張振光 趙慧玲 姚旭鵬

1. 上海公路橋梁（集團）有限公司 上海 200433；2. 上海大學土木工程系 上海 200444；3. 同濟大學 上海 200092

城市污水處理系統(tǒng)中的混凝土構筑物在長年運營中會受到微生物等各種腐蝕介質的侵蝕，導致混凝土表面污損、表層疏松、砂漿脫落、骨料外露，嚴重時產生開裂和鋼筋銹蝕[1]，影響構筑物使用功能，從而無法達到設計的使用期限[2]。根據(jù)國外的實際經驗[3-4]及國內污水處理工程的調研情況[5-6]，在污水處理工程中，分析新建和改建混凝土結構的腐蝕機制，進行不同構筑物的防腐設計，并采取有效的防護措施，對污水處理設施的長期安全運營具有重要意義。

歐美國家較早對污水環(huán)境下混凝土的微生物腐蝕問題進行了研究[7-10]。日本從20世紀80年代起就開始了混凝土污水處理構筑物防腐的研究，并制定了國家標準《下水道混凝土構筑物的腐蝕抑制技術及防腐技術指南》[11]，從污水處理構筑物的腐蝕機制、結構防腐設計、防腐與腐蝕抑制技術措施的施工及驗收與維護管理等多個方面均作了系統(tǒng)的規(guī)定，進行全過程質量控制。

目前，國內新建的污水處理工程中，正在積極探索各種防腐涂層的性能及使用，其中一些研究學者獲得了混凝土腐蝕機制、各種有機與無機防腐涂層耐腐蝕性能試驗研究等方面的研究成果。但是，國內針對污水處理工程的系統(tǒng)性防腐設計、施工及運營管理，尚缺乏相關的規(guī)范及行業(yè)標準指導，需要開展深入研究。

1 不同處理階段構筑物腐蝕形式

污水處理基本經歷3個不同的階段，不同處理工藝方式對構筑物鋼筋混凝土結構的腐蝕形式有所差異[12]。

一級處理階段的構筑物有粗格柵、進水泵房、細格柵、沉沙池、沉淀池等，腐蝕機制主要有污水流的物理沖刷磨蝕和干濕循環(huán)，造成混凝土面層的碳化與堿骨料反應，同時，污水中氯離子、硫酸根離子會對其與構筑物的接觸層產生化學腐蝕。

二級處理階段的構筑物有A2O（厭氧-缺氧-好氧法）二沉池、氧化溝二沉池、SBR（序列間歇式活性污泥法）反應池等，此階段需要采用物化技術去除懸浮物及用微生物分解有機物，因此相應構筑物的腐蝕機制主要為微生物腐蝕、鹽結晶以及侵蝕性環(huán)境的化學腐蝕。同時，由于二級處理池尺寸較大，易出現(xiàn)混凝土開裂，導致鋼筋銹蝕和滲漏。

三級處理階段是通過混凝沉淀、沙濾或膜分離及消毒進一步降低污染物指標，三級沖洗池、消毒池的腐蝕機制有紫外線照射、沖刷磨蝕和干濕循環(huán)、氯離子以及微生物腐蝕。

2 不同位置結構的腐蝕特點

一般來說，同一污水處理構筑物的鋼筋混凝土結構不同部位的腐蝕情況會由于干濕環(huán)境、空氣流通性以及含氧量不同存在顯著差異。

1）同一污水處理構筑物，底板通常要比頂板、側墻腐蝕輕些。原因是底板常年都會被污水覆蓋，含氧量很低，所處狀態(tài)沒有太大變化，所以腐蝕發(fā)展的速度相對較慢[5]。

2）水位變化頻繁的地方比一般區(qū)域腐蝕更加嚴重，這是由于水池液位經常變化，濕度不斷變化，產生干濕交替作用，故水池池壁強腐蝕區(qū)域常呈水平線狀分布，同一墻面往往有多條強腐蝕帶。

3）污水流速較大的地方腐蝕更加嚴重。由于液體流速的作用，混凝土內部受腐蝕的產物被帶離，新的表面暴露，侵蝕液再次作用于新的表面。如此往復，加之水流的沖刷作用，使得流水較大處的混凝土腐蝕更加嚴重。

4）加蓋封閉污水處理池通常比不加蓋處理池的上部結構腐蝕更加嚴重。因為加蓋水池水汽較重，同時各種有害氣體（比如H2S）不容易及時排出，有害氣體濃度較高，導致腐蝕速度加快。

3 污水處理構筑物的抗腐蝕對策

從實施對象出發(fā)，污水處理構筑物的抗腐蝕對策可分為防腐技術與腐蝕抑制技術兩大類。前者是針對構筑物，采取措施以提高混凝土結構自身耐腐蝕性能或實施保護層；后者是針對構筑物中的污水，通過添加化學物、微生物或其他理化技術以減少污水中的有害離子濃度。目前，針對前者已積累了豐富的研究成果，而污水處理構筑物混凝土結構的防腐設計應從這兩大方面綜合考慮進行。

3.1 混凝土結構防腐技術

3.1.1 提高混凝土自身性能

構筑物混凝土結構的腐蝕與水有關。提高混凝土基體的自防水性能，從而阻斷外界離子進入基體內部是有效手段。傳統(tǒng)方法是增大混凝土保護層，從而保護鋼筋不受到腐蝕。水處理構筑物混凝土結構保護層厚度的取值在我國國家標準GB 50046—2018《工業(yè)建筑防腐蝕設計規(guī)范》[13]中有相應規(guī)定，即梁、柱、水池內側的保護層可取35 mm，水池外側及底板可取40～50 mm。目前，有較多的研究針對混凝土性能，通過采取措施改善混凝土內部孔隙結構，提高密實度和抗?jié)B性能，從而有效阻止環(huán)境介質的侵蝕，使其具有較好的抗碳化性、抗氯離子滲透性[14]。

已有研究[15-19]表明，粉煤灰、礦粉、硅灰、偏高嶺土、磨細石灰石粉等無機礦物摻合料摻入混凝土后能夠增加混凝土抗?jié)B性能，降低氯離子滲透性，提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能、抗碳化性能等，有效控制堿-硅酸反應，從而達到提高混凝土耐久性的目的。文獻[20]研究了污水環(huán)境干濕循環(huán)條件下的混凝土性能，分析了玄武巖纖維摻量、粉煤灰摻量對混凝土耐腐蝕性能的影響，結果表明，玄武巖摻量0.10%、粉煤灰摻量20%時的混凝土耐腐蝕性能最好。文獻[21]通過氯離子加速滲透試驗，研究了粉煤灰、磨細礦渣和硅灰對水泥砂漿氯離子透過性能的影響。文獻[22]研究了改性混凝土在污水環(huán)境中的耐腐蝕能力，結果表明：聚丙烯纖維粉煤灰不僅可以提高混凝土的抗腐蝕能力，還能提高水泥石的密實度。

摻加防水劑對混凝土進行防水處理可有效提高混凝土基體的自防水性能，從而阻斷外界離子進入基體內部?；炷林谐Ｓ玫姆浪畡┲饕薪饘僭眍惙浪畡┖陀袡C硅防水劑。文獻[23]等對內摻金屬皂類防水劑對混凝土防水和抗氯離子的效果進行了研究，結果表明：金屬皂防水劑硬脂酸鹽具有較高的防水性能，摻量宜為0.1%～1.0%；摻量為1.0%的混凝土比摻量為0.5%的混凝土氯離子滲透量要小。文獻[24]介紹了異丁基三乙氧基硅烷浸漬液對混凝土的防護效果和硅烷浸漬對混凝土結構的影響，認為其對防止混凝土的腐蝕與破壞起到了關鍵的作用，同時不影響水蒸氣的自由穿透。文獻[25]對內摻硅烷防水劑水泥基材料的吸水性、表面特性及耐酸侵蝕性能的研究結果表明，摻入硅烷后，水泥基材料的吸水率及毛細吸水系數(shù)降低，潤濕角呈現(xiàn)鈍角，抗硫酸侵蝕性能顯著提高。

另外，目前逐漸推廣使用的高性能混凝土可有效提高結構耐久性，延長其使用壽命。高強混凝土致密堅硬，其抗?jié)B性、抗凍性、耐蝕性、抗沖擊性等方面性能均優(yōu)于普通混凝土?；钚苑勰┗炷潦且环N具有超高耐久性的水泥基材料，屬于超高性能混凝土。它具有超低的孔隙率以及致密的結構，不僅有高強度和韌性，同時也有較高的抗?jié)B透能力。

3.1.2 混凝土表面涂層保護

混凝土表面防護涂層能有效阻止水分及腐蝕性物質進入內部，從而起到保護內部結構的作用，這是目前在混凝土防護領域應用最廣泛的措施。目前常見的涂層材料有環(huán)氧樹脂、聚酯樹脂、脲醛樹脂、丙烯酸樹脂、聚氯乙烯、聚氯乙烯、瀝青等。文獻[26]研究了環(huán)氧樹脂、聚氨酯、氯化橡膠涂層、丙烯酸樹脂和聚合物乳液涂層，結果表明：聚氨酯與環(huán)氧樹脂涂層抵抗氯離子和水的滲透、硫酸腐蝕的性能優(yōu)于其他。文獻[27]通過加速腐蝕試驗研究了環(huán)氧煤瀝青防腐涂層、水泥基滲透結晶防水涂層和功能性殺菌劑涂層的防腐效果。結果表明：環(huán)氧煤瀝青防腐涂層對混凝土抗污水腐蝕具有最佳的保護作用，其次是功能性殺菌劑涂層，最后是水泥基滲透結晶防水涂層。文獻[28]研究了硅烷、改性環(huán)氧樹脂、丙烯酸酯涂料和水泥基聚合物砂漿的防腐性能，結果表明：采用改性環(huán)氧樹脂進行表面涂層可以顯著提高混凝土的抗氯離子滲透性能、抗凍等級和防水性能；采用硅烷進行表面涂層一定程度上可以提高混凝土抗硫酸鹽侵蝕性能；水泥基聚合物砂漿在某些情況下的防護效果較差。文獻[29]研究了改性氧化石墨烯/低表面能丙烯酸樹脂涂層抗紫外老化性能及其在不同腐蝕環(huán)境下對混凝土的防護效果。研究結果表明：改性氧化石墨烯/低表面能丙烯酸樹脂涂層的抗老化率、抗菌性以及耐腐蝕性均優(yōu)于環(huán)氧涂層與瀝青涂層。

3.2 腐蝕抑制技術

腐蝕抑制技術是根據(jù)硫酸鹽、微生物腐蝕混凝土的機理而采取的較為主動的措施，包括：阻止微生物在混凝土表面和內部的生長，直接抑制或減少生物硫酸的生成；降低污水中硫酸根離子的濃度，防止硫化物的生成；阻止生成的硫化氫氣體向氣相區(qū)擴散；對擴散出來的硫化氫氣體進行回收處理，并抑制硫氧化細菌的繁殖；等等。近年來，微生物滅殺技術的研究較為活躍，即采用氧化型和非氧化型殺菌劑來抑制微生物的生長[30]。強氧化劑屬于氧化性殺菌劑，其通過氧化細菌內部的代謝酶來殺滅細菌，常見的有氯氣、二氧化氯、溴、臭氧、過氧化氫等。作用在微生物特殊部位的是非氧化性殺菌劑，其作為致毒劑破壞生物體內的細胞，從而達到殺菌的目的，常見的有氯酚類、噻唑基化合物、季銨鹽類等[31]。

殺菌劑的殺菌功效、溶解性能、顯效摻量及對混凝土性能的影響將影響殺菌劑在不同污水環(huán)境下的適用性。水溶性殺菌劑易溶出消耗，時效性較短；含重金屬離子的殺菌劑可能造成二次水污染；一些金屬氧化物不溶于水，但可能溶于硫酸。日本應用較多的是鎳化合物、鎢化合物，前者適用于中性環(huán)境，后者適用于酸性環(huán)境。此外，有研究發(fā)現(xiàn)甲酸鈣可有效抑制硫氧化細菌和嗜酸鐵氧化細菌的繁殖[32]。

4 結語

1）污水處理廠混凝土構筑物的劣化是多種因素共同作用的結果，既有環(huán)境作用，也有物理化學腐蝕、生物化學腐蝕、微生物腐蝕等。

2）國內針對混凝土結構的防腐研究已積累了較多研究成果，但針對污水處理構筑物鋼筋混凝土結構的防腐研究相對較少。隨著我國城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進程的逐步推進，城市污水成分變得更加復雜，污水處理構筑物結構所處的環(huán)境更加惡劣，結構腐蝕更加嚴重，而污水處理構筑物與其他類型工業(yè)建筑的腐蝕環(huán)境具有差異性，應明確不同污水處理構筑物的防腐機制及針對性防腐或腐蝕抑制措施，從而確保其耐久性滿足設計要求。

3）目前，國內污水處理廠構筑物混凝土結構的防腐設計主要按照GB 50046—2018《工業(yè)建筑防腐設計規(guī)范》進行。我國尚缺乏專門針對污水處理廠鋼筋混凝土構筑物防腐設計的技術規(guī)范。因此，污水處理構筑物的防腐應從腐蝕機制、防腐設計與施工、維護管理多方面進行系統(tǒng)研究，為行業(yè)規(guī)范的進一步完善提供參考依據(jù)。

[1] 高禮雄,丁汝茜,姚燕.混凝土的微生物腐蝕:機理、影響因素、評 價指標及防護技術[J].材料導報,2018,32(3):170-176.

[2] 張小偉,張雄.混凝土微生物腐蝕的作用機制和研究方法[J].建筑材 料學報,2006(1):57-63.

[3] 佐藤匡良,楊瑋,馬水成.日本污水處理構筑物鋼筋混凝土結構的腐 蝕及防護[J].研究探索,2015,33(5):51-55.

[4] WAHSHAT M T. Sulfur mortar and polymer modified sulfur mortar lining for concrete sewer pipe[D]. Ames: Iowa State University,2001.

[5] 趙遠清.某城市污水處理廠水池結構腐蝕狀況調查及分析[J].特種 結構,2016,33(5):1-4.

[6] 韓靜云,張小偉.污水處理系統(tǒng)中混凝土結構的腐蝕現(xiàn)狀調查及分 析[J].混凝土,2000(11):52-54.

[7] PARKER C. The corrosion of concrete isolation of a species of bacterium associated with the corrosion of concrete exposed to atmospheres containing hydrogen sulphide[J].Experimental biology and medicine,1945,23(3):14-17.

[8] DIERCKS M, SAND W. Microbial corrosion of concrete [J]. Experientia,1991(47):514-516.

[9] VINCKE E, BEELDENS A. Chemical, microbiological, and in situ test methods for biogenic sulfuric acid corrosion of concrete[J]. Cement and concrete research,2000(30):623-634.

[10] DAVIS J L, NICA D. Analysis of concrete from corroded sewer pipe [J].International biodeterioration biodegradation,1998(42):75-84.

[11] 日本下水道事業(yè)團.下水道混凝土構筑物的腐蝕抑制技術及防腐 技術指南[M].[出版地不詳:出版者不詳],2012.

[12] 谷昊偉.污水處理混凝土結構的防腐問題探討[J]. 居舍,2018(3):1.

[13] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設部,國家市場監(jiān)督管理總局.工業(yè)建 筑防腐蝕設計規(guī)范:GB50046—2018[S].北京:中國計劃出版社,2018.

[14] 郭清平.市政污水管渠和污水處理構筑物混凝土結構防腐問題[J].市政技術,2016,34(3):110-112.

[15] 葉青,朱勁松,馬成暢,等.活性粉末混凝土的耐久性研究[J].新型建 筑材料,2006(6):33-36.

[16] 水中和,王康,陳偉,等.改性偏高嶺土復合粉煤灰對混凝土抗?jié)B性能 的影響[J].硅酸鹽通報,2012,31(3):658-663.

[17] 馬昆林,謝友均,龍廣成.粉煤灰摻量對砂漿固化氯離子性能的研究 [J].粉煤灰,2004,16(4):5-6.

[18] 李梅,溫勇,張廣泰,等.礦物摻合料對混凝土抗氯離子滲透性的影響 綜述[J].材料導報,2013,27(11):107-110.

[19] 陳劍毅,胡明玉,肖燁,等.復雜環(huán)境下礦物摻合料混凝土的耐久性研 究[J].硅酸鹽通報,2011,30(3):639-644.

[20] 張健.天津市生活污水環(huán)境下混凝土耐腐蝕性能研究[D].哈爾濱: 哈爾濱工業(yè)大學,2017.

[21] 張武滿.礦物摻合料對水泥砂漿氯離子透過性能的影響[C]//中國 硅酸鹽學會.第十屆全國水泥和混凝土化學及應用技術會議論文 摘要集.北京:中國硅酸鹽學會,2007:46.

[22] 李登華.改性混凝土耐污水腐蝕機理和性能試驗研究[D].鄭州:鄭 州大學,2006.

[23] 姜蓉,張鵬,趙鐵軍,等.內摻金屬皂類防水劑對混凝土防水和抗氯 離子效果研究[J].新型建筑材料,2010,37(9):61-64.

[24] 閆炳潤,王芳,趙述萍.硅烷浸漬對提高混凝土結構壽命的作用[J]. 城市道橋與防洪,2010(12):34-35.

[25] 賀奎.惡劣環(huán)境下混凝土用有機功能材料及其防護機理研究[D].杭 州:浙江大學,2014.

[26] ALMUSALLAM A A, KHAN F M, DULAIJAN S U, et al. Effectiveness of surface coatings in improving concrete durability[J]. Cement & concrete composites,2003,25(4):473-481.

[27] 方珺.表面涂層對混凝土污水腐蝕防治的應用及機理研究[D].石家 莊:石家莊鐵道大學,2018.

[28] 嚴恒.表面涂層防護技術對混凝土耐久性能的影響研究[C]//中國 科學技術協(xié)會,交通運輸部,中國工程院.2018世界交通運輸大 會論文集.北京:中國公路學會,2018:1588-1594.

[29] 方圣雁.氧化石墨烯/丙烯酸樹脂涂層的制備及其對混凝土防護效 果的研究[D].廣州:華南理工大學,2019.

[30] 張小偉,張雄.混凝土微生物腐蝕防治研究現(xiàn)狀和展望[J].材料保 護,2005,38(11):44-48.

[31] HECTOR A, VIDELA. Prevention and control of biocorrosion[J]. International biodeterioration ＆ biodegradation,2002(49):259-270.

[32] YAMANAKA T, ASO I, TOGASHI S, et al.Corrosion by bacteria of concrete in sewerage systems and inhibitory effects of formates on their growth[J].Water research,2002,36(10):2636-2642.