研究简介：在世界范围内，水泥混凝土以其优异的耐久性在市政基础设施中得到了广泛的应用。然而据报道，世界上许多地方的混凝土污水管道、废水收集和处理设施都在恶化，在维修和保养方面正花费数百万美元。污水对混凝土的腐蚀机理十分复杂，除物理化学作用外，微生物的侵袭已被确定为引起混凝土污水管道腐蚀的最重要原因。早期的研究就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。为了更好的了解生物膜在污水对混凝土的腐蚀机制，本论文研究人员制备了不同化学需氧量(COD)值的人工强化污水，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)和微电极等技术对试样的变质程度进行了评价。


丹麦Unisense微电极研究系统应用


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，保护unisense微电极尖端不受损伤。微电极头直径为5 um，响应时间在10秒左右。生物膜的位置表面在显微镜下测试确定的。生物膜的均固定于琼脂上浸在反应器产生的污水中，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，在几分钟内完成的。


实验结果：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，研究了污水中掺加生物膜和不掺生物膜砂浆的重量变化规律。对比研究了砂浆上生物膜的微生物结构和活性表面。在此基础上，分析了生物膜对砂浆老化的影响机理。结果表明，在砂浆上形成的生物膜有污水导致的不同程度的腐蚀具有一定的阻隔作用。研究发现生物膜对砂浆恶化的影响机制可进行定量分析,可以发现和主要影响因素。在第1个月，普通污水(COD=300 mg/L)中的样品生物膜作用系数(BA)最低，主要是由于其生物膜较薄，但一直增加到60天。对于强化污水中的试样，在整个腐蚀过程中，MS2的BA值最高，这可以解释为其污水和生物膜的pH值较高，而MS3和MS4由于其生物膜结构致密，在第一个月的BA值较高，在此之后，不断增加的腐蚀性降低了生物膜对砂浆的保护作用，使得BA值大大降低。这也说明对于普通污水中的样品，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。

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。

图2、砂浆载体生物膜不同生长周期（图a 5天；图b15;图c 30天）对应的的表观形态。

图3、人工污水中生物膜面积孔隙度与深度的关系

图4、不同浓度污水样品对应的pH值随时间的变化情况

图5、生长在不同污水(a)BS1，(b)BS2，(c)BS3，(d)BS4）的生物膜15天后应用unisense微电极穿刺生物膜表面的氧浓度剖面及pH值剖面。

图6、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值剖面。

图7、生长在不同污水(a)BS1，(b)BS2，(c)BS3，(d)BS4）的生物膜45天后，应用unisense微电极穿刺生物膜表面的氧浓度剖面及pH值剖面。

图8、生长在不同污水(a)BS1，(b)BS2，(c)BS3，(d)BS4）的生物膜90天后，应用unisense微电极穿刺生物膜表面的氧浓度剖面及pH值剖面。


总结：本论文研究人员主要就砂浆上生物膜的微生物结构和活性表面对混凝土的腐蚀的相关机理进行研究，因为之前的研究关于微生物的生物膜是否参与污水下混凝土的劣化过程仍然没有一个定论，近些年的相关研究发现人造污水研究了生物膜会对混凝土腐蚀产生一定的影响，并进行了验证生物膜可以作为一种物理屏障而减少污水的渗透性，为了进一步验证相关机理，本论文的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，并且同步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(氧气，pH微电极)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，此说法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。