污水處理廠水池結(jié)構(gòu)腐蝕原因分析與處理

羅國彰

（廣東省建筑工程機(jī)械施工有限公司 廣州510500）

0 引言

近年來我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程發(fā)展速度迅猛，城市的污水治理問題也越發(fā)突出，國家為此投資建設(shè)了大量污水處理廠。一般污水處理廠的設(shè)計(jì)使用年限為50年，但由于長期處于污水環(huán)境中，很多年份較長的污水構(gòu)筑物已經(jīng)出現(xiàn)了不同程度的混凝土結(jié)構(gòu)腐壞，甚至有部分較新的污水處理廠也開始發(fā)生腐蝕破壞的情況，這些腐蝕破壞對城市污水處理能力的保證或提升構(gòu)成了不同程度的傷害。目前，行業(yè)內(nèi)并沒有明確污水構(gòu)筑物的防腐規(guī)范要求，加上節(jié)約資金的原因，污水構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)的防腐沒有得到妥善的解決。

本文針對污水構(gòu)筑物混凝土在污水環(huán)境中的腐蝕問題進(jìn)行相關(guān)研究。

1 污水處理廠建設(shè)情況與腐蝕情況調(diào)查

截止2020 年1 月底，全國累計(jì)共有10 113 個(gè)污水處理廠核發(fā)了排污許可證，其中公布了污染物排放總量或排放濃度限制信息的污水處理廠有9 873 座，占總數(shù)的97.6%。按規(guī)模分布來看，10 000～50 000 t/d規(guī)模的污水處理廠占比最多，有3 147 座，占比34.2%；5 000～10 000 t/d 規(guī)模的污水處理廠有989 座，占比10.7%；1 000～5 000 t/d規(guī)模的污水處理廠有2 282座，占比24.8%；1 000 t/d以下規(guī)模的污水處理廠有1 602座，占比17.4%。以上規(guī)模在10 000 t/d 以下的污水處理廠共4 873座，占比52.9%。

下面以廣州市某污水處理廠二期工程為例進(jìn)行調(diào)查和研究。

1.1 項(xiàng)目概況

廣州市某污水處理廠二期工程，土建工程為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主要構(gòu)筑物有初級粗格柵、初級細(xì)格柵及曝氣沉砂池、初級計(jì)量井、初級高效沉淀池、初級加藥間、初級儲(chǔ)泥池等。初級高效沉淀池是廠區(qū)最大的現(xiàn)澆鋼筋混凝土構(gòu)筑物，長71.1 m，寬36.4 m，池壁高8.6 m，基坑埋深7.6 m，最深達(dá)10.45 m。工程于2017 年11 月竣工驗(yàn)收合格，次月投入使用。

1.2 水池腐蝕狀況

2020 年7 月初，區(qū)廠運(yùn)營管理人員巡查發(fā)現(xiàn)細(xì)格柵沉砂池進(jìn)水口立柱、頂板及側(cè)壁鋼筋混凝土局部出現(xiàn)水泥砂漿及混凝土保護(hù)層剝落情況，出現(xiàn)部分骨料石子及箍筋裸露等缺陷情況。

此后監(jiān)理單位組織建設(shè)、設(shè)計(jì)、施工等單位相關(guān)人員到細(xì)格柵沉砂池進(jìn)水口進(jìn)行實(shí)地勘查，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)鼓細(xì)格柵至進(jìn)水口之間的水倉內(nèi)靠近進(jìn)水口的立柱中上部、頂板和部分側(cè)壁混凝土結(jié)構(gòu)出現(xiàn)保護(hù)層剝落、麻面嚴(yán)重等情況，但立柱下部、水倉底板、轉(zhuǎn)鼓細(xì)格柵池壁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)情況良好。

具體位置如圖1所示。

圖1 發(fā)生混凝土剝落部位平面及剖面Fig.1 Plan and Section of Concrete Spalling Site

從圖2 可以看出，污水構(gòu)筑物的腐蝕表現(xiàn)為構(gòu)筑物表面發(fā)生明顯粉化、剝落、開裂、鋼筋外露、表面呈蜂窩麻面狀等現(xiàn)象，從而影響混凝土構(gòu)筑物的耐久性和安全性。

2 腐蝕原因分析

混凝土被腐蝕的原因比較復(fù)雜，其中污水的成分對混凝土腐蝕有著重要影響，特別是其中含有的酸性物質(zhì)是直接造成混凝土被腐蝕的主要原因［1］。本工程污水處理是多級處理，逐級過濾，污水通過高壓泵機(jī)往上輸送，強(qiáng)大的水流對構(gòu)筑物存在著較大強(qiáng)度水流沖刷的物理傷害。下面將從污水成分、酸性物質(zhì)的化學(xué)作用和水流沖刷的物理作用等方面進(jìn)行原因分析。

2.1 污水成分分析

根據(jù)來源分類，城市污水主要有工業(yè)類和生活類污水。工業(yè)類污水主要是來自印染、化工、造紙等污染較大的企業(yè)在生產(chǎn)過程中排放。由于這些工業(yè)污水中含有較高的有害物質(zhì)，國家規(guī)定在排放前需要經(jīng)過企業(yè)預(yù)處理，使污水的排放指標(biāo)（主要是指pH 值、懸浮物、酸性物等含量）達(dá)到規(guī)定，才允許排入市政污水處理系統(tǒng)；生活類污水主要是生活污水和雨污水等，這類污水直接排入市政污水處理系統(tǒng)。從相關(guān)調(diào)查研究文獻(xiàn)分析可得知，污水處理廠的污水主要成分如表1所示。

據(jù)國家有關(guān)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，每年我國工業(yè)類污水排放量約達(dá)240 億m3，排放的有機(jī)污染物（以BOD5計(jì)）約600 萬t。僅造紙行業(yè)一年排放的廢水量就有33 億m3，排放懸浮物約146 萬t，有機(jī)污染物（以BOD5計(jì)）143萬t。

圖2 池體結(jié)構(gòu)混凝土剝落實(shí)景Fig.2 The Concrete Stripping of the Pool Structure

表1 污水處理廠污水主要成分［2］Tab.1 Main Components of Wastewater from Sewage Treatment Plants

據(jù)有關(guān)統(tǒng)計(jì)，重點(diǎn)鋼鐵企業(yè)外排酚978 t，氰化物494 t，油類8 345 t，懸浮物59.5 萬t，COD 10.4 t。全國范圍內(nèi)化工類企業(yè)超標(biāo)排放的污水超過7 000 萬m3，污水中含有大量的砷、氰、酚等化合物以及重金屬離子，超出國家規(guī)定允許的排放指標(biāo)。根據(jù)統(tǒng)計(jì)預(yù)計(jì)，到2025 年，全國污水的年排放總量將達(dá)到574 億m3，其中大概有80%可以順利排入市政污水系統(tǒng)，城市污水一級、二級總處理率為20%，處理量為114.8億m3。

2.2 化學(xué)侵蝕

城市污水中存在著酸、鹽和大量有機(jī)物。污水處理廠一般處于地下，這些物質(zhì)常年處于密閉或通風(fēng)不良的水池構(gòu)筑物中，與混凝土結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不同程度的化學(xué)反應(yīng)，從而造成污水構(gòu)筑物的化學(xué)腐蝕。在污水環(huán)境中混凝土至少受到3種主要侵蝕作用：無機(jī)物侵蝕、有機(jī)物侵蝕、微生物腐蝕與生物污損［2］。

2.2.1 無機(jī)物侵蝕

無機(jī)物質(zhì)是主要指酸、堿和無機(jī)鹽?；炷帘旧砭褪且环N堿性材料，內(nèi)部孔隙中液體的pH 值一般為12.5～13.5，因此堿性類的介質(zhì)一般不會(huì)侵蝕混凝土。污水中的酸性物質(zhì)主要來源于工業(yè)污水，例如冶金企業(yè)排放的污水、造紙企業(yè)產(chǎn)生的污水等。各種酸性液體都能不同程度地侵蝕混凝土。有大量統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明，酸性液體（pH值低于6.5）可與混凝土中的Ca（OH）2生成具有可溶性的鈣鹽，當(dāng)鈣鹽被水流帶走流失，就造成混凝土被侵蝕的現(xiàn)象。如遇到酸性濃度高的液體（硫酸、鹽酸和硝酸等），便將分解混凝土中的鋁酸鈣和水化硅酸鈣，致使混凝土密實(shí)度被破壞，強(qiáng)度降低。污水的溫度對侵蝕也有較大影響，水溫越高侵蝕作用就越大。研究表明，如污水中存在硫酸分子，即便濃度很低，也會(huì)與混凝土中的Ca（OH）2反生化學(xué)作用生成石膏，石膏繼而與污水中的水化鋁酸鈣發(fā)生化學(xué)作用生成鈣礬石，也就是通常說的水泥桿菌，使混凝土產(chǎn)生膨脹性破壞。

2.2.2 有機(jī)物侵蝕

污水中含有大量的各類有機(jī)物質(zhì)，如脂肪、蛋白質(zhì)、碳?xì)浠衔锏?，但長期以來，相關(guān)研究都不重視甚至忽略了有機(jī)物對混凝土產(chǎn)生的侵蝕作用。有相關(guān)研究表明，污水中含有的脂肪酸、乳酸、蛋白質(zhì)等多種有機(jī)酸，雖然這些有機(jī)酸的酸性較弱，但也會(huì)對混凝土造成不同程度的侵蝕。機(jī)理與強(qiáng)酸相似，即首先與Ca（OH）2反生化學(xué)作用，進(jìn)而生成可溶性鹽，在水流的作用下被水溶解帶走。此外，污水中的有機(jī)物質(zhì)是微生物的主要營養(yǎng)源，這給微生物侵蝕提供了有利的溫床。

2.2.3 微生物腐蝕

微生物腐蝕是指附著在材料（包括金屬及非金屬）表面的生物膜中微生物的生命活動(dòng)導(dǎo)致或促進(jìn)材料的腐蝕或破壞。有研究表明，微生物腐蝕是污水治理環(huán)保工程中比較常見的一種現(xiàn)象。城市污水進(jìn)入市政污水處理系統(tǒng)后，污水中含有的大量無機(jī)和有機(jī)污染物會(huì)被流水混合→中和稀釋→擴(kuò)散，進(jìn)而濃度增大。一部分比較重的粒子沉降到水體底部，在水池底形成淤泥。這些淤泥含有大量有機(jī)物質(zhì)正好成為微生物的營養(yǎng)供給來源，有機(jī)物被微生物分解、消化后產(chǎn)生大量甲烷、氮和硫化氫等氣體。雖然硫化氫本身對混凝土無明顯的侵蝕作用，但由于長期處于通風(fēng)不良的地下空間，聚集的硫化氫便與池體混凝土表面的凝聚水膜生成硫酸，從而對混凝土產(chǎn)生較強(qiáng)的腐蝕作用。

2.3 物理作用

據(jù)了解，污水處理廠日常運(yùn)營不能連續(xù)作業(yè)，很多時(shí)候是干濕交替地循環(huán)作業(yè)?；炷劣捎谧陨聿牧系奶匦?，不可避免地產(chǎn)生相應(yīng)的收縮，導(dǎo)致其表面產(chǎn)生一些不同程度的裂紋，酸性腐蝕分子便可通過裂紋進(jìn)入混凝土內(nèi)部進(jìn)行侵蝕，并繼續(xù)通過裂紋進(jìn)行不斷擴(kuò)散侵蝕［3］。當(dāng)污水中的酸性分子通過不斷侵蝕滲入混凝土內(nèi)部后，會(huì)繼續(xù)與水泥水化產(chǎn)物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成鈣礬石和石膏等膨脹性產(chǎn)物。同時(shí)由于存在干濕循環(huán)的作用，加劇混凝土的劣化，導(dǎo)致其內(nèi)部出現(xiàn)Na2SO4·10H2O 結(jié)晶，產(chǎn)生膨脹應(yīng)力，從而破壞混凝土內(nèi)部的密實(shí)性［4］。本工程中同時(shí)也存在著強(qiáng)力水流沖刷，是導(dǎo)致混凝土剝落的重要原因。以下通過幾個(gè)實(shí)驗(yàn)可以更好地解釋腐蝕的物理原因。

2.3.1 汞孔隙率法（MIP試驗(yàn)）［5］

通過相關(guān)文獻(xiàn)MIP 試驗(yàn)結(jié)果分析可知：混凝土構(gòu)件處于污水環(huán)境之下未遭受污水酸性分子腐蝕時(shí)，孔隙率通常為20%左右。由圖3 可見，在混凝土腐蝕早期孔隙率呈快速下降趨勢，在干濕循環(huán)作用達(dá)到40次時(shí)降到最小值，僅為8%左右。后期隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加，孔隙率呈反向增大趨勢，180 次時(shí)達(dá)到峰值，約25%左右。在干濕循環(huán)的不斷作用下，孔隙率的變化曲線呈現(xiàn)為先減小后增大，之所以發(fā)生這種變化是因?yàn)殁}礬石、石膏和Na2SO4·10H20 結(jié)晶等物質(zhì)具有膨脹性的填充作用，致使混凝土發(fā)生微小的膨脹性開裂；水泥水化作用更加劇這種膨脹性開裂。

圖3 混凝土孔隙率經(jīng)時(shí)變化規(guī)律Fig.3 The Porosity of Concrete Changes Over Time

2.3.2 超聲波聲速測試方法［2］

有相關(guān)超聲波聲速測試方法研究發(fā)現(xiàn)（見圖4）：在混凝土構(gòu)件早期階段，超聲波聲速值隨著干濕循環(huán)次數(shù)的增加而快速增大，當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到40次左右時(shí)，超聲波聲速的峰值約為5 km/s；峰值過后則呈下降趨勢，隨著時(shí)間推移，降低趨勢越明顯；當(dāng)干濕循環(huán)次數(shù)達(dá)到180 次左右時(shí)，超聲波聲速值的趨勢低于混凝土未被侵蝕時(shí)?；炷脸暡曀僦档淖兓€反映了混凝土在干濕循環(huán)作用下，其內(nèi)部密實(shí)度由密實(shí)狀態(tài)發(fā)展到疏松狀態(tài)的過程。

圖4 混凝土超聲波聲速值經(jīng)時(shí)變化規(guī)律Fig.4 The Variation Law of Ultrasonic Velocity of Concrete through Time

2.3.3 單軸壓縮試驗(yàn)［5］

從圖5可以發(fā)現(xiàn)：在干濕循環(huán)的作用下，早期混凝土抗壓強(qiáng)度值呈現(xiàn)快速增大趨勢，干濕循環(huán)達(dá)到40次左右時(shí)，混凝土抗壓強(qiáng)度變化曲線達(dá)到頂峰，約為54 MPa；隨后抗壓強(qiáng)度值呈現(xiàn)下降趨勢，隨著時(shí)間和次數(shù)的增加，降低的趨勢愈明顯；達(dá)到180 次左右時(shí)，其值變化曲線低于蝕混凝土被未侵時(shí)?；炷量箟簭?qiáng)度值曲線與MIP試驗(yàn)結(jié)果、超聲波測試結(jié)果一致。

圖5 混凝土抗壓強(qiáng)度值的經(jīng)時(shí)變化規(guī)律Fig.5 The Variation Law of Concrete Compressive Strength through Time

2.3.4 流速作用

經(jīng)過現(xiàn)場踏勘調(diào)查，實(shí)際腐蝕情況如圖6 所示。從圖6 中可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)生腐蝕剝落嚴(yán)重的地方位于提升泵出水口，提升泵往上泵送的高速污水流對周圍混凝土結(jié)構(gòu)有較大強(qiáng)度的沖刷，同時(shí)由于工藝原因該水流具有“沖刷-停頓-沖刷”反復(fù)循環(huán)的特點(diǎn)。調(diào)查中了解到此處污水流速高達(dá)4 000 m3/h，混凝土表面存在大量毛細(xì)孔，在高速流水沖刷作用下，大量固相水化物被溶解，致使混凝土表面孔隙率不斷增大，甚至出現(xiàn)裂紋。當(dāng)構(gòu)筑物表面混凝土被腐蝕的產(chǎn)物被帶離，新的表面繼續(xù)被侵蝕，如此長時(shí)間反復(fù)作用下，便導(dǎo)致進(jìn)出水處結(jié)構(gòu)發(fā)生腐蝕情況最為嚴(yán)重［6］。

圖6 提升泵出水口處梁板及混凝土柱腐蝕情況Fig.6 Corrosion of Beam Slab and Concrete Column at the Outlet of Lift Pump

通過上述的研究和分析，可以得到如下結(jié)論：

本工程污水構(gòu)筑物在污水環(huán)境化學(xué)作用下，經(jīng)受酸性污水分子的腐蝕，導(dǎo)致混凝土表面強(qiáng)度降低，經(jīng)輸送泵強(qiáng)大水流速度作用下，污水對已被腐蝕的混凝土構(gòu)筑物進(jìn)行較大強(qiáng)度、長時(shí)間的反復(fù)沖刷，從而導(dǎo)致污水構(gòu)筑物混凝土發(fā)生破壞，降低污水構(gòu)筑物的安全性和耐久性，大大縮短污水構(gòu)筑物的壽命。

3 應(yīng)對措施

結(jié)構(gòu)混凝土和鋼筋一旦產(chǎn)生銹蝕，時(shí)間長了會(huì)對結(jié)構(gòu)的安全性及耐久性產(chǎn)生極為不利的影響。為避免污水構(gòu)筑物被腐蝕，在建設(shè)初期應(yīng)嚴(yán)格把關(guān)，提早采取相應(yīng)措施，確保混凝土的耐久性和安全性。對于已經(jīng)受到腐蝕的污水構(gòu)筑物，應(yīng)當(dāng)盡早采取有效的技術(shù)處理措施。針對混凝土結(jié)構(gòu)的侵蝕情況，本文從設(shè)計(jì)和施工修復(fù)2個(gè)方面提出以下處理措施：

3.1 設(shè)計(jì)方面

本工程出現(xiàn)構(gòu)筑物混凝土大面積被腐蝕剝落的情況，與設(shè)計(jì)考慮不周的先天不足有很大關(guān)系。從圖1可以看出，污水泵出水口對著進(jìn)水倉的頂板、梁和柱，根據(jù)圖紙顯示，出水口與頂板凈空僅有0.5 m。出水口管徑為D920，出水壓力較大，近距離沖刷混凝土結(jié)構(gòu)頂板、梁和柱，從而造成混凝土構(gòu)件損壞嚴(yán)重。因此，日后在其他污水處理廠的設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分考慮水流的物理沖刷作用，優(yōu)化提升泵出水口與周邊混凝土結(jié)構(gòu)的距離，避免混凝土結(jié)構(gòu)遭受水流的強(qiáng)烈沖刷作用。如不可避免，則應(yīng)對被沖刷的混凝土結(jié)構(gòu)采取適當(dāng)?shù)谋Ｗo(hù)措施，以提高構(gòu)筑物的壽命［7］。

3.2 施工修復(fù)方面

對出現(xiàn)表面混凝土碳化剝落、鋼筋外露等腐蝕較嚴(yán)重的構(gòu)件，首先應(yīng)對混凝土結(jié)構(gòu)進(jìn)行清理，鑿除強(qiáng)度不足、松動(dòng)的混凝土、石子，并清掃干凈；對已被腐蝕的鋼筋做除銹處理，若鋼筋存在斷裂的應(yīng)當(dāng)補(bǔ)足原設(shè)計(jì)鋼筋數(shù)量，并涂刷鋼筋保護(hù)劑［8］。在混凝土結(jié)構(gòu)表面涂刷新舊混凝土界面劑，并掛設(shè)鍍鋅鐵絲網(wǎng)片（線徑0.6 mm，孔徑2 cm×2 cm），采用摻有阻銹劑環(huán)氧砂漿抹平，可更好地防止混凝土被腐蝕，保證結(jié)構(gòu)后期的安全使用［9］。如構(gòu)件有較高的承載力要求，修復(fù)時(shí)可結(jié)合使用粘貼碳纖維布或鋼板的方式進(jìn)行加固［10］。

施工工藝流程為：基面處理（清除水泥凈漿表層或松散層）→掛篩網(wǎng)→涂刷新舊混凝土界面劑→3 cm環(huán)氧砂漿批蕩→4 mm 耐沖刷防腐抗?jié)B環(huán)氧砂漿批蕩→混凝土養(yǎng)生。

4 結(jié)論

本文通過研究混凝土構(gòu)筑物處于污水復(fù)雜環(huán)境中遭受的侵蝕機(jī)理，結(jié)合其運(yùn)營實(shí)際情況，可以得出以下結(jié)論：

⑴污水構(gòu)筑物混凝土在污水環(huán)境下，由于混凝土自身的材料特性，與污水中的酸性分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)造成化學(xué)侵蝕，同時(shí)遭受污水中微生物的生化作用產(chǎn)生膨脹性開裂，加上水流沖刷的物理作用，從而導(dǎo)致污水構(gòu)筑物混凝土發(fā)生腐蝕、剝落的情況。

⑵ 針對構(gòu)筑物混凝土在污水環(huán)境中的腐蝕情況，本文從設(shè)計(jì)與施工2個(gè)方面提出優(yōu)化與修復(fù)措施。一方面是在設(shè)計(jì)階段充分考慮污水處理工藝特點(diǎn)，盡可能減輕水流對構(gòu)筑物的物理沖刷作用。另一方面是后期施工修復(fù)應(yīng)針對不同程度的腐蝕情況，結(jié)合混凝土界面劑、鐵絲網(wǎng)片以及環(huán)氧砂漿材料進(jìn)行修復(fù)。

本文總結(jié)了污水處理廠混凝土結(jié)構(gòu)被腐蝕破壞的原因，并提出了設(shè)計(jì)和施工修復(fù)方面的處理意見和措施，可為其他污水處理工程的腐蝕處理提供積極的借鑒意義和參考作用。