混凝土微生物腐蚀的作用机制和研究方法

混凝土微生物腐蚀的作用机制和研究方法

简要叙述了污水组成及其微生物代谢产物，介绍了商品混凝土微生物腐蚀的作用机制及其研究现状，并论述了当前关于商品混凝土微生物腐蚀研究的主要内容、采取的腐蚀实验方案和相关的微生物学方法，最后强调了国内开展商品混凝土微生物腐蚀研究的紧迫性。

1商品混凝土的微生物腐蚀与危害

工业和城市污水中常含有大量不同种类的微生物，由于微生物代谢造成商品混凝土的腐蚀称为商品混凝土的微生物腐蚀。微生物腐蚀可导致污水处理设施中商品混凝土结构表面砂浆脱落，骨料外露，严重时可产生开裂和钢筋锈蚀，从而使其服役寿命大大缩短。这不仅直接影响了城市的整体功能，而且重建或维修还将导致可观的经济损失。据统计，德国建筑材料的破坏中微生物腐蚀所占份额约为10 %～20 %。 20世纪70 年代，仅德国汉堡市污水管道系统因微生物腐蚀造成的维修费用就高达5 000 万马克；美国洛杉矶市1 条总长1 900 km 的商品混凝土污水管道，其中208 km 已遭到微生物腐蚀破坏，其修复更换费用高达4 亿美元，而整个美国现已有80 万km 的污水管道因商品混凝土遭受微生物腐蚀而需要修复或完全更换；其他如日本、德国、澳大利亚等国都面临着类似问题。国内近期进行的污水处理工程现场调查也表明：由于商品混凝土遭受微生物腐蚀，20 世纪80 年代中期投入运行的污水处理厂现已遭到严重的腐蚀破坏，难以达到设计使用年限；20 世纪90 年代后期新投入运行的污水处理设施，局部已可观察到明显的腐蚀现象。鉴于其严重危害性，商品混凝土的微生物腐蚀很早就引起西方国家的重视，至今一直在对其作用机理和控制措施进行广泛研究，

而国内在这方面的研究一直很少，相关报道也十分鲜见。本文论述商品混凝土

微生物腐蚀的作用机制、研究内容及方法，以期推动国内的商品混凝土微生物腐蚀研究。

2商品混凝土微生物腐蚀的作用机制

污水中的微生物（主要为细菌）需摄取营养进行生命代谢。按照所需营养物（底物）的不同，细菌可分为自养和异养两类。自养细菌以无机盐为营养，从无机物或阳光中获取能量；异养细菌依靠有机物作为营养，从有机物的分解中获取能量。而按照细菌代谢时的呼吸作用类型，细菌又可分为好氧菌、厌氧菌和兼性菌。好氧菌在有氧条件下生存；厌氧菌在无氧环境下生长；兼性菌则在有氧环境和无氧环境下均可生存。污水中共存有大量含碳、氢、氧、氮、硫、磷等元素的有机物和（或）无机物。由于微生物的代谢作用，有机物在好氧条件下最终分解为二氧化碳、水、硝酸盐、硫酸盐、磷酸盐等；厌氧条件下则最终分解为甲烷、二氧化碳、氨、硫化氢等。无机物的微生物代谢主要包括无机氮、硫、磷的转化，好氧条件下最终转化为硫酸、硝酸及其盐，以及磷酸盐等；厌氧

条件下则形成亚硝酸盐、氮气、PH

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、硫化氢等物质。此外，有机物的代谢过程还将形成大量的脂肪酸、各种羧酸、氨基酸等中间产物。因此，微生物的代谢使污水成为复杂的介质体系，许多代谢产物都对商品混凝土具有潜在的腐蚀作用。 1945 年，Parker 首次认识到，硫细菌的代谢产物——生物硫酸是造成商品混凝土腐蚀的主要原因，并通过分析商品混凝土污水管道腐蚀破坏的过程和特征，提出了商品混凝土微生物腐蚀的作用机理：厌氧环境下，硫酸盐还原细菌

（SRB）将管道底部硫酸盐或有机硫还原为H

2S ， H

2

S进入管道未充水空间；

好氧环境下，硫氧化细菌（SOM）氧化为生物硫酸，硫酸导致水泥水化物C-S-H

分解，并与Ca （OH）

2

反应生成石膏，石膏进一步导致钙矾石生成，产生膨胀使商品混凝土管壁腐蚀破坏。 Parker 提出的腐蚀作用机理一直被广泛认同和引用。但近年来的研究，已使该机理获得进一步深化并有了新的认识。污水中存在多种硫氧化细菌，按其适宜生长的环境可分为嗜中菌（NSOM）和嗜酸菌（ASOM）两大类。为参与商品混凝土微生物腐蚀的5 种典型硫氧化细菌及其特性，前4 种为嗜中菌，后 1 种为嗜酸菌。 Islander 通过不同种类硫氧化细菌对商品混凝土的腐蚀作用研究，深化了Parker 的腐蚀作用机理（见图2）：商品混凝

土表面的起始p H 值高达11～13 ，不适应细菌的生长，需由H

2 S 和CO

2

的中

性化作用先使商品混凝土表面p H 值降低，嗜中菌随后能够在较高p H 值（－9）

环境下生长，使商品混凝土表面p H 值降低至4～5 ，为嗜酸菌的大量繁殖提供环境条件和营养物质，嗜酸菌代谢的产酸作用又进一步将商品混凝土表面的p H 值降低至1～2 ，从而使商品混凝土遭受严重腐蚀。 Mori 的研究则认为，异氧真菌也参与了商品混凝土的微生物腐蚀，它能够在较高p H 值环境下生长代谢，并降低商品混凝土表面的p H 值，同样为嗜酸硫氧化菌的大量繁殖提供条件。室内模拟微生物腐蚀实验也表明，供给硫氧化细菌不同含硫底物时，商品混凝土遭

受腐蚀程度也不相同，以H

2

S 为底物时的商品混凝土受腐蚀程度远大于以硫代硫酸钠为底物时的商品混凝土受腐蚀程度；以甲基硫醇为底物时，则不造成腐蚀，说明硫氧化细菌不能直接以甲基硫醇作为营养物质，推测实际污水中，可能是由好氧的异氧菌将其先转化为硫氧化细菌可以利用的物质，因此，污水中生物硫酸的腐蚀可能存在其他菌种细菌生命代谢的协同作用。业已发现，污水中的异氧真菌能够在很宽的p H 值范围内分解有机含硫物质，为硫氧化细菌提供营养，这证实了Mori 的观点。依据Parker 的观点，好氧条件下，硫氧化细菌代谢产

生的生物硫酸是商品混凝土微生物腐蚀的根本原因。但已有实验研究发现，硝化细菌通过对胺的硝化作用生成硝酸，同样对商品混凝土造成了严重酸腐蚀；室内模拟污水和微生物腐蚀实验均证实，即使在厌氧条件下，商品混凝土也会遭受严重腐蚀。这可能与某些异养微生物如真菌厌氧代谢生成的草酸、乙酸、丙酸等有机酸及碳酸有关，其腐蚀机理可能在于有机酸与钙离子形成可溶性的螯合物，导致水泥水化物分解。因此，商品混凝土的微生物腐蚀可能还存在其他作用机理。商品混凝土的微生物腐蚀不同于一般化学腐蚀，微生物首先需在商品混凝土表面附着，繁殖代谢形成所谓的生物膜。生物膜影响传质过程，使膜中微生物的分布和生长代谢不同于水体，从而对商品混凝土的腐蚀动力学过程产生影响。目前，这方面的研究还相当缺乏，有限的实验结果表明，嗜中性的硫氧化细菌只在生物膜表层大量繁殖，嗜酸性的硫氧化细菌则可在商品混凝土生物膜内保持活性并大量繁殖，而且嗜酸性的硫氧化细菌能与生物硫酸一起渗入商品混凝土内部，并进一步代谢产酸从而加剧商品混凝土的腐蚀。因此，由于嗜酸性的硫氧化细菌能够直接在商品混凝土内部持续繁殖代谢并生成生物硫酸，当p H 值相同时，生物硫酸对商品混凝土的腐蚀作用将大于化学硫酸，而气液界面处的商品混凝土生物膜具有硫氧化细菌生长的最佳环境，致使该处商品混凝土遭受的腐蚀也最为严重。

3 商品混凝土微生物腐蚀的研究方法

3.1 商品混凝土微生物腐蚀的研究内容商品混凝土的微生物腐蚀研究是涉及材料学、微生物学、生物化学、土木工程等诸多学科的交叉学科。目前，微生物腐蚀的作用机理，尤其是生物膜对商品混凝土腐蚀动力学的影响仍需要深入研究，而研究的根本目的在于建立有效防治措施，确保污水设施达到预期的服役寿