污水处理构筑物混凝土结构的腐蚀与防护综述

张振光 赵慧玲 姚旭鹏

1. 上海公路桥梁（集团）有限公司 上海 200433；2. 上海大学土木工程系 上海 200444；3. 同济大学 上海 200092

城市污水处理系统中的混凝土构筑物在长年运营中会受到微生物等各种腐蚀介质的侵蚀，导致混凝土表面污损、表层疏松、砂浆脱落、骨料外露，严重时产生开裂和钢筋锈蚀[1]，影响构筑物使用功能，从而无法达到设计的使用期限[2]。根据国外的实际经验[3-4]及国内污水处理工程的调研情况[5-6]，在污水处理工程中，分析新建和改建混凝土结构的腐蚀机制，进行不同构筑物的防腐设计，并采取有效的防护措施，对污水处理设施的长期安全运营具有重要意义。

欧美国家较早对污水环境下混凝土的微生物腐蚀问题进行了研究[7-10]。日本从20世纪80年代起就开始了混凝土污水处理构筑物防腐的研究，并制定了国家标准《下水道混凝土构筑物的腐蚀抑制技术及防腐技术指南》[11]，从污水处理构筑物的腐蚀机制、结构防腐设计、防腐与腐蚀抑制技术措施的施工及验收与维护管理等多个方面均作了系统的规定，进行全过程质量控制。

目前，国内新建的污水处理工程中，正在积极探索各种防腐涂层的性能及使用，其中一些研究学者获得了混凝土腐蚀机制、各种有机与无机防腐涂层耐腐蚀性能试验研究等方面的研究成果。但是，国内针对污水处理工程的系统性防腐设计、施工及运营管理，尚缺乏相关的规范及行业标准指导，需要开展深入研究。

1 不同处理阶段构筑物腐蚀形式

污水处理基本经历3个不同的阶段，不同处理工艺方式对构筑物钢筋混凝土结构的腐蚀形式有所差异[12]。

一级处理阶段的构筑物有粗格栅、进水泵房、细格栅、沉沙池、沉淀池等，腐蚀机制主要有污水流的物理冲刷磨蚀和干湿循环，造成混凝土面层的碳化与碱骨料反应，同时，污水中氯离子、硫酸根离子会对其与构筑物的接触层产生化学腐蚀。

二级处理阶段的构筑物有A2O（厌氧-缺氧-好氧法）二沉池、氧化沟二沉池、SBR（序列间歇式活性污泥法）反应池等，此阶段需要采用物化技术去除悬浮物及用微生物分解有机物，因此相应构筑物的腐蚀机制主要为微生物腐蚀、盐结晶以及侵蚀性环境的化学腐蚀。同时，由于二级处理池尺寸较大，易出现混凝土开裂，导致钢筋锈蚀和渗漏。

三级处理阶段是通过混凝沉淀、沙滤或膜分离及消毒进一步降低污染物指标，三级冲洗池、消毒池的腐蚀机制有紫外线照射、冲刷磨蚀和干湿循环、氯离子以及微生物腐蚀。

2 不同位置结构的腐蚀特点

一般来说，同一污水处理构筑物的钢筋混凝土结构不同部位的腐蚀情况会由于干湿环境、空气流通性以及含氧量不同存在显著差异。

1）同一污水处理构筑物，底板通常要比顶板、侧墙腐蚀轻些。原因是底板常年都会被污水覆盖，含氧量很低，所处状态没有太大变化，所以腐蚀发展的速度相对较慢[5]。

2）水位变化频繁的地方比一般区域腐蚀更加严重，这是由于水池液位经常变化，湿度不断变化，产生干湿交替作用，故水池池壁强腐蚀区域常呈水平线状分布，同一墙面往往有多条强腐蚀带。

3）污水流速较大的地方腐蚀更加严重。由于液体流速的作用，混凝土内部受腐蚀的产物被带离，新的表面暴露，侵蚀液再次作用于新的表面。如此往复，加之水流的冲刷作用，使得流水较大处的混凝土腐蚀更加严重。

4）加盖封闭污水处理池通常比不加盖处理池的上部结构腐蚀更加严重。因为加盖水池水汽较重，同时各种有害气体（比如H2S）不容易及时排出，有害气体浓度较高，导致腐蚀速度加快。

3 污水处理构筑物的抗腐蚀对策

从实施对象出发，污水处理构筑物的抗腐蚀对策可分为防腐技术与腐蚀抑制技术两大类。前者是针对构筑物，采取措施以提高混凝土结构自身耐腐蚀性能或实施保护层；后者是针对构筑物中的污水，通过添加化学物、微生物或其他理化技术以减少污水中的有害离子浓度。目前，针对前者已积累了丰富的研究成果，而污水处理构筑物混凝土结构的防腐设计应从这两大方面综合考虑进行。

3.1 混凝土结构防腐技术

3.1.1 提高混凝土自身性能

构筑物混凝土结构的腐蚀与水有关。提高混凝土基体的自防水性能，从而阻断外界离子进入基体内部是有效手段。传统方法是增大混凝土保护层，从而保护钢筋不受到腐蚀。水处理构筑物混凝土结构保护层厚度的取值在我国国家标准GB 50046—2018《工业建筑防腐蚀设计规范》[13]中有相应规定，即梁、柱、水池内侧的保护层可取35 mm，水池外侧及底板可取40～50 mm。目前，有较多的研究针对混凝土性能，通过采取措施改善混凝土内部孔隙结构，提高密实度和抗渗性能，从而有效阻止环境介质的侵蚀，使其具有较好的抗碳化性、抗氯离子渗透性[14]。

已有研究[15-19]表明，粉煤灰、矿粉、硅灰、偏高岭土、磨细石灰石粉等无机矿物掺合料掺入混凝土后能够增加混凝土抗渗性能，降低氯离子渗透性，提高混凝土抗硫酸盐侵蚀性能、抗碳化性能等，有效控制碱-硅酸反应，从而达到提高混凝土耐久性的目的。文献[20]研究了污水环境干湿循环条件下的混凝土性能，分析了玄武岩纤维掺量、粉煤灰掺量对混凝土耐腐蚀性能的影响，结果表明，玄武岩掺量0.10%、粉煤灰掺量20%时的混凝土耐腐蚀性能最好。文献[21]通过氯离子加速渗透试验，研究了粉煤灰、磨细矿渣和硅灰对水泥砂浆氯离子透过性能的影响。文献[22]研究了改性混凝土在污水环境中的耐腐蚀能力，结果表明：聚丙烯纤维粉煤灰不仅可以提高混凝土的抗腐蚀能力，还能提高水泥石的密实度。

掺加防水剂对混凝土进行防水处理可有效提高混凝土基体的自防水性能，从而阻断外界离子进入基体内部。混凝土中常用的防水剂主要有金属皂类防水剂和有机硅防水剂。文献[23]等对内掺金属皂类防水剂对混凝土防水和抗氯离子的效果进行了研究，结果表明：金属皂防水剂硬脂酸盐具有较高的防水性能，掺量宜为0.1%～1.0%；掺量为1.0%的混凝土比掺量为0.5%的混凝土氯离子渗透量要小。文献[24]介绍了异丁基三乙氧基硅烷浸渍液对混凝土的防护效果和硅烷浸渍对混凝土结构的影响，认为其对防止混凝土的腐蚀与破坏起到了关键的作用，同时不影响水蒸气的自由穿透。文献[25]对内掺硅烷防水剂水泥基材料的吸水性、表面特性及耐酸侵蚀性能的研究结果表明，掺入硅烷后，水泥基材料的吸水率及毛细吸水系数降低，润湿角呈现钝角，抗硫酸侵蚀性能显著提高。

另外，目前逐渐推广使用的高性能混凝土可有效提高结构耐久性，延长其使用寿命。高强混凝土致密坚硬，其抗渗性、抗冻性、耐蚀性、抗冲击性等方面性能均优于普通混凝土。活性粉末混凝土是一种具有超高耐久性的水泥基材料，属于超高性能混凝土。它具有超低的孔隙率以及致密的结构，不仅有高强度和韧性，同时也有较高的抗渗透能力。

3.1.2 混凝土表面涂层保护

混凝土表面防护涂层能有效阻止水分及腐蚀性物质进入内部，从而起到保护内部结构的作用，这是目前在混凝土防护领域应用最广泛的措施。目前常见的涂层材料有环氧树脂、聚酯树脂、脲醛树脂、丙烯酸树脂、聚氯乙烯、聚氯乙烯、沥青等。文献[26]研究了环氧树脂、聚氨酯、氯化橡胶涂层、丙烯酸树脂和聚合物乳液涂层，结果表明：聚氨酯与环氧树脂涂层抵抗氯离子和水的渗透、硫酸腐蚀的性能优于其他。文献[27]通过加速腐蚀试验研究了环氧煤沥青防腐涂层、水泥基渗透结晶防水涂层和功能性杀菌剂涂层的防腐效果。结果表明：环氧煤沥青防腐涂层对混凝土抗污水腐蚀具有最佳的保护作用，其次是功能性杀菌剂涂层，最后是水泥基渗透结晶防水涂层。文献[28]研究了硅烷、改性环氧树脂、丙烯酸酯涂料和水泥基聚合物砂浆的防腐性能，结果表明：采用改性环氧树脂进行表面涂层可以显著提高混凝土的抗氯离子渗透性能、抗冻等级和防水性能；采用硅烷进行表面涂层一定程度上可以提高混凝土抗硫酸盐侵蚀性能；水泥基聚合物砂浆在某些情况下的防护效果较差。文献[29]研究了改性氧化石墨烯/低表面能丙烯酸树脂涂层抗紫外老化性能及其在不同腐蚀环境下对混凝土的防护效果。研究结果表明：改性氧化石墨烯/低表面能丙烯酸树脂涂层的抗老化率、抗菌性以及耐腐蚀性均优于环氧涂层与沥青涂层。

3.2 腐蚀抑制技术

腐蚀抑制技术是根据硫酸盐、微生物腐蚀混凝土的机理而采取的较为主动的措施，包括：阻止微生物在混凝土表面和内部的生长，直接抑制或减少生物硫酸的生成；降低污水中硫酸根离子的浓度，防止硫化物的生成；阻止生成的硫化氢气体向气相区扩散；对扩散出来的硫化氢气体进行回收处理，并抑制硫氧化细菌的繁殖；等等。近年来，微生物灭杀技术的研究较为活跃，即采用氧化型和非氧化型杀菌剂来抑制微生物的生长[30]。强氧化剂属于氧化性杀菌剂，其通过氧化细菌内部的代谢酶来杀灭细菌，常见的有氯气、二氧化氯、溴、臭氧、过氧化氢等。作用在微生物特殊部位的是非氧化性杀菌剂，其作为致毒剂破坏生物体内的细胞，从而达到杀菌的目的，常见的有氯酚类、噻唑基化合物、季铵盐类等[31]。

杀菌剂的杀菌功效、溶解性能、显效掺量及对混凝土性能的影响将影响杀菌剂在不同污水环境下的适用性。水溶性杀菌剂易溶出消耗，时效性较短；含重金属离子的杀菌剂可能造成二次水污染；一些金属氧化物不溶于水，但可能溶于硫酸。日本应用较多的是镍化合物、钨化合物，前者适用于中性环境，后者适用于酸性环境。此外，有研究发现甲酸钙可有效抑制硫氧化细菌和嗜酸铁氧化细菌的繁殖[32]。

4 结语

1）污水处理厂混凝土构筑物的劣化是多种因素共同作用的结果，既有环境作用，也有物理化学腐蚀、生物化学腐蚀、微生物腐蚀等。

2）国内针对混凝土结构的防腐研究已积累了较多研究成果，但针对污水处理构筑物钢筋混凝土结构的防腐研究相对较少。随着我国城镇化、工业化进程的逐步推进，城市污水成分变得更加复杂，污水处理构筑物结构所处的环境更加恶劣，结构腐蚀更加严重，而污水处理构筑物与其他类型工业建筑的腐蚀环境具有差异性，应明确不同污水处理构筑物的防腐机制及针对性防腐或腐蚀抑制措施，从而确保其耐久性满足设计要求。

3）目前，国内污水处理厂构筑物混凝土结构的防腐设计主要按照GB 50046—2018《工业建筑防腐设计规范》进行。我国尚缺乏专门针对污水处理厂钢筋混凝土构筑物防腐设计的技术规范。因此，污水处理构筑物的防腐应从腐蚀机制、防腐设计与施工、维护管理多方面进行系统研究，为行业规范的进一步完善提供参考依据。

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