砂浆表面生物膜在抗污水腐蚀中的发挥的作用机理研究

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Mechanism study of the role of biofilm played in sewage corrosion of mortar

采用人工强化处理污水的方法，模拟和加速了污水中微生物的腐蚀，研究了污水中掺加生物膜和不掺生物膜砂浆的重量变化规律。对比研究了砂浆上生物膜的微生物结构和活性表面。在此基础上，分析了生物膜对砂浆老化的影响机理。结果表明，在砂浆上形成的生物膜有污水导致的不同程度的腐蚀具有一定的阻隔作用。生长在具有化学需氧量为3000 mg/L时的污水中的生物膜(COD)对砂浆的保护作用最为显著，这与COD对砂浆的保护作用有关，这可能是高pH值和密集的结构。对于普通污水中的样品，生物膜的厚度起着主要作用，尤其是在第一个月，而在污水浓度过高的情况下，污水的腐蚀性增加对后期生物膜对砂浆的防护作用会明显降低。

在世界范围内，水泥混凝土以其优异的耐久性在市政基础设施中得到了广泛的应用。然而据报道，世界上许多地方的混凝土污水管道、废水收集和处理设施都在恶化，在维修和保养方面正花费数百万美元。污水对混凝土的腐蚀机理十分复杂，除物理化学作用外，微生物的侵袭已被确定为引起混凝土污水管道腐蚀的最重要原因。早期的研究就发现细菌参与了下水道内部混凝土的劣化，并提出腐蚀机理是硫循环的结果。为了更好的了解生物膜在污水对混凝土的腐蚀机制，本论文研究人员制备了不同化学需氧量(COD)值的人工强化污水，并对污水中添加和不添加生物膜的砂浆试样的重量变化进行了对比研究。采用扫描电镜(SEM)和微电极（unisense）研究系统对试样的变质程度进行了评价。

   图1、unisense微电极测试系统应用与污水生物膜的测试实验装置图

    采用了人工强化处理污水的方法，模拟和加速了污水中微生物的腐蚀，研究了污水中掺加生物膜和不掺生物膜砂浆的重量变化规律。应用unisen微电极系统（图1所示）对比研究了砂浆上生物膜的微生物结构和活性表面。在此基础上，分析了生物膜对砂浆老化的影响机理。结果表明，在砂浆上形成的生物膜有污水导致的不同程度的腐蚀具有一定的阻隔作用。

图2、生长在不同污水 (a) BS1， (b) BS2， (c) BS3， (d) BS4）的生物膜30天后应用unisense微电极穿刺生物膜表面的氧浓度剖面及pH值剖面

   为了弄清楚矿浆表面生物膜对于抵扣污水腐蚀的作用机理，研究人员还应用了激光共聚焦显微镜(CLSM)和微电极（unisense）技术相结合研究了生活污水中砂浆表面形成的生物膜。面积孔隙度与生物膜厚度之间存在很强的线性关系，根据线性回归方程可以推断出生物膜厚度，这与微电极（unisense）试验结果相似。经过30天的生长，生物膜BS4的厚度可达800um，约为300um生物膜BS1的2.67倍，在强化污水中生长的生物膜中也出现了厌氧区。此外，生物膜的孔隙度随着污水浓度的增加而减小，在整个生长期，普通污水中生物膜BS1的pH值在6-7范围内，而强化污水中生物膜的pH值在90 天时下降到2左右(图2所示)。

综合上述的研究结果，发现生物膜对砂浆恶化的影响机制可进行定量分析,可以发现和主要影响因素。在第1个月，普通污水(COD = 300 mg/L)中的样品生物膜作用系数(BA)最低，主要是由于其生物膜较薄，但一直增加到60天。对于强化污水中的试样，在整个腐蚀过程中，MS2的BA值最高，这可以解释为其污水和生物膜的pH值较高，而MS3和MS4由于其生物膜结构致密，在第一个月的BA值较高，在此之后，不断增加的腐蚀性降低了生物膜对砂浆的保护作用，使得BA值大大降低。这也说明对于普通污水中的样品，生物膜的厚度起着主要作用，尤其是在第一个月，而在污水浓度过高的情况下，污水的腐蚀性增加对后期生物膜对砂浆的防护作用会明显降低。