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沿海地区污水处理厂防腐蚀技术  

2008-12-04 22:06:07|  分类: 交流平台 |  标签: |举报 |字号 订阅

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沿海地区污水处理厂防腐蚀技术

海地区污水处理厂防腐蚀技术 

闻宝联 1林文波2 邓彪张宝祥2

(1.天津市市政工程研究院,天津,300074;2.天津市创业环保股份有限公司,天津,300074)

摘要:分析了沿海污水处理构筑物的腐蚀模式,分别论述了微生物和沿海地下水对钢筋和混凝土的腐蚀机理,从系统论的角度出发,从结构的设计、材料的设计、施工的组织设计等多角度提出了保障结构耐久性的措施,最后指出,针对具体工程,应制定专项工程的设计、施工与验收规程,以指导、规范工程的建设工作。

关键词:污水处理厂 微生物 混凝土 腐蚀 设计

中图分类号:TU528;TU823  文献标识码:C

引言

天津滨海新区的开发开放已纳入国家总体发展战略,将建设成为我国北方的经济中心和宜居生态城市。在未来15年内,城市基础设施将一直是建设重点。作为实现生态城市重要保障的污水处理厂更是重中之重。值得一提的是,2007末我国与新加坡签订了《中新生态城框架协议》,正式确定中新生态城落址天津滨海新区。

中新生态城项目落户将促进相关产业借助生态城发展壮大。如环保产业,生态城对生态的要求极高,城内用水全部为海水淡化或再生水,所有污水将由污水处理厂处理后达标排放。这为环保技术和环保产品提供了广阔市场。中新生态城规划面积30平方公里生态城内和周边区域正在建设多个污水处理厂。

输送和处理污水的构筑物一般都是钢筋混凝土结构,污水处理系统中的混凝土构筑物常年受到各种腐蚀介质和微生物的侵蚀,不仅如此,在沿海环境下,还要受到地下水土的侵蚀,导致结构强度过早下降,无法达到使用期限的要求,造成能源、资源的巨大浪费。因此,对沿海污水处理构筑物混凝土耐久性研究迫在眉睫,研究其综合腐蚀作用机理,寻求混凝土结构性能的衰减规律,将对整个滨海新区污水处理构筑物混凝土的结构设计及使用寿命延长提供重要依据。

1腐蚀因素分析

1.1微生物对钢筋混凝土的腐蚀

微生物腐蚀是指微生物引起的腐蚀或受微生物影响的腐蚀(Microbially Influenced Corrosion)。引起腐蚀的微生物有很多种,硫酸还原菌、真菌、蓝细菌、硝化细菌、几乎各种厌氧菌、真菌,这些细菌不仅造成混凝土的劣化,对其中的钢筋、铁件也造成强烈的腐蚀[[1]] [[2]]

微生物的腐蚀主要是由其腐蚀性代谢产物而造成的[[3]]。微生物的代谢过程可分为好氧和厌氧两种。好氧代谢主要发生在供氧充分的区域,如曝气池、沉淀池的水面表层等处,厌氧代谢主要发生在贫氧的环境,如地下管网、沉淀池的水下部位等[[4]]。两种代谢过程的产物不同,腐蚀机理也不一样。

1.1.1 好氧菌对混凝土的腐蚀

好氧菌在代谢过程中会消耗污水中的溶解氧,营养源是污水中存在大量碳氢化合物、蛋白质、纤维素等有机物质,代谢排出有机酸、二氧化碳、硫酸根离子等。

好氧生物处理过程的生化反应方程式如下:

 

(有机物的组成元素)

 C、H、O、N、S +  O2              CO2+ H2O + NH3 + SO42-+¼+能量       

 

 

 

  异氧微生物

    C、H、O、N、S+ 能量                  C5H7NO

 

 C5H7NO2 +O2           CO2 + H2O + NH3 +SO42- +¼+能量

 产生的碳酸、有机酸对碱性的混凝土产生溶解性的腐蚀。

1.1.2厌氧菌对混凝土的腐蚀

调查表明,厌氧菌侵蚀最严重的部位是地下排污管网,最主要的元凶是硫酸盐还原菌(SRB)[[5]]。硫酸盐还原菌(SRB)是指在厌氧条件下能把硫酸根还原成二价硫的一群细菌,主要是脱硫弧菌属的细菌[[6]]

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道底部成为淤泥,淤泥中的硫酸根离子被硫还原菌还原,生成硫化氢。释放的硫化氢气体进入管道内未充水的上部空间,与管壁相接触。在管壁上,硫化氢氧化生成硫酸,在硫酸的不断作用下,管壁混凝土被腐蚀。

污水中既有有机的硫化物也有无机的硫化物,当污水管中的污水流速较低时,硫酸盐还原菌很容易在管壁上成为菌落。在贫氧条件下,它能将含硫蛋白质及硫酸盐还原为硫化物,生成H2S,与水结合形成对混凝土、金属等多种材料有腐蚀的硫酸,从而使混凝土和钢筋产生腐蚀。

含硫蛋白质在厌氧条件下分解出硫化氢,方程式如下:

 

在厌氧状态下,硫酸根作为受氢体,使硫酸盐还原成H2S,如遇氧气,则会进一步生成硫酸,方程式如下:

 

1.1.3真菌对混凝土的腐蚀

在分类学上,真菌不同于细菌。细菌是单细胞的真细菌,而真菌是真核生物,真菌能侵蚀很多有机物,包括聚合物、纤维等,真菌侵蚀混凝土的机理主要有几种。最近分离出来一种能腐蚀混凝土的镰孢菌属的真菌与中间硫杆菌(T.intermedius),经过120天的培养后,能对混凝土产生几乎相同的重量损失。真菌代谢产生柠檬酸、草酸和葡萄糖酸[[7]][[8]],与混凝土中的钙反应,引起混凝土的溶解和破坏。另外,真菌能将菌丝伸进混凝土的内部,增加了破坏面积和增大混凝土的孔隙率。真菌在很宽的环境条件下都有活性,因此由这些微生物引起的破坏比想象的要严重得多。

1.1.4好氧菌对钢筋的腐蚀

好氧菌,如好氧性排硫杆菌,能将污水中的污物发醇所产生的硫代硫酸盐还原为硫元素;而好氧性氧化硫杆菌又可把元素硫氧化为硫酸,从而加快金属的腐蚀。这类菌常见的有硫杆菌属(Thiobacillus)中的排硫硫杆菌(T.thloparus)、氧化亚铁硫杆菌(T.ferrooxidans)、氧化硫硫杆菌(T.thiooxidans)等。还有硝化细菌,如亚硝化单胞菌属(Nitrosomonas)和硝化杆菌属(Nitrobacter)等能把氨氧化成亚硝酸,再进一步氧化成硝酸,同时获取能量供自身生活。

1.1.5厌氧菌对钢筋的腐蚀

在缺氧条件下,金属虽然难以发生吸氧腐蚀,但可进行析氢腐蚀(电化学腐蚀中,有氢气放出)。只是因阴极上产生的原子态的氢未能及时变为氢气析出,而被吸附在阴极表面上,直接阻碍电极反应的进行,使腐蚀速率逐渐减慢。缺氧状态下,硫酸盐还原菌产生生物催化作用,使SO42-离子氧化被吸附的氢,从而促使析氢腐蚀顺利进行。整个过程的反应如下:

阳极      4Fe-8e = 4Fe2+

             8H2O =8H+ +8OH-

阴极      8H++8e=8H(吸附在铁表面上)

         SO42-+8HS2-+4H2O

     Fe2++S2- = FeS(二次腐蚀产物)
              3Fe2++6OH- =Fe(OH)2(二次腐蚀产物)

能参与金属腐蚀过程的细菌不止有很多,如铁细菌、霉菌,主要是其生命活动中的过程反应物对金属电化学腐蚀过程产生的影响。

反硝化细菌,如脱氨假单胞菌(Pseudomonasdenitrificans)、施氏假单胞菌(Pseudomonasstutzeri)、紫色色杆菌(Cpromobacteriumvio-laceum)等,在缺氧的环境中,能把硝酸还原成亚硝酸。因此这类菌能在环境中积累一定量的硝酸和亚硝酸,从而对金属造成腐蚀。

1.2侵蚀性地下水对钢筋混凝土的腐蚀

滨海地区侵蚀性地下水对钢筋混凝土结构的腐蚀主要体现在以下几方面。

1.2.1地下水对混凝土的腐蚀

地下水对混凝土的侵蚀作用主要可归纳为三种:溶出性侵蚀、结晶性侵蚀和化学侵蚀。

在地下水环境下,使混凝土材料侵蚀或造成损伤的环境作用主要有冻融循环、干湿交替以及水、土中的硫酸盐、镁盐、酸等化学介质的作用。

1)溶出性侵蚀

当混凝土长期与一些暂时硬度较小的水接触时,水泥石中的Ca(OH)2溶解析出,当为静水和无压水时,溶出反应仅限于混凝土表面,影响不大,但在流水及压力水作用下(如结构发生渗漏),会不断流失,随着浓度不断降低,碱度降低,水泥石中的C-S-H凝胶等随着碱度的降低而不断分解(表1是水泥石中各种成分稳定存在的PH值),使得混凝土内的孔隙增加、强度降低直至瓦解,进而造成混凝土中钢筋的腐蚀加剧。

表1 水泥石中各水化产物稳定存在的PH 值

 

成分

pH值

水化硅酸钙

10.4

水化铝酸钙

11.43

水化硫铝酸钙

10.17

氢氧化钙

12.23

 

2)结晶型侵蚀

在污水处理池外壁地表附近,由于毛细作用,混凝土孔隙中充满了液体,当地下水位及环境温度变化时,液相中的盐份析出,在一定温度和湿度下转化为体积膨胀的结晶水化物,体积膨胀,破坏混凝土结构[[9]]。表2给出了各种盐类结晶膨胀率,最大的膨胀率可达到311%,足以破坏混凝土。

表2 盐类晶体转化膨胀率

 

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3)冻融破坏

冻融包含水冻和盐冻,水在结冰时体积膨胀9%,造成混凝土的胀裂;盐冻较水冻严重得多,这是因为盐的存在使混凝土更容易饱水,结冰时不仅存在着水的结晶压力,同时由于内外浓度差使内外、内部存在很大的渗透压,造成混凝土开裂。

4)化学侵蚀

地下水中硫酸盐、镁盐还会和混凝土中的CaO·Al2O3和Ca(OH)2反应,生成的Mg(OH)2疏松无胶凝性,降低混凝土碱度,生成的水化硫铝酸钙含有大量结晶水,比原体积膨胀1.5倍以上,在混凝土内产生很大的膨胀应力,从而导致混凝土的开裂。

另外,在温度低于15℃条件下,在硫酸盐、碳酸盐共同作用下因,还可能形成碳硫硅钙石(Ca3(SO4)(CO3)[Si(OH)6]*12H2O),其结果是生成的碳硫硅钙石毫无胶结能力,致使结构破坏。

在京津地区还可能发生的一种反应是碱骨料反应,是指混凝士中的碱或来自地下水中的碱与某些活性骨料发生化学反应,引起混凝土膨胀开裂,甚至破坏。包括碱、硅酸反应和碱、碳酸反应,不同类型碱、骨料反应的共同特征是:骨料发生膨胀和开裂。

1.2.2侵蚀性地下水对钢筋的腐蚀

钢筋腐蚀破坏被确认为是导致钢筋混凝土结构过早破坏的一个最主要的原因。

混凝土中钢筋的锈蚀过程是电化学过程,在金属表面进行任何一种化学腐蚀过程都必须具备四个条件:①金属表面各处之间有电位差;②组成原电池的电解质溶液的电阻较小;③阳极区的金属表面处于活性状态,能发生电离阳极反应;④阳极区金属表面上的电解质具有足够数量的氧化剂(通常是水和氧),能够进行还原阴极反应。

铁锈的体积为原体积的2~4倍,在混凝土内部产生膨胀应力,这个应力超过混凝土的抗拉强度后就会导致钢筋保护层混凝土的开裂和剥落,失去保护层的钢筋其锈蚀反应会进一步加速。

氯离子的侵蚀是沿海地区引起钢筋腐蚀的首要因素。氯离子半径小,活性大,进入混凝土到达钢筋表面后,对钢筋表面的钝化膜具有破坏作用,促使钢筋表面电化学反应的进行,而氯离子本身在钢筋腐蚀过程中并不参加反应,只是不停地强化离子通道,降低阴极和阳极之间的电阻,加快电化学反应的过程。

2提高污水厂钢筋混凝土结构抗腐蚀性的方法

污水处理厂混凝土耐久性是一个复杂的问题,科学的结构设计是前提、合理的材料配比是基础,而针对性的施工工艺则是关键,合理的养护制度是保障。为保障污水处理构筑物的耐久性,必须从设计、材料、施工、养护等全方位、全过程考虑。

2.1结构设计

在氧化沟(池)、终沉池、氧化池等超长混凝土构筑物,随着混凝土的不断硬化和失水以及温度的降低,结构会处于收缩状态,并可能产生裂纹甚至通裂,给结构的寿命以及性能带来很大的破坏,因此从设计之初必须重视,并设计到图纸。

2.1.1设置诱导缝

混凝土的收缩是必然的,如果将收缩控制在特定的部位,并在此部位做好防水处理,那么结构的开裂将得到有效的控制。诱导缝就是基于此而提出的。

诱导缝就是采取相应的结构构造措施,人为减少某部位的截面积,结构收缩时应力集中在该处,保护其余部位的完整性。图1是诱导缝示意图。

 

 

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图1 诱导缝示意

为了验证反应自粘型橡胶止水带处理诱导缝上的诱导作用和止水效果,在日本一家污水处理厂的沉淀池上设置了诱导缝,调追踪了水泥水化热引起的温度裂缝以及干燥收缩引起的裂缝。表3是诱导缝设置状况。表4是裂缝调查结果。

表3 诱导缝设置状况

 

 

最初沉淀池

 

最后沉淀池

设置位置

柱壁

柱两侧20cm处

为了比较没有

设置诱导缝

柱两侧20cm处

墙壁

6m间隔

6.5m间隔

截面减少率(%)

32.5

50

 

 

表4 裂缝的调查结果

 

 

截面减少率

(%)

裂缝总数(包括诱导缝)(条)

诱导缝以外发生的裂缝(条)

在诱导缝裂缝集中率(%)

漏水处

(处)

初沉池

32.5

46

5

89

6

 

没有设诱导缝

36

36

-

36

二沉池

50.0

59

1

98

4

 

 

从以上数据表明反应自粘型橡胶在诱导缝止水处理上的有效性。

2.1.2设置后浇带

为防止混凝土的各类收缩及温湿度变形,现浇钢筋混凝土结构每隔30m左右应设一条后浇带,后浇带宽度为800mm~1000mm,它只是在施工期间保留的临时性变形缝,此处的钢筋可断开也可贯通,后浇带内的混凝土待两侧浇筑完后二个月再用膨胀混凝土浇注, 但后浇带只能解决施工期间混凝土的收缩问题,并不能解决季节温差(湿差)所产生的温度应力问题,同时,新老混凝土的界面处理也是薄弱区,很难保证池体混凝土不发生开裂、渗水。

2.1.3采用预应力技术

采用预应力技术对解决混凝土开裂和减少伸缩缝,提高结构耐久性具有良好的作用。其具有调整结构内力和减少甚至取消大面积工程伸缩缝,防止开裂的特点。这种设计方法在污水处理厂构筑物的设计中,在整体浇筑池壁上缠绕高强度低松驰无粘结钢绞线,沿纵向曲线布置,两端张拉,使池壁环向处于受压状态,从而控制有害裂缝的产生概率,能提高整体构件的抗裂性能和刚度,达到工程防裂抗渗的目的。目前在预应力技术在圆形池体中使用广泛,而对于矩形水池,应用的则很少。

2.2材料设计

高性能混凝土以其良好的工作性,优异的耐久性得到人们的普遍认可。高性能混凝土并不是混凝土的一种,而是具备某些性能的混凝土,是在普通混凝土的基础上合理掺用矿物掺合料、外加剂而获得。目前关于混凝土耐久性设计的规范已经出台,混凝土的粗放设计已经转变为精细化的定量设计,从精选原材料、控制水胶比、胶凝材料用量等实现混凝土的低氯离子扩散系数、高抗冻指数的目的,通过内掺阻锈剂、防腐剂等实现对钢筋的保护。

在任何情况下,混凝土本体的密实性是保障结构耐久性的根本,但很多时候,只靠混凝土本身是远远不够的,必须进行强化防腐蚀措施,如涂覆高渗透改型环氧树脂、硅树脂等。

2.3施工组织设计

污水处理厂工程一般由四大区组成,即污水处理构筑物(有污水进水闸井、泵房、沉沙池、初沉淀池、二次沉淀池、曝气池、配水池、调节池、生物反应池、氧化沟、计量槽等),污泥处理构筑物(有污泥浓缩池、污泥消化池、贮泥池等),污水处理厂建筑物(有鼓风机房、污泥脱水机房、发电机房、变配电设备房、综合办公楼等),配套工程(有道路、照明、绿化、厂区给排水等)。这里既有圆形薄壁式结构,又有超长混凝土构筑物,包括大体积混凝土、大面积混凝土,各种结构的质量控制要点、工程难点各不相同。为保障各个工序的有效衔接以及质量控制,必须结合现场、结合结构特点、结合施工技术水平进行专项设计,才能把好质量关。

3结论

由于钢筋混凝土结构的复杂性及环境影响因素的不确定性,其腐蚀过程是非常复杂的。目前,随着研究工作的不断深入,混凝土已经从粗放转向精细的定量化设计,污水环境下的混凝土腐蚀与防护技术已经取得了阶段性的成果。耐久性观念已经开始深入人心,并落实到工程的设计、施工、管理等规范中去。而真正要实现结构长期安全运营,必须以系统的观点研究耐久性,强调工程建设过程各个环节的衔接,针对具体工程,结合地域特点、结构特点、施工技术水平,编制《污水处理厂钢筋混凝土构筑物防腐、防裂、抗渗控制指南》,作为纲领性文件进行全过程质量控制。

参考文献:



作者简介:闻宝联(1968-),男,工学博士,高级工程师,副总工程师,长期从事混凝土耐久性研究工作,发表论文50余篇,获省部级科技进步奖3项。 Email:wenbaolian@126.com  Mb:13752384681



[[1]] G A, Drew W, Vaughan G. Studies of sulfateremoval in a model sewer. Water Wastewater Assoc. 10th(Eng.),1983,43/1-43/

[[2]] S. Valls, E. VA zquez. Stabilisation andsolidification of sewage sludges with Portland cement. Cement andConcrete Research ,2000 (30) :1671-1678

[[3]] 沈萍,微生物遗传学,武汉大学出版社

[[4]]吕福堂,司东霞,戴保国,微生物与新型农业,生物学通报,2003,38(8):23-24

[[5]] Jean-Marc Tulliani, Laura Montanaro, AlfredoNegro and Mario Collepardi. Sulfate attack of concrete buildingfoundations induced by sewage waters. Cement and concrete research,2002,32 (6). 843-849

[[6]] Walsh,piped,Dan ford Metal. The effect ofmicrostructure on micro-biollogically-influeliced corrosion.Jim,1993,45(9):22- 50

[[7]] M.A.D.Torre,G.Gomez-Alarcd,G. Vizcaino,andM.T. Garcia,Biogeochemistry, 19,129(1993)

[[8]] M.A.13.Torre,G.Gomez-Alarcov.andJ.M.Palacios. Micro biotech, 1993(40): 408

[[9]] 金伟良,赵羽习,混凝土结构耐久性,科学出版社,2002(

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