研究簡介：在世界范圍內(nèi)，水泥混凝土以其優(yōu)異的耐久性在市政基礎(chǔ)設(shè)施中得到了廣泛的應(yīng)用。然而據(jù)報(bào)道，世界上許多地方的混凝土污水管道、廢水收集和處理設(shè)施都在惡化，在維修和保養(yǎng)方面正花費(fèi)數(shù)百萬美元。污水對(duì)混凝土的腐蝕機(jī)理十分復(fù)雜，除物理化學(xué)作用外，微生物的侵襲已被確定為引起混凝土污水管道腐蝕的最重要原因。早期的研究就發(fā)現(xiàn)細(xì)菌參與了下水道內(nèi)部混凝土的劣化，并提出腐蝕機(jī)理是硫循環(huán)的結(jié)果。為了更好的了解生物膜在污水對(duì)混凝土的腐蝕機(jī)制，本論文研究人員制備了不同化學(xué)需氧量(COD)值的人工強(qiáng)化污水，并對(duì)污水中添加和不添加生物膜的砂漿試樣的重量變化進(jìn)行了對(duì)比研究，采用掃描電鏡(SEM)和微電極等技術(shù)對(duì)試樣的變質(zhì)程度進(jìn)行了評(píng)價(jià)。

丹麥Unisense微電極研究系統(tǒng)應(yīng)用

在砂漿表面放置密實(shí)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)的絲襪上生長生物膜，使生物膜容易從砂漿表面脫落，保護(hù)unisense微電極尖端不受損傷。微電極頭直徑為5 um，響應(yīng)時(shí)間在10秒左右。生物膜的位置表面在顯微鏡下測試確定的。生物膜的均固定于瓊脂上浸在反應(yīng)器產(chǎn)生的污水中，采用unisense微電極檢測系統(tǒng)測定了生物膜內(nèi)pH和O2的原位穩(wěn)態(tài)濃度分布，所有的測量都是在20攝氏度的溫度下，在幾分鐘內(nèi)完成的。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：采用人工強(qiáng)化處理污水的方法，模擬和加速了污水中微生物的腐蝕，研究了污水中摻加生物膜和不摻生物膜砂漿的重量變化規(guī)律。對(duì)比研究了砂漿上生物膜的微生物結(jié)構(gòu)和活性表面。在此基礎(chǔ)上，分析了生物膜對(duì)砂漿老化的影響機(jī)理。結(jié)果表明，在砂漿上形成的生物膜有污水導(dǎo)致的不同程度的腐蝕具有一定的阻隔作用。研究發(fā)現(xiàn)生物膜對(duì)砂漿惡化的影響機(jī)制可進(jìn)行定量分析,可以發(fā)現(xiàn)和主要影響因素。在第1個(gè)月，普通污水(COD=300 mg/L)中的樣品生物膜作用系數(shù)(BA)最低，主要是由于其生物膜較薄，但一直增加到60天。對(duì)于強(qiáng)化污水中的試樣，在整個(gè)腐蝕過程中，MS2的BA值最高，這可以解釋為其污水和生物膜的pH值較高，而MS3和MS4由于其生物膜結(jié)構(gòu)致密，在第一個(gè)月的BA值較高，在此之后，不斷增加的腐蝕性降低了生物膜對(duì)砂漿的保護(hù)作用，使得BA值大大降低。這也說明對(duì)于普通污水中的樣品，生物膜的厚度起著主要作用，尤其是在第一個(gè)月，而在污水濃度過高的情況下，污水的腐蝕性增加對(duì)后期生物膜對(duì)砂漿的防護(hù)作用會(huì)明顯降低。

圖1、unisense微電極測試系統(tǒng)應(yīng)用與污水生物膜的測試實(shí)驗(yàn)裝置圖。

圖2、砂漿載體生物膜不同生長周期（圖a 5天；圖b15;圖c 30天）對(duì)應(yīng)的的表觀形態(tài)。

圖3、人工污水中生物膜面積孔隙度與深度的關(guān)系

圖4、不同濃度污水樣品對(duì)應(yīng)的pH值隨時(shí)間的變化情況

圖5、生長在不同污水(a)BS1，(b)BS2，(c)BS3，(d)BS4）的生物膜15天后應(yīng)用unisense微電極穿刺生物膜表面的氧濃度剖面及pH值剖面。

圖6、生長在不同污水(a)BS1，(b)BS2，(c)BS3，(d)BS4）的生物膜30天后，應(yīng)用unisense微電極穿刺生物膜表面的氧濃度剖面及pH值剖面。

圖7、生長在不同污水(a)BS1，(b)BS2，(c)BS3，(d)BS4）的生物膜45天后，應(yīng)用unisense微電極穿刺生物膜表面的氧濃度剖面及pH值剖面。

圖8、生長在不同污水(a)BS1，(b)BS2，(c)BS3，(d)BS4）的生物膜90天后，應(yīng)用unisense微電極穿刺生物膜表面的氧濃度剖面及pH值剖面。

總結(jié)：本論文研究人員主要就砂漿上生物膜的微生物結(jié)構(gòu)和活性表面對(duì)混凝土的腐蝕的相關(guān)機(jī)理進(jìn)行研究，因?yàn)橹暗难芯筷P(guān)于微生物的生物膜是否參與污水下混凝土的劣化過程仍然沒有一個(gè)定論，近些年的相關(guān)研究發(fā)現(xiàn)人造污水研究了生物膜會(huì)對(duì)混凝土腐蝕產(chǎn)生一定的影響，并進(jìn)行了驗(yàn)證生物膜可以作為一種物理屏障而減少污水的滲透性，為了進(jìn)一步驗(yàn)證相關(guān)機(jī)理，本論文的研究人員制備了不同化學(xué)需氧量(COD)值的人工強(qiáng)化的污水，并對(duì)污水中添加和不添加生物膜的砂漿試樣的重量變化進(jìn)行了對(duì)比研究。采用掃描電鏡(SEM)和x射線衍射(XRD)、等相關(guān)技術(shù)對(duì)試樣的變質(zhì)程度進(jìn)行了評(píng)價(jià)，并且同步采用了激光共焦掃描激光技術(shù)和微電極技術(shù)對(duì)砂漿的表面生物膜進(jìn)行了相關(guān)研究，分析了生物膜對(duì)砂漿老化的影響機(jī)理，在對(duì)礦砂漿生物膜的表面的相關(guān)物性參數(shù)（氧氣、pH）使用了尖端直徑為5um的unisense(氧氣，pH微電極)穿刺到生物膜表面，研究生物膜內(nèi)不同位置處的pH和O2的原位穩(wěn)態(tài)濃度分布，在基于灰色關(guān)聯(lián)分析模型，結(jié)合unisense系統(tǒng)測試的污水pH值(SpH)，生物膜的pH值(BpH),生物膜厚度(BT)、生物膜的孔隙度(BP)，改變生物膜的氧和率(KDO)和生物膜作用系數(shù)(BA)等結(jié)果，對(duì)生物膜對(duì)砂漿惡化的影響機(jī)制進(jìn)行定量分析，得出了普通污水中的樣品，生物膜的厚度起著主要作用，尤其是在第一個(gè)月，而在污水濃度過高的情況下，污水的腐蝕性增加對(duì)后期生物膜對(duì)砂漿的防護(hù)作用會(huì)明顯降低的結(jié)論，此說法的提出也大大豐富了研究人員關(guān)于生物膜對(duì)污水系統(tǒng)混凝土腐蝕影響機(jī)理。