CN115931702A - 一种输水管道内微生物膜监测探头及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种输水管道内微生物膜监测探头及测试方法，属于金属材料表面微生物附着生长、微生物腐蚀监测以及腐蚀控制领域。该探头的金属电极包括第一电极和第二电极，电极为梳齿状，梳齿尖端为方形，第一电极末端焊接第一电极测试线，第二电极另一末端焊接测试线第二电极测试线，第一电极和第二电极焊接测试线的两个末端靠近，第一电极和第二电极的梳齿交错排列。基于此探头搭建的微生物膜监测系统及方法不仅适用于输水管道室内微生物膜生长监测模拟研究，也可用于输送管道现场监检测，并根据监测结果优化防控措施。若有需要，本发明也可以在检测输水管道内微生物膜的同时实现管道基材的电化学腐蚀同步测试，以评价管道基材的微生物腐蚀。

Description

一种输水管道内微生物膜监测探头及测试方法

技术领域

本发明涉及一种输水管道内微生物膜监测探头及基于此探头的微生物膜测试方法，属于金属材料表面微生物附着生长、微生物腐蚀监测以及腐蚀与防护领域。

背景技术

微生物腐蚀是指微生物引起的腐蚀或受微生物影响的腐蚀，微生物腐蚀(MIC)在材料腐蚀失效中占重要比例。微生物通过生命活动，直接或间接影响材料的腐蚀过程，硫酸盐还原菌(SRB)、铁细菌、腐生菌等均会引起金属腐蚀，其中以硫酸盐还原菌最为严重，并由此带来的巨大的安全隐患和经济损失，日益引发关注。

微生物膜是微生物在自然环境中的生存方式，其对菌群形态、微生物腐蚀行为等具有非常重要的影响。环境中的无机离子的矿化作用以及有机大分子的吸附作用，在材料表面形成一层很薄的条件膜；如果环境条件适合生长，环境中存在的大量微生物就会在材料表面附着并开始繁殖，同时通过自身的代谢活动产生大量代谢产物；微生物膜逐渐趋于成熟稳定；随着时间的推移，微生物膜稳定性降低，发生部分脱落。这是一个高度自发的动态过程，随着微生物的生长和消亡，微生物膜/材料表面的物理环境和化学环境不断变化，从而诱发材料表面的局部腐蚀，对于金属材料，易发生点蚀、晶间腐蚀和缝隙腐蚀等。

输水管道内，SRB能在厌氧条件下大量繁殖，造成管道严重的局部腐蚀，微生物膜局部脱落后，加剧管道内腐蚀。对于管道内部而言，减少微生物膜可以减少自然微生物腐蚀发生的机会，减少微生物膜可以通过钢丝球冲刷管道内壁等物理方法和施加杀菌剂等化学方法。通过微生物膜监检测探头，实时了解管道内部微生物膜生长的情况，可以实现动态管理。

微生物腐蚀环境复杂、影响因素众多，微生物腐蚀电化学过程涉及微生物细胞、代谢产物、微生物膜与基体腐蚀产物间络合、螯合等复杂的化学作用，与基体间存在直接或间接电化学交互作用，这些交互作用的具体过程和途径尚不清晰，腐蚀机理仍然存在一定争议。因此，微生物腐蚀检测及微生物膜成长过程监测一直未形成非常成熟的解决方案。

微生物腐蚀监检测的方法和装置比较少，现有微生物腐蚀监测装置大部分是通过金属腐蚀速率的变化来评价微生物腐蚀，也有通过极化电阻法监测微生物腐蚀。这些监测装置虽然可以来预测微生物附着或腐蚀发生的情况，但均仅能反映材料腐蚀状态，无法获得微生物膜形成过程等微生物信息，而这些信息才是研究微生物腐蚀的重点。在此背景下，有必要开发一种输水管道微生物膜监测探头和基于此探头的微生物膜测试方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种输水管道内微生物膜监测探头及基于此探头的微生物膜测试方法，用于输水管道内微生物膜的监检测及微生物腐蚀测试及评价。

本发明的技术方案是：

一种输水管道内微生物膜监测探头，该探头包括金属电极、测试线、航空插头，金属电极包括第一电极和第二电极，电极为梳齿状，梳齿尖端为方形，第一电极末端焊接第一电极测试线，第二电极另一末端焊接测试线第二电极测试线，第一电极测试线和第二电极测试线与两芯防水航空插头连接，第一电极测试线和第二电极测试线通过两芯防水航空插头插拔，第一电极和第二电极焊接测试线的两个末端靠近，第一电极和第二电极的梳齿交错排列。

所述的输水管道内微生物膜监测探头，第一电极和第二电极通过绝缘封装物进行封装固定，由绝缘封装物封装成长方体，电极工作面裸露于所述长方体的一个表面。

所述的输水管道内微生物膜监测探头，两个电极形状、尺寸、材质一致，两个电极各部位间距保持一致，每个电极上邻近两个梳齿间距离为梳齿宽度的3倍，第一电极和第二电极的梳齿交错排列使各相邻梳齿间距保持一致，且均为梳齿宽度。

所述的输水管道内微生物膜监测探头，第一电极测试线和第二电极测试线为航空线缆。

所述的输水管道内微生物膜监测探头的测试方法，实验室内采用电化学工作站进行室内模拟输水管道内微生物膜监测，采用两电极体系，工作电极测试线连接第一电极，参比电极与辅助电极测试线相连再连接第二电极，微生物膜监检测探头放置在装有模拟管道输送介质的试验容器内；对微生物膜监测探头两个电极施加周期性恒电位，施加恒电位极化的同时采集传感器两极间的极化电流。

所述的输水管道内微生物膜监测探头的测试方法，具体测试过程如下：

(1)试验过程所用的溶液和器具紫外灭菌后，将微生物膜监检测探头安装在试验容器内，安装时航空插头在试验容器外；

(2)向试验容器内注菌；

(3)电化学工作站工作电极测试线连接第一电极，参比电极与辅助电极测试线相连再连接第二电极；

(4)采用水浴或沙浴方式提供微生物生长温度；

(5)电化学监测每天分为四个周期，每个周期6个小时，每周期初始0.5小时施加恒电位极化，选择电化学工作站的恒电位极化模式对微生物膜监测探头两个电极施加周期性恒电位极化，施加恒电位极化的同时采集传感器两极间的极化电流；每周期最后0.5小时是电偶电流测试模式，测试两电极间的电偶电流；

(6)通过分析两电极间极化电流和电偶电流曲线，获得测试环境中电极表面微生物膜生长规律；

(7)试验结束后，取出微生物膜监检测探头，可以进行电极表面微生物膜形貌观察表征。

所述的输水管道内微生物膜监测探头的测试方法，为了去极化影响，每周期最后0.5小时调整电化学工作站至电偶电流测试模式，测试两个电极间的电偶电流，极化电流和电偶电流的变化曲线反映了微生物膜的形成过程；若需要同步进行电极金属基材的微生物腐蚀评价测试，在安装微生物膜监检测探头的同时加入参比电极和辅助电极，需要时切换电化学工作站至极化曲线或交流阻抗测试模式进行金属基材的微生物腐蚀下的电化学曲线，从而评估金属腐蚀性能。

所述的输水管道内微生物膜监测探头的测试方法，在输水管道服役现场使用，通过恒压直流源施加极化电位，继电器控制极化电流和电偶电流的测试通断实现对微生物膜的监检测；微生物膜监检测探头放置在管道内，恒压直流源与第一继电器、第二继电器组成串联回路，数字万用表、微生物膜监检测探头与第二继电器并联，恒压直流源提供极化电位，恒压直流源的正极接第一电极，恒压直流源的负极连接第一继电器，数字万用表与第二电极连接后再与第一继电器串联，构成极化电位施加与极化电流测试回路，数字万用表与第二电极连接后与第二继电器并联构成电偶电流测试回路。

所述的输水管道内微生物膜监测探头的测试方法，以每6小时为1个周期，第一继电器设定为0.5h通5.5h断，第二继电器设定为5.5h通0.5h断，确保每个周期以0.5h恒电位极化开始，同时测试极化电流；以0.5h电偶电流测试结束，中间5个小时为断路状态；全过程极化电流和电偶电流均采用数字万用表电流测试。

本发明的设计思想是：

微生物膜具有电活性特征，金属表面生长微生物膜后界面电阻急剧降低，对由两个相同材料的金属电极施加一个恒电位极化，两电极间的极化电流的变化可在一定程度上作为电极表面生物膜生长情况的指标。

本发明采用对生物物质敏感的双金属电极，监测过程分为极化和非极化两个部分。极化部分，通过恒压源对电极施加恒电位极化并监测电路中的电流，直流电极化可使两电极表面产生正负电荷，促进吸引微生物在电极表面聚集吸附生长，由于不同的微生物亲电性不同，有些会在阳极吸附，而有些则在阴极吸附，当生物膜形成后电极的线性电阻会发生突变，可由监测的极化电流同步反应，从而反映出管道内微生物的活性以及数量，微生物膜的生长状况全过程可以通过探头转换为电信号；非极化部分，即电偶电流监测部分，初进入监测体系的两个电极全相同，电偶电流趋近于零，但随着不同微生物在不同电极上的吸附，两电极电位变得不同，电位差导致两电极发生原电池反应，产生电偶电流，因此非极化部分的电偶电流也可作为电极表面生物膜生长情况的指标。

随着探头正极表面微生物聚集、粘附、微生物膜的逐渐形成，两个电极间电流会逐渐增加。对探头周期施加恒电位，通过电流采集设备检测探头每个周期内电极间极化电流，停止极化后，再采集两个电极间的电偶电流，极化和非极化周期交替进行，从而实现监检测探头表面微生物膜的状态，实现高效测试和直观评价。

本发明的优点及有益效果是：

1、本发明的输水管道内微生物膜监测探头结构简单、安装方便、可以重复使用，试验结束可以取出直接进行微生物膜形貌分析等各种微观表征；还可以通过对电极表面的微生物膜信息分析，及时向管道内投放杀菌剂来抑制微生物的繁殖、除去微生物膜，投放杀菌剂后可以通过微生物膜监检测探头持续监测，评估药剂杀菌效果，长期动态检测并管理微生物腐蚀发生发展。

2、基于此探头搭建的微生物膜监测系统及方法不仅适用于输水管道室内微生物膜模拟研究，也可用于现场监检测，并根据监测结果优化防控措施。若有需要，本发明也可以在检测输水管道内微生物膜的同时实现管道基材的电化学腐蚀同步测试，以评价管道基材的微生物腐蚀。

附图说明

图1为一种输水管道内微生物膜监测探头结构示意图。

图2为基于一种输水管道内微生物膜监测探头的微生物膜测试连接示意图。

图3-图5为基于一种输水管道内微生物膜监测探头的微生物腐蚀监检测应用实例。其中，图3为封装好的Ti电极微生物膜监检测探头；图4为海水环境SRB生长过程中电极极化电流曲线，横坐标Time代表时间(day)，纵坐标i代表极化电流(μA)；图5为缝隙内不同位置处不同时间SRB的数量曲线，横坐标Time代表时间(day)，纵坐标SRB Number代表SRB数量(Cell mL^-1)。

图中，1、第一电极；2、第二电极；3、第二电极测试线；4、第一电极测试线；5、绝缘封装物；6、两芯防水航空插头。A、微生物膜监检测探头；B、管道；C、恒压直流源；D、数字万用表；E、第一继电器；F、第二继电器。

具体实施方式

如图1所示，本发明输水管道内微生物膜监测探头，主要包括金属电极、测试线、航空插头等，由绝缘封装物封装成长方体，电极工作面裸露于所述长方体的一个表面。

金属电极包括第一电极1和第二电极2，两个电极形状、尺寸、材质一致，为保证两个电极各部位间距保持一致，电极为梳齿状，梳齿尖端为方形。每个电极上邻近两个梳齿间距离为梳齿宽度的3倍。第一电极1末端焊接第一电极测试线4，第二电极2另一末端焊接测试线第二电极测试线3。第一电极测试线4和第二电极测试线3为航空线缆，两个航空线缆与两芯防水航空插头6连接，第一电极测试线4和第二电极测试线3通过两芯防水航空插头6插拔，便于探头快速更换。第一电极1和第二电极2焊接测试线的两个末端靠近，第一电极1和第二电极2的梳齿交错排列使各相邻梳齿间距保持一致，且均为梳齿宽度。之后，第一电极1和第二电极2通过绝缘封装物5进行封装固定，封装过程注意电极位置不要移动，电极仅工作面裸露，其它表面均需绝缘封装物5封装，封装完成后检测第一电极1和第二电极2之间电连通，断路状态表明探头封装完好。为便于表达，将第一电极1设定为正极，第二电极2设定为负极，实际使用时两个电极保证一正一负连接测试线即可。

测试方法一：若实验室内采用电化学工作站进行室内模拟输水管道内微生物膜监测，采用两电极体系，工作电极测试线连接第一电极1，参比电极与辅助电极测试线相连再连接第二电极2，微生物膜监检测探头放置于接种细菌的管道输送介质中(如，自来水、海水等)。以每周期6小时为例，每周期初始0.5小时施加恒电位极化，选择电化学工作站的恒电位极化模式对微生物膜监测探头两个电极施加一定幅值的周期性恒电位极化，施加恒电位极化的同时采集传感器两极间的极化电流。为了去极化影响，每周期最后0.5小时调整电化学工作站至电偶电流测试模式，测试两个电极间的电偶电流，极化电流和电偶电流的变化曲线反映了微生物膜的形成过程。若需要同步进行电极金属基材的微生物腐蚀评价测试，可以在安装微生物膜监检测探头的同时加入参比电极和辅助电极，需要时切换电化学工作站至极化曲线或交流阻抗等测试模式即可进行金属基材的微生物腐蚀下的电化学曲线，从而评估金属腐蚀性能。

测试方法二：电化学工作站测试的方法无法在输水管道服役现场使用，通过恒压直流源C施加极化电位，继电器控制极化电流和电偶电流的测试通断也同样可以实现对微生物膜的监检测，测试系统示意图如图2，此测试方法既可以室内测试，也可现场应用。微生物膜监检测探头A放置在管道B内，恒压直流源C与第一继电器E、第二继电器F组成串联回路，数字万用表D、微生物膜监检测探头A与第二继电器F并联，恒压直流源C提供极化电位，恒压直流源C的正极接第一电极1，恒压直流源C的负极连接第一继电器E，数字万用表D与第二电极2连接后再与第一继电器E串联，构成极化电位施加与极化电流测试回路，数字万用表D与第二电极2连接后与第二继电器F并联构成电偶电流测试回路。

以每6小时为1个周期为例，第一继电器E设定为0.5h通5.5h断，第二继电器F设定为5.5h通0.5h断，确保每个周期以0.5h恒电位极化开始，同时测试极化电流；以0.5h电偶电流测试结束，中间5个小时为断路状态。全过程极化电流和电偶电流均采用数字万用表D测试。

基于此探头搭建的微生物膜监测系统集成了极化施加、反馈电流采集等功能，可搭配数据处理和无线传输等部件实现在役管道内微生物膜实时在线监测。

下面，通过实施例对本发明进一步详细阐述。

实施例

以测试方法一，具体测试过程如下：

(1)试验过程所用的溶液和器具紫外灭菌后，将微生物膜监检测探头安装在试验容器内，安装时注意航空插头在试验容器外，密封、除氧(适用于厌氧环境下测试)；

(2)根据需要，向试验容器内注菌；

(3)电化学工作站工作电极测试线连接第一电极1，参比电极与辅助电极测试线相连再连接第二电极2；

(4)若微生物生长有温度要求，可采用水浴、沙浴等方式提供微生物生长温度；

(5)电化学监测每天分为四个周期，每个周期6个小时，每周期初始0.5小时施加恒电位极化，选择电化学工作站的恒电位极化模式对微生物膜监测探头两个电极施加一定幅值的周期性恒电位极化，施加恒电位极化的同时采集传感器两极间的极化电流；每周期最后0.5小时是电偶电流测试模式，测试两个电极间的电偶电流；

(6)分析极化电流和电偶电流曲线，获得微生物膜生长规律；

(7)试验结束后，可以取出微生物膜监检测探头，进行电极表面微生物膜形貌观察表征。

根据研究对象，可以选择不同材质金属基材电极封装探头。

本实施例中，用Ti电极封装微生物膜监检测探头(图3)进行室内测试，测试过程中极化电流变化见图4，可以看出开始几天极化区间极化电流保持较低水平，第5天迅速升高，在1～2天内可达峰值，然后缓慢衰减。此方法测试得到的微生物膜形成曲线与图5中SRB的数量相对应。

如图4所示，从海水环境SRB生长过程中电极极化电流曲线可以看出，开始几天极化电流保持较低水平，此段时间内在实验装置外未观察到溶液变黑，证明细菌未开始大量繁殖生长；然后一天内出现极化电流迅速升高，瓶内溶液也变黑，电流迅速升高证明电极表面可能生成了生物膜；电流增大存在峰值，基本在1天～2天内即可达到峰值，然后电流开始缓慢减小，峰值点为生物膜完全覆盖电极表面的时间点。

如图5所示，从缝隙内不同位置处不同时间SRB的数量曲线可以看出，为标定所测电流指标和微生物数量的关系，试验过程中同时采用最大或然计数法(MPN)统计了不同时间含硫酸盐还原菌(SRB)的数量，前几天细菌呈指数增长，在第4d细菌数量达到最大，此后开始衰减，30后基本达到稳定。

Claims (9)

1.一种输水管道内微生物膜监测探头，其特征在于，该探头包括金属电极、测试线、航空插头，金属电极包括第一电极和第二电极，电极为梳齿状，梳齿尖端为方形，第一电极末端焊接第一电极测试线，第二电极另一末端焊接测试线第二电极测试线，第一电极测试线和第二电极测试线与两芯防水航空插头连接，第一电极测试线和第二电极测试线通过两芯防水航空插头插拔，第一电极和第二电极焊接测试线的两个末端靠近，第一电极和第二电极的梳齿交错排列。

2.按照权利要求1所述的输水管道内微生物膜监测探头，其特征在于，第一电极和第二电极通过绝缘封装物进行封装固定，由绝缘封装物封装成长方体，电极工作面裸露于所述长方体的一个表面。

3.按照权利要求1所述的输水管道内微生物膜监测探头，其特征在于，两个电极形状、尺寸、材质一致，两个电极各部位间距保持一致，每个电极上邻近两个梳齿间距离为梳齿宽度的3倍，第一电极和第二电极的梳齿交错排列使各相邻梳齿间距保持一致，且均为梳齿宽度。

4.按照权利要求1所述的输水管道内微生物膜监测探头，其特征在于，第一电极测试线和第二电极测试线为航空线缆。

5.一种权利要求1至4之一所述的输水管道内微生物膜监测探头的测试方法，其特征在于，实验室内采用电化学工作站进行室内模拟输水管道内微生物膜监测，采用两电极体系，工作电极测试线连接第一电极，参比电极与辅助电极测试线相连再连接第二电极，微生物膜监检测探头放置在装有模拟管道输送介质的试验容器内；对微生物膜监测探头两个电极施加周期性恒电位，施加恒电位极化的同时采集传感器两极间的极化电流。

6.按照权利要求5所述的输水管道内微生物膜监测探头的测试方法，其特征在于，具体测试过程如下：

(1)试验过程所用的溶液和器具紫外灭菌后，将微生物膜监检测探头安装在试验容器内，安装时航空插头在试验容器外；

(2)向试验容器内注菌；

(3)电化学工作站工作电极测试线连接第一电极，参比电极与辅助电极测试线相连再连接第二电极；

(4)采用水浴或沙浴方式提供微生物生长温度；

(5)电化学监测每天分为四个周期，每个周期6个小时，每周期初始0.5小时施加恒电位极化，选择电化学工作站的恒电位极化模式对微生物膜监测探头两个电极施加周期性恒电位极化，施加恒电位极化的同时采集传感器两极间的极化电流；每周期最后0.5小时是电偶电流测试模式，测试两电极间的电偶电流；

(6)通过分析两电极间极化电流和电偶电流曲线，获得测试环境中电极表面微生物膜生长规律；

(7)试验结束后，取出微生物膜监检测探头，可以进行电极表面微生物膜形貌观察表征。

7.按照权利要求5所述的输水管道内微生物膜监测探头的测试方法，其特征在于，为了去极化影响，每周期最后0.5小时调整电化学工作站至电偶电流测试模式，测试两个电极间的电偶电流，极化电流和电偶电流的变化曲线反映了微生物膜的形成过程；若需要同步进行电极金属基材的微生物腐蚀评价测试，在安装微生物膜监检测探头的同时加入参比电极和辅助电极，需要时切换电化学工作站至极化曲线或交流阻抗测试模式进行金属基材的微生物腐蚀下的电化学曲线，从而评估金属腐蚀性能。

8.一种权利要求1至4之一所述的输水管道内微生物膜监测探头的测试方法，其特征在于，在输水管道服役现场使用，通过恒压直流源施加极化电位，继电器控制极化电流和电偶电流的测试通断实现对微生物膜的监检测；微生物膜监检测探头放置在管道内，恒压直流源与第一继电器、第二继电器组成串联回路，数字万用表、微生物膜监检测探头与第二继电器并联，恒压直流源提供极化电位，恒压直流源的正极接第一电极，恒压直流源的负极连接第一继电器，数字万用表与第二电极连接后再与第一继电器串联，构成极化电位施加与极化电流测试回路，数字万用表与第二电极连接后与第二继电器并联构成电偶电流测试回路。

9.按照权利要求8所述的输水管道内微生物膜监测探头的测试方法，其特征在于，以每6小时为1个周期，第一继电器设定为0.5h通5.5h断，第二继电器设定为5.5h通0.5h断，确保每个周期以0.5h恒电位极化开始，同时测试极化电流；以0.5h电偶电流测试结束，中间5个小时为断路状态；全过程极化电流和电偶电流均采用数字万用表电流测试。

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