污水環(huán)境中生物膜與混凝土防護(hù)涂層的交互作用

孔麗娟，梁增蘊(yùn)，方珺，魏薇，張世武，李元元

（1.石家莊鐵道大學(xué) 省部共建交通工程結(jié)構(gòu)力學(xué)行為與系統(tǒng)安全國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，石家莊 050043；3.石家莊市排水管護(hù)中心，石家莊 050011）

在世界范圍內(nèi)，污水環(huán)境下混凝土的耐久性問(wèn)題日益突出，多數(shù)地下排污系統(tǒng)遭受腐蝕[1-3]，導(dǎo)致混凝土劣化，并帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失。目前提高混凝土抗污水腐蝕的方法主要有：混凝土改性[4-5]、生物殺滅和涂層保護(hù)[6-7]。其中，表面涂層在工程中應(yīng)用最為廣泛，按作用機(jī)制大體可分為2 類(lèi)：一種是將混凝土與腐蝕介質(zhì)隔離的惰性涂層，如環(huán)氧樹(shù)脂、聚酯樹(shù)脂、瀝青等[8]；另一種是通過(guò)化學(xué)或生物活性來(lái)保護(hù)基材的功能涂層[9-11]。雖然涂層在保護(hù)混凝土抵抗水、氯離子、硫酸等介質(zhì)的侵蝕非常有效[12-13]，但對(duì)它在污水中的服役性能尚未得到系統(tǒng)研究。

污水環(huán)境下混凝土的腐蝕機(jī)制錯(cuò)綜復(fù)雜，其中微生物腐蝕被認(rèn)為是主要原因，特別是在混凝土污水管道的水位區(qū)附近，腐蝕往往最為嚴(yán)重[14-15]。這是因?yàn)槲鬯闹芷谛越](méi)可為此處微生物提供持續(xù)的營(yíng)養(yǎng)和氧氣，有利于生物膜的形成與生長(zhǎng)[16]。生物膜是微生物新陳代謝的主要場(chǎng)所，微生物的發(fā)酵、產(chǎn)酸、產(chǎn)甲烷、硫酸鹽還原等過(guò)程均發(fā)生在生物膜內(nèi)[17]。不過(guò)有研究發(fā)現(xiàn)，生物膜的存在可減少腐蝕介質(zhì)傳輸，起到保護(hù)層作用[18-19]。這可能與材料表面附著生長(zhǎng)的生物膜厚度、致密程度等有關(guān)。很多因素都會(huì)影響生物膜的生長(zhǎng)，如水力停留時(shí)間、有機(jī)物體積負(fù)荷、試件表面粗糙程度、水力條件等[20-22]。目前人們對(duì)污水管道混凝土保護(hù)涂層上生物膜的形成和生長(zhǎng)知之甚少，特別是污水環(huán)境中生物膜與涂層之間的相互作用還有待深入探究。鑒于此，本研究選擇了3 種不同類(lèi)型的涂層，并將其應(yīng)用于硬化混凝土表面，通過(guò)配制人工強(qiáng)化污水進(jìn)行加速試驗(yàn)。系統(tǒng)研究了污水中有無(wú)涂層混凝土表面生物膜的生長(zhǎng)規(guī)律和機(jī)理，并利用激光共聚焦掃描顯微鏡（CLSM）分析了在混凝土和涂層載體上所形成的微生物群落結(jié)構(gòu)。此外，對(duì)比研究了生物膜對(duì)有無(wú)涂層混凝土試件的質(zhì)量及表面粗糙度影響規(guī)律。所得結(jié)果可為污水環(huán)境下混凝土表面涂層的服役性能及劣化機(jī)制提供理論依據(jù)。

1 試驗(yàn)

1.1 原材料與試件制備

試驗(yàn)所用原材料包括：河北鼎鑫水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5 水泥；粒徑為5～10 mm 連續(xù)級(jí)配的石灰?guī)r碎石；細(xì)度模數(shù)2.8 的河北正定中砂。試驗(yàn)所設(shè)計(jì)混凝土水灰比為0.5，水泥、砂子、石子的質(zhì)量比為1∶1.5∶2.4，制備試件的尺寸為φ100 mm×20 mm，成形后放入溫度(20±2) ℃、相對(duì)濕度≥95%的標(biāo)準(zhǔn)環(huán)境中，養(yǎng)護(hù)28 d 后，將混凝土試件的側(cè)面和底部用石蠟密封，只保留試件表面用于涂刷涂層。

1.2 表面涂層

如圖1 所示，使用了3 種典型的保護(hù)涂層：無(wú)機(jī)惰性涂層（IIC）、無(wú)機(jī)殺菌涂層（IBC）和有機(jī)涂層（OC）。IIC 是一種灰色粉末涂料，它是由普通硅酸鹽水泥、石英砂和一些特殊化學(xué)物質(zhì)（如堿金屬鹽等）的混合物組成；IBC 也是水泥基涂料，它是通過(guò)添加復(fù)合殺菌劑（銅酞菁、氧化亞銅和硝酸鉀的質(zhì)量比為1∶1∶1）制成，故其表面顯藍(lán)色；OC 的主要成分是環(huán)氧樹(shù)脂、煤焦油瀝青。通過(guò)對(duì)比3 種涂層的SEM形貌可以發(fā)現(xiàn)，OC 表面最為致密，其次是IBC，而在ICC 表面可觀察到一些小孔洞。無(wú)機(jī)涂料IIC 和IBC 是先將其與水按照比例加入攪拌機(jī)內(nèi)攪拌1 min，然后涂刷，厚度為4～6 mm；有機(jī)涂層則是先將涂料與固化劑充分?jǐn)嚢韬螅却? min，再加入稀釋劑攪拌后即可涂刷，厚度也為4～6 mm。

圖1 3 種典型保護(hù)涂層形貌Fig.1 Morphology of three typical protective coatings

1.3 污水腐蝕裝置

自行設(shè)計(jì)并制造了污水腐蝕裝置，見(jiàn)圖2。主要包括：密閉有機(jī)玻璃桶，其可保持厭氧環(huán)境；自動(dòng)加熱棒，可控溫在30 ℃；攪拌器，可防止污泥在底部沉積。將混凝土試件放在刷有防腐涂料的架子上，并浸入污水中，這樣生物膜可以在流動(dòng)的污水環(huán)境下生長(zhǎng)。

圖2 污水腐蝕裝置Fig.2 Sewage corrosion device: a) photo; b) top view

為加速腐蝕，人工配制了COD 值為6 000 mg/L的強(qiáng)化污水，其濃度約為普通污水的20 倍?；钚晕勰嗳∽允仪f污水處理廠二級(jí)沉淀池，通過(guò)向其中定期添加含有淀粉、葡萄糖、蛋白胨、尿素、磷酸二氫銨等物質(zhì)的營(yíng)養(yǎng)液，可為微生物提供生長(zhǎng)所必需的碳源、能量、氮源、磷元素等，從而使污水一直維持較高的濃度。此外，采用高通量測(cè)序技術(shù)對(duì)污水中的微生物進(jìn)行檢測(cè)，可以發(fā)現(xiàn)其在門(mén)水平下具有較高的多樣性，主要包括變形菌門(mén)、放線菌門(mén)、擬桿菌門(mén)等，三者的相對(duì)豐度高達(dá)95%，其所包含的硫酸鹽還原菌是造成混凝土微生物腐蝕的重要原因，見(jiàn)表1。

表1 人工強(qiáng)化污水中的微生物相對(duì)豐度Tab.1 Relative abundance of microorganisms in artificially intensified sewage%

1.4 方法

1.4.1 生物膜生長(zhǎng)

生物膜生長(zhǎng)通過(guò)稱(chēng)重法測(cè)定，采用1/10 000 天平，精度為0.1 mg，量程為320 g。每隔24 h 將試件從污水中取出，稱(chēng)量前將試件下表面及四周擦拭干凈。每次稱(chēng)量至少重復(fù)3 次，取其平均值作為測(cè)試結(jié)果。在污水中浸泡不同時(shí)間的試件質(zhì)量與浸泡前的飽水試件質(zhì)量之差即為涂層表面附著生長(zhǎng)的生物膜質(zhì)量。測(cè)試周期為60 d。

1.4.2 生物膜觀察

將在污水中浸泡30 d 表面帶有生物膜的有無(wú)涂層混凝土試件取出，并用由NaCl（137 mmol/L）、KCl（2.7 mmol/L）、Na2HPO4（4.3 mmol/L）和KH2PO4（1.4 mmol/L）組成的緩沖溶液沖洗掉試件表面松散的細(xì)胞，然后刮取生物膜在吖啶橙熒光染色液中染色，并在37 ℃孵育5 min。隨后，再次取出生物膜試樣，由上述緩沖液沖洗，在FV-1000 CLSM 下觀察生物膜中細(xì)菌的存活情況，活細(xì)胞顯示綠色，死細(xì)胞顯示紅色。此外，刮取一定生物膜在稀釋的羅丹明紅色熒光染色溶液中染色，并在室溫下孵育1 h，再次沖洗后，置于CLSM 下觀察膜內(nèi)微生物群落結(jié)構(gòu)。激發(fā)光子和發(fā)射光子的波長(zhǎng)分別為543、591 nm。

1.4.3 混凝土與生物膜三維形態(tài)

利用徠卡超景深測(cè)試系統(tǒng)（DVM5000）觀察混凝土和涂層表面的三維形貌。每個(gè)樣品隨機(jī)測(cè)試10個(gè)微區(qū)，每個(gè)微區(qū)的表面粗糙度可以通過(guò)式（1）用最小二乘法線性擬合來(lái)計(jì)算，然后取平均值。

2 結(jié)果與分析

2.1 生物膜表觀形態(tài)觀察

將有無(wú)涂層的混凝土試件置于含人工污水的生物膜反應(yīng)器中，觀察不同階段生物膜的表觀形貌。從圖3 可以看出，在最初的幾天，混凝土表面形成了少量的細(xì)菌菌落。隨著時(shí)間的增加，這些細(xì)菌菌落慢慢聚集，生物膜的數(shù)量開(kāi)始增加，最終形成了完整成熟的生物膜。從CLSM 圖像中也可看出，隨著生長(zhǎng)周期的延長(zhǎng)，生物膜內(nèi)微生物及其分泌產(chǎn)生的胞外聚合物逐漸增多，生物膜結(jié)構(gòu)也越發(fā)致密。此外，試件表面生物膜的顏色由泥灰色變?yōu)辄S色，最后變?yōu)楹谏Ｆ渲?，無(wú)涂層混凝土試件的生物膜生長(zhǎng)速度和變色速度最快，IIC 和IBC 的生物膜生長(zhǎng)速度均慢于無(wú)涂層混凝土試件，而機(jī)涂層混凝土試件的生物膜生長(zhǎng)速度最慢。這可能是因?yàn)橥繉颖砻姹然炷帘砻娓饣?、更致密，尤其是有機(jī)涂層。

在污水中，懸浮的微生物細(xì)胞通過(guò)主動(dòng)和被動(dòng)運(yùn)輸附著在載體表面，并通過(guò)吸收和消耗水中有機(jī)基質(zhì)實(shí)現(xiàn)自身的繁殖和生長(zhǎng)。同時(shí)，這些細(xì)胞產(chǎn)生大量的胞外聚合物（EPS），進(jìn)一步將微生物細(xì)胞緊密結(jié)合，形成生物膜。隨著生物膜的積累，在水力剪切作用下，不斷將微生物細(xì)胞釋放到水中。故載體上生物膜的形成是一個(gè)受附著、生長(zhǎng)和脫離影響的動(dòng)態(tài)過(guò)程，如圖4a 所示。載體粗糙度對(duì)生物膜形成和生長(zhǎng)的影響可從以下2 方面來(lái)解釋?zhuān)阂环矫?，粗糙載體表面的凹坑可以為微生物提供一個(gè)相對(duì)靜止的流動(dòng)環(huán)境，減少水流的剪切侵蝕，保護(hù)微生物；另一方面，粗糙載體具有較大的表面積，可增加其捕獲微生物的能力，見(jiàn)圖4b。因此，表面粗糙的載體比表面光滑的載體更有利于生物膜的附著和生長(zhǎng)。

圖4 生物膜形成示意圖Fig.4 Schematic diagram of biofilm formation: a) smooth carrier; b) rough carrier

2.2 生物膜的生長(zhǎng)變化

有無(wú)涂層的混凝土試件（UCS）上形成的生物膜生長(zhǎng)曲線如圖5 所示?？梢钥闯觯街赨CS 上的生物膜質(zhì)量最高，其次是IIC，第三是IBC，最后是OC。UCS 上生物膜的最大質(zhì)量約為OC 的2 倍。此外，附著在混凝土試件表面的生物膜的生長(zhǎng)曲線可分為5 個(gè)階段。最初的7～9 d 為階段1 附著期，微生物借助于水力或其他擴(kuò)散力遷移到載體表面，生物膜量迅速增加。接下來(lái)的5～7 d 是階段2 適應(yīng)期，此時(shí)附著的微生物處于平衡狀態(tài)，以適應(yīng)反應(yīng)器內(nèi)環(huán)境。隨后的18 d 是階段3 生長(zhǎng)期，在此期間，由于營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)的充分供應(yīng)，微生物開(kāi)始迅速生長(zhǎng)和繁殖。32～40 d是階段4 穩(wěn)定期，生物膜的脫落與生長(zhǎng)在各種外力作用下處于動(dòng)態(tài)平衡。階段5 是40～60 d 的脫落期，生物膜量逐漸減少，表明隨著生物膜的成熟，膜內(nèi)微生物的分解及膜內(nèi)厭氧層過(guò)厚等原因?qū)е虏糠稚锬っ撀?。此外，生物膜在混凝土試件上的附著期比在涂層載體上的附著期短，而其生長(zhǎng)期較長(zhǎng)。異養(yǎng)生物膜和硝化生物膜也有類(lèi)似的觀察報(bào)告[23-24]。不過(guò)其沒(méi)有明顯的指數(shù)增長(zhǎng)階段，而很快進(jìn)入了穩(wěn)定的線性增長(zhǎng)。這可能與生物膜各形成階段的人為劃分有關(guān)。如果將適應(yīng)期的后期分為生長(zhǎng)期，則在生物膜的生長(zhǎng)過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)指數(shù)生長(zhǎng)期。

圖5 生物膜在不同載體上的生長(zhǎng)曲線Fig.5 Growth curve of biofilm on different carriers

2.3 生物膜的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)

從上述結(jié)果可以看出，生物膜的形成涉及2 個(gè)主要的動(dòng)力學(xué)生長(zhǎng)過(guò)程:附著階段和生長(zhǎng)階段。這2 個(gè)過(guò)程有助于生物膜的積累和形成，可以認(rèn)為是生物膜生長(zhǎng)的主要階段。因此，下面重點(diǎn)介紹這兩部分的動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型。

2.3.1 生物膜可逆附著動(dòng)力學(xué)

當(dāng)微生物與混凝土載體剛剛接觸的時(shí)候其實(shí)就已經(jīng)形成了可逆附著，這一過(guò)程實(shí)際上是微生物在載體表面吸附與脫附的雙向動(dòng)態(tài)過(guò)程。因?yàn)樵谖⑸锷L(zhǎng)的環(huán)境中，存在著流體動(dòng)力或者簡(jiǎn)單的布朗運(yùn)動(dòng)，這都是導(dǎo)致微生物脫附的原因。微生物可逆附著的概念是由Marshall 等人明確提出的，并且此過(guò)程遵循一級(jí)反應(yīng)準(zhǔn)則[25]，所以微生物的固定速度可以表示為[26]：

式中：Xfe為平衡狀態(tài)下微生物附著量，g/L；X0為微生物初始濃度；Xe為平衡狀態(tài)下的懸浮微生物質(zhì)量濃度，g/L。

采用方程（10）對(duì)附著階段有無(wú)涂層混凝土試件的表面生物膜質(zhì)量進(jìn)行擬合，結(jié)果見(jiàn)圖6?？梢钥闯觯邢嚓P(guān)系數(shù)均在0.982 85～0.991 47，表明擬合結(jié)果良好，可將此式作為附著階段生物膜質(zhì)量的數(shù)學(xué)模型。此外，附著在載體表面的微生物量主要受到載體表面粗糙度影響，載體表面越光滑，系數(shù)α越接近1。UCS 載體的α最小，說(shuō)明其表面最為粗糙，其次是ICC，而IBC 和OC 的α接近1，說(shuō)明它們表面最光滑。IBC 載體的系數(shù)α略大于1，這可能表明載體的殺菌性導(dǎo)致生物膜量進(jìn)一步減少。

圖6 附著階段不同載體生物膜測(cè)量值與擬合曲線比較Fig.6 Comparison of measured values and fitted curves of biofilms on different carriers during attachment stage

2.3.2 生物膜生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)

現(xiàn)在工程中廣泛應(yīng)用的生物膜生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)模型為Mond 方程[27]：

式中：μ為微生物比生長(zhǎng)速率，h–1；μmax為微生物最大比生長(zhǎng)速率，h–1；Cs為限制性底物質(zhì)量濃度，mg/L；Ks為半飽和常數(shù)，mg/L。

本研究中由于人工強(qiáng)化污水的有機(jī)物含量較高，Cs>>Ks，故生物膜生長(zhǎng)不會(huì)受到限制，此時(shí)Mond 方程可轉(zhuǎn)化為零級(jí)反應(yīng)式，即μ=μmax。因此，微生物生物膜的生長(zhǎng)符合Mond 方程，故理論上生物膜的質(zhì)量應(yīng)隨時(shí)間線性增長(zhǎng)。在不同載體上生物膜的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)曲線如圖7 所示?？梢钥闯?，它們基本上都呈線性。試驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合后的相關(guān)系數(shù)大于0.98，表明擬合結(jié)果與實(shí)測(cè)值吻合較好。擬合直線的斜率和截距可以分別代表適應(yīng)期最后的微生物生長(zhǎng)率和生物膜質(zhì)量。顯然，無(wú)涂層混凝土試件上的生物膜生長(zhǎng)速率和質(zhì)量明顯高于有涂層的試件?？傮w來(lái)看，本試驗(yàn)中的生物膜的生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)相對(duì)符合Monod 方程。

圖7 生長(zhǎng)階段不同載體生物膜測(cè)量值與擬合曲線比較Fig.7 Comparison of measured values and fitted curves of biofilms on different carriers during growth stage

2.4 生物膜中細(xì)菌活性與微生物菌群結(jié)構(gòu)

2.4.1 生物膜內(nèi)死活細(xì)胞分布

采用激光共聚焦掃描顯微鏡觀察生物膜內(nèi)的細(xì)胞分布，在相同深度觀察附著在生物膜表面與不同涂層的生物膜，如圖8 所示。綠色代表活細(xì)胞，紅色代表死細(xì)胞。

從圖8a、b 可以看出，附著在UCS 和IIC 表面的生物膜中含有較多的微生物，并且綠色區(qū)域明顯大于紅色區(qū)域，表明活細(xì)胞的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于死細(xì)胞。然而在圖8c、d 中只能觀察到少量細(xì)胞，且活細(xì)胞數(shù)量明顯減少，表明附著在IBC 和OC 表面的生物膜在細(xì)胞數(shù)量及活性方面均不及UCS 和IIC 表面的生物膜。這是因?yàn)镮BC 中含有銅酞菁和氧化亞銅，具有一定的殺菌功能，通過(guò)與微生物所需代謝的酶相結(jié)合，從而減緩其活性，抑制微生物的生長(zhǎng)繁殖[28]。OC 中的煤油瀝青成分中也含有一定有毒物質(zhì)，能夠破壞微生物的細(xì)胞結(jié)構(gòu)，其中的環(huán)氧樹(shù)脂在能一定程度上能夠抵抗微生物的攻擊。

圖8 不同載體生物膜中活、死細(xì)胞分布Fig.8 Distribution of live/dead cells within the biofilm attached to different carriers

2.4.2 生物膜內(nèi)微生物的空間分布

對(duì)生物膜從頂部（接近污水）向底部（接近載體）進(jìn)行逐層掃描，得到的CLSM 圖像如圖9 所示?？梢园l(fā)現(xiàn)，當(dāng)生物膜接近載體時(shí)，其內(nèi)部的微生物數(shù)量較少。通過(guò)圖像分析軟件對(duì)CLSM 圖像進(jìn)行分析，可得到附著在不同載體上的生物膜內(nèi)不同深度處細(xì)胞與胞外聚合物面積分?jǐn)?shù)，結(jié)果見(jiàn)表2。可以看出，附著在UCS 上的生物膜內(nèi)，細(xì)胞總數(shù)沿測(cè)試深度從25.3%下降到4.5%。當(dāng)在混凝土表面涂覆涂層后，生物膜內(nèi)細(xì)胞及胞外聚合物分?jǐn)?shù)均出現(xiàn)大幅度下降，尤其是附著在OC 和IBC 表面的生物膜，頂面細(xì)胞及胞外聚合物的面積分?jǐn)?shù)僅為3.9%和1.5%。胞外聚合物是由細(xì)菌細(xì)胞產(chǎn)生的生物聚合物，其分布與細(xì)胞一致，面積分?jǐn)?shù)也隨深度增加而減小。附著在混凝土載體上的膜內(nèi)胞外聚合物比涂層載體多。這可能是由于涂層的光滑表面和殺菌特性增加了生物膜的脫離和降解速率，導(dǎo)致生物膜中胞外聚合物的分?jǐn)?shù)降低。例如，在距表面20 μm 深度時(shí)，附著在IBC 和OC 上的膜內(nèi)胞外聚合物分?jǐn)?shù)僅為0.2%和1.1%，而附著在UCS 上的則約為15.7%。

表2 不同深度生物膜內(nèi)細(xì)胞和EPS 的面積分?jǐn)?shù)Tab.2 Area fraction of cells and EPS within the biofilm at different depth%

圖9 生物膜由上到下不同深度的CLSM 圖像Fig.9 CLSM images of biofilm taken at different depth from top to bottom

2.5 污水中有混凝土有生物膜的性能研究

為了研究污水環(huán)境中生物膜對(duì)有無(wú)涂層混凝土試件的腐蝕影響，控制一組試件的表面生物膜自由生長(zhǎng)，而另一組試件上形成的生物膜則每天被沖刷掉。

2.5.1 質(zhì)量變化

在污水環(huán)境下浸泡90 d 后，測(cè)試不同混凝土試件在有無(wú)生物膜附著下的質(zhì)量變化規(guī)律，結(jié)果見(jiàn)圖10。可以看出，無(wú)涂層混凝土試件的質(zhì)量損失高于涂層混凝土試件，表明3 種涂層均能保護(hù)混凝土免受污水腐蝕。其中，有機(jī)涂層OC 對(duì)防止混凝土因污水微生物腐蝕引起的劣化效果最好，其次是IBC 和IIC。顯然，除了涂層的物理阻隔作用外，其殺菌功能也非常重要。此外，無(wú)生物膜試樣的質(zhì)量損失顯著高于有生物膜試樣。例如，有無(wú)生物膜附著的試件UCS 的質(zhì)量損失分別為8.1%和12.7%，而試件OC 的質(zhì)量損失分別僅為3.2%和4.2%。

圖10 污水中有無(wú)生物膜混凝土試件的質(zhì)量變化Fig.10 Mass change of concrete specimens with and without biofilm in sewage

2.5.2 表面粗糙程度

在污水環(huán)境下浸泡90 d 后，有無(wú)涂層的混凝土試件表面的三維形貌如圖11 所示?？梢钥闯?，混凝土試件在有涂層保護(hù)的情況下表面更加光滑、致密，并且無(wú)生物膜附著的試件表面更加粗糙，說(shuō)明生物膜可在一定程度上起到保護(hù)層作用。

圖11 污水腐蝕后有無(wú)生物膜混凝土試件的三維形貌Fig. 11 Three-dimensional morphology of concrete specimens with and without biofilm after sewage corrosion: a) with biofilm; b) without biofilm

通過(guò)每個(gè)試樣隨機(jī)測(cè)試10 個(gè)微區(qū)，并用最小二乘線性擬合方法計(jì)算每個(gè)微區(qū)的表面粗糙度，取其平均值。此外，生物膜作用系數(shù)可以通過(guò)式（12）計(jì)算。生物膜的作用系數(shù)越高，生物膜對(duì)砂漿的保護(hù)作用越強(qiáng)。

式中：KB為生物膜的作用系數(shù)；R1、R0分別為沒(méi)有和有生物膜附著樣品的平均表面粗糙度，μm。

根據(jù)表3 可以看出，有無(wú)生物膜附著的試件UCS表面平均粗糙度分別為48.7、81.4 μm，而OC 的表面平均粗糙度分別僅為10.3、12.9 μm。另外，無(wú)涂層混凝土試件表面的生物膜作用系數(shù)最高，為0.67，ICC 次之，為0.51。說(shuō)明雖然污水腐蝕后試件UCS的表面粗糙度較高，但其表面形成的厚而密的生物膜可作為物理屏障，降低污水的滲透性。對(duì)于IBC 和OC 試件，它們的生物膜作用系數(shù)都較低，分別僅為0.22 和0.25。這可解釋為涂層的光滑表面和殺菌性減少了生物膜的生長(zhǎng)，形成的生物膜層更薄，且結(jié)構(gòu)疏松多孔。

表3 污水腐蝕后不同混凝土試件的表面粗糙度Tab.3 Surface roughness of different concrete specimens after sewage corrosion

3 結(jié)論

1）UCS 上形成的生物膜量最多，其次是IIC、IBC和OC。生物膜在混凝土和涂層表面的生長(zhǎng)規(guī)律基本遵循載體表面越粗糙，附著生物膜越多的原則，但有一個(gè)例外，雖然IBC 的表面粗糙度大于IIC，但附著在IBC 的生物膜量小于IIC，表明載體的生物適應(yīng)性也會(huì)影響生物膜的生長(zhǎng)。

2）生物膜在涂層表面生長(zhǎng)的附著階段要比混凝土表面更長(zhǎng)，生長(zhǎng)階段則較短。公式mf=mfe(1－αe–at)可作為計(jì)算附著階段生物膜質(zhì)量的數(shù)學(xué)模型，而對(duì)于生長(zhǎng)階段，也總體上符合Monod 方程，即生物膜質(zhì)量隨時(shí)間增長(zhǎng)呈線性增加。

3）污水腐蝕90 d 后，無(wú)生物膜附著試件的質(zhì)量損失和表面粗糙度均高于有生物膜附著的試件。其中，無(wú)涂層混凝土試件表面的生物膜作用系數(shù)最高，為0.67，ICC 次之，為0.51，說(shuō)明試件表面形成的厚而密的生物膜可作為物理屏障，降低污水的滲透性，而試件IBC 和OC 的生物膜作用系數(shù)僅為0.22 和0.25。由此可見(jiàn)，涂層的光滑表面和殺菌特性會(huì)導(dǎo)致形成的生物膜薄且多孔，從而降低生物膜的保護(hù)效果。