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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構和活性。基于灰色關聯分析了生物膜對砂漿劣化的影響機制。結果表明，生物膜能不同程度地抵御污水腐蝕，COD為3000 mg/L的污水中生長的生物膜保護效果最顯著，歸因于其高pH和致密結構。普通污水中，生物膜厚度起主要作用，尤其在第一個月，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。
研究目的
研究目的是深入了解生物膜對混凝土在污水環境中腐蝕的影響機制，特別是評估人工強化污水條件下生物膜的保護或促進作用，以豐富對污水系統混凝土腐蝕機理的理解，并為修復和維護提供理論依據。
研究思路
研究思路基于制備不同COD濃度（300、3000、6000和9000 mg/L）的人工強化污水，浸泡砂漿試件193天，水力停留時間從23天減少到7天。通過比較有生物膜和無生物膜試件的質量變化，結合掃描電鏡（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）測量生物膜的結構和活性（如pH和O2濃度），最后基于灰色關聯模型定量分析生物膜對砂漿劣化的影響機制。
測量的數據及研究意義
1 數據：砂漿試件質量變化和生物膜行動系數，來自Fig.3和Fig.4。研究意義：質量損失數據顯示生物膜能減少腐蝕，生物膜行動系數（BA）量化保護程度，Fig.3a-d展示不同COD下質量損失隨時間變化，Fig.4顯示BA值，表明COD3000 mg/L時保護效果最佳，這為評估生物膜屏障作用提供直接證據。
2 數據：污水pH值變化，來自Fig.5。研究意義：pH數據反映污水腐蝕性，Fig.5顯示高COD污水pH迅速下降至酸性，表明微生物活動產酸加劇腐蝕，鏈接到生物膜內環境變化。
3 數據：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程。
4 數據：生物膜表觀形貌、三維結構和孔隙率，來自Fig.8、Fig.9、Fig.10、Table 2和Table 3。研究意義：Fig.8展示生物膜生長階段，Fig.9和Fig.10通過CLSM圖像顯示生物膜深度結構，Table 2和Table 3提供孔隙率數據，表明孔隙率隨污水濃度增加而減小，影響質量傳輸和微生物活動。
5 數據：生物膜內pH和O2濃度分布，使用丹麥Unisense微電極測量，來自Fig.12、Fig.13、Fig.14和Fig.15。研究意義：這些數據實時監測生物膜微環境，Fig.12-15顯示O2消耗和pH下降，表明好氧/厭氧區形成，例如高COD下厭氧區擴大促進硫酸鹽還原菌活動，直接鏈接到腐蝕機制。
結論
1 人工強化污水能有效加速砂漿腐蝕，生物膜起保護作用，但程度因污水濃度而異。
2 生物膜結構參數如厚度、孔隙率和pH是影響保護效果的關鍵因素，灰色關聯分析識別出在普通污水中厚度為主，在強化污水中pH和孔隙率更顯著。
3 生物膜內微環境變化（如O2分布）直接驅動微生物代謝，從而影響腐蝕過程。
使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義
使用丹麥Unisense電極測量數據的研究意義在于，該電極系統通過高精度微傳感器實時監測生物膜內的pH和溶解氧（O2）濃度，提供了對微生物活動的直接洞察。在本文中，測量數據顯示生物膜內O2濃度隨深度增加而消耗（如Fig.13-15），形成厭氧區，這促進了硫酸鹽還原菌（SRB）的繁殖，從而加速產酸和腐蝕。同時，pH分布（如Fig.12d顯示pH降至2）揭示了生物膜內酸性化合物的積累，與污水濃度正相關。這種測量意義在于突破了傳統方法的限制，允許在微觀尺度上跟蹤生物膜內環境動態，從而驗證生物膜作為屏障或促進劑的雙重角色。例如，O2變化率（KDO）數據（Table 4）表明傳輸限制影響微生物分布，這為優化污水管設計（如控制水力條件）提供了關鍵參數，以延緩腐蝕。總之，Unisense電極數據將生物膜結構與功能鏈接，增強了我們對腐蝕機制的理解，并支持了灰色關聯模型的定量分析。
