摘 要： 本文叙述了混凝土管在排放过程中受微生物侵蚀的原因和机理， 讨论了污水和废水中存在的各种侵蚀因素， 硫杆菌属的各类细菌的生存条件，生物化学腐蚀过程。指出最终由食砼菌在混凝土表面与氢硫酸产生生化反应，生成硫酸，导致混凝土破坏。提出了各种防护措施。
关键词：混凝土管污水微生物硫杆菌食砼菌硫化氢腐蚀
0 前言
有一项专家调查表明， 迄今为止全世界的建筑材料由于微生物腐蚀引起的破坏占到10～20 %。作为使用最早的水泥制品之一的混凝土管， 也摆脱不了遭受微生物腐蚀的厄运。然而人们并没有象对待酸类、盐类等物质侵蚀混凝土那样予以重视。直到二十世纪四十年代， 运行中的混凝土管道遭受微生物侵蚀的案例接连发生，才引起工程界的关注。据报导，70 年代德国汉堡市废水系统的混凝土管道因硫杆菌引起的腐蚀而支付的维修费用高达5000 万马克以上。在美国同样的破坏造成的年损失约为1 亿美元。
1945 年Parker 在墨尔本指出混凝土管的腐蚀与微生物有关。1959 年Pomeroy 对加利福尼亚洛杉矾城区使用了35 年的排水系统3100 公里污水管线进行了有关微生物腐蚀的研究， 发现0. 25 %的管线（7. 5 公里） 受到了微生物腐蚀。自此引起了世界各国专家对微生物腐蚀的高度重视， 在德国汉堡成立了跨学科领域的组织， 对微生物腐蚀进行综合调查， 研究讨论了加利福尼亚、澳洲、非洲、中东、近东、南美洲和新加坡的案例， 一致认为材料的微生物腐蚀是一个涉及到多学科的交叉性的科学问题， 它需要由生物学家、化学家、材料学家甚至结构工程专家共同来研究。
近年来国内也发生了类似的案例。1988 年上海开展治理苏州河及其支流的污染， 改善水质的工程， 提出了混凝土管防污水侵蚀的问题， 其中包括微生物腐蚀。上海建筑科学研究院作了探索性的研究， 苏州混凝土水泥制品研究院也对此进行过调研。
本文将就微生物腐蚀起因、影响因素、产生机理等进行讨论，旨在引起国内工程和材料界的重视，推进这方面的科学研究工作。
1 污水中的侵蚀因素
混凝土排污管的输送对象是生活污水和工业废水。污水和废水中含有各种污染物质，其成分随各种污染源的不同而有较大的波动。我国的《污水综合排放标准》国家标准GB 8979 将污染物分为二类： 第一类污染物指含有对人体健康产生长远不良影响的， 如汞、砷、镉、铅等，它受到极为严格的排放控制。第二类污染物指其长远影响小于第一类的污染物，如悬浮物（SS） 、生化需氧量（BOD5） 、化学需氧量（COD） 、pH、硫化物、磷酸盐等等，这类污染物对混凝土具有潜在的侵蚀作用，是本文讨论的对象。标准对各类污染物的排放量有严格规定。大中城市排水设施比较完善，工业废水和生活污水不是直接排入水体，而是排入城市下水道，然后进入城市污水处理厂集中处理。根据下水道管理要求和二级污水处理工艺要求，达到三级标准即可。表1 是几个主要污染物的标准规定指标。
氢离子浓度（pH值） ： 废水中的氢离子浓度用pH值表示， 等于氢离子浓度的负对数值。pH值是用来判断废水的化学和生物学性质的参数， 它不是定量的测定数值， 不能用来说明水中的酸性物质或碱性物质的数量。但pH值的变化对混凝土腐蚀起十分重要的作用。其一是pH值在酸性范围内对混凝土管有明显的破坏作用，使砂浆层粉化脱落。其二是不同的pH值适合于不同微生物的生长。好氧菌最适宜的pH 值为6. 5～7. 5 ， 厌氧菌最适宜的pH值为6. 7～7. 4 ， 随着细菌生长温度的升高， 最佳pH值也随之升高。当pH值在6. 5 以下和8. 2 时，厌氧消化过程仃止。因此pH值对维持厌氧微生物系统中最佳的细菌生长和转化过程是非常重要的。此外pH 值对污水中存在的硫化物有影响，当pH值低时，硫化物以硫化氢形式存在。
悬浮物（SS） ： 悬浮物是指水中无机的和有机的颗粒物， 实际上也包括可沉降的固体颗粒物。悬浮物常常成为微生物隐蔽的载体。有机物颗粒沉降水底后，会消耗水体中的溶解氧， 同时也会使淤泥中的生物密度增大，给微生物腐蚀创造了有利条件。
生物需氧量（BOD 5） 和化学需氧量（COD） ：生化需氧量和化学需氧量是污水和工业废水的有机污染的综合指标， 两者皆反映污水或工业废水中有机物在氧化分解时所耗用的氧量。所不同的是BOD 是有机物在20 ℃恒定温度、一定时期内微生物作用下氧化分解所需的氧量， 它代表了废水中可生物降解的那部分有机物； 而COD 是有机物在化学氧化剂作用下氧化分解所需的氧量， 它代表的是废水中可被化学氧化剂分解的有机物。实际上这两个指标通过耗氧量间接地反映了污水中有机物的数量。生物需氧量和化学需氧量在微生物腐蚀混凝土管的过程中起到举足轻重的作用。
硫化物： 含硫化物的废水主要来源于石油炼制、化工、制革、纺织等工业废水。不同行业废水中硫化物浓度有所差异， 一般在2～80mg/ l ， 但每升也有高达几千毫克的。硫化物中， 在化学平衡的制约下和在酸性条件下，非离解的硫化氢（H 2 S） 占优势。在充分曝气、溶解氧充足的水体中， 硫化氢极不稳定。它可从水中逸散出， 也可被氧化成硫酸或元素硫。前者能直接腐蚀混凝土管。同时， 由于硫化物极易被氧化而消耗水中的溶解氧， 因此造成水中缺氧， 有利于厌氧菌的生长，给微生物腐蚀创造条件。
SO 42 - ： 城市污水中都含有不同程度的硫酸盐，生活污水的硫酸盐含量通常在20～100mg/ l ， 而工业废水的接入显著增加了城市污水中的硫酸盐水平。一般含高浓度SO 42 - 的工业废水要经石灰处理后接入城市污水管网， 但SO 42 - 的浓度仍在2000mg/ l 左右。另外， 一些地区含盐地下水的渗入， 也会增加硫酸盐的浓度。
混凝土管道中流过的污水是一个动态过程， 它随各污染源排出的污水成分而随时变化。有时是中和，而有时是叠加。从上海部分泵站污水24 小时混合样的成分看，虽然其值没有超过国标规定值，但其某时间的最大值已大大超过标准值。这反映在混凝土管道中存在着被腐蚀的可能性。
2 微生物腐蚀
2. 1 微生物腐蚀机理
微生物腐蚀是环保工程中发生的典型的动态过程。含有无机和有机污染物质的水排入城市排水系统后，首先被系统中原有的流水混合、中和、稀释、扩散或浓度加大。比较重的粒子沉降到管道底部， 形成粘泥层。有机物质便成为微生物的营养源，它们被分解与消化。在这个生物的氧化作用过程中，开始有充分氧气，有机物为需氧菌分解成水、二氧化碳、五氧化二磷、硫酸离子等。这种反应需要消耗水中大量的溶解氧。水中的溶解氧因得不到补给而显著降低，一旦耗用殆尽，氧化作用便仃止。厌氧菌参与分解有机物，将其分解成甲烷、氮和硫化氢等气体。其中硫化氢本身对混凝土无明显的侵蚀作用，但遇上混凝土表面的凝聚水膜，就生成硫酸，对混凝土具有强烈的侵蚀作用。
日本的森忠洋等人认为， 混凝土管的微生物腐蚀主要分为二类： 一类是含有大量硫化氢的工厂废水或化粪池污水排入混凝土管道，导致微生物腐蚀；另一类是管道底部沉积的粘泥层在厌氧状态下， 产生的微生物腐蚀。澳大利亚的Thistlethwayte 提出了为人们广为接受的腐蚀机理，见图1。
混凝土管壁的生物腐蚀的主要过程如下：
（1） 污水和废水中的有机和无机悬浮物随水流流动而逐渐沉积于管底成为粘泥层。粘泥层中的硫酸根离子被硫还原菌还原，生成硫化氢。
（2） 释放的硫化氢进入管道未充水的上部空间，与管壁相接触。
（3） 在管壁上， 硫化氢由于生物化学的作用， 氧化生成硫酸。
（4） 在生成的硫酸的不断作用下，管道上部混凝土被腐蚀。
Roberton 和Paintal 等人的研究结果证实了上述的腐蚀机理， 认为硫还原菌是使硫酸盐转变为硫化氢的主要角色。食砼菌（concretivorus） 则是在管壁上与硫化氢产生生物反应生成硫酸， 从而破坏混凝土的最终杀手。
2. 2 腐蚀的影响因素
混凝土管的微生物腐蚀最常见的是发生在半管自流混凝土管道中。它与温湿条件有关， 硫杆菌的各种细菌在温暖潮湿缺氧的环境下才会出现。pH值也是主要的生存因素。
Thistlethwayte 提出了一个经验公式， 建立了粘泥层生成速率与SO 42 - 、BOD 5 和污水流速的关系：
Gs = 32. 2 ×10 - 6 ×V s ×[BOD 5 ] 0 .8 ×[ SO 42 - ] 0 .4 ×1. 139 （t℃ - 20 ）
式中： Gs —粘泥层产生速率， 单位是1b 亚硫酸盐/1000 平方尺粘泥层/ 小时；
V s —污水流速，英尺/ 秒；
BOD 5 —五日生化需氧量， mg/ l ；
SO 42 - —用SO 4 表示的硫酸盐含量， mg/ l ；
T —温度， ℃。
图2 是自流管中BOD5 与硫化氢生成量的关系曲线。管径为0. 75m， 液面高径比为0. 25 ， 污水温度为20 ℃，硫酸盐含量为60mg/ l 。
新浇灌的混凝土具有很强的碱性， pH值达到12 ，没有任何一种硫杆菌能生成在这样的碱环境中。因此混凝土暂时不受细菌作用而导致腐蚀。混凝土在空气中自然碳化， 其表面的pH值逐渐降低至9 以下， 在这种碱度， 硫杆菌属中的萧巴氏菌和那不勒斯菌便利用硫化氢作为基质，生化反应成氢硫酸，混凝土表面的碱度继续下降至5 ， 这时， 食砼菌开始大量繁殖， 并生成高浓度硫酸， pH值降到2 以下， 混凝土水泥石中的硅酸钙和铝酸钙水化物被酸溶解， 从而导致混凝土破坏。
3 微生物腐蚀的预防
研究结果表明， 预防微生物腐蚀行之有效的措施有三方面：
（1） 改善排水管道的结构， 如满管运行， 或尽量减少水面上方的空间。
（2） 采取各种措施， 使硫杆菌的不同细菌不能生存，减少硫化氢生成，如强制通风，使用化学剂等。
（3） 采用耐酸混凝土制造混凝土管，或在混凝土管内表面涂刷防腐涂料。
4 结语
（1） 混凝土管受污水和废水腐蚀时，微生物腐蚀起着不可忽视的作用。
（2） 微生物腐蚀与污水和废水中所含有的污染物质有关。这些污染物质包括氢离子浓度（pH值） 、悬浮物（SS） 、生物需氧量（BOD 5） 、化学需氧量（COD） 和硫化物、硫酸根离子及磷酸盐等。其中BOD 5 和COD 的含量起到举足轻重的作用。
（3） 微生物腐蚀是各种细菌生成、生长和发生生物反应的动态过程。起主要作用的是好氧菌、厌氧菌和硫杆菌等各种细菌。由于生化反应生成硫化氢，进而在混凝土表面生成浓硫酸，导致混凝土破坏。
（4） 混凝土管的微生物腐蚀是一新课题，是生物科学、材料科学、水处理科学以至结构工程学的跨学科交叉性的研究课题， 需要这些领域内的技术人员密切合作，进一步探明混凝土的微生物腐蚀机理，预测在此环境下混凝土的寿命，提出防范措施。
