污水环境下硫氧化细菌对砂浆性能的影响机制

荣 辉， 刘骥伟， 马国伟， 刘志华， 杨 永

(1.天津城建大学 材料科学与工程学院, 天津 300384; 2.天津城建大学 天津市建筑绿色功能材料重点实验室, 天津 300384; 3.河北工业大学 土木与交通学院, 天津 300401)

目前污水管道和废水处理设施大部分由混凝土制成，而污水和废水中的化学离子和微生物会对混凝土造成严重的影响[1].调查发现微生物对污水管道的劣化起主导作用[2-3]，这使微生物腐蚀混凝土引起了大量学者的关注.Parker[4]和Li等[5]选用硫氧化细菌，以H2S为底物，代谢生成生物硫酸，研究了生物硫酸对混凝土性能的影响.Grengg等[6]观察了微生物在混凝土表面的分布状况，探究了微生物分布对混凝土的腐蚀影响.但污水管道中除了H2S气体外，还含有大量氧化硫磺、硫代硫酸盐等底物，而这些底物亦可被硫氧化细菌代谢[7].那么以硫代硫酸盐为底物，代谢后的产物是否仍会形成生物硫酸，从而对混凝土性能造成影响.目前虽然研究了微生物在混凝土表面分布状况对混凝土性能的影响，然而微生物附着在混凝土表面后，微生物与混凝土之间的作用机制尚不清楚.

针对上述问题，本文采用硫氧化细菌，以污水中常见的Na2S2O3为底物，设置微生物试验组和灭菌污水培养基对照组，通过对硫氧化细菌代谢过程、试件表面形貌、抗压强度和矿化产物这四者之间的关系分析，揭示硫氧化细菌对砂浆性能的影响机制.

1 试验

1.1 原材料

水泥为顺鑫水泥有限公司生产的P·O 42.5普通硅酸盐水泥.河砂为级配合理的中砂，细度模数为2.5.微生物培养液的配制：选用硫氧化细菌，按2%(质量分数)接种，加入到350mL灭菌污水培养基中，同时加入7mL NaHCO3溶液，置于30℃、150r/min转速的摇床中培养4d.灭菌污水培养基成分见表1.

表1 灭菌污水培养基成分

1.2 试验方案

砂浆试件的配合比为m(水)∶m(水泥)∶m(砂)=0.5∶1.0∶2.0，尺寸为40mm×40mm×160mm，将试件在20℃水中养护28d后进行试验.将试验分为试验组(S)和对照组(D)，其中，试验组使用培养4d的微生物培养液；对照组使用灭菌污水培养基，保证密闭无杂菌进入.将2组试件分别放入试验装置中，使液体浸没试件一半，每隔1个循环(15d)更换1次液体，浸泡龄期分别为30、60、90、120d.

1.3 试验方法

1.3.1硫氧化细菌的代谢过程

1.3.2表面形貌

采用普通照相机和VHX-600e型超景深显微镜分别观察试验组和对照组试件表面的形貌，同时结合结晶紫、考马斯亮蓝(CB)和苯酚硫酸(PSA)染色法，测试了试件表面是否形成生物被膜.另外，试件表面风干后，切取表面1mm厚度的试样，将试样粘贴到样品台上，使用日本JSM-7800F型场发射扫描电镜(FESEM)对试件表面进行观察，结合能量弥散X射线谱(EDS)分析生物被膜的元素组成.

1.3.3抗压强度

根据GB/T 17671—1999《水泥胶砂强度检测方法》，使用YAW-2000J型压力试验机，加载速率为2.5kN/s，测试砂浆试件的抗压强度.

1.3.4微观性能

取试件表面1mm厚度试样，将其研磨成粒径小于10μm的粉末，使用Rigaku ultima-V1型全自动多功能XRD对矿化产物进行测试.试验组、对照组试件的表面样品分别记为SS、DS.

2 结果与分析

2.1 硫氧化细菌代谢过程

图1 试验组和对照组液体介质中的质量浓度

试验组液体介质的pH值一直在7.00左右变化，主要是灭菌后的污水培养基接种硫氧化细菌后，Na2S2O3在硫氧化细菌作用下发生分解.

当O2浓度高时，Na2S2O3发生如下反应[9]：

(1)

当O2浓度低时，Na2S2O3发生如下反应[9]：

(2)

微生物培养液放入试验装置后，O2浓度受限时发生式(2)反应，故试验组液体介质呈中性.

对照组液体介质的pH值一直在4.00左右变化.主要是污水培养基在灭菌过程中，处于高温且隔绝空气的条件下，培养基中的Na2S2O3在高温和O2的作用下会发生如下氧化反应：

(3)

式(3)产生的SO2在高温下易溶于水，形成亚硫酸，亚硫酸易被氧化生成硫酸.而Na2S2O3在酸性条件下会发生分解反应[10]：

(4)

式(4)形成的SO2会继续溶解氧化生成硫酸，再次发生式(4)反应，故对照组液体介质呈酸性.

2.2 表面形貌观察

2.2.1宏观表面形貌

生物被膜是由细菌自身分泌物和细菌聚集在一起形成有组织的群体[11]，是一种黏稠物，主要由微生物、多糖和蛋白质组成[12].浸泡30d后试件的宏观形貌见图2.由图2(a)可见：在30d时，试验组试件的表面已经形成黏稠物，主要分布在气液交界面处；试件下部呈黑色，这是因为试验组中硫氧化细菌为好氧型，在代谢过程中消耗了液体中的氧，使微量元素在缺氧环境下未被氧化，而沉积在砂浆表面，使其呈黑色[13].由图2(b)可见：用结晶紫染色后试验组试件的表面黏稠物被染色，可判断黏稠物含有大量的硫氧化细菌，进而初步认定该黏稠物为生物被膜.由图2(c)可见：对照组试件的表面没有黏稠物.由图2(d)可见，对照组试件使用结晶紫染色后的表面没有明显被染色的痕迹.

图2 浸泡30d后试件的宏观形貌

放大试验组试件表面黏稠物的形貌，在超景深显微镜下进行观察，结果见图3.由图3可见，黏稠物呈透明状态.将试验组试件表面黏稠物刮下，研磨提取萃取液(extract)，并用考马斯亮蓝(CB)和苯酚硫酸(PSA)对萃取液进行染色，结果见图4.由图4可见：未加入萃取液的试管显褐色(见图4(a))，加入萃取液的试管显蓝色(见图4(b))，这表明黏稠物含有蛋白质；未加入萃取液的试管显橙色(见图4(c))，加入萃取液的试管显橙红色(图4(d))，这表明黏稠物含有多糖.因此，可以进一步判断试验组表面形成了生物被膜，对照组试件表面没有形成生物被膜.

图3 黏稠物超景深显微镜形貌

图4 考马斯亮蓝和苯酚硫酸染色结果

2.2.2微观表面形貌

图5 浸泡30d后试件的SEM形貌

图6 砂浆试件表面EDS分析

2.3 抗压强度

图7为试验组和对照组试件的抗压强度.由图7可见：(1)随着浸泡时间的延长，试验组和对照组试件的抗压强度均呈先升高后降低的趋势，这可能是因为试件内部形成了矿化产物石膏[16].(2)试验组试件抗压强度变化小于对照组，可能是由于试验组中硫氧化细菌发生代谢反应所致.(3)试验组试件：浸泡0～90d时，试件抗压强度呈增加趋势，从55.0MPa增加到63.1MPa；浸泡90～120d时，试件抗压强度呈下降趋势，从63.1MPa降低到61.5MPa.(4)对照组试件：浸泡0～60d时，试件抗压强度呈增加趋势，从55.0MPa增加到64.1MPa；浸泡60～120d时，试件抗压强度呈下降趋势，从64.1MPa降低到54.5MPa.

图7 试验组和对照组试件的抗压强度

2.4 微观性能分析

浸泡120d后试件表面矿化产物XRD图谱见图8.由图8可见：SS中有明显的CaCO3衍射峰，DS中的CaCO3衍射峰并不明显.这主要是因为硫氧化细菌为好氧型，代谢作用会产生CO2，使CO2与砂浆发生碳化反应，砂浆中性劣化，硫氧化细菌可以在砂浆表面生长.

图8 浸泡120d后试件表面矿化产物XRD图谱

(5)

钙矾石(3CaO·Al2O3·3CaSO4·32H2O)受pH值影响，当溶液pH值低于11.50～12.00时，钙矾石将会分解成石膏[19].反应方程式为[19]：

(6)

(7)

3 结论

(1)在氧气浓度受限时，硫氧化细菌将Na2S2O3代谢转化为生物硫酸盐，且硫氧化细菌代谢转化Na2S2O3的速率慢于单纯Na2S2O3化学分解反应速率.

(3)浸泡在含硫氧化细菌污水环境中30d后，试件表面会形成生物被膜，宏观研究发现生物被膜是透明的黏稠物，其主要成分有硫氧化细菌、多糖、蛋白质等；微观研究发现生物被膜是一种具有许多孔洞的复杂结构.浸泡在单纯灭菌污水环境中的试件表面没有发现生物被膜的形成.