再生水管网生物膜促进与抑制交替作用下的生物-化学耦合腐蚀机理研究

Biofilm growth in the reclaimed water distribution system causes pipe corrosion, resulting in the deterioration of water quality, economic losses and safe accidents. Typical industrial reuse pipe will be chosen as the investigation object, and molecular, electrochemical and surface analysis methods will be developed for the research. Simulation systems will be used to exaime the development process of biofilm and corrosion layers to obtain dominant generaz, combined with the elemental composition and crystalline phase analysis, the rules of biofilm development and detachment on corrosion alternative promotion-inhibition will be analysed. Based on the interactions of biofilm with corrosion layer and steady water, the biological mechanism of dominant genera and extracellular polymeric substances (EPS) and the chemical effect of corrosion layer and steady water on cast iron corrosion will be examied to obtain the biological-chemical coupling mechanism of biofilm-induced corrosion to explain the corrosion promotion-inhibition alternative rule.

管网腐蚀是城镇给排水系统中普遍存在的问题，再生水管网中生物膜的生长对管网腐蚀的发生以及腐蚀与水质变化相互间的影响起到了不可忽视的作用。本研究选择典型工业回用水输运系统铸铁管为研究对象，采用分子生物学、微生物学、电化学及表面分析方法，模拟并监测再生水管网生物膜发育及腐蚀过程，分析生物膜发育脱落规律及铸铁管材腐蚀特性，解析生物膜发育脱落周期与腐蚀促进-抑制交替规律的内在联系并重点识别生物腐蚀关键因子；考察生物膜、腐蚀层及稳态水微界面系统，解析生物膜代谢作用，胞外聚合物组分对腐蚀的生化影响机制；解析生物膜对腐蚀层形态、稳态水质的化学影响及该影响下的腐蚀机理；最终提出生物膜促进与抑制交替作用下生物-化学耦合腐蚀机理，为进一步保障再生水管网的安全运行提供指导。

再生水管壁生物膜引起管道腐蚀，导致管道破裂，水质突变等安全事故。本研究选择铸铁管为研究对象，考察了生物膜发育与腐蚀过程的同步变化特征；解析了腐蚀功能菌及胞外聚合物（EPS）对腐蚀的生物影响作用、生物膜作用下的特殊腐蚀组分对腐蚀的化学影响作用。结合生物膜/管壁界面特点耦合了上述生物、化学作用，提出了生物腐蚀机理。.生物膜对铸铁腐蚀速率的影响表现为初期加速、中期抑制、后期再加速。生物膜作用下的铸铁表面出现宏观点蚀，而无生物膜表面为均匀腐蚀。不同发育阶段生物膜对腐蚀的影响作用归结于好氧菌，铁细菌及硫酸盐还原菌等的协同作用。EPS对腐蚀的影响与发育阶段有关，其中稳定生长期的EPS腐蚀抑制效率最高，达66.4%。EPS对腐蚀的影响主要是EPS在铸铁表面吸附成膜抑制阴极腐蚀；同时EPS特征官能团与铁离子的耦合作用加速阳极溶出促进腐蚀。EPS会影响腐蚀产物的晶体构型、元素组成与含量以及水相中溶解氧浓度。.生物膜影响腐蚀层结构，表现为分层瘤状结构，由上层、硬壳层、内核层及底层构成，主要组分是α-FeOOH，Fe(OH)3及γ-FeOOH。铁还原菌和磁细菌产生Fe3O4和绿垢，促进硬壳层的形成；硫酸盐还原菌和产甲烷细菌等产气菌促进内核层空隙的形成。空隙的存在及绿垢的双电层结构有助于瘤内稳态水的形成。生物膜影响下的铁氧化物及稳态水组分影响腐蚀速率。生物膜与管壁腐蚀的界面作用表现为初期相互促进，后期相互抑制。以界面作用为耦合点得到了生物-化学耦合作用的腐蚀机理：无生物膜时铸铁腐蚀通过化学作用进行；而生物膜在代谢矿化、EPS耦合铁离子等生物作用下不仅影响了腐蚀速率，而且改变了腐蚀过程中铁氧化物的形态及组分比例，形成了含有稳态水的瘤状结构。瘤内铁氧化物、稳态水分别通过氧化还原电势及无机离子的化学作用进一步影响腐蚀。直接生物作用和间接化学作用以生物代谢为内在联系，相互影响，相互协同，共同影响腐蚀过程。