沿海地区污水处理构筑物腐蚀模式分析与对策

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摘要：分析了沿海污水处理构筑物的腐蚀模式，分别论述了微生物和沿海地下水对钢筋和混凝土的腐蚀机理，从系统论的角度出发，提出了保障结构耐久性的措施。

关键词：污水处理厂 微生物 混凝土 腐蚀

中图分类号：TU528 文献标识码：A 文章编号：

引言

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(Microbially Influenced Corrosion) 。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 [[[] G A, Drew W, Vaughan G. Studies of sulfate removal in a model sewer. Water Wastewater Assoc. 10th(Eng.), 1983,43/1-43/]] [[[] S. Valls, E. VA zquez. Stabilisation and solidification of sewage sludges with Portland cement. Cement and Concrete Research ，2000 (30) ：1671-1678]]。

微生物的腐蚀主要是由其腐蚀性代谢产物而造成的[[[] 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：

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。

1.1.3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-Marc Tulliani, Laura Montanaro, Alfredo Negro and Mario Collepardi. Sulfate attack of concrete building foundations induced by sewage waters. Cement and concrete research, 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，Dan ford Metal. The effect of microstructure on micro-biollogically-influeliced corrosion. 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入管道内未充水的上部空间，与管壁相接触。在管壁上，硫化氢氧化生成硫酸，在硫酸的不断作用下，管壁混凝土被腐蚀。

1.1.4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。

1.1.5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，and M.T. Garcia，Biogeochemistry, 19，129(1993)]][[[] M.A.13.Torre，G.Gomez-Alarcov.and J.M.Palacios. Micro biotech, 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。

1.2侵蚀性地下水对钢筋混凝土的腐蚀

滨海地区侵蚀性地下水对钢筋混凝土结构的腐蚀主要体现在以下几方面。

1.2.1地下水对混凝土的腐蚀

地下水对混凝土的侵蚀作用主要可归纳为三种：溶出蚀、结晶蚀和化学侵蚀。

在地下水环境下，使混凝土材料侵蚀或造成损伤的环境作用主要有冻融循环、干湿交替以及水、土中的硫酸盐、镁盐、酸等化学介质的作用。

1）溶出蚀

当混凝土长期与一些暂时硬度较小的水接触时，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（如结构发生渗漏），会不断流失，随着浓度不断降低，碱度降低，水泥石中的C-S-H凝胶等随着碱度的降低而不断分解，使得混凝土内的孔隙增加、强度降低直至瓦解，进而造成混凝土中钢筋的腐蚀加剧。

2）结晶型侵蚀

在污水处理池外壁地表附近，由于毛细作用，混凝土孔隙中充满了液体，当地下水位及环境温度变化时，液相中的盐份析出，在一定温度和湿度下转化为体积膨胀的结晶水化物，体积膨胀，破坏混凝土结构[[[] 金伟良，赵羽习，混凝土结构耐久性，科学出版社，2002（9）]]。

3）冻融破坏

冻融包含水冻和盐冻，水在结冰时体积膨胀9%，造成混凝土的胀裂；盐冻较水冻严重得多，这是因为盐的存在使混凝土更容易饱水，结冰时不仅存在着水的结晶压力，同时由于内外浓度差使内外、内部存在很大的渗透压，造成混凝土开裂。

4）化学侵蚀

地下水中硫酸盐、镁盐还会和混凝土中的CaO・Al2O3和Ca(OH)2反应，生成的Mg(OH)2疏松无胶凝性，降低混凝土碱度，生成的水化硫铝酸钙含有大量结晶水，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。

另外，在温度低于15 ℃条件下，在硫酸盐、碳酸盐共同作用下因，还可能形成碳硫硅钙石（Ca3(SO4)(CO3)[Si(OH)6]*12H2O），其结果是生成的碳硫硅钙石毫无胶结能力，致使结构破坏。

在京津地区还可能发生的一种反应是碱骨料反应，是指混凝士中的碱或来自地下水中的碱与某些活性骨料发生化学反应，引起混凝土膨胀开裂，甚至破坏。包括碱、硅酸反应和碱、碳酸反应，不同类型碱、骨料反应的共同特征是：骨料发生膨胀和开裂。

1.2.2侵蚀性地下水对钢筋的腐蚀

钢筋腐蚀破坏被确认为是导致钢筋混凝土结构过早破坏的一个最主要的原因。

铁锈的体积为原体积的2~4倍，在混凝土内部产生膨胀应力，这个应力超过混凝土的抗拉强度后就会导致钢筋保护层混凝土的开裂和剥落，失去保护层的钢筋其锈蚀反应会进一步加速。

2提高污水厂钢筋混凝土结构抗腐蚀性的方法

污水处理厂混凝土耐久性是一个复杂的问题，科学的结构设计是前提、合理的材料配比是基础，而针对性的施工工艺则是关键，合理的养护制度是保障。为保障污水处理构筑物的耐久性，必须从设计、材料、施工、养护等全方位、全过程考虑。

2.1 应用高性能混凝土

以前的设计规范中，主要考虑混凝土的强度。随着耐久性意识的提高，普通混凝土逐步向高性能方向发展。通过加入比水泥颗粒更细小的掺加料如微硅粉、优质粉煤灰、矿渣，并采用高效减水剂使混凝土可以采用较低的水灰比、较小的用水量的手段，混凝土的整体性能得到大幅度提高，在有抗冻要求的环境下还应掺用引起剂。在混凝土强度提高的同时，密实度增加，混凝土自身抗渗性提高，大大提高混凝土的耐久性。

2.2 钢筋阻锈剂的应用

对于钢筋防护而言，在任何情况下混凝土质量都是最重要的。如果混凝土材料或施工质量不好，或设计有缺陷等都会加速病害的发生和发展速度。在高质量混凝土的基础上掺加钢筋阻锈剂，被认为是长期保护钢筋延缓腐蚀破坏、实现设计寿命的最简单、最经济和有效的技术措施。加入钢筋阻锈剂能起到两方面的作用：一方面推迟了钢筋开始生锈的时间，另一方面，减缓了钢筋腐蚀发展的速度。

2.3混凝土的预防性保护

在许多场合，单靠结构的自防水是不够的，强化防腐蚀是必要的手段。如使用密封剂和涂装材料。其功能主要是减少钢筋混凝土结构中的电解液，从而减缓电化学锈蚀反应的进程。另外，密封剂和涂装材料还可以防止化冰盐、二氧化碳和氧气等对结构的侵入从而减缓钢筋的锈蚀，这类保护还可以降低冻融循环对结构的破坏，提高结构抗冻融循环的能力。使用有机硅类的防护材料可不改变结构的外观，但防水防腐效果非常优异，相对低廉的成本和易于施工是这类材料的主要优点。

3结论

由于钢筋混凝土结构的复杂性及环境影响因素的不确定性，其腐蚀过程是非常复杂的。目前，随着研究工作的不断深入，混凝土已经从粗放转向精细的定量化设计，污水环境下的混凝土腐蚀与防护技术已经取得了阶段性的成果。耐久性观念已经开始深入人心，并落实到工程的各个环节

参考文献：

[1] G A, Drew W, Vaughan G. Studies of sulfate removal in a model sewer. Water Wastewater Assoc. 10th(Eng.), 1983,43/1-43/

[2] S. Valls, E. VA zquez. Stabilisation and solidification of sewage sludges with Portland cement. Cement and Concrete Research ，2000 (30) ：1671-1678

[3] 沈萍，微生物遗传学，武汉大学出版社

[4] 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

[5] Jean-Marc Tulliani, Laura Montanaro, Alfredo Negro and Mario Collepardi. Sulfate attack of concrete building foundations induced by sewage waters. Cement and concrete research, 2002,32 (6). 843-849

[6] Walsh，piped，Dan ford Metal. The effect of microstructure on micro-biollogically-influeliced corrosion. Jim，1993，45(9):22- 50

[7] M.A.D.Torre，G.Gomez-Alarcd，G. Vizcaino，and M.T. Garcia，Biogeochemistry, 19，129(1993)

[8] M.A.13.Torre，G.Gomez-Alarcov.and J.M.Palacios. Micro biotech, 1993(40): 408

[9] 金伟良，赵羽习，混凝土结构耐久性，科学出版社，2002（9）