm，共振頻率為200～400KHz.使用AFM自帶Nanoscope Analysis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腐蝕程度.本實(shí)驗(yàn)中的粗造度以均方根粗糙度(Rq)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.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論2.1 Q235碳鋼表面SRB生物膜特性分析 圖1為Q235碳鋼試片在含有SRB的培養(yǎng)基中浸泡3天、7天、13天的SEM圖以及去除腐蝕產(chǎn)物后的AFM腐蝕形貌圖.從SEM圖上可以看出，3天時(shí)碳鋼表面吸附了少量的SRB菌落以及大分子物質(zhì)，SRB首先以單個(gè)菌落吸附到碳鋼表面，隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，SRB生長(zhǎng)繁殖，代謝產(chǎn)物和腐蝕產(chǎn)物增多，大量的細(xì)菌開(kāi)始以菌落的形式吸附到碳鋼表面,SRB的代謝產(chǎn)物主要包括胞外聚合物（EPS）和有機(jī)酸，Wagner P[11]認(rèn)為有機(jī)酸能加速碳鋼的腐蝕. EPS主要來(lái)源細(xì)菌表面的分泌、細(xì)菌表面物質(zhì)的脫落、細(xì)菌的溶解以及對(duì)周?chē)h(huán)境的吸附，EPS對(duì)微生物膜的完整性以及金屬的腐蝕速率起著至關(guān)重要的作用[12].在厭氧條件下，SRB 將SO42-轉(zhuǎn)化成S2-，研究者證實(shí)[13]，S2-是加速金屬溶解的催化劑，能降低反應(yīng)的活化能，S2-與金屬表面溶解出的Fe2+形成FeS覆蓋在金屬表面，形成濃差電池，加速金屬的陽(yáng)極溶解.將去除腐蝕產(chǎn)物后，能看見(jiàn)碳鋼表面分布著不均勻的腐蝕坑，SRB能引起碳鋼的點(diǎn)蝕[14].Nanoscope Analysis分析出碳鋼表面的均方根粗糙度(Rq)為26.1nm,腐蝕坑的平均深度為202.5 nm.浸泡7天時(shí)，碳鋼表面出現(xiàn)了大量的SRB菌體，但此時(shí)生物膜的完整性和致密性不高，碳鋼表面的Rq值為42.0nm，腐蝕坑的平均深度為293.3nm.13天時(shí)，由于微生物代謝產(chǎn)物的大量堆積， SRB重疊交替吸附在整個(gè)碳鋼表面，微生物膜基本形成,此時(shí)碳鋼表面的Rq值為54.2nm,腐蝕坑的平均深度為458.3nm.對(duì)腐蝕深度和粗糙度進(jìn)行擬合，腐蝕深度呈線性增加，粗糙度呈非線性增加. (a) immerssing for 3 days (b) immerssing for 7 days (c) immerssing for 13 days圖1 Q235碳鋼試片在含有SRB的培養(yǎng)基中浸泡不同時(shí)間的微生物膜SEM圖以及腐蝕形貌AFM圖Fig.1 SEM images of。