污水管道中混凝土微生物腐蝕的緩解措施

劉本山 佟 瑤 段厚瑞

(1、黑龍江大學(xué)水利電力學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080 2、黑龍江大學(xué)建筑工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150080）

1 概述

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對健康衛(wèi)生城市的要求越來越高，雖然污水管道系統(tǒng)的建設(shè)在很大程度上滿足了人們的需求，但是在大量建造污水管道的同時，一些有關(guān)管道損壞的問題也隨之暴露出來，且污水管道一般埋于地下，損壞后維修和更換的成本較高。造成污水管道損壞的原因有很多，其中由微生物的生長和代謝引起的腐蝕稱為混凝土微生物腐蝕，它已被認(rèn)為是全球范圍內(nèi)混凝土污水管網(wǎng)退化的主要原因之一，為了減少由混凝土生物腐蝕引起的經(jīng)濟(jì)損失和造成的安全隱患，相關(guān)研究學(xué)者一直在探尋有效的緩解腐蝕措施。但是由于污水管道中惡劣的環(huán)境以及混凝土微生物腐蝕的復(fù)雜機(jī)理，到目前為止，還未找到一種行之有效的緩解措施。

2 緩解腐蝕的措施

污水管道中混凝土微生物腐蝕一般與管道的結(jié)構(gòu)、管道中的環(huán)境以及管道的建筑材料等有關(guān)，因此要尋找有效的防腐措施，通常從優(yōu)化管道結(jié)構(gòu)、改善污水環(huán)境和提高管道材料性能等角度考慮。

2.1 優(yōu)化管道結(jié)構(gòu)

管道的結(jié)構(gòu)是影響混凝土生物腐蝕的重要因素，因此可以通過優(yōu)化管道結(jié)構(gòu)的方式緩解污水管道中混凝土的腐蝕，如優(yōu)化管道的設(shè)計結(jié)構(gòu)、調(diào)整管道的通風(fēng)、調(diào)整污水的流速等。

2.1.1 管道的設(shè)計結(jié)構(gòu)

美國研究人員Paker等人指出在污水管道混凝土微生物腐蝕中起主要作用的是厭氧的硫酸鹽還原菌[1]，它可以利用生物膜中的氫將硫酸鹽轉(zhuǎn)化成硫化氫，加速管道的腐蝕。而在污水管道的角落和轉(zhuǎn)彎處，污水的流速較慢，可以較長時間的停留，同時大量的有機(jī)質(zhì)和淤泥會被保存下來，這為硫酸鹽還原菌的生長和繁殖提供了有利的條件。因此，在設(shè)計管道時，應(yīng)選擇合適的管道的尺寸及坡度[2]，減少有機(jī)質(zhì)和淤泥的沉積，以此創(chuàng)造不利于硫酸鹽還原菌生存的有氧環(huán)境，進(jìn)而減少硫化氫的生成，保護(hù)管道。水管道中空氣部分硫化氫的濃度，減少與硫化氫與上部混凝土的反應(yīng)，進(jìn)而緩解混凝土的腐蝕。有調(diào)查研究表明，密封沙井比穿孔沙井的腐蝕情況更為嚴(yán)重[2]。通過對自然通風(fēng)量的研究，表明通過通風(fēng)口和進(jìn)水口產(chǎn)生的自然通風(fēng)量是有限的，不足以對混凝土微生物腐蝕產(chǎn)生顯著的緩解作用。同時從經(jīng)濟(jì)角度看，采取人工通風(fēng)的措施會導(dǎo)致成本的增加，不適宜大規(guī)模使用，因此僅在重要管道中才會考慮使用。

2.1.2 通風(fēng)

相對于液面以下的腐蝕，液面上部的腐蝕更為嚴(yán)重，特別是液面與空氣交接區(qū)域（如圖1所示）[3]。而通風(fēng)可以有效降低污

圖1 污水管道中混凝土微生物腐蝕示意圖

2.1.3 流速

采用泵壓方式控制污水管道的流速是緩解腐蝕的有效途徑。硫酸鹽還原菌適宜生長在缺氧條件下，當(dāng)增加污水流速時，污水中的溶解氧也會隨之增加，從而達(dá)到抑制硫酸鹽還原菌的目的。同時美國的Pomeroy和Bowlus指出污水的流速不宜過大，當(dāng)污水流速過大時，容易形成湍流，此時機(jī)械沖刷作用將取代微生物腐蝕，成為降低管道耐久性的主要因素。在一些管道設(shè)計規(guī)范中規(guī)定，污水的最大流速為2.4 m/s-4.5 m/s，最小流速為0.6 m/s[2]。

2.2 改善污水環(huán)境

污水中硫酸鹽還原菌起到“中轉(zhuǎn)站的作用”，將硫酸鹽轉(zhuǎn)化成硫化氫，進(jìn)而形成生物硫酸，引起腐蝕。因此抑制硫酸鹽還原菌的活性可以有效緩解污水管道中混凝土微生物腐蝕，通常采用調(diào)整污水的pH和改變氧化還原條件的方法。

2.2.1 改變氧化還原條件

污水管道中發(fā)生混凝土微生物腐蝕的前提是淤泥中的硫化物流入污水中，并生成硫化氫[2]。有研究表明，當(dāng)污水中溶解氧含量大于0.5 mg/l時，淤泥中的硫化物會被氧化。因此可以向污水管道中注入空氣或氧氣，增加污水中溶解氧的含量，從而達(dá)到減少硫化物的目的。除了增加污水中溶解氧的含量，還可以向污水中加入硝酸鹽來升高污水的氧化還原電位，硝酸鹽將先于硫酸鹽被還原，從而減少硫化物的形成。

2.2.2 調(diào)整污水的pH

加入氫氧化鈉等堿性物質(zhì)是降低硫酸鹽還原菌活性的有效途徑，當(dāng)污水pH達(dá)到9以上時，污水中的硫化氫含量幾乎可以忽略不計（如圖2所示）[4]，但使污水pH一直保持在9以上的成本較高，操作頻繁，不適宜大范圍使用；較簡便的方法是用氫氧化鈉將廢水的pH升高到12以上，保持20分鐘，此后兩周內(nèi)污水的pH可以滿足大于9的要求。

圖2 25℃時溶液pH與不同硫種類的關(guān)系

2.3 提高管道材料性能

制作管道的材料是決定管道耐久性能的直接因素，因此設(shè)法提高材料的性能是緩解污水管道中混凝土微生物腐蝕的關(guān)鍵。為滿足承載力和大口徑流量的要求，目前大部分的污水管道都是使用混凝土建造的。通常采用混凝土改性和表面涂層的方式。

2.3.1 混凝土改性

混凝土改性是指添加外加物質(zhì)來增強混凝土本身的性能以達(dá)到緩解腐蝕的作用。常用的外加物有礦物摻合料和聚合物。（1）摻加礦物摻合料可以降低水化硅酸鈣CSH的鈣硅比，一方面可以降低Ca(OH)2的含量，減少石膏等膨脹性物質(zhì)的產(chǎn)生，減少混凝土膨脹性開裂；另一方面改變了混凝土骨料/界面的過渡區(qū)域，增強了混凝土的抗?jié)B性能，常用的礦物摻合料有硅灰，粉煤灰和礦粉等；（2）摻加聚合物同樣可以增強混凝土密實度和抗?jié)B性能，防止侵蝕性物質(zhì)的入侵，同時聚合物還會起到聯(lián)結(jié)的作用，防止混凝土的開裂后裂紋的繼續(xù)發(fā)展[5]，常用的聚合物有苯乙烯丙烯酸酯、丙烯酸酯、苯乙烯丁二烯、乙烯共聚物和聚對苯二甲酸乙二醇酯。

2.3.2 表面涂層

表面涂層技術(shù)是指在混凝土管道的表面涂刷一層“保護(hù)層”，阻止侵蝕性物質(zhì)接觸混凝土，達(dá)到緩解腐蝕的目的。表面涂層可以分為兩種：惰性涂層和功能性涂層。惰性涂層具有較好的耐酸性能，可以有效保護(hù)混凝土，防止酸性物質(zhì)的腐蝕，如環(huán)氧樹脂、脲醛樹脂等；功能性涂層具有酸中和，抑菌的作用，例如氫氧化鎂和氧化鎂涂層可以中和管道表面的酸性物質(zhì)，硫磺砂漿涂層可以有效抑制硫酸鹽還原菌的生長，達(dá)到緩解腐蝕的目的。

表1 各種緩解腐蝕措施的優(yōu)缺點總結(jié)

3 結(jié)論

混凝土微生物腐蝕是多學(xué)科的綜合性問題，其造成的經(jīng)濟(jì)損失和安全隱患已經(jīng)引起各國的高度重視，然而，盡管相關(guān)的研究已經(jīng)進(jìn)行了很多年，找到了一些應(yīng)對的方法，但各種方法還存在各自的優(yōu)點和缺點。到現(xiàn)在為止，還沒有一種方法可以完全有效的解決混凝土微生物腐蝕。因此，要找到有效的方法解決這一問題仍需進(jìn)一步的研究和探討。