研究簡介：在世界范圍內，水泥混凝土以其優異的耐久性在市政基礎設施中得到了廣泛的應用。然而據報道，世界上許多地方的混凝土污水管道、廢水收集和處理設施都在惡化，在維修和保養方面正花費數百萬美元。污水對混凝土的腐蝕機理十分復雜，除物理化學作用外，微生物的侵襲已被確定為引起混凝土污水管道腐蝕的最重要原因。早期的研究就發現細菌參與了下水道內部混凝土的劣化，并提出腐蝕機理是硫循環的結果。為了更好的了解生物膜在污水對混凝土的腐蝕機制，本論文研究人員制備了不同化學需氧量(COD)值的人工強化污水，并對污水中添加和不添加生物膜的砂漿試樣的重量變化進行了對比研究，采用掃描電鏡(SEM)和微電極等技術對試樣的變質程度進行了評價。

丹麥Unisense微電極研究系統應用

在砂漿表面放置密實網狀結構的絲襪上生長生物膜，使生物膜容易從砂漿表面脫落，保護unisense微電極尖端不受損傷。微電極頭直徑為5 um，響應時間在10秒左右。生物膜的位置表面在顯微鏡下測試確定的。生物膜的均固定于瓊脂上浸在反應器產生的污水中，采用unisense微電極檢測系統測定了生物膜內pH和O2的原位穩態濃度分布，所有的測量都是在20攝氏度的溫度下，在幾分鐘內完成的。

實驗結果：采用人工強化處理污水的方法，模擬和加速了污水中微生物的腐蝕，研究了污水中摻加生物膜和不摻生物膜砂漿的重量變化規律。對比研究了砂漿上生物膜的微生物結構和活性表面。在此基礎上，分析了生物膜對砂漿老化的影響機理。結果表明，在砂漿上形成的生物膜有污水導致的不同程度的腐蝕具有一定的阻隔作用。研究發現生物膜對砂漿惡化的影響機制可進行定量分析,可以發現和主要影響因素。在第1個月，普通污水(COD=300 mg/L)中的樣品生物膜作用系數(BA)最低，主要是由于其生物膜較薄，但一直增加到60天。對于強化污水中的試樣，在整個腐蝕過程中，MS2的BA值最高，這可以解釋為其污水和生物膜的pH值較高，而MS3和MS4由于其生物膜結構致密，在第一個月的BA值較高，在此之后，不斷增加的腐蝕性降低了生物膜對砂漿的保護作用，使得BA值大大降低。這也說明對于普通污水中的樣品，生物膜的厚度起著主要作用，尤其是在第一個月，而在污水濃度過高的情況下，污水的腐蝕性增加對后期生物膜對砂漿的防護作用會明顯降低。

圖1、unisense微電極測試系統應用與污水生物膜的測試實驗裝置圖。

圖2、砂漿載體生物膜不同生長周期（圖a 5天；圖b15;圖c 30天）對應的的表觀形態。

圖3、人工污水中生物膜面積孔隙度與深度的關系

圖4、不同濃度污水樣品對應的pH值隨時間的變化情況

圖5、生長在不同污水(a)BS1，(b)BS2，(c)BS3，(d)BS4）的生物膜15天后應用unisense微電極穿刺生物膜表面的氧濃度剖面及pH值剖面。

圖6、生長在不同污水(a)BS1，(b)BS2，(c)BS3，(d)BS4）的生物膜30天后，應用unisense微電極穿刺生物膜表面的氧濃度剖面及pH值剖面。

圖7、生長在不同污水(a)BS1，(b)BS2，(c)BS3，(d)BS4）的生物膜45天后，應用unisense微電極穿刺生物膜表面的氧濃度剖面及pH值剖面。

圖8、生長在不同污水(a)BS1，(b)BS2，(c)BS3，(d)BS4）的生物膜90天后，應用unisense微電極穿刺生物膜表面的氧濃度剖面及pH值剖面。

總結：本論文研究人員主要就砂漿上生物膜的微生物結構和活性表面對混凝土的腐蝕的相關機理進行研究，因為之前的研究關于微生物的生物膜是否參與污水下混凝土的劣化過程仍然沒有一個定論，近些年的相關研究發現人造污水研究了生物膜會對混凝土腐蝕產生一定的影響，并進行了驗證生物膜可以作為一種物理屏障而減少污水的滲透性，為了進一步驗證相關機理，本論文的研究人員制備了不同化學需氧量(COD)值的人工強化的污水，并對污水中添加和不添加生物膜的砂漿試樣的重量變化進行了對比研究。采用掃描電鏡(SEM)和x射線衍射(XRD)、等相關技術對試樣的變質程度進行了評價，并且同步采用了激光共焦掃描激光技術和微電極技術對砂漿的表面生物膜進行了相關研究，分析了生物膜對砂漿老化的影響機理，在對礦砂漿生物膜的表面的相關物性參數（氧氣、pH）使用了尖端直徑為5um的unisense(氧氣，pH微電極)穿刺到生物膜表面，研究生物膜內不同位置處的pH和O2的原位穩態濃度分布，在基于灰色關聯分析模型，結合unisense系統測試的污水pH值(SpH)，生物膜的pH值(BpH),生物膜厚度(BT)、生物膜的孔隙度(BP)，改變生物膜的氧和率(KDO)和生物膜作用系數(BA)等結果，對生物膜對砂漿惡化的影響機制進行定量分析，得出了普通污水中的樣品，生物膜的厚度起著主要作用，尤其是在第一個月，而在污水濃度過高的情況下，污水的腐蝕性增加對后期生物膜對砂漿的防護作用會明顯降低的結論，此說法的提出也大大豐富了研究人員關于生物膜對污水系統混凝土腐蝕影響機理。