2.4 砂浆试样的质量变化


砂浆试样的质量变化采用精度为±0.01 g的电子天平以称重法测定。对于无生物膜试样的测试，需每天刷除砂浆表面生长的生物膜，并采用一组试样进行跟踪测试。对于有生物膜试样的测试，让生物膜在砂浆表面生长，并采用六组试样分别记录其在污水中浸泡15、30、45、60、75、90 d后的质量。称量前应将试样清洗干净，并保持内部饱和、表面干燥状态。每组测试三个试样，取其平均值。质量变化按式（1）计算：


ML = (1 − Ma / Mb) × 100%  （1）


式中：ML为砂浆质量损失率，%；Ma为砂浆浸泡污水后的质量，g；Mb为砂浆浸泡前的质量，g。


2.5 砂浆试样的微观性能


为深入研究生物膜对污水中砂浆微观结构劣化的影响，对比拍摄了有无生物膜试样表面的SEM照片，放大倍数为3000倍。此外，取部分表层试样用玛瑙研钵磨细，进行XRD和TGA分析。XRD测试采用Bruker D8衍射仪，扫描范围为4°＜2θ＜60°。TGA测试称取150 mg试样，在N₂气氛中以10 ℃/min的速率升温。


2.6 生物膜的CLSM观察与孔隙率分析


将带有表面生物膜的砂浆试样从污水中取出，浸入缓冲液（由NaCl 137 mmol/L、KCl 2.7 mmol/L、Na₂HPO₄ 4.3 mmol/L、KH₂PO₄ 1.4 mmol/L组成）中，冲洗掉松散细胞。生物膜经稀释的罗丹明红色荧光染色液染色后，在室温下孵育1 h。再次冲洗后，在Fluoview FV-1000激光共聚焦扫描显微镜下观察生物膜的微生物群落结构，激发光子和发射光子的波长分别为543 nm和591 nm。基于CLSM图像，利用DT2000图像分析软件分析不同深度、不同污水环境下生物膜的面积孔隙率。分析过程主要包括四个步骤：阴影校正、灰度图像转换、图像分割和目标测量。


2.7 生物膜的微电极测试


微电极测试时，在砂浆表面套上一层致密网眼结构的丝袜以培养生物膜，这样生物膜便于从砂浆表面剥离，并能保护微电极尖端不受损伤。微电极尖端直径为5 μm，90%响应时间（t₉₀）约为10 s。在显微镜下目视确定生物膜表面的位置。将生物膜固定于琼脂上，浸入取自反应器的污水中，利用Unisense微电极测试系统（图2）原位测量生物膜内pH和O₂的稳态浓度剖面。所有测量均在20 ℃下数分钟内完成。每个生物膜试样至少测量三条浓度剖面。

图2 Unisense微电极测试


3 结果与讨论


浸泡在COD浓度分别为300、3000、6000、9000 mg/L污水中的砂浆试样分别记为MS1、MS2、MS3、MS4；相应地，在这些砂浆试样表面形成的生物膜分别记为BS1、BS2、BS3、BS4。


3.1 砂浆的质量变化


对有无生物膜的砂浆试样在污水中的质量变化进行了为期3个月的跟踪测试。由图3可见，随着腐蚀时间的延长，所有试样的质量损失均逐渐增加，且无生物膜试样的质量损失明显高于有生物膜试样，表明生物膜可在一定程度上保护砂浆免受污水腐蚀。此外，高COD浓度污水可显著加速砂浆腐蚀。浸泡3个月后，有、无生物膜的MS4试样质量损失分别为17.0%和9.3%（图3d），而MS1试样的质量损失分别仅为2.5%和1.4%（图3a）。



图3 有无生物膜砂浆试样在污水中的质量变化：(a) MS1，(b) MS2，(c) MS3，(d) MS4


为进一步研究生物膜在砂浆污水劣化中发挥的作用，本文提出生物膜作用系数的概念，可由式（2）计算：


BA = (1 − ML0 / ML1) × 100%  （2）


式中：BA为生物膜作用系数；ML0为有生物膜砂浆的质量损失率，%；ML1为无生物膜砂浆的质量损失率，%。


图4显示了不同浓度污水中形成的生物膜在各龄期的作用系数。生物膜作用系数越高，生物膜对砂浆的防护作用越强。显然，MS1的生物膜作用系数较低，尤其在最初30天，但其数值持续增加至60天，随后略有下降。虽然强化污水中试样的生物膜作用系数较高，但在一个月后即开始下降，其中MS3和MS4甚至低于MS1。MS2的生物膜作用系数在整个腐蚀过程中最高，表明在COD为3000 mg/L污水中生长的生物膜对砂浆的防护效果最好。

图4 生物膜对砂浆试样在污水中质量变化的影响



此外，每次补充营养物前后均检测了污水的pH值。图5显示了污水pH随时间的变化规律。可见，不同浓度污水的初始pH均约为7.3。对于COD为300 mg/L的AS1试样，其pH值在前十个周期呈小幅波动上升，随后缓慢下降至6.5。对于强化污水试样，所有pH值在第一个周期内均迅速下降，之后整体呈波动下降趋势。150天后，污水AS2、AS3、AS4的最终pH值分别降至3.4、2.5和2.3。这表明随COD浓度升高，污水的腐蚀性更强。

图5 不同浓度污水pH值的变化


3.2 砂浆的微观性能


浸泡90天后，污水中带生物膜砂浆试样的SEM照片如图6所示，放大倍数为5000倍。可见，水化产物表面存在一些蠕虫状和卵状微生物。此外，水化硅酸钙（CSH）凝胶变得疏松多孔，表明污水对水泥浆体微观结构造成了损伤。对于COD为3000 mg/L污水中的试样，还可观察到一些片状的氢氧化钙（CH）晶体（图6a）；而在COD为6000 mg/L污水中，水泥浆体微观结构更加多孔，CH晶体更少（图6b）。这可能归因于较高的污水浓度以及较低的生物膜作用系数。

图6 污水中带生物膜砂浆试样的SEM照片：(a) MS2，(b) MS3


此外，对试样的矿物组成进行了分析，结果如图7所示。可见，所有试样的主要水化产物为CH以及部分未水化的C₃S、C₂S熟料。然而，随污水浓度升高，试样的CH峰高逐渐降低。对于无生物膜的试样（图7a），MS3和MS4的CH峰已几乎不可见，除部分未水化熟料外，水化产物中仅能发现少量石膏。这一结果表明CH与微生物代谢的酸性物质之间发生了化学反应，且随污水浓度升高，生成的腐蚀性化合物更多。对比图7a和b还可发现，无生物膜试样的CH峰高于带生物膜试样，这可归因于生物膜对砂浆的防护作用。


图7 污水中试样的XRD曲线：(a) 无生物膜，(b) 有生物膜