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

生物膜在污水腐蝕砂漿中作用的機(jī)制研究

來源：Construction and Building Materials, Volume 164, 2018, Pages 44-56

《建筑材料與建筑》，第164卷，2018年，第44-56頁

 

摘要

摘要部分闡述了本研究通過制備人工強(qiáng)化污水來模擬和加速污水管中混凝土的微生物腐蝕，比較了有生物膜和無生物膜的砂漿試件在污水中的重量變化，以及生物膜的微生物結(jié)構(gòu)和活性。基于灰色關(guān)聯(lián)分析了生物膜對(duì)砂漿劣化的影響機(jī)制。結(jié)果表明，生物膜能不同程度地抵御污水腐蝕，COD為3000 mg/L的污水中生長(zhǎng)的生物膜保護(hù)效果最顯著，歸因于其高pH和致密結(jié)構(gòu)。普通污水中，生物膜厚度起主要作用，尤其在第一個(gè)月，而濃度過高的污水中，增加的腐蝕物在后期減少了生物膜的保護(hù)。

 

研究目的

研究目的是深入了解生物膜對(duì)混凝土在污水環(huán)境中腐蝕的影響機(jī)制，特別是評(píng)估人工強(qiáng)化污水條件下生物膜的保護(hù)或促進(jìn)作用，以豐富對(duì)污水系統(tǒng)混凝土腐蝕機(jī)理的理解，并為修復(fù)和維護(hù)提供理論依據(jù)。

 

研究思路

研究思路基于制備不同COD濃度（300、3000、6000和9000 mg/L）的人工強(qiáng)化污水，浸泡砂漿試件193天，水力停留時(shí)間從23天減少到7天。通過比較有生物膜和無生物膜試件的質(zhì)量變化，結(jié)合掃描電鏡（SEM）、X射線衍射（XRD）分析砂漿微觀性能，使用共聚焦激光掃描顯微鏡（CLSM）和微電極（如丹麥Unisense系統(tǒng)）測(cè)量生物膜的結(jié)構(gòu)和活性（如pH和O2濃度），最后基于灰色關(guān)聯(lián)模型定量分析生物膜對(duì)砂漿劣化的影響機(jī)制。

 

測(cè)量的數(shù)據(jù)及研究意義

1 數(shù)據(jù)：砂漿試件質(zhì)量變化和生物膜行動(dòng)系數(shù)，來自Fig.3和Fig.4。研究意義：質(zhì)量損失數(shù)據(jù)顯示生物膜能減少腐蝕，生物膜行動(dòng)系數(shù)（BA）量化保護(hù)程度，F(xiàn)ig.3a-d展示不同COD下質(zhì)量損失隨時(shí)間變化，F(xiàn)ig.4顯示BA值，表明COD3000 mg/L時(shí)保護(hù)效果最佳，這為評(píng)估生物膜屏障作用提供直接證據(jù)。

 

 

2 數(shù)據(jù)：污水pH值變化，來自Fig.5。研究意義：pH數(shù)據(jù)反映污水腐蝕性，F(xiàn)ig.5顯示高COD污水pH迅速下降至酸性，表明微生物活動(dòng)產(chǎn)酸加劇腐蝕，鏈接到生物膜內(nèi)環(huán)境變化。

 

3 數(shù)據(jù)：砂漿微觀形貌和礦物組成，來自Fig.6和Fig.7。研究意義：SEM圖像（Fig.6a-b）顯示生物膜覆蓋下水泥水化產(chǎn)物變疏松，XRD曲線（Fig.7a-b）表明生物膜減少CH峰值，揭示生物膜通過物理屏障延緩腐蝕進(jìn)程。

 

 

4 數(shù)據(jù)：生物膜表觀形貌、三維結(jié)構(gòu)和孔隙率，來自Fig.8、Fig.9、Fig.10、Table 2和Table 3。研究意義：Fig.8展示生物膜生長(zhǎng)階段，F(xiàn)ig.9和Fig.10通過CLSM圖像顯示生物膜深度結(jié)構(gòu)，Table 2和Table 3提供孔隙率數(shù)據(jù)，表明孔隙率隨污水濃度增加而減小，影響質(zhì)量傳輸和微生物活動(dòng)。

 

 

 

 

 

5 數(shù)據(jù)：生物膜內(nèi)pH和O2濃度分布，使用丹麥Unisense微電極測(cè)量，來自Fig.12、Fig.13、Fig.14和Fig.15。研究意義：這些數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生物膜微環(huán)境，F(xiàn)ig.12-15顯示O2消耗和pH下降，表明好氧/厭氧區(qū)形成，例如高COD下厭氧區(qū)擴(kuò)大促進(jìn)硫酸鹽還原菌活動(dòng)，直接鏈接到腐蝕機(jī)制。

 

 

 

 

 

結(jié)論

1 人工強(qiáng)化污水能有效加速砂漿腐蝕，生物膜起保護(hù)作用，但程度因污水濃度而異。

2 生物膜結(jié)構(gòu)參數(shù)如厚度、孔隙率和pH是影響保護(hù)效果的關(guān)鍵因素，灰色關(guān)聯(lián)分析識(shí)別出在普通污水中厚度為主，在強(qiáng)化污水中pH和孔隙率更顯著。

3 生物膜內(nèi)微環(huán)境變化（如O2分布）直接驅(qū)動(dòng)微生物代謝，從而影響腐蝕過程。

 

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義

使用丹麥Unisense電極測(cè)量數(shù)據(jù)的研究意義在于，該電極系統(tǒng)通過高精度微傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)生物膜內(nèi)的pH和溶解氧（O2）濃度，提供了對(duì)微生物活動(dòng)的直接洞察。在本文中，測(cè)量數(shù)據(jù)顯示生物膜內(nèi)O2濃度隨深度增加而消耗（如Fig.13-15），形成厭氧區(qū)，這促進(jìn)了硫酸鹽還原菌（SRB）的繁殖，從而加速產(chǎn)酸和腐蝕。同時(shí)，pH分布（如Fig.12d顯示pH降至2）揭示了生物膜內(nèi)酸性化合物的積累，與污水濃度正相關(guān)。這種測(cè)量意義在于突破了傳統(tǒng)方法的限制，允許在微觀尺度上跟蹤生物膜內(nèi)環(huán)境動(dòng)態(tài)，從而驗(yàn)證生物膜作為屏障或促進(jìn)劑的雙重角色。例如，O2變化率（KDO）數(shù)據(jù)（Table 4）表明傳輸限制影響微生物分布，這為優(yōu)化污水管設(shè)計(jì)（如控制水力條件）提供了關(guān)鍵參數(shù)，以延緩腐蝕。總之，Unisense電極數(shù)據(jù)將生物膜結(jié)構(gòu)與功能鏈接，增強(qiáng)了我們對(duì)腐蝕機(jī)制的理解，并支持了灰色關(guān)聯(lián)模型的定量分析。