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程中受微生物侵蝕的原因和機理，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。然而人們并沒有象對待酸類、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)報導(dǎo)，70 年代德國漢堡市廢水系統(tǒng)的混凝土管道因硫桿菌引起的腐蝕而支付的維修費用高達(dá)5000 萬馬克以上。在美國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專家對微生物腐蝕的高度重視，在德國漢堡成立了跨學(xué)科領(lǐng)域的組織，對微生物腐蝕進行綜合調(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涉及到多學(xué)科的交叉性的科學(xué)問題，它需要由生物學(xué)家、化學(xué)家、材料學(xué)家甚至結(jié)構(gòu)工程專家共同來研究。

　　近年來國內(nèi)也發(fā)生了類似的案例。1988 年上海開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此進行過調(diào)研。

　　本文將就微生物腐蝕起因、影響因素、產(chǎn)生機理等進行討論，旨在引起國內(nèi)工程和材料界的重視，推進這方面的科學(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。我國的《污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)》國家標(biāo)準(zhǔn)GB 8979 將污染物分為二類：第一類污染物指含有對人體健康產(chǎn)生長遠(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，這類污染物對混凝土具有潛在的侵蝕作用，是本文討論的對象。標(biāo)準(zhǔn)對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污水處理工藝要求，達(dá)到三級標(biāo)準(zhǔn)即可。表1 是幾個主要污染物的標(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)對數(shù)值。pH值是用來判斷廢水的化學(xué)和生物學(xué)性質(zhì)的參數(shù)，它不是定量的測定數(shù)值，不能用來說明水中的酸性物質(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。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，厭氧消化過程仃止。因此pH值對維持厭氧微生物系統(tǒng)中最佳的細(xì)菌生長和轉(zhuǎn)化過程是非常重要的。此外pH 值對污水中存在的硫化物有影響，當(dāng)pH值低時，硫化物以硫化氫形式存在。

　　懸浮物（SS）：懸浮物是指水中無機的和有機的顆粒物，實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。有機物顆粒沉降水底后，會消耗水體中的溶解氧，同時也會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)廢水的有機污染的綜合指標(biāo)，兩者皆反映污水或工業(yè)廢水中有機物在氧化分解時所耗用的氧量。所不同的是BOD 是有機物在20 ℃恒定溫度、一定時期內(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物；而COD 是有機物在化學(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)氧化劑分解的有機物。實際上這兩個指標(biāo)通過耗氧量間接地反映了污水中有機物的數(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程中起到舉足輕重的作用。

　　硫化物：含硫化物的廢水主要來源于石油煉制、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。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，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，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，也會增加硫酸鹽的濃度。

　　混凝土管道中流過的污水是一個動態(tài)過程，它隨各污染源排出的污水成分而隨時變化。有時是中和，而有時是疊加。從上海部分泵站污水24 小時混合樣的成分看，雖然其值沒有超過國標(biāo)規(guī)定值，但其某時間的最大值已大大超過標(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 微生物腐蝕機理

　　微生物腐蝕是環(huán)保工程中發(fā)生的典型的動態(tài)過程。含有無機和有機污染物質(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。有機物質(zhì)便成為微生物的營養(yǎng)源，它們被分解與消化。在這個生物的氧化作用過程中，開始有充分氧氣，有機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物，將其分解成甲烷、氮和硫化氫等氣體。其中硫化氫本身對混凝土無明顯的侵蝕作用，但遇上混凝土表面的凝聚水膜，就生成硫酸，對混凝土具有強烈的侵蝕作用。

　　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理，見圖1。

　　混凝土管壁的生物腐蝕的主要過程如下：

　?。?）污水和廢水中的有機和無機懸浮物隨水流流動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。

　?。?）釋放的硫化氫進入管道未充水的上部空間，與管壁相接觸。

　　（3）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)果證實了上述的腐蝕機理，認(rèn)為硫還原菌是使硫酸鹽轉(zhuǎn)變?yōu)榱蚧瘹涞闹饕巧Ｊ稠啪╟oncretivorus）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)境下才會出現(xiàn)。pH值也是主要的生存因素。

　　Thistlethwayte 提出了一個經(jīng)驗公式，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；

　　　　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的堿性， pH值達(dá)到12 ，沒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，食砼菌開始大量繁殖，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：

　?。?）改善排水管道的結(jié)構(gòu)，如滿管運行，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，如強制通風(fēng)，使用化學(xué)劑等。

　　（3）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

　　（1）混凝土管受污水和廢水腐蝕時，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。

　　（3）微生物腐蝕是各種細(xì)菌生成、生長和發(fā)生生物反應(yīng)的動態(tài)過程。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，進一步探明混凝土的微生物腐蝕機理，預(yù)測在此環(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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