微生物腐蚀.doc

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沿海地区污水处理厂防腐蚀技术措施

闻宝联1林文波2邓彪2张宝祥2

（1.天津市市政工程研究院，天津，300074；2.天津市创业环保股份有限公司，天津，300074）

引言

天津滨海新区的开发开放已纳入国家总体发展战略，将成为我国北方的经济中心和宜居生态城市。

在未来15年内，城市基础设施将一直是建设重点。

作为实现生态城市重要保障的污水处理厂更是重中之重。

值得一提的是，2007末我国与新加坡签订了《中新生态城框架协议》，正式确定中新生态城落址天津滨海新区。

中新生态城项目落户将促进相关产业借助生态城发展壮大。

如环保产业，生态城对生态的要求极高，城内用水全部为海水淡化或再生水，所有污水将由污水处理厂处理后达标排放。

这为环保技术和环保产品提供了广阔市场。

中新生态城规划面积30平方公里生态城内和周边区域正在建设多个污水处理厂。

输送和处理污水的构筑物一般都是钢筋混凝土结构，污水处理系统中的混凝土构筑物常年受到各种腐蚀介质和微生物的侵蚀，不仅如此，在沿海环境下，还要受到地下水土的侵蚀，导致结构强度过早下降，无法达到使用期限的要求，造成能源、资源的巨大浪费。

因此，对沿海污水处理构筑物混凝土耐久性研究迫在眉睫，研究其综合腐蚀作用机理，寻求混凝土结构性能的衰减规律，将对整个滨海新区污水处理构筑物混凝土的结构设计及使用寿命延长提供重要依据。

1腐蚀因素分析

1.1微生物对钢筋混凝土的腐蚀

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（MicrobiallyInfluencedCorrosion）。

引起腐蚀的微生物有很多种，硫酸还原菌、真菌、蓝细菌、硝化细菌、几乎各种厌氧菌、真菌，这些细菌不仅造成混凝土的劣化，对其中的钢筋、铁件也造成强烈的腐蚀[[]GA,DrewW,VaughanG.Studiesofsulfateremovalinamodelsewer.WaterWastewaterAssoc.10th（Eng.）,1983,43/1-43/

][[]S.Valls,E.VAzquez.StabilisationandsolidificationofsewagesludgeswithPortlandcement.CementandConcreteResearch，2000（30）：

1671-1678

]。

微生物的腐蚀主要是由其生命活动中产生腐蚀性物质而造成的[[]沈萍，微生物遗传学，武汉大学出版社

]。

微生物的代谢过程可分为好氧和厌氧两种。

好氧代谢主要发生在供氧充分的区域，如曝气池、沉淀池的水面表层等处，厌氧代谢主要发生在贫氧的环境，如地下管网、沉淀池的水下部位等[[]吕福堂，司东霞，戴保国，微生物与新型农业，生物学通报，2003，38（8）：

23-24

]。

两种代谢过程的产物不同，腐蚀机理也不一样。

1.1.1好氧菌对混凝土的腐蚀

好氧菌在代谢过程中会消耗污水中的溶解氧，营养源是污水中存在大量碳氢化合物、蛋白质、纤维素等有机物质，代谢排出有机酸、二氧化碳、硫酸根离子等。

好氧生物处理过程的生化反应方程式如下：

（有机物的组成元素）

C、H、O、N、S+O2 CO2+H2O+NH3+SO42-+¼+能量

异氧微生物

C、H、O、N、S+能量C5H7NO2

C5H7NO2+O2CO2+H2O+NH3+SO42-+¼+能量

产生的碳酸、有机酸对碱性的混凝土产生溶解性的腐蚀。

1.1.2厌氧菌对混凝土的腐蚀

调查表明，厌氧菌侵蚀最严重的部位是地下排污管网，最主要的元凶是硫酸盐还原菌（SRB）[[]Jean-MarcTulliani,LauraMontanaro,AlfredoNegroandMarioCollepardi.Sulfateattackofconcretebuildingfoundationsinducedbysewagewaters.Cementandconcreteresearch,2002,32（6）.843-849

]。

硫酸盐还原菌（SRB）是指在厌氧条件下能把硫酸根还原成二价硫的一群细菌，主要是脱硫弧菌属的细菌[[]Walsh，piped，DanfordMetal.Theeffectofmicrostructureonmicro-biollogically-influelicedcorrosion.Jim，1993，45（9）:

22-50

]。

污水和废水中的有机和无机悬浮物随水流流动而逐渐沉积于管道底部成为淤泥，淤泥中的硫酸根离子被硫还原菌还原，生成硫化氢。

释放的硫化氢气体进人管道内未充水的上部空间，与管壁相接触.在管壁上，硫化氢由于生物化学的作用，氧化生成硫酸，在硫酸的不断作用下，管壁混凝土被腐蚀。

污水中既有有机的硫化物也有无机的硫化物，当污水管中的污水流速较低时，硫酸盐还原菌很容易在管壁上成为菌落。

在贫氧条件下，它能将含硫蛋白质及硫酸盐还原为硫化物，生成H2S，与水结合形成对混凝土、金属等多种材料有腐蚀的硫酸，从而使混凝土和钢筋产生腐蚀。

含硫蛋白质在厌氧条件下分解出硫化氢，方程式如下：

在厌氧状态下，硫酸根作为受氢体，使硫酸盐还原成H2S，如遇氧气，则会进一步生成硫酸，方程式如下：

1.1.3真菌对混凝土的腐蚀

在分类学上，真菌不同于细菌。

细菌是单细胞的真细菌，而真菌是真核生物，真菌能侵蚀很多有机物，包括聚合物、纤维等，真菌侵蚀混凝土的机理主要有几种。

最近分离出来一种能腐蚀混凝土的镰孢菌属的真菌与中间硫杆菌（T.intermedius），经过120天的培养后，能对混凝土产生几乎相同的重量损失。

真菌代谢产生柠檬酸、草酸和葡萄糖酸[[]M.A.D.Torre，G.Gomez-Alarcd，G.Vizcaino，andM.T.Garcia，Biogeochemistry,19，129（1993）

][[]M.A.13.Torre，G.Gomez-Alarcov.andJ.M.Palacios.Microbiotech,1993（40）:

408

]，与混凝土中的钙反应，引起混凝土的溶解和破坏。

另外，真菌能将菌丝伸进混凝土的内部，增加了破坏面积和增大混凝土的孔隙率。

真菌在很宽的环境条件下都有活性，因此由这些微生物引起的破坏比想象的要严重得多。

1.1.4好氧菌对钢筋的腐蚀

好氧菌，如好氧性排硫杆菌，能将污水中的污物发醇所产生的硫代硫酸盐还原为硫元素；而好氧性氧化硫杆菌又可把元素硫氧化为硫酸，从而加快金属的腐蚀。

这类菌常见的有硫杆菌属（Thiobacillus）中的排硫硫杆菌（T．thloparus）、氧化亚铁硫杆菌（T．ferrooxidans）、氧化硫硫杆菌（T．thiooxidans）等。

还有硝化细菌，如亚硝化单胞菌属（Nitrosomonas）和硝化杆菌属（Nitrobacter）等能把氨氧化成亚硝酸，再进一步氧化成硝酸，同时获取能量供自身生活。

1.1.5厌氧菌对钢筋的腐蚀

在缺氧条件下，金属虽然难以发生吸氧腐蚀，但可进行析氢腐蚀（电化学腐蚀中，有氢气放出）。

只是因阴极上产生的原子态的氢未能及时变为氢气析出，而被吸附在阴极表面上，直接阻碍电极反应的进行，使腐蚀速率逐渐减慢。

缺氧状态下，硫酸盐还原菌产生生物催化作用，使SO42-离子氧化被吸附的氢，从而促使析氢腐蚀顺利进行。

整个过程的反应如下：

阳极 4Fe-8e=4Fe2+

阴极 8H++8e＝8H（吸附在铁表面上）

SO42-+8HS2-+4H2O

Fe2++S2-=FeS（二次腐蚀产物）

3Fe2++6OH-=Fe（OH）2（二次腐蚀产物）

能参与金属腐蚀过程的细菌不止有很多，如铁细菌、霉菌，主要是其生命活动中的过程反应物对金属电化学腐蚀过程产生的影响。

反硝化细菌，如脱氨假单胞菌（Pseudomonasdenitrificans）、施氏假单胞菌（Pseudomonasstutzeri）、紫色色杆菌（Cpromobacteriumvio-laceum）等，在缺氧的环境中，能把硝酸还原成亚硝酸。

因此这类菌能在环境中积累一定量的硝酸和亚硝酸，从而对金属造成腐蚀。

1.2滨海环境侵蚀性地下水对钢筋混凝土结构的腐蚀

分析和研究钢筋混凝土结构遭受腐蚀的原因进而采取相应的措施提高其抗侵蚀性是提高钢筋混凝土结构耐久性，延长构筑物使用寿命的重要措施。

1.2.1滨海环境侵蚀性地下水对混凝土的腐蚀

混凝土是以水泥为粘合剂，由细集料砂子和粗骨料石子按一定配比与水混合拌制而成的复合结构材料。

水泥熟料主要成分为硅酸三钙（3CaO.SiO2）、硅酸二钙（2CaO.SiO2）、铝酸三钙（3CaO.Al2O3）和铁铝酸四钙（4CaO.Al2O3.Fe2O3）。

水泥熟料遇水即凝固成水泥石，水泥石的主要成分为水化铝酸钙2CaO.SiO2.nH2O、氢氧化钙Ca（OH）2、含水铝酸三钙3CaO.Al2O3.6H2O和含水铁铝酸四钙4CaO.Al2O3.Fe2O3.nH2O，其中硅酸钙使混凝土具有强度，氢氧化钙使水泥石呈高碱性状态。

侵蚀性地下水引起混凝土腐蚀的基本原因是水泥石中存在有与侵蚀性介质发生不利反应的成分，同时混凝土本身不密实，有很多毛细孔通道，使得侵蚀性介质中的氯离子、镁离子、硫酸根离子等容易进入其内部，也为产生腐蚀创造了条件。

侵蚀性地下水对混凝土的腐蚀，主要的表现形式为：

①水泥中的Ca（OH）2溶解，造成混凝土中Ca（OH）2浓度降低，进而造成其它水化产物分解；②水泥石中的Ca（OH）2与溶于水的酸类和盐类物质反应，生成易溶于水的物质；③水泥石中的水化铝酸钙与硫酸盐反应，形成膨胀性结晶产物，导致混凝土开裂。

1）溶出性侵蚀

当混凝土长期与一些暂时硬度较小的水（如雨水、蒸馏水、重碳酸盐含量少的江河湖水）接触时，水泥石中的Ca（OH）2溶解析出，当为静水和无压水时，溶出反应仅限于混凝土表面，影响不大，但在流水及压力水作用下，会不断流失，随着浓度不断降低，水泥石中的C-S-H凝胶等水化产物也会分解溶出，使得混凝土内的孔隙增加、强度降低，进而造成混凝土中钢筋的腐蚀加剧。

2）离子交换腐蚀

滨海环境地下水中的镁盐（如MgCl2）与水泥石中的Ca（OH）2发生反应

Ca（OH）2+MgCl2→CaCl2+Mg（OH）2

生成的CaCl2易溶于水，Mg（OH）2疏松无胶凝性。

当地下水中含有较多的CO2或混凝土处于干湿交替环境时，混凝土会发生碳化，使混凝土的碱性降低。

Ca（OH）2+CO2+H2O→CaCO3+2H2O

CaCO3+CO2+H2O→Ca（HCO3）2

Ca（HCO3）2易溶于水,混凝土中的Ca（OH）2减少，使得水化产物进一步分解，混凝土内的孔隙增加、强度降低，进而造成混凝土中钢筋的腐蚀加剧。

3）结晶腐蚀

当地下水中含有较多的钾、钠、镁等硫酸盐时，能与混凝土发生中和反应

Ca（OH）2+MgSO4+2H2O→CaSO4·2H2O+Mg（OH）2

4CaO·Al2O3·12H2O·2H2O+3CaSO4+20H2O→3CaO·Al2O3·3CaSO4·31H2O+Ca（OH）2

MgSO4起镁盐和硫酸盐的双重腐蚀作用，Mg（OH）2疏松无胶凝性，同时高硫型水化硫铝酸钙含有大量结晶水，且难溶于水，比原体积膨胀1.5倍以上，在混凝土内产生很大的膨胀应力，从而导致混凝土的开裂。

4）强碱腐蚀

铝酸盐含量较大的硅酸盐水泥混凝土，在强碱（如NaOH