污水處理構(gòu)筑物混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕與防護(hù)綜述

張振光 趙慧玲 姚旭鵬

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

城市污水處理系統(tǒng)中的混凝土構(gòu)筑物在長年運(yùn)營中會(huì)受到微生物等各種腐蝕介質(zhì)的侵蝕，導(dǎo)致混凝土表面污損、表層疏松、砂漿脫落、骨料外露，嚴(yán)重時(shí)產(chǎn)生開裂和鋼筋銹蝕[1]，影響構(gòu)筑物使用功能，從而無法達(dá)到設(shè)計(jì)的使用期限[2]。根據(jù)國外的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)[3-4]及國內(nèi)污水處理工程的調(diào)研情況[5-6]，在污水處理工程中，分析新建和改建混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕機(jī)制，進(jìn)行不同構(gòu)筑物的防腐設(shè)計(jì)，并采取有效的防護(hù)措施，對(duì)污水處理設(shè)施的長期安全運(yùn)營具有重要意義。

歐美國家較早對(duì)污水環(huán)境下混凝土的微生物腐蝕問題進(jìn)行了研究[7-10]。日本從20世紀(jì)80年代起就開始了混凝土污水處理構(gòu)筑物防腐的研究，并制定了國家標(biāo)準(zhǔn)《下水道混凝土構(gòu)筑物的腐蝕抑制技術(shù)及防腐技術(shù)指南》[11]，從污水處理構(gòu)筑物的腐蝕機(jī)制、結(jié)構(gòu)防腐設(shè)計(jì)、防腐與腐蝕抑制技術(shù)措施的施工及驗(yàn)收與維護(hù)管理等多個(gè)方面均作了系統(tǒng)的規(guī)定，進(jìn)行全過程質(zhì)量控制。

目前，國內(nèi)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(xué)者獲得了混凝土腐蝕機(jī)制、各種有機(jī)與無機(jī)防腐涂層耐腐蝕性能試驗(yàn)研究等方面的研究成果。但是，國內(nèi)針對(duì)污水處理工程的系統(tǒng)性防腐設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營管理，尚缺乏相關(guān)的規(guī)范及行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)指導(dǎo)，需要開展深入研究。

1 不同處理階段構(gòu)筑物腐蝕形式

污水處理基本經(jīng)歷3個(gè)不同的階段，不同處理工藝方式對(duì)構(gòu)筑物鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕形式有所差異[12]。

一級(jí)處理階段的構(gòu)筑物有粗格柵、進(jìn)水泵房、細(xì)格柵、沉沙池、沉淀池等，腐蝕機(jī)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(yīng)，同時(shí)，污水中氯離子、硫酸根離子會(huì)對(duì)其與構(gòu)筑物的接觸層產(chǎn)生化學(xué)腐蝕。

二級(jí)處理階段的構(gòu)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(yīng)池等，此階段需要采用物化技術(shù)去除懸浮物及用微生物分解有機(jī)物，因此相應(yīng)構(gòu)筑物的腐蝕機(jī)制主要為微生物腐蝕、鹽結(jié)晶以及侵蝕性環(huán)境的化學(xué)腐蝕。同時(shí)，由于二級(jí)處理池尺寸較大，易出現(xiàn)混凝土開裂，導(dǎo)致鋼筋銹蝕和滲漏。

三級(jí)處理階段是通過混凝沉淀、沙濾或膜分離及消毒進(jìn)一步降低污染物指標(biāo)，三級(jí)沖洗池、消毒池的腐蝕機(jī)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(jié)構(gòu)的腐蝕特點(diǎn)

一般來說，同一污水處理構(gòu)筑物的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)不同部位的腐蝕情況會(huì)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(gòu)筑物，底板通常要比頂板、側(cè)墻腐蝕輕些。原因是底板常年都會(huì)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(duì)較慢[5]。

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

3）污水流速較大的地方腐蝕更加嚴(yán)重。由于液體流速的作用，混凝土內(nèi)部受腐蝕的產(chǎn)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(fù)，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(yán)重。

4）加蓋封閉污水處理池通常比不加蓋處理池的上部結(jié)構(gòu)腐蝕更加嚴(yán)重。因?yàn)榧由w水池水汽較重，同時(shí)各種有害氣體（比如H2S）不容易及時(shí)排出，有害氣體濃度較高，導(dǎo)致腐蝕速度加快。

3 污水處理構(gòu)筑物的抗腐蝕對(duì)策

從實(shí)施對(duì)象出發(fā)，污水處理構(gòu)筑物的抗腐蝕對(duì)策可分為防腐技術(shù)與腐蝕抑制技術(shù)兩大類。前者是針對(duì)構(gòu)筑物，采取措施以提高混凝土結(jié)構(gòu)自身耐腐蝕性能或?qū)嵤┍Ｗo(hù)層；后者是針對(duì)構(gòu)筑物中的污水，通過添加化學(xué)物、微生物或其他理化技術(shù)以減少污水中的有害離子濃度。目前，針對(duì)前者已積累了豐富的研究成果，而污水處理構(gòu)筑物混凝土結(jié)構(gòu)的防腐設(shè)計(jì)應(yīng)從這兩大方面綜合考慮進(jìn)行。

3.1 混凝土結(jié)構(gòu)防腐技術(shù)

3.1.1 提高混凝土自身性能

構(gòu)筑物混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕與水有關(guān)。提高混凝土基體的自防水性能，從而阻斷外界離子進(jìn)入基體內(nèi)部是有效手段。傳統(tǒng)方法是增大混凝土保護(hù)層，從而保護(hù)鋼筋不受到腐蝕。水處理構(gòu)筑物混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層厚度的取值在我國國家標(biāo)準(zhǔn)GB 50046—2018《工業(yè)建筑防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范》[13]中有相應(yīng)規(guī)定，即梁、柱、水池內(nèi)側(cè)的保護(hù)層可取35 mm，水池外側(cè)及底板可取40～50 mm。目前，有較多的研究針對(duì)混凝土性能，通過采取措施改善混凝土內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)，提高密實(shí)度和抗?jié)B性能，從而有效阻止環(huán)境介質(zhì)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(xì)石灰石粉等無機(jī)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(yīng)，從而達(dá)到提高混凝土耐久性的目的。文獻(xiàn)[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(duì)混凝土耐腐蝕性能的影響，結(jié)果表明，玄武巖摻量0.10%、粉煤灰摻量20%時(shí)的混凝土耐腐蝕性能最好。文獻(xiàn)[21]通過氯離子加速滲透試驗(yàn)，研究了粉煤灰、磨細(xì)礦渣和硅灰對(duì)水泥砂漿氯離子透過性能的影響。文獻(xiàn)[22]研究了改性混凝土在污水環(huán)境中的耐腐蝕能力，結(jié)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(shí)度。

摻加防水劑對(duì)混凝土進(jìn)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(jìn)入基體內(nèi)部?；炷林谐Ｓ玫姆浪畡┲饕薪饘僭眍惙浪畡┖陀袡C(jī)硅防水劑。文獻(xiàn)[23]等對(duì)內(nèi)摻金屬皂類防水劑對(duì)混凝土防水和抗氯離子的效果進(jìn)行了研究，結(jié)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(xiàn)[24]介紹了異丁基三乙氧基硅烷浸漬液對(duì)混凝土的防護(hù)效果和硅烷浸漬對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的影響，認(rèn)為其對(duì)防止混凝土的腐蝕與破壞起到了關(guān)鍵的作用，同時(shí)不影響水蒸氣的自由穿透。文獻(xiàn)[25]對(duì)內(nèi)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(jié)果表明，摻入硅烷后，水泥基材料的吸水率及毛細(xì)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(jié)構(gòu)耐久性，延長其使用壽命。高強(qiáng)混凝土致密堅(jiān)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。活性粉末混凝土是一種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(jié)構(gòu)，不僅有高強(qiáng)度和韌性，同時(shí)也有較高的抗?jié)B透能力。

3.1.2 混凝土表面涂層保護(hù)

混凝土表面防護(hù)涂層能有效阻止水分及腐蝕性物質(zhì)進(jìn)入內(nèi)部，從而起到保護(hù)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的作用，這是目前在混凝土防護(hù)領(lǐng)域應(yīng)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(xiàn)[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(jié)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(xiàn)[27]通過加速腐蝕試驗(yàn)研究了環(huán)氧煤瀝青防腐涂層、水泥基滲透結(jié)晶防水涂層和功能性殺菌劑涂層的防腐效果。結(jié)果表明：環(huán)氧煤瀝青防腐涂層對(duì)混凝土抗污水腐蝕具有最佳的保護(hù)作用，其次是功能性殺菌劑涂層，最后是水泥基滲透結(jié)晶防水涂層。文獻(xiàn)[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(jié)果表明：采用改性環(huán)氧樹脂進(jìn)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(jí)和防水性能；采用硅烷進(jìn)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(hù)效果較差。文獻(xiàn)[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(duì)混凝土的防護(hù)效果。研究結(jié)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(shù)

腐蝕抑制技術(shù)是根據(jù)硫酸鹽、微生物腐蝕混凝土的機(jī)理而采取的較為主動(dòng)的措施，包括：阻止微生物在混凝土表面和內(nèi)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(kuò)散；對(duì)擴(kuò)散出來的硫化氫氣體進(jìn)行回收處理，并抑制硫氧化細(xì)菌的繁殖；等等。近年來，微生物滅殺技術(shù)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(qiáng)氧化劑屬于氧化性殺菌劑，其通過氧化細(xì)菌內(nèi)部的代謝酶來殺滅細(xì)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(nèi)的細(xì)胞，從而達(dá)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(duì)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(shí)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(yīng)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(xì)菌和嗜酸鐵氧化細(xì)菌的繁殖[32]。

4 結(jié)語

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

2）國內(nèi)針對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)的防腐研究已積累了較多研究成果，但針對(duì)污水處理構(gòu)筑物鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的防腐研究相對(duì)較少。隨著我國城鎮(zhèn)化、工業(yè)化進(jìn)程的逐步推進(jìn)，城市污水成分變得更加復(fù)雜，污水處理構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)所處的環(huán)境更加惡劣，結(jié)構(gòu)腐蝕更加嚴(yán)重，而污水處理構(gòu)筑物與其他類型工業(yè)建筑的腐蝕環(huán)境具有差異性，應(yīng)明確不同污水處理構(gòu)筑物的防腐機(jī)制及針對(duì)性防腐或腐蝕抑制措施，從而確保其耐久性滿足設(shè)計(jì)要求。

3）目前，國內(nèi)污水處理廠構(gòu)筑物混凝土結(jié)構(gòu)的防腐設(shè)計(jì)主要按照GB 50046—2018《工業(yè)建筑防腐設(shè)計(jì)規(guī)范》進(jìn)行。我國尚缺乏專門針對(duì)污水處理廠鋼筋混凝土構(gòu)筑物防腐設(shè)計(jì)的技術(shù)規(guī)范。因此，污水處理構(gòu)筑物的防腐應(yīng)從腐蝕機(jī)制、防腐設(shè)計(jì)與施工、維護(hù)管理多方面進(jìn)行系統(tǒng)研究，為行業(yè)規(guī)范的進(jìn)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(jī)理、影響因素、評(píng) 價(jià)指標(biāo)及防護(hù)技術(shù)[J].材料導(dǎo)報(bào),2018,32(3):170-176.

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

[3] 佐藤匡良,楊瑋,馬水成.日本污水處理構(gòu)筑物鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的腐 蝕及防護(hù)[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(yuǎn)清.某城市污水處理廠水池結(jié)構(gòu)腐蝕狀況調(diào)查及分析[J].特種 結(jié)構(gòu),2016,33(5):1-4.

[6] 韓靜云,張小偉.污水處理系統(tǒng)中混凝土結(jié)構(gòu)的腐蝕現(xiàn)狀調(diào)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(tuán).下水道混凝土構(gòu)筑物的腐蝕抑制技術(shù)及防腐 技術(shù)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(jié)構(gòu)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(shè)部,國家市場監(jiān)督管理總局.工業(yè)建 筑防腐蝕設(shè)計(jì)規(guī)范:GB50046—2018[S].北京:中國計(jì)劃出版社,2018.

[14] 郭清平.市政污水管渠和污水處理構(gòu)筑物混凝土結(jié)構(gòu)防腐問題[J].市政技術(shù),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(fù)合粉煤灰對(duì)混凝土抗?jié)B性能 的影響[J].硅酸鹽通報(bào),2012,31(3):658-663.

[17] 馬昆林,謝友均,龍廣成.粉煤灰摻量對(duì)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(duì)混凝土抗氯離子滲透性的影響 綜述[J].材料導(dǎo)報(bào),2013,27(11):107-110.

[19] 陳劍毅,胡明玉,肖燁,等.復(fù)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(bào),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(xué),2017.

[21] 張武滿.礦物摻合料對(duì)水泥砂漿氯離子透過性能的影響[C]//中國 硅酸鹽學(xué)會(huì).第十屆全國水泥和混凝土化學(xué)及應(yīng)用技術(shù)會(huì)議論文 摘要集.北京:中國硅酸鹽學(xué)會(huì),2007:46.

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

[23] 姜蓉,張鵬,趙鐵軍,等.內(nèi)摻金屬皂類防水劑對(duì)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(duì)提高混凝土結(jié)構(gòu)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(jī)功能材料及其防護(hù)機(jī)理研究[D].杭 州:浙江大學(xué),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(duì)混凝土污水腐蝕防治的應(yīng)用及機(jī)理研究[D].石家 莊:石家莊鐵道大學(xué),2018.

[28] 嚴(yán)恒.表面涂層防護(hù)技術(shù)對(duì)混凝土耐久性能的影響研究[C]//中國 科學(xué)技術(shù)協(xié)會(huì),交通運(yùn)輸部,中國工程院.2018世界交通運(yùn)輸大 會(huì)論文集.北京:中國公路學(xué)會(huì),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(duì)混凝土防護(hù)效 果的研究[D].廣州:華南理工大學(xué),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(hù),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.