污水環(huán)境下硫氧化細(xì)菌對(duì)砂漿性能的影響機(jī)制

榮 輝， 劉驥偉， 馬國(guó)偉， 劉志華， 楊 永

(1.天津城建大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院, 天津 300384; 2.天津城建大學(xué) 天津市建筑綠色功能材料重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300384; 3.河北工業(yè)大學(xué) 土木與交通學(xué)院, 天津 300401)

目前污水管道和廢水處理設(shè)施大部分由混凝土制成，而污水和廢水中的化學(xué)離子和微生物會(huì)對(duì)混凝土造成嚴(yán)重的影響[1].調(diào)查發(fā)現(xiàn)微生物對(duì)污水管道的劣化起主導(dǎo)作用[2-3]，這使微生物腐蝕混凝土引起了大量學(xué)者的關(guān)注.Parker[4]和Li等[5]選用硫氧化細(xì)菌，以H2S為底物，代謝生成生物硫酸，研究了生物硫酸對(duì)混凝土性能的影響.Grengg等[6]觀察了微生物在混凝土表面的分布狀況，探究了微生物分布對(duì)混凝土的腐蝕影響.但污水管道中除了H2S氣體外，還含有大量氧化硫磺、硫代硫酸鹽等底物，而這些底物亦可被硫氧化細(xì)菌代謝[7].那么以硫代硫酸鹽為底物，代謝后的產(chǎn)物是否仍會(huì)形成生物硫酸，從而對(duì)混凝土性能造成影響.目前雖然研究了微生物在混凝土表面分布狀況對(duì)混凝土性能的影響，然而微生物附著在混凝土表面后，微生物與混凝土之間的作用機(jī)制尚不清楚.

針對(duì)上述問(wèn)題，本文采用硫氧化細(xì)菌，以污水中常見(jiàn)的Na2S2O3為底物，設(shè)置微生物試驗(yàn)組和滅菌污水培養(yǎng)基對(duì)照組，通過(guò)對(duì)硫氧化細(xì)菌代謝過(guò)程、試件表面形貌、抗壓強(qiáng)度和礦化產(chǎn)物這四者之間的關(guān)系分析，揭示硫氧化細(xì)菌對(duì)砂漿性能的影響機(jī)制.

1 試驗(yàn)

1.1 原材料

水泥為順鑫水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5普通硅酸鹽水泥.河砂為級(jí)配合理的中砂，細(xì)度模數(shù)為2.5.微生物培養(yǎng)液的配制：選用硫氧化細(xì)菌，按2%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))接種，加入到350mL滅菌污水培養(yǎng)基中，同時(shí)加入7mL NaHCO3溶液，置于30℃、150r/min轉(zhuǎn)速的搖床中培養(yǎng)4d.滅菌污水培養(yǎng)基成分見(jiàn)表1.

表1 滅菌污水培養(yǎng)基成分

1.2 試驗(yàn)方案

砂漿試件的配合比為m(水)∶m(水泥)∶m(砂)=0.5∶1.0∶2.0，尺寸為40mm×40mm×160mm，將試件在20℃水中養(yǎng)護(hù)28d后進(jìn)行試驗(yàn).將試驗(yàn)分為試驗(yàn)組(S)和對(duì)照組(D)，其中，試驗(yàn)組使用培養(yǎng)4d的微生物培養(yǎng)液；對(duì)照組使用滅菌污水培養(yǎng)基，保證密閉無(wú)雜菌進(jìn)入.將2組試件分別放入試驗(yàn)裝置中，使液體浸沒(méi)試件一半，每隔1個(gè)循環(huán)(15d)更換1次液體，浸泡齡期分別為30、60、90、120d.

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1硫氧化細(xì)菌的代謝過(guò)程

1.3.2表面形貌

采用普通照相機(jī)和VHX-600e型超景深顯微鏡分別觀察試驗(yàn)組和對(duì)照組試件表面的形貌，同時(shí)結(jié)合結(jié)晶紫、考馬斯亮藍(lán)(CB)和苯酚硫酸(PSA)染色法，測(cè)試了試件表面是否形成生物被膜.另外，試件表面風(fēng)干后，切取表面1mm厚度的試樣，將試樣粘貼到樣品臺(tái)上，使用日本JSM-7800F型場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡(FESEM)對(duì)試件表面進(jìn)行觀察，結(jié)合能量彌散X射線譜(EDS)分析生物被膜的元素組成.

1.3.3抗壓強(qiáng)度

根據(jù)GB/T 17671—1999《水泥膠砂強(qiáng)度檢測(cè)方法》，使用YAW-2000J型壓力試驗(yàn)機(jī)，加載速率為2.5kN/s，測(cè)試砂漿試件的抗壓強(qiáng)度.

1.3.4微觀性能

取試件表面1mm厚度試樣，將其研磨成粒徑小于10μm的粉末，使用Rigaku ultima-V1型全自動(dòng)多功能XRD對(duì)礦化產(chǎn)物進(jìn)行測(cè)試.試驗(yàn)組、對(duì)照組試件的表面樣品分別記為SS、DS.

2 結(jié)果與分析

2.1 硫氧化細(xì)菌代謝過(guò)程

圖1 試驗(yàn)組和對(duì)照組液體介質(zhì)中的質(zhì)量濃度

試驗(yàn)組液體介質(zhì)的pH值一直在7.00左右變化，主要是滅菌后的污水培養(yǎng)基接種硫氧化細(xì)菌后，Na2S2O3在硫氧化細(xì)菌作用下發(fā)生分解.

當(dāng)O2濃度高時(shí)，Na2S2O3發(fā)生如下反應(yīng)[9]：

(1)

當(dāng)O2濃度低時(shí)，Na2S2O3發(fā)生如下反應(yīng)[9]：

(2)

微生物培養(yǎng)液放入試驗(yàn)裝置后，O2濃度受限時(shí)發(fā)生式(2)反應(yīng)，故試驗(yàn)組液體介質(zhì)呈中性.

對(duì)照組液體介質(zhì)的pH值一直在4.00左右變化.主要是污水培養(yǎng)基在滅菌過(guò)程中，處于高溫且隔絕空氣的條件下，培養(yǎng)基中的Na2S2O3在高溫和O2的作用下會(huì)發(fā)生如下氧化反應(yīng)：

(3)

式(3)產(chǎn)生的SO2在高溫下易溶于水，形成亞硫酸，亞硫酸易被氧化生成硫酸.而Na2S2O3在酸性條件下會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)[10]：

(4)

式(4)形成的SO2會(huì)繼續(xù)溶解氧化生成硫酸，再次發(fā)生式(4)反應(yīng)，故對(duì)照組液體介質(zhì)呈酸性.

2.2 表面形貌觀察

2.2.1宏觀表面形貌

生物被膜是由細(xì)菌自身分泌物和細(xì)菌聚集在一起形成有組織的群體[11]，是一種黏稠物，主要由微生物、多糖和蛋白質(zhì)組成[12].浸泡30d后試件的宏觀形貌見(jiàn)圖2.由圖2(a)可見(jiàn)：在30d時(shí)，試驗(yàn)組試件的表面已經(jīng)形成黏稠物，主要分布在氣液交界面處；試件下部呈黑色，這是因?yàn)樵囼?yàn)組中硫氧化細(xì)菌為好氧型，在代謝過(guò)程中消耗了液體中的氧，使微量元素在缺氧環(huán)境下未被氧化，而沉積在砂漿表面，使其呈黑色[13].由圖2(b)可見(jiàn)：用結(jié)晶紫染色后試驗(yàn)組試件的表面黏稠物被染色，可判斷黏稠物含有大量的硫氧化細(xì)菌，進(jìn)而初步認(rèn)定該黏稠物為生物被膜.由圖2(c)可見(jiàn)：對(duì)照組試件的表面沒(méi)有黏稠物.由圖2(d)可見(jiàn)，對(duì)照組試件使用結(jié)晶紫染色后的表面沒(méi)有明顯被染色的痕跡.

圖2 浸泡30d后試件的宏觀形貌

放大試驗(yàn)組試件表面黏稠物的形貌，在超景深顯微鏡下進(jìn)行觀察，結(jié)果見(jiàn)圖3.由圖3可見(jiàn)，黏稠物呈透明狀態(tài).將試驗(yàn)組試件表面黏稠物刮下，研磨提取萃取液(extract)，并用考馬斯亮藍(lán)(CB)和苯酚硫酸(PSA)對(duì)萃取液進(jìn)行染色，結(jié)果見(jiàn)圖4.由圖4可見(jiàn)：未加入萃取液的試管顯褐色(見(jiàn)圖4(a))，加入萃取液的試管顯藍(lán)色(見(jiàn)圖4(b))，這表明黏稠物含有蛋白質(zhì)；未加入萃取液的試管顯橙色(見(jiàn)圖4(c))，加入萃取液的試管顯橙紅色(圖4(d))，這表明黏稠物含有多糖.因此，可以進(jìn)一步判斷試驗(yàn)組表面形成了生物被膜，對(duì)照組試件表面沒(méi)有形成生物被膜.

圖3 黏稠物超景深顯微鏡形貌

圖4 考馬斯亮藍(lán)和苯酚硫酸染色結(jié)果

2.2.2微觀表面形貌

圖5 浸泡30d后試件的SEM形貌

圖6 砂漿試件表面EDS分析

2.3 抗壓強(qiáng)度

圖7為試驗(yàn)組和對(duì)照組試件的抗壓強(qiáng)度.由圖7可見(jiàn)：(1)隨著浸泡時(shí)間的延長(zhǎng)，試驗(yàn)組和對(duì)照組試件的抗壓強(qiáng)度均呈先升高后降低的趨勢(shì)，這可能是因?yàn)樵嚰?nèi)部形成了礦化產(chǎn)物石膏[16].(2)試驗(yàn)組試件抗壓強(qiáng)度變化小于對(duì)照組，可能是由于試驗(yàn)組中硫氧化細(xì)菌發(fā)生代謝反應(yīng)所致.(3)試驗(yàn)組試件：浸泡0～90d時(shí)，試件抗壓強(qiáng)度呈增加趨勢(shì)，從55.0MPa增加到63.1MPa；浸泡90～120d時(shí)，試件抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，從63.1MPa降低到61.5MPa.(4)對(duì)照組試件：浸泡0～60d時(shí)，試件抗壓強(qiáng)度呈增加趨勢(shì)，從55.0MPa增加到64.1MPa；浸泡60～120d時(shí)，試件抗壓強(qiáng)度呈下降趨勢(shì)，從64.1MPa降低到54.5MPa.

圖7 試驗(yàn)組和對(duì)照組試件的抗壓強(qiáng)度

2.4 微觀性能分析

浸泡120d后試件表面礦化產(chǎn)物XRD圖譜見(jiàn)圖8.由圖8可見(jiàn)：SS中有明顯的CaCO3衍射峰，DS中的CaCO3衍射峰并不明顯.這主要是因?yàn)榱蜓趸?xì)菌為好氧型，代謝作用會(huì)產(chǎn)生CO2，使CO2與砂漿發(fā)生碳化反應(yīng)，砂漿中性劣化，硫氧化細(xì)菌可以在砂漿表面生長(zhǎng).

圖8 浸泡120d后試件表面礦化產(chǎn)物XRD圖譜

(5)

鈣礬石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)受pH值影響，當(dāng)溶液pH值低于11.50～12.00時(shí)，鈣礬石將會(huì)分解成石膏[19].反應(yīng)方程式為[19]：

(6)

(7)

3 結(jié)論

(1)在氧氣濃度受限時(shí)，硫氧化細(xì)菌將Na2S2O3代謝轉(zhuǎn)化為生物硫酸鹽，且硫氧化細(xì)菌代謝轉(zhuǎn)化Na2S2O3的速率慢于單純Na2S2O3化學(xué)分解反應(yīng)速率.

(3)浸泡在含硫氧化細(xì)菌污水環(huán)境中30d后，試件表面會(huì)形成生物被膜，宏觀研究發(fā)現(xiàn)生物被膜是透明的黏稠物，其主要成分有硫氧化細(xì)菌、多糖、蛋白質(zhì)等；微觀研究發(fā)現(xiàn)生物被膜是一種具有許多孔洞的復(fù)雜結(jié)構(gòu).浸泡在單純滅菌污水環(huán)境中的試件表面沒(méi)有發(fā)現(xiàn)生物被膜的形成.