混凝土排污管的微生物腐蝕

2006-11-07 00:00  留言

摘要：本文敘述了混凝土管在排放過(guò)程中受微生物侵蝕的原因和機(jī)理，討論了污水和廢水中存在的各種侵蝕因素，硫桿菌屬的各類細(xì)菌的生存條件，生物化學(xué)腐蝕過(guò)程。指出最終由食砼菌在混凝土表面與氫硫酸產(chǎn)生生化反應(yīng)，生成硫酸，導(dǎo)致混凝土破壞。提出了各種防護(hù)措施。

關(guān)鍵詞：混凝土管污水微生物硫桿菌食砼菌硫化氫腐蝕

0 前言

　　有一項(xiàng)專家調(diào)查表明，迄今為止全世界的建筑材料由于微生物腐蝕引起的破壞占到10～20 %。作為使用最早的水泥制品之一的混凝土管，也擺脫不了遭受微生物腐蝕的厄運(yùn)。然而人們并沒(méi)有象對(duì)待酸類、鹽類等物質(zhì)侵蝕混凝土那樣予以重視。直到二十世紀(jì)四十年代，運(yùn)行中的混凝土管道遭受微生物侵蝕的案例接連發(fā)生，才引起工程界的關(guān)注。據(jù)報(bào)導(dǎo)，70 年代德國(guó)漢堡市廢水系統(tǒng)的混凝土管道因硫桿菌引起的腐蝕而支付的維修費(fèi)用高達(dá)5000 萬(wàn)馬克以上。在美國(guó)同樣的破壞造成的年損失約為1 億美元。

　　1945 年P(guān)arker 在墨爾本指出混凝土管的腐蝕與微生物有關(guān)。1959 年P(guān)omeroy 對(duì)加利福尼亞洛杉礬城區(qū)使用了35 年的排水系統(tǒng)3100 公里污水管線進(jìn)行了有關(guān)微生物腐蝕的研究，發(fā)現(xiàn)0. 25 %的管線（7. 5 公里）受到了微生物腐蝕。自此引起了世界各國(guó)專家對(duì)微生物腐蝕的高度重視，在德國(guó)漢堡成立了跨學(xué)科領(lǐng)域的組織，對(duì)微生物腐蝕進(jìn)行綜合調(diào)查，研究討論了加利福尼亞、澳洲、非洲、中東、近東、南美洲和新加坡的案例，一致認(rèn)為材料的微生物腐蝕是一個(gè)涉及到多學(xué)科的交叉性的科學(xué)問(wèn)題，它需要由生物學(xué)家、化學(xué)家、材料學(xué)家甚至結(jié)構(gòu)工程專家共同來(lái)研究。

　　近年來(lái)國(guó)內(nèi)也發(fā)生了類似的案例。1988 年上海開(kāi)展治理蘇州河及其支流的污染，改善水質(zhì)的工程，提出了混凝土管防污水侵蝕的問(wèn)題，其中包括微生物腐蝕。上海建筑科學(xué)研究院作了探索性的研究，蘇州混凝土水泥制品研究院也對(duì)此進(jìn)行過(guò)調(diào)研。

　　本文將就微生物腐蝕起因、影響因素、產(chǎn)生機(jī)理等進(jìn)行討論，旨在引起國(guó)內(nèi)工程和材料界的重視，推進(jìn)這方面的科學(xué)研究工作。

1 污水中的侵蝕因素

　　混凝土排污管的輸送對(duì)象是生活污水和工業(yè)廢水。污水和廢水中含有各種污染物質(zhì)，其成分隨各種污染源的不同而有較大的波動(dòng)。我國(guó)的《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB 8979 將污染物分為二類：第一類污染物指含有對(duì)人體健康產(chǎn)生長(zhǎng)遠(yuǎn)不良影響的，如汞、砷、鎘、鉛等，它受到極為嚴(yán)格的排放控制。第二類污染物指其長(zhǎng)遠(yuǎn)影響小于第一類的污染物，如懸浮物（SS）、生化需氧量（BOD₅）、化學(xué)需氧量（COD）、pH、硫化物、磷酸鹽等等，這類污染物對(duì)混凝土具有潛在的侵蝕作用，是本文討論的對(duì)象。標(biāo)準(zhǔn)對(duì)各類污染物的排放量有嚴(yán)格規(guī)定。大中城市排水設(shè)施比較完善，工業(yè)廢水和生活污水不是直接排入水體，而是排入城市下水道，然后進(jìn)入城市污水處理廠集中處理。根據(jù)下水道管理要求和二級(jí)污水處理工藝要求，達(dá)到三級(jí)標(biāo)準(zhǔn)即可。表1 是幾個(gè)主要污染物的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定指標(biāo)。

　　氫離子濃度（pH值）：廢水中的氫離子濃度用pH值表示，等于氫離子濃度的負(fù)對(duì)數(shù)值。pH值是用來(lái)判斷廢水的化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)的參數(shù)，它不是定量的測(cè)定數(shù)值，不能用來(lái)說(shuō)明水中的酸性物質(zhì)或堿性物質(zhì)的數(shù)量。但pH值的變化對(duì)混凝土腐蝕起十分重要的作用。其一是pH值在酸性范圍內(nèi)對(duì)混凝土管有明顯的破壞作用，使砂漿層粉化脫落。其二是不同的pH值適合于不同微生物的生長(zhǎng)。好氧菌最適宜的pH 值為6. 5～7. 5 ，厭氧菌最適宜的pH值為6. 7～7. 4 ，隨著細(xì)菌生長(zhǎng)溫度的升高，最佳pH值也隨之升高。當(dāng)pH值在6. 5 以下和8. 2 時(shí)，厭氧消化過(guò)程仃止。因此pH值對(duì)維持厭氧微生物系統(tǒng)中最佳的細(xì)菌生長(zhǎng)和轉(zhuǎn)化過(guò)程是非常重要的。此外pH 值對(duì)污水中存在的硫化物有影響，當(dāng)pH值低時(shí)，硫化物以硫化氫形式存在。

　　懸浮物（SS）：懸浮物是指水中無(wú)機(jī)的和有機(jī)的顆粒物，實(shí)際上也包括可沉降的固體顆粒物。懸浮物常常成為微生物隱蔽的載體。有機(jī)物顆粒沉降水底后，會(huì)消耗水體中的溶解氧，同時(shí)也會(huì)使淤泥中的生物密度增大，給微生物腐蝕創(chuàng)造了有利條件。

　　生物需氧量（BOD ₅）和化學(xué)需氧量（COD）：生化需氧量和化學(xué)需氧量是污水和工業(yè)廢水的有機(jī)污染的綜合指標(biāo)，兩者皆反映污水或工業(yè)廢水中有機(jī)物在氧化分解時(shí)所耗用的氧量。所不同的是BOD 是有機(jī)物在20 ℃恒定溫度、一定時(shí)期內(nèi)微生物作用下氧化分解所需的氧量，它代表了廢水中可生物降解的那部分有機(jī)物；而COD 是有機(jī)物在化學(xué)氧化劑作用下氧化分解所需的氧量，它代表的是廢水中可被化學(xué)氧化劑分解的有機(jī)物。實(shí)際上這兩個(gè)指標(biāo)通過(guò)耗氧量間接地反映了污水中有機(jī)物的數(shù)量。生物需氧量和化學(xué)需氧量在微生物腐蝕混凝土管的過(guò)程中起到舉足輕重的作用。

　　硫化物：含硫化物的廢水主要來(lái)源于石油煉制、化工、制革、紡織等工業(yè)廢水。不同行業(yè)廢水中硫化物濃度有所差異，一般在2～80mg/ l ，但每升也有高達(dá)幾千毫克的。硫化物中，在化學(xué)平衡的制約下和在酸性條件下，非離解的硫化氫（H ₂S）占優(yōu)勢(shì)。在充分曝氣、溶解氧充足的水體中，硫化氫極不穩(wěn)定。它可從水中逸散出，也可被氧化成硫酸或元素硫。前者能直接腐蝕混凝土管。同時(shí)，由于硫化物極易被氧化而消耗水中的溶解氧，因此造成水中缺氧，有利于厭氧菌的生長(zhǎng)，給微生物腐蝕創(chuàng)造條件。

　　SO ₄^{2 -} ：城市污水中都含有不同程度的硫酸鹽，生活污水的硫酸鹽含量通常在20～100mg/ l ，而工業(yè)廢水的接入顯著增加了城市污水中的硫酸鹽水平。一般含高濃度SO 42 - 的工業(yè)廢水要經(jīng)石灰處理后接入城市污水管網(wǎng)，但SO ₄^{2 -} 的濃度仍在2000mg/ l 左右。另外，一些地區(qū)含鹽地下水的滲入，也會(huì)增加硫酸鹽的濃度。

　　混凝土管道中流過(guò)的污水是一個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，它隨各污染源排出的污水成分而隨時(shí)變化。有時(shí)是中和，而有時(shí)是疊加。從上海部分泵站污水24 小時(shí)混合樣的成分看，雖然其值沒(méi)有超過(guò)國(guó)標(biāo)規(guī)定值，但其某時(shí)間的最大值已大大超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)值。這反映在混凝土管道中存在著被腐蝕的可能性。

2 微生物腐蝕

2. 1 微生物腐蝕機(jī)理

　　微生物腐蝕是環(huán)保工程中發(fā)生的典型的動(dòng)態(tài)過(guò)程。含有無(wú)機(jī)和有機(jī)污染物質(zhì)的水排入城市排水系統(tǒng)后，首先被系統(tǒng)中原有的流水混合、中和、稀釋、擴(kuò)散或濃度加大。比較重的粒子沉降到管道底部，形成粘泥層。有機(jī)物質(zhì)便成為微生物的營(yíng)養(yǎng)源，它們被分解與消化。在這個(gè)生物的氧化作用過(guò)程中，開(kāi)始有充分氧氣，有機(jī)物為需氧菌分解成水、二氧化碳、五氧化二磷、硫酸離子等。這種反應(yīng)需要消耗水中大量的溶解氧。水中的溶解氧因得不到補(bǔ)給而顯著降低，一旦耗用殆盡，氧化作用便仃止。厭氧菌參與分解有機(jī)物，將其分解成甲烷、氮和硫化氫等氣體。其中硫化氫本身對(duì)混凝土無(wú)明顯的侵蝕作用，但遇上混凝土表面的凝聚水膜，就生成硫酸，對(duì)混凝土具有強(qiáng)烈的侵蝕作用。

　　日本的森忠洋等人認(rèn)為，混凝土管的微生物腐蝕主要分為二類：一類是含有大量硫化氫的工廠廢水或化糞池污水排入混凝土管道，導(dǎo)致微生物腐蝕；另一類是管道底部沉積的粘泥層在厭氧狀態(tài)下，產(chǎn)生的微生物腐蝕。澳大利亞的Thistlethwayte 提出了為人們廣為接受的腐蝕機(jī)理，見(jiàn)圖1。

　　混凝土管壁的生物腐蝕的主要過(guò)程如下：

　?。?）污水和廢水中的有機(jī)和無(wú)機(jī)懸浮物隨水流流動(dòng)而逐漸沉積于管底成為粘泥層。粘泥層中的硫酸根離子被硫還原菌還原，生成硫化氫。

　　（2）釋放的硫化氫進(jìn)入管道未充水的上部空間，與管壁相接觸。

　?。?）在管壁上，硫化氫由于生物化學(xué)的作用，氧化生成硫酸。

　?。?）在生成的硫酸的不斷作用下，管道上部混凝土被腐蝕。

　　Roberton 和Paintal 等人的研究結(jié)果證實(shí)了上述的腐蝕機(jī)理，認(rèn)為硫還原菌是使硫酸鹽轉(zhuǎn)變?yōu)榱蚧瘹涞闹饕巧?。食砼菌（concretivorus）則是在管壁上與硫化氫產(chǎn)生生物反應(yīng)生成硫酸，從而破壞混凝土的最終殺手。

2. 2 腐蝕的影響因素

　　混凝土管的微生物腐蝕最常見(jiàn)的是發(fā)生在半管自流混凝土管道中。它與溫濕條件有關(guān)，硫桿菌的各種細(xì)菌在溫暖潮濕缺氧的環(huán)境下才會(huì)出現(xiàn)。pH值也是主要的生存因素。

　　Thistlethwayte 提出了一個(gè)經(jīng)驗(yàn)公式，建立了粘泥層生成速率與SO ₄^{2 -} 、BOD ₅ 和污水流速的關(guān)系：

G_s= 32. 2 ×10 ^{- 6} ×V_s×[BOD ₅ ] ^{0 .8} ×[ SO ₄^{2 -} ] ^{0 .4}×1. 139^（t^℃^{- 20 ）}

　　式中： G_s —粘泥層產(chǎn)生速率，單位是1b 亞硫酸鹽/1000 平方尺粘泥層/ 小時(shí)；

　　　　V _s —污水流速，英尺/ 秒；

　　　　BOD ₅—五日生化需氧量， mg/ l ；

　　　　SO ₄^{2 -} —用SO ₄ 表示的硫酸鹽含量， mg/ l ；

　　　　T —溫度， ℃。

　　圖2 是自流管中BOD₅與硫化氫生成量的關(guān)系曲線。管徑為0. 75m，液面高徑比為0. 25 ，污水溫度為20 ℃，硫酸鹽含量為60mg/ l 。

　　新澆灌的混凝土具有很強(qiáng)的堿性， pH值達(dá)到12 ，沒(méi)有任何一種硫桿菌能生成在這樣的堿環(huán)境中。因此混凝土?xí)簳r(shí)不受細(xì)菌作用而導(dǎo)致腐蝕。混凝土在空氣中自然碳化，其表面的pH值逐漸降低至9 以下，在這種堿度，硫桿菌屬中的蕭巴氏菌和那不勒斯菌便利用硫化氫作為基質(zhì)，生化反應(yīng)成氫硫酸，混凝土表面的堿度繼續(xù)下降至5 ，這時(shí)，食砼菌開(kāi)始大量繁殖，并生成高濃度硫酸， pH值降到2 以下，混凝土水泥石中的硅酸鈣和鋁酸鈣水化物被酸溶解，從而導(dǎo)致混凝土破壞。

3 微生物腐蝕的預(yù)防

　　研究結(jié)果表明，預(yù)防微生物腐蝕行之有效的措施有三方面：

　　（1）改善排水管道的結(jié)構(gòu)，如滿管運(yùn)行，或盡量減少水面上方的空間。

　?。?）采取各種措施，使硫桿菌的不同細(xì)菌不能生存，減少硫化氫生成，如強(qiáng)制通風(fēng)，使用化學(xué)劑等。

　?。?）采用耐酸混凝土制造混凝土管，或在混凝土管內(nèi)表面涂刷防腐涂料。

4 結(jié)語(yǔ)

　?。?）混凝土管受污水和廢水腐蝕時(shí)，微生物腐蝕起著不可忽視的作用。

　?。?）微生物腐蝕與污水和廢水中所含有的污染物質(zhì)有關(guān)。這些污染物質(zhì)包括氫離子濃度（pH值）、懸浮物（SS）、生物需氧量（BOD ₅）、化學(xué)需氧量（COD）和硫化物、硫酸根離子及磷酸鹽等。其中BOD ₅ 和COD 的含量起到舉足輕重的作用。

　?。?）微生物腐蝕是各種細(xì)菌生成、生長(zhǎng)和發(fā)生生物反應(yīng)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。起主要作用的是好氧菌、厭氧菌和硫桿菌等各種細(xì)菌。由于生化反應(yīng)生成硫化氫，進(jìn)而在混凝土表面生成濃硫酸，導(dǎo)致混凝土破壞。

　?。?）混凝土管的微生物腐蝕是一新課題，是生物科學(xué)、材料科學(xué)、水處理科學(xué)以至結(jié)構(gòu)工程學(xué)的跨學(xué)科交叉性的研究課題，需要這些領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員密切合作，進(jìn)一步探明混凝土的微生物腐蝕機(jī)理，預(yù)測(cè)在此環(huán)境下混凝土的壽命，提出防范措施。

原作者：韓靜云張小偉陳忠漢

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