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生物膜对混凝土材料抵抗污水腐蚀发挥的作用

        在世界范围内,水泥混凝土长期以来被广泛应用于市政基础设施由于其优良的耐久性。然而污水水质恶化对混凝土制备的污水管道具有一定的腐蚀作用。根据相关研究报道在世界上的许多地方数以百万计的美元正被花费在污水管道的修理和全面修复。有报道称德国每年的下水道系统维护费用估计耗资约1000亿欧元。在美国洛杉矶市,大约10%的下水道管道受到明显腐蚀,而对齐进行了修复的成本高达4亿美元。据估计在未来20年,美国各州仍然需要投资3900亿美元来修复现有的污水管道设施。在中国,近年来道路塌陷频繁发生,主要是由于地下污水管网的老化。经过40年的使用,这5厘米长厚的混凝土管道只有2厘米作用后了,而且我国污水管道的直径较小,随着中国城镇的不断扩大,不断发展人口的迅速增长,上世纪80年代设计的许多非全流程管道现在已经满负荷运行。

图1、unisense微电极测试系统应用与污水生物膜的测试实验装置图

      污水对混凝土的腐蚀机理非常复杂,除了物理和化学作用的机制。有研究发现细菌参与了下水道内部混凝土的劣化,并提出腐蚀机理是硫循环的结果,这也被广泛接受。这是一个复杂的过程,包括物理吸附气态H2S,化学和生物硫化物氧化成各种硫化物,硫酸与混凝土发生反应。为了全面了解生物膜对混凝土材料抵抗污水腐蚀发挥的作用,研究人员采用人工强化处理污水的方法,模拟和加速了污水中微生物的腐蚀,应用了丹麦unisese微电极系统研究了砂浆上生物膜的微生物结构和活性表面(图1所示)。该系统的具体的研究过程是首先在砂浆表面放置密实网状结构的丝袜上生长生物膜,使生物膜容易从砂浆表面脱落,从而保护unisense微电极尖端不受损伤。unisense微电极的尖端头直径为5 um,响应时间在10秒左右。污水生物膜的位置表面在显微镜下确定的。生物膜均固定于浸在反应器产生的污水中的琼脂上,采用unisense微电极检测系统测定了生物膜内pH和O2的原位稳态浓度分布,所有的测量都是在20摄氏度的温度下,在几分钟内获得相关生物膜内的pH和O2的原位稳态浓度(图2所示)

图2、生长在不同污水 (a)BS1, (b) BS2, (c) BS3, (d) BS4)的生物膜30天后 ,应用unisense微电极穿刺生物膜表面的氧浓度剖面及pH值

      研究人员制备了不同化学需氧量(COD)值的人工强化的污水,并对污水中添加和不添加生物膜的砂浆试样的重量变化进行了对比研究。采用扫描电镜(SEM)和x射线衍射(XRD)、等相关技术对试样的变质程度进行了评价,采用了激光共焦扫描激光技术和微电极技术对砂浆的表面生物膜进行了相关研究,分析了生物膜对砂浆老化的影响机理,在对矿砂浆生物膜的表面的相关物性参数(氧气、pH)使用了尖端直径为5um的unisense微电极(氧气,pH)穿刺到生物膜表面,研究生物膜内不同位置处的pH和O2的原位稳态浓度分布,在基于灰色关联分析模型,结合unisense系统测试的污水pH值(SpH),生物膜的pH值(BpH),生物膜厚度(BT)、生物膜的孔隙度(BP),改变生物膜的氧和率(KDO)和生物膜作用系数(BA)等结果,对生物膜对砂浆恶化的影响机制进行定量分析,得出了普通污水中的样品,生物膜的厚度起着主要作用,尤其是在第一个月,而在污水浓度过高的情况下,污水的腐蚀性增加对后期生物膜对砂浆的防护作用会明显降低的结论,该机理的提出也大大丰富了研究人员关于生物膜对污水系统混凝土腐蚀影响机理。 




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