微生物腐蝕（MIC）是指在微生物活動參與下金屬所發生的腐蝕。微生物可以造成銅合金、碳鋼、不銹鋼等大量常見核電材料發生腐蝕，危害核電站管道和部件的結構完整性。微生物在金屬表面的代謝活動和腐蝕過程相互作用引起的局部腐蝕，是核電站冷卻水系統管道和換熱器管表面劣化的重要原因。MIC 使核電站付出大量的運營和維修成本，包括增加的檢測、維修、更換備件和治理等費用。工程人員對 MIC 危害的認知還不夠明確，而且金屬 MIC 很難和其他水電化學腐蝕區分開來，導致 MIC容易被忽視，許多本來由微生物引起的腐蝕失效問題被誤解。MIC 的檢測、治理和預防成為核電站所面臨的最棘手的問題之一，NACE 和 EPRI 等研究機構做過大量核電站 MIC 相關的研究。MIC 造成的危害至今只是冰山一角，需要核電管理機構和電站業主的關注。

    核電站微生物腐蝕特點

    核電站冷卻水系統有開式和閉式兩種 , 調查顯示，所有這些系統都受到MIC 威脅。即使是反應堆冷卻劑系統，在除鹽除氧水加緩蝕劑和高溫（大于250℃）的環境中也可能存在 MIC。

    由于核電站冗余、多樣性的系統設計原則，要求核電站有很多獨立的安全相關系統（如輔助給水系統等），在極端情況下保證安全停堆。這樣的設計就要求有大量且復雜的管道系統。在核反應堆運行期間，系統處于備用狀態，并通過周期測試來保證系統的可用性。這類系統內的介質平時處于停滯狀態，不定期又會有新的介質流入，這有利于微生物膜的形成和 MIC 的發生。

    核電站消防水系統與其他辦公樓等消防水系統不同，它和核電廠用水系統或其他電站輔助水系統相互聯通，并需要經常調試和檢修。與保持封閉且很少流動的管道系統相比，這種間歇流動系統的 MIC 情況更加嚴重。

    核電站有大量由于水壓試驗引入微生物導致部件失效的案例。大多數水壓試驗用水沒有進行殺菌處理，試驗后留在系統中直到系統運行，時間長達數年或數月。在這段時間里，MIC 可以對系統材料造成巨大的劣化，使系統材料在機組運行初期便發生失效。相同的情況也會在機組停機大修時發生。

    微生物腐蝕機制

    復雜微生物群落組成的微生物膜附著是金屬基體發生 MIC 的前提。微生物膜是細菌、藻類等水生生物及其代謝產物組成的微生物黏膜。這種微生物膜在1 ～ 2 ｈ就能完成，侵入的懸浮微生物在48h 內就繁殖增長變成牢固的微生物群落。微生物膜在核電站水循環中主要有三大危害：①表面積垢使換熱性能降低；②使通道流量減少甚至堵塞；③ MIC。

    1、由于微生物的新陳代謝作用，在金屬表面垂直方向上形成一個大的濃度梯度，導致界面上的化學成分與水環境中的明顯不同，使得微生物膜的環境與本體溶液不同。微生物膜隔熱能力極強，有很好的生物屏蔽作用，這也是很難簡單用藥物治理MIC問題的原因之一。

    MIC 按微生物作用方式可大致分為三類：

    （1）微生物本身影響腐蝕

    微生物能產生高腐蝕性的代謝產物，如硫化物，氨，有機酸或無機酸；能消耗影響腐蝕過程重要的物質，如氧或亞硝酸緩蝕劑；甚至某些硫酸鹽還原菌（SRB）或氨菌可以直接以鐵為電子供體加速鐵基材料的腐蝕。

    （2）微生物膜影響腐蝕

    微生物通過影響金屬基體表面的電化學腐蝕的陽極或陰極反應、改變金屬表面膜電阻和形成金屬表面的濃差電池等方式，改變基體表面的物理和電化學性質，促進基體腐蝕。

    例如在系統運行初期，微生物膜快速形成，阻止了金屬氧化膜的形成，基體腐蝕加劇， 其結果會導致水化學鐵離子超標。

    （3）微生物促進有害物質富集

    微生物的富集作用很快，一代微生物的生成時間只要 20min，可以產生天文數字的濃縮倍數，而且微生物活動可以使非腐蝕性物質成為腐蝕性化學物質。 另外，由于微生物膜的存在，構造了點蝕或縫隙腐蝕等局部腐蝕發生的條件。微生物活動導致了腐蝕的發生，并影響腐蝕進一步發展，這種條件建立后，即使微生物活動停止了，腐蝕仍會持續。

    微生物腐蝕的檢測

    幾種常見的 MIC 檢測手段如下：

    1、培養法

    培養法是廣泛采用的傳統微生物檢測方法，主要用來檢測樣品中存在什么菌種及其數量級。這種方法的優點是使用可靠性高，相對成本低，操作簡單；缺點是培養細菌周期耗時長，操作繁瑣工作量大，不易在電站現場推廣使用。以 SRB 為例，由于不是所有種類的 SRB都能適應培養基，檢測結果往往低于實際的 SRB 數量。

    2、細菌構成物定量法

    原理是利用微生物都含有不同于其他生物的特定化學結構，特定的微生物有其特殊的化學物質結構的特點。如通過測定微生物 DNA/RNA 可以用來判斷微生物種類，但 DNA/RNA 分子測序方法涉及大量精密且昂貴的的儀器，需要耗費大量的時間，主要作為科研手段，在工程實踐中應用較少。另一種方法是通過分析特定化學物質，來評估試樣中微生物的大概數量，如用三磷酸腺苷（ATP）檢測儀對 SRB 進行檢測，即將細胞破碎， 細胞中含有的ATP進入溶液，與熒光素反應發出熒光，用光度計定量，進而測出相應的細菌含量。但這個方法存在不能定向檢測出 SRB 的缺陷，給出的是各種微生物的總數。

    3、代謝產物檢測法

    通過檢測微生物代謝活動產生的獨特代謝產物，來檢測試樣可能存在的微生物。如：用放射性呼吸檢測儀檢測SRB 產生的硫化物量來檢測其危害性。具體方法是以含有同位素 35S 的硫酸鹽作為示蹤劑，在細菌代謝作用下硫酸鹽還原成 35S 2- ，進而與 Fe 2+ 形成硫化鐵，加酸后使得 H 2 S 逸出并被紙捻吸收，與紙捻上的 Zn 2+ 反應，生成硫酸鋅，然后用閃爍計數法測定紙捻中的 35S，從而計算出硫酸鹽的還原率。該操作需要在無氧環境中進行，時間較長，檢測設備昂貴，不太適合在核電站現場使用。

    4、顯微鏡直接計數法

    機理是把染色劑粘附到細胞中的構成物上，在配有熒光的顯微鏡下直接觀察。 例如 ： FITC （異硫氰酸鹽熒光素）染料可上粘附到任何蛋白質上，微生物經過 FITC（處理后，將染色細胞放大 1000 倍或 1600 倍就可觀察、測得細胞總數，而 IFA（間接熒光抗體技術）只能在 SRB 上著色，通過熒光顯微鏡可觀察到 SRB 的數量。顯微鏡直接計算法的優點是能夠快速得到結果，缺點是不能分辨細菌的死活，計數往往偏高。

    5、酶聯免疫吸附測定法

    酶聯免疫吸附測定法原理是用抗原與抗體的特異反應將待測物與酶連接，然后通過酶與底物產生顏色反應，對受檢物質進行定性或定量分析。例如，研究發現所有的硫酸鹽還原菌都具有 APS還原酶，這種酶是 SRB 特有的酶，能夠催化APS發生還原反應， 生成還原產物。利用該還原產物與顯色劑的顯色反應強弱，經過與標準菌量讀數卡比較，得出待測水樣中 SRB 菌含量。這種方法的優勢是成本低、耗時短。

    6、掛片試驗

    實際影響 MIC 的是附著在金屬表面的微生物膜，但以上方法只檢測了系統中的浮游微生物，不能很好地體現實際 MIC 的情況。通過在相關區域投放和基體材料相同的掛片，定期取出檢測，研究材料表面微生物膜狀態及其腐蝕情況，能夠得到最可靠的結果。也可以對試驗掛片外接電化學設備，記錄不同階段的電位變化，利用MIC 特點實現在線監測，可以較直觀地驗證 MIC 的治理效果。

    微生物腐蝕控制方法

    1、生物腐蝕治理

    當系統內的 MIC 問題已經發生，最有效的控制方法是采用物理或化學方法清理整個系統。 物理方法就是通過物理手段清理金屬基體的表面，比如刷洗、鏟刮或高壓水沖刷等方法，可以借助清洗球、刷子等工具。正確使用清理方法可以去除基體表面的微生物膜、積垢和腐蝕產物，還可以清除點蝕或縫隙腐蝕源頭，后續再進行合理的水處理，就能控制 MIC。如果清理不徹底，局部腐蝕則會繼續發展。不容易清理干凈的焊接和死管段處，會成為微生物的生存港灣，成為后續 MIC 問題的源頭。

    化學方法有三大類：第一類是通過化學清理藥品去除金屬基體表面的微生物膜、積垢以及腐蝕產物；第二類是用殺菌劑來殺死金屬表面存在的微生物；第三類添加緩蝕劑，一般并不是專門針對 MIC。實踐證明化學清理藥品去理金屬基體表面是有效的臨時控制方法，但一段時間后金屬基體表面微生物會重新出現，MIC 問題重復發生。緩蝕劑方面，微生物可以使硝酸鹽類和磷酸鹽類等緩蝕劑發生轉變，使它們失去緩蝕效果。另外，由于生物膜的阻隔作用，很多時候緩蝕劑很難通過微生物膜到達金屬基體表面來實現其緩蝕作用。最常用的殺菌劑有臭氧、氯、溴、二溴丙酰胺、異噻唑啉和季銨鹽等，其作用都受微生物膜影響。

    2、微生物腐蝕預防

    （1）材料選擇

    調查發現核電站所有系統常用金屬材料（除鈦合金），均存在 MIC 問題。當前通過更換材料來完全解決 MIC 問題是不現實的，雖然鈦合金具有較好的抗MIC 能力，但價格過于昂貴，而且比銅合金和不銹鋼等材料更易形成微生物淤泥，影響換熱性能。雖然所有材料均有MIC問題， 但各種材料抗MIC能力有強弱，且在不同環境中 MIC 表現也不相同。由此，在設計階段應考慮到系統材料發生MIC 的可能性，通過整體綜合評估來合理選材。

    另外，非合金材料如 PVC、混凝土、襯里和涂層等有很好的抗 MIC 能力，只要系統工況允許，可以選用非金屬管道或增加涂層。

    （2）水處理

    水處理通常采用添加殺菌劑的方法，可有效預防 MIC。但對于成熟的微生物膜，許多殺菌劑無法滲透，殺菌效果很差。添加微生物分散劑可提高殺菌劑的效果，它能夠將微生物膜剝離分散，使殺菌劑達到金屬基體表面。

    （3）運行控制

    由于微生物不能在連續高流速狀態下附著于管壁，在系統運行范圍內，適當提高管道介質流速，可以明顯減輕 MIC 并減少其他積垢物。增加管道流速，并添加殺菌劑，管壁上老的微生物膜也會減少。

    （4）腐蝕監測

    現場監測對于 MIC 控制非常重要，許多用于監測系統腐蝕性的手段可以用于監測 MIC，如腐蝕掛片，電阻探頭等。也可使用專門的電化學微生物膜活性探頭，它既可以顯示微生物膜的活性，又可以用來連續監測殺菌劑是否起效。

    結語

    微生物腐蝕是核電站管道和換熱管材料劣化的重要原因之一，合理選材，時時監測，及時治理可有效預防和減緩微生物腐蝕的危害。