纯水系统的微生物控制和管理方法.doc

纯水系统的微生物控制和管理方法摘要：铜箔在制成后需要用洁净度较高的纯水对其进行清洗，而绝多数纯水中都存在一定程度的微生物污染，尤其是气温较高的夏季，水体中细菌及微生物的滋生、繁殖非常严重，并且对设备和管路造成不可逆的污染，很难彻底清洗干净。针对此问题，本文简单介绍了水体中微生物的来源和几种常见的控制、管理方法，希望可以对铜箔厂有所帮助。关键词：铜箔；纯水系统；微生物；控制方法0 引言洗箔是铜箔制成后用纯水清洗铜箔表面的一道工序，目的是去除产品表面残存的电解液，因此对洗箔时所用纯水的洁净度要求较高。目前，纯水制造较多采用双膜法工艺，所产出的纯水在颗粒数量、有机物的含量（TOC）及电导率等指标上，均可以满足铜箔厂对纯水洁净度的要求，但制水膜组件之后仍有开放式的纯水罐及长达几十米甚至上百米的管路，水体中会进入微生物如孢子、细菌等，并在存储、输送中迅速繁殖成水藻和菌落，因而会严重污染水体、管路及储罐。被污染的纯水用于清洗铜箔，这些微生物会附着于铜箔表面，导致铜箔表面出现不均匀的“白斑”，严重影响到铜箔的外观。对此，科百特公司将介绍几种在纯水系统微生物控制方面的技术及经验，希望可以有助于铜箔厂纯水系统及管路的洁净控制及管理。1纯水系统中微生物的来源目前铜箔厂的纯水制造系统以反渗透装置居多，而反渗透系统运行中经常会出现膜污染的情况，如沉淀污染、胶体污染、微生物污染等，其中微生物污染具有一定的特殊性，因为微生物对纯水系统不但具有污染性，而且存在快速滋生和繁殖的现象，对整个水系统的储罐、管路和用水端都会造成严重的“传染”。经研究证明，纯水系统对微生物的繁殖具有众多有利条件。1.1 原水中的微生物微生物污染的主要来源是反渗透的进水。无论是自来水、地表水，或者是回用的中水，都存在着一定程度的微生物，包括水藻、芽孢、孢子、真菌、细菌和病毒等为主。虽然通过水体预氧化处理的方法可以去除一部分微生物，但微生物具有易滋生和繁殖的特性，所以很难完全根除，尤其是在气温较高的夏季，潮湿温热的条件会促使微生物急剧生长。1.2 多介质过滤器的影响多介质过滤器是由砂滤层、活性炭层等组成，其主要作用是过滤掉水体中的沙石和絮凝物等肉眼可见污物，并去降低水中的氯离子含量，避免对反渗透膜组造成损伤。但同时，吸附有机物的活性炭层，会成为微生物繁殖的温床，因此多介质过滤器中会沉积大量的微生物并进入后道系统。1.3 水处理药剂的影响水处理药剂主要包括缓蚀剂、絮凝剂、阻垢剂、软化剂和PH调节剂等，其主要作用是控制水垢、污泥的形成，并去除水体中的悬浮物及有毒物质，实现除臭、脱色、软化和稳定水质等效果。其中，工业用阻垢剂主要以磷酸盐及其化合物为主，这些磷系化合物是细菌和水藻营养源，会使水体富营养化而导致细菌和水藻的繁殖，并进一步造成反渗透膜组的微生物污染1。1.4 反渗透膜组的影响采用双膜法工艺制备纯水的系统，在经过超滤膜进入反渗透膜组前，水体中的胶体、颗粒和微生物等已经去除掉很多，仅有少部分残留，但是反渗透膜组中由于浓水段的营养盐丰富，这些残留的微生物会借助反渗透膜组提供的环境迅速繁殖，几天内便可在膜组件表面形成生物膜层，进而也降低了反渗透的脱盐率和产水率2。表1. 反渗透系统细菌分布2取样点反渗透装置水样超滤出水保安过滤器出水RO出水RO浓水细菌数量（个/ml）1.61034103.31021.61021.01052 纯水系统中微生物的控制方法综上所述的多种原因，微生物成为纯水系统中最为严重的污染物，不仅对影响水质，更是对系统和设备造成污染，各企业也在一直寻求更有效的解决方法，以下简单介绍常见的几种微生物控制手段。2.1 化学药剂法化学药剂法是采用甲醛或双氧水配比成一定浓度的水溶液，加入纯水管路系统，在封闭的管路中利用甲醛的烷化性或双氧水的强氧化性，对水体及管路进行杀菌、灭活的效用。此方法效果理想，但由于药剂对人体具有较强的刺激性，因此仅适合对管路系统的初次杀菌及偶尔维护。对于长期性和较为频繁的维护，通常采用PH=12的氢氧化钠溶液来作为管路系统的维护液，强碱性液体对于微生物的蛋白质及核酸分子造成变性、水解，进而抑制甚至杀死微生物3。此方法适用于对于大型或复杂的管路系统，可以在产水间歇期对系统进行良好的清理，预微生物膜的形成。图1. 氢氧化钠溶液维护法示意图2.2 紫外线杀菌法紫外线是一种波长在136nm-390nm的电磁辐射线，而细菌的脱氧核糖核酸 (DNA) 和核蛋白最易吸收波长为200nm-300nm的紫外线，并会造成核酸和蛋白的交联被破坏。因此，在波长此区段间的紫外线具有杀菌作用，尤其是253.7nm时杀菌作用最强4。紫外线的杀菌能力是由紫外线的照射量所决定，而照射量等于紫外线的强度（W/cm2）与照射时间（s）的乘积，换言之，紫外线杀菌需要同时具备照射强度和照射时间两个条件。照射强度的影响因素除了灯管功率外，灯照的距离、水样的深度、水样的浊度和环境的温度等客观条件，也会很大程度影响紫外线的强度；照射时间的影响因素主要是水的流速。根据相关资料的试验数据，紫外线杀死各种细菌的照射量是不同的，通常253.7nm的紫外线照射量在6000-13000Ws/cm2内，而美国规定的紫外线纯水杀菌的照射量是16000Ws/cm24。需要注意的是，紫外线是一种较为便捷的杀菌方法，但其杀菌的效果也有限，只可作为辅助式杀菌方法。2.3 除菌过滤器除菌过滤器和杀菌剂、紫外线的作用不同，属于单纯的物理方法，虽然不能杀死细菌，但可以通过过滤的方式对其进行100%的去除。除菌过滤材料与铜箔厂常规所用的PP过滤材料具有本质上的差别，前者具有绝对意义的精度，可以将目前最小的细菌（0.2um）进行完全去除。a. 常规PP过滤材料的结构（相对精度） b. 除菌过滤材料的结构（绝对精度）图2. 普通过滤材料和除菌过滤材料的微观结构区别无论是化学试剂或紫外线的杀菌，还是除菌过滤器的拦截，对于纯水系统的微生物而言都只起到治理的作用，而微生物具有非常强的繁殖能力，所以在经过一次杀菌或除菌后会稍有成效，但经过一段时间后仍会出现微生物滋生的情况。因此，微生物的控制，重在对溶液系统的洁净管理，持续的、反复的进行清理。3 纯水系统的洁净管理方法对于纯水系统的洁净管理，需要通过对储罐、管路、阀门等进行定期的清洗维护来实现。目前，CIP清洗系统（Clean In Place）是一种高效而方便的设备清洗方法，可以对溶液系统中的微生物进行较为彻底的清理，同时在清洗时不需拆卸设备、管路及零部件等。CIP清洗系统具有清洗液配制、输送、循环、排放和回收等作用，作业时连接在管路上即可，通常几个小时便可完成清洗过程。同时，CIP清洗系统可集成在线电导率检测和TOC检测系统，将管路系统的洁净度控制数据化和标准化，以现溶液系统洁净度的规范化管理。 图3. 模块化在线清洗站-CIP清洗系统3.1 CIP模块化清洗系统的特点CIP在线清洗系统引起模块化和移动式的设计，具有以下优点：1) 清洗时间短，流程简单，可通迅速实现对管路系统的有效清洗。2) 清洗方便，无需拆卸设备，清洗过程可选择半自动或全自动控制，作业效率高。3) 清洗成本低，通过定量配制清洗液和封闭式循环的方式，实现清洗液的有效利用。4) 功能性集成式模块，可通过增加不同检测模块，实现清洗效果的在线检测及控制。3.2 CIP模块化清洗系统的清洗流程对于设备和管路的清洗，通常需要先对系统的管路表面进行预热，再进行化学试剂的清洗，其一般程序为：纯水预冲洗约10min热纯水冲洗约10min热碱液循环约30min热纯水冲洗约10min纯酸液循环约30min热纯水冲洗约15min排液CIP清洗系统的清洗效率，受到系统中的清洗剂种类、清洗时间、清洗液温度、清洗液浓度和流速等多个因素的影响5，因此清洗方案和模块组件的配置，需要先检测验证出微生物的种类，然后根据其特性配制相应的清洗剂及浓度，计算合适的流速和温度，然后才能达到有效的清洗效果。铜箔厂的条件，虽然不具备对纯水系统停机进行全面维护，但如果通过对用水终端的管路进行清洗来实现布局控制，并且对做到1-2个月的清洗频率，相信设备和管路的微生物污染情况会有很大改善。4 其他注意事项对于纯水系统的微生物污染控制，一方面建议采用相应的杀菌、除菌，另一方面需要定期的清理维护，此外对纯水储罐的设计也应加以重视。储罐因为需要有液体进出量差，因为顶部均设有空气交换口（呼吸口），而通常这些呼吸口都是开放式的设计，即直接在大气环境中敞开，而空气中的粉尘、毛发以及微生物如孢子、细菌等可直接由此进行溶液系统。进入纯水系统的微生物会逐渐生长繁殖成大型微生物膜或菌落，附着在罐体内，而进入硫酸铜溶液的则会以尸体状体残留于溶液中。对此，建议在储罐设计时加入除菌呼吸器，其运行周期通常为1年左右，成本较低，但却对设备和系统起到很好的保护作用。 a. 苔孢在纯水中生长为青苔 b. 硫酸铜中的微生物尸体图4. 通过储罐呼吸口进入纯水/溶液的微生物5 结语微生物会不断产生并繁殖，一旦出现就具有不可逆性，因此对于纯水系统的微生物控制，需要从储罐和管路系统的杀菌、清洗及日常防护上综合管理，并且需要持续进行，尚可取得一定成效。参考文献：1 张建国，罗凯.反渗透应用及研究现状J.中国资源综合利用，2004：6.2 黄玉通.广东石化反渗透水处理细菌微生物污染治理J.第七届水处理行业热点论坛，2012：P146-149.3 乐渝宁，刘旭海.浅谈氢氧化钠在纯水管道抑菌的作用J.基础科学，2011.6：121-123.4 沈建.高纯水与紫外线杀菌技术J.洁净与空调技术，2002.3：17-20.5 于颖，田耀华，黄娟.在线清洗（CIP）新技术及设备J.中国制药装备，2010.2：1-6.4