Nghiên cứu giảm thiểu ăn mòn sinh học trong hệ thống thoát nước đô thị bằng bê tông hỗ trợ chất dẫn điện

NGHIÊN CỨU GIẢM THIỂU ĂN MÒN SINH HỌC TRONG HỆ THỐNG THOÁT NƯỚC ĐÔ THỊ BẰNG BÊ TÔNG HỖ TRỢ CHẤT DẪN ĐIỆN 

Tóm tắt: Hạ tầng thoát nước đô thị thường bị ăn mòn sinh học do khí H₂S, làm giảm tuổi thọ công trình. Nghiên cứu này đề xuất lớp lót bê tông có bổ sung vật liệu dẫn điện (magnetite, acetylene black) nhằm thúc đẩy vi khuẩn sinh điện và oxy hóa sinh học H₂S. Thí nghiệm quy mô phòng được thực hiện với các cấu hình lớp lót khác nhau. Kết quả cho thấy mẫu chứa 50% magnetite, dày 2 mm cho hiệu quả kiểm soát H₂S cao nhất và ổn định trong điều kiện có cơ chất. Kết quả khẳng định tiềm năng ứng dụng vật liệu dẫn điện trong phát triển cấu kiện thoát nước bền vững, ít bảo trì.

Từ khóa: bê tông dẫn điện; ăn mòn sinh học; hydrogen sulfide; vi khuẩn sinh điện; magnetite

STUDY ON MITIGATING MICROBIALLY INDUCED CORROSION IN URBAN DRAINAGE SYSTEMS USING CONDUCTIVE ADDITIVE-ENHANCED CONCRETE

Abstract: Urban drainage systems are vulnerable to biocorrosion from hydrogen sulfide (H₂S), reducing their service life. This study investigates conductive concrete linings enhanced with magnetite or acetylene black to promote electrogenic bacteria and support biological H₂S oxidation. Laboratory-scale tests were conducted with varied material ratios and lining thicknesses. Results showed that linings with 50% magnetite at 2 mm thickness achieved the most effective and stable H₂S suppression, especially under nutrient-supplemented conditions. The findings highlight the potential of conductive materials in developing low-maintenance, durable sewer infrastructure.

Keywords: conductive concrete; biocorrosion; hydrogen sulfide; electrogenic bacteria; magnetite

1. Giới thiệu

Ăn mòn bê tông do khí hydrogen sulfide (H₂S) là nguyên nhân chính làm suy giảm tuổi thọ và hiệu suất vận hành hệ thống thoát nước đô thị. Trong điều kiện kỵ khí, vi khuẩn khử sulfate (SRB) sinh H₂S từ sulfate có trong nước thải. Khí này khuếch tán lên pha khí, bị oxy hóa sinh học thành acid sulfuric tại bề mặt bê tông, gây phá hủy cấu trúc vật liệu do phản ứng với các khoáng canxi và nhôm trong xi măng. Các biện pháp kiểm soát hiện nay chủ yếu gồm: bổ sung hóa chất (muối sắt, nitrite, kiềm) để ức chế SRB hoặc oxy hóa H₂S [1]; (ii) cải thiện điều kiện hiếu khí thông qua sục khí hoặc tái thiết kế dòng chảy [2], [3], [4]. Tuy nhiên, các giải pháp này đòi hỏi chi phí vận hành cao và thiếu tính bền vững [5], [6], [7], [8]. Một hướng tiếp cận tiềm năng là ứng dụng nguyên lý của pin nhiên liệu vi sinh (Microbial Fuel Cells, MFCs), sử dụng vi khuẩn tạo điện tử để oxy hóa H₂S và truyền điện tử qua lớp vật liệu dẫn điện đến pha hiếu khí, nơi O₂ tiếp nhận điện tử tạo thành nước [9]. Vật liệu như magnetite và acetylene black đã cho thấy hiệu quả vượt trội so với bê tông dẫn điện thương mại. Tuy vậy, ảnh hưởng của loại vật liệu, tỷ lệ phối trộn, độ dày lớp lót đến hiệu quả kiểm soát H₂S chưa được đánh giá toàn diện. Đồng thời, hiệu quả ứng dụng thực tế trong điều kiện nước thải thật và quy mô lớn còn thiếu dữ liệu xác minh. Nghiên cứu này nhằm phát triển công nghệ bê tông chức năng có khả năng ức chế H₂S thông qua các mục tiêu chính: (1) đánh giá hiệu quả của các vật liệu dẫn điện điển hình; (2) xác định tỷ lệ phối trộn và độ dày lớp phủ tối ưu; (3) kiểm chứng hiệu quả trong điều kiện thí nghiệm sử dụng nước thải nhân tạo và thực tế; và (4) xác thực khả năng ứng dụng trên quy mô thực địa.

2. Phương pháp và vật liệu nghiên cứu

2.1. Thí nghiệm kiểm tra nồng độ H₂S trong điều kiện phòng

Nghiên cứu sử dụng các vật liệu dẫn điện – magnetite (MTB) và acetylene black (Denka Black, DB) – để lót bề mặt trong mẫu bê tông nhằm ức chế sự hình thành khí hydrogen sulfide (H₂S) trong môi trường kỵ khí. Mục tiêu là đánh giá ảnh hưởng của loại vật liệu, tỷ lệ phối trộn, và độ dày lớp lót đến hiệu quả kiểm soát H₂S. Thiết lập thí nghiệm gồm các mẫu bê tông hình cốc (thể tích 3 L; đường kính ngoài 200 mm; trong 120 mm; chiều cao 300 mm; độ dày thành 40 mm), như minh họa ở Hình 1. Lớp lót được thi công bên trong với độ dày từ 2–10 mm, tỷ lệ vật liệu dẫn điện từ 10–75% khối lượng xi măng. Trong thí nghiệm này, tám mẫu bê tông được chuẩn bị với các cấu hình lớp lót khác nhau: một mẫu đối chứng sử dụng xi măng thường (OPC), năm mẫu sử dụng magnetite (MTB) với các biến thể về độ dày (2, 5, 10 mm) và tỷ lệ phối trộn (50 và 75 wt%), và ba mẫu sử dụng DB với độ dày 2–10 mm ở tỷ lệ cố định 10 wt%

Hình 1. Sơ đồ nguyên lý hoạt động và thí nghiệm khử H2S

Điều kiện ban đầu: mỗi mẫu chứa 0.3 L bùn kỵ khí, 0.3 L bùn hiếu khí và 1.2 L nước thải nhân tạo (chiếm 60% thể tích). Phần còn lại là lớp khí. Mẫu được đậy kín bằng tấm nhựa đen để mô phỏng môi trường thiếu khí. Nước thải nhân tạo gồm hỗn hợp dinh dưỡng và muối khoáng nhằm hỗ trợ vi sinh vật sinh H₂S. Thí nghiệm được tiến hành với điều kiện ban đầu gồm: 0.3 L bùn kỵ khí, 0.3 L bùn hiếu khí, và 1.2 L nước thải nhân tạo, chiếm khoảng 60% thể tích mẫu; khoảng trống còn lại là lớp khí. Mẫu được đậy kín bằng tấm nhựa đen để mô phỏng môi trường thiếu khí. Thành phần nước thải nhân tạo bao gồm các hợp chất vô cơ và hữu cơ (NaHCO₃ (2 g), K₂HPO₄ (2 g), chiết xuất nấm men (0.02 g), glucose (2 g), (NH₄)₂HPO₄ (0.7 g), KCl (0.75 g), NH₄Cl (0.85 g), FeCl₃・6H₂O (0.42 g), MgCl₂・6H₂O (0.81 g), MgSO₄・7H₂O (0.25 g), CoCl₂・6H₂O (0.018 g), và CaCl₂・6H₂O (0.15 g) nhằm tạo điều kiện thuận lợi cho hoạt động vi sinh vật. Trong mỗi chu kỳ (kéo dài ~48–72 giờ), các chỉ tiêu pH, nồng độ ion sulfide (S²⁻) và sulfate (SO₄²⁻) được theo dõi mỗi 6 giờ. Ion sulfate được đo bằng phương pháp độ đục bari (USEPA 375.4) và ion sulfide bằng phương pháp methylene blue (USEPA 376.2). Khi nồng độ S²⁻ về 0 mgS/L, cơ chất (glucose và MgSO₄) được bổ sung để bắt đầu chu kỳ mới. Thí nghiệm được lặp lại 4 chu kỳ nhằm đánh giá xu hướng ổn định và hiệu quả lâu dài của từng mẫu.

2.2. Thí nghiệm với nước thải thực tế

Thí nghiệm được triển khai tại trạm bơm nước thải địa phương nhằm đánh giá hiệu quả ứng dụng trong điều kiện thực tế. Mẫu bê tông hình cốc 3 L được nạp đầy nước thải, đậy kín bằng nhựa đen để duy trì môi trường kỵ khí. Hệ vi sinh được ổn định bằng cách thay 0.6 L nước thải mỗi ngày. Ba mẫu bổ sung (OPC, DB 10%–5 mm, MTB-30 25%–5 mm) được vận hành bán liên tục với thể tích 4.4 L/mẫu. Giai đoạn đầu (ngày 1–8), thay nước thải mỗi ngày 4.4 L; từ ngày 9, tăng lên 8.8 L/ngày nhằm nâng tải hữu cơ và sulfate, kích thích hoạt động vi sinh. Cơ chất (glucose 500 mg/L, MgSO₄ 165 mg/L) được bổ sung định kỳ khi nồng độ ion sulfide giảm về 0 mgS/L. Ngày 31, bổ sung bùn tiêu hóa để tăng mật độ vi khuẩn khử sulfate; ngày 76, lớp nhựa phủ mặt được bổ sung nhằm hạn chế bay hơi và oxy hóa H₂S, duy trì điều kiện thiếu khí ổn định.

2.3. Phân tích hệ vi sinh vật từ đáy và tường mẫu manhole

Nhằm đánh giá vai trò của vi sinh vật trong quá trình ức chế H₂S, bùn được thu từ đáy và thành mẫu hình manhole (gồm cả lớp lót và xi măng) bằng pipette và thìa lấy mẫu. Phân tích vi sinh được thực hiện bằng kỹ thuật PCR-DGGE dựa trên vùng V3 của gene 16S rRNA, cho phép theo dõi sự thay đổi thành phần và mức độ đa dạng vi khuẩn qua các chu kỳ. So sánh các dải DNA đặc trưng trên gel giúp xác định sự xuất hiện, suy giảm hoặc ổn định của các nhóm vi khuẩn liên quan đến quá trình khử H₂S, đặc biệt là các loài vi khuẩn sinh điện. Kết quả cung cấp bằng chứng sinh học cho hiệu quả của vật liệu dẫn điện trong việc thúc đẩy cộng đồng vi sinh có lợi và ức chế phát sinh H₂S trong điều kiện vận hành thực tế.

3. Kết quả và thảo luận

3.1. Đo lường Hydro Sunfua trong Mẫu thử 3L sử dụng nước thải nhân tạo

a. Diễn biến nồng độ ion sulfide qua các chu kỳ

Hình 2a trình bày biến động nồng độ ion sulfide trong bốn chu kỳ thí nghiệm với các mẫu bê tông 3L. Kết quả cho thấy hiệu quả kiểm soát H₂S phụ thuộc rõ rệt vào loại vật liệu, tỷ lệ phối trộn, và độ dày lớp lót. Mẫu sử dụng magnetite 50 wt% – 2 mm đạt hiệu quả cao nhất, với nồng độ sulfide đỉnh thấp và thời gian giảm về 0 mg/L nhanh nhất. Ngược lại, các mẫu sử dụng DB tạo ra nồng độ H₂S cao hơn, đặc biệt trong giai đoạn đầu sau bổ sung cơ chất, cho thấy hiệu quả ức chế kém hơn cả mẫu đối chứng OPC. Từ chu kỳ 2 trở đi, tổng lượng H₂S sinh ra tăng rõ rệt và sự khác biệt giữa các mẫu trở nên rõ nét – phản ánh quá trình thích nghi của vi sinh vật. Trong khi nhóm mẫu có lớp lót MTB duy trì hiệu quả ổn định, mẫu DB thể hiện xu hướng giảm hiệu quả, đặc biệt ở lớp lót dày (10 mm), có thể do giới hạn khuếch tán oxy hóa. Kết quả cho thấy vật liệu dẫn điện ảnh hưởng đáng kể đến quá trình sinh – khử H₂S, và magnetite với lớp lót mỏng (2 mm) là lựa chọn tối ưu trong điều kiện thử nghiệm này

Hình 2. (a) Sự thay đổi nồng độ ion sulfide theo thời gian qua bốn chu kỳ; (b) Hiệu quả ức chế H2S thông qua tổng lượng ion sulfide phát sinh

b. Tổng lượng H₂S phát sinh và hiệu quả ức chế

Hình 2b cho thấy tổng lượng ion sulfide tích lũy sau 4 chu kỳ, phản ánh hiệu quả dài hạn của các cấu hình lớp lót. Mẫu MTB 50 wt% – 2 mm đạt hiệu quả cao nhất với lượng H₂S thấp nhất, vượt trội so với mẫu đối chứng (OPC) và tất cả các mẫu sử dụng DB. Các mẫu sử dụng DB, đặc biệt ở độ dày 5 mm và 10 mm, phát sinh lượng H₂S cao nhất, cho thấy hiệu quả ức chế kém. Đáng chú ý, mẫu MTB 75 wt% – 2 mm cho kết quả kém hơn mẫu 50 wt%, gợi ý rằng tỷ lệ phối trộn quá cao có thể ảnh hưởng bất lợi đến cấu trúc vật liệu và hoạt động vi sinh. Hiệu quả kiểm soát H₂S giảm rõ rệt khi độ dày lớp lót tăng, đặc biệt ở cả nhóm MTB và DB. Điều này cho thấy lớp lót mỏng (~2 mm) có thể tối ưu hóa khả năng truyền electron và tương tác giữa vật liệu dẫn điện và vi khuẩn sinh điện. Tóm lại, MTB 50 wt% – 2 mm là cấu hình tối ưu, kết hợp hiệu quả dẫn điện, độ dày phù hợp và tính tương thích sinh học cao. Kết quả này khẳng định tiềm năng ứng dụng của vật liệu dẫn điện trong kiểm soát H₂S tại hệ thống cống đô thị theo hướng bền vững, ít bảo trì.

3.2 Phân tích vi sinh vật bằng phương pháp DGGE

Kết quả DGGE (Hình 3) phản ánh sự biến đổi rõ rệt trong cấu trúc quần thể vi sinh vật sau bốn chu kỳ thí nghiệm. Mẫu ban đầu (số 9) chỉ có vài dải DNA yếu (vòng đỏ), cho thấy hệ vi sinh còn đơn giản. Trong khi đó, các mẫu từ số 1 đến 8 ghi nhận sự xuất hiện thêm nhiều dải băng mới, với cường độ rõ hơn, phản ánh mức đa dạng vi sinh tăng lên. Đáng chú ý, các dải băng màu vàng chỉ xuất hiện ở các mẫu có lớp lót vật liệu dẫn điện (số 2–5) và vắng mặt ở đối chứng (số 1) và mẫu ban đầu. Điều này cho thấy lớp lót đã tuyển chọn và thúc đẩy sự phát triển của vi khuẩn sinh điện, có khả năng tham gia oxy hóa H₂S. Ngược lại, dải băng màu xanh dương – liên quan đến vi khuẩn khử sulfate (SRB) – xuất hiện nhiều ở các mẫu có nồng độ H₂S cao hơn (số 1, 7 và 8). Sự biến mất của các dải băng ban đầu (vòng đỏ) cùng sự xuất hiện chọn lọc các chủng mới cho thấy lớp lót dẫn điện không chỉ ức chế H₂S mà còn tái cấu trúc cộng đồng vi sinh theo hướng có lợi cho quá trình kiểm soát sinh học khí này.

Hình 3. Kết quả phân tích DGGE các mẫu bùn từ thí nghiệm 3L. Vòng đỏ: Dải DNA đặc trưng cho vi sinh vật ban đầu; Vòng xanh dương: Dải liên quan đến vi khuẩn sinh H₂S (SRB); Vòng vàng: Dải liên quan đến vi khuẩn sinh điện có khả năng oxy hóa H₂S

Hình 4 thể hiện diễn biến nồng độ ion sulfide khi sử dụng nước thải thực tế. Trong 20 ngày đầu, mẫu MTB 50 wt% – 2 mm duy trì mức H₂S thấp nhất, khẳng định hiệu quả ức chế ban đầu nhờ hoạt động của vi khuẩn sinh điện trên lớp lót dẫn điện. Từ sau ngày 20, sự khác biệt giữa các mẫu trở nên rõ rệt. Mẫu DB 10 wt% – 2 mm ghi nhận nồng độ H₂S cao nhất (đỉnh ~5.5 mg/L), vượt cả mẫu đối chứng OPC. Các mẫu sử dụng MTB với lớp lót dày (5 mm) hoặc DB đều thể hiện xu hướng mất hiệu quả dần theo thời gian. Biến động này có thể do sự gia tăng vi khuẩn khử sulfate (SRB) và giảm ưu thế của vi khuẩn sinh điện khi thiếu cơ chất hoặc chất nhận điện tử. Tuy nhiên, mẫu MTB 50 wt% – 2 mm vẫn duy trì mức H₂S thấp ổn định, cho thấy khả năng ức chế SRB lâu dài thông qua truyền điện tử ngoài tế bào.

Hình 5 trình bày tổng lượng ion sulfide phát sinh qua 11 chu kỳ thí nghiệm sử dụng nước thải thực tế. Kết quả cho thấy mẫu MTB 50 wt% – 2 mm consistently đạt hiệu quả ức chế H₂S vượt trội so với OPC và DB, đồng thời duy trì tính ổn định qua toàn bộ chuỗi vận hành. Mẫu DB tạo ra lượng H₂S cao nhất trong các chu kỳ 3–7 – thời điểm hệ vi sinh phát triển mạnh – phản ánh hiệu quả kém của vật liệu này trong môi trường tải hữu cơ cao. Trong khi đó, mẫu OPC duy trì mức phát thải tương đối ổn định, nhưng không có xu hướng giảm theo thời gian. Ngược lại, lớp lót MTB 50 wt% – 2 mm không chỉ khởi đầu tốt mà còn duy trì hiệu quả trong dài hạn, cho thấy khả năng ức chế SRB bền vững, có thể nhờ vào cơ chế truyền điện tử ngoài tế bào và sự ổn định của hệ vi khuẩn sinh điện. Kết quả này tiếp tục củng cố tiềm năng ứng dụng vật liệu dẫn điện trong phát triển cấu kiện bê tông tự làm sạch, góp phần kéo dài tuổi thọ và giảm chi phí vận hành hệ thống thoát nước đô thị.

4. Kết luận

Nghiên cứu xác định lớp lót bê tông chứa magnetite 50 wt% – 2 mm là thông số tối ưu để ức chế sự hình thành H₂S trong hệ thống thoát nước. Cấu trúc lớp lót mỏng và tỷ lệ phối trộn thấp giúp tăng cường hiệu quả truyền điện tử và thúc đẩy hoạt động của vi khuẩn sinh điện, từ đó hỗ trợ quá trình oxy hóa sinh học H₂S. Hiệu quả này được xác nhận trong cả điều kiện nước thải nhân tạo và nước thải thực tế, với khả năng duy trì ổn định qua nhiều chu kỳ. Tuy nhiên, hiệu quả phụ thuộc vào sự hiện diện đầy đủ của cơ chất để hỗ trợ hệ vi sinh vật chức năng. Kết quả cung cấp cơ sở khoa học cho việc ứng dụng vật liệu dẫn điện trong thiết kế lớp lót kiểm soát H₂S bền vững, góp phần kéo dài tuổi thọ công trình và giảm chi phí vận hành cho hệ thống thoát nước đô thị.

Tài liệu tham khảo

[1]D. Firer, E. Friedler, and O. Lahav, "Control of sulfide in sewer systems by dosage of iron salts: Comparison between theoretical and experimental results, and practical implications," Sci. Total Environ., vol. 392, no. 1, 2008.

[2]O. Gutierrez, J. Mohanakrishnan, K. R. Sharma, R. L. Meyer, J. Keller, and Z. Yuan, "Evaluation of oxygen injection as a means of controlling sulfide production in a sewer system," Water Res., vol. 42, no. 17, 2008.

[3]O. Gutierrez, G. Sudarjanto, G. Ren, R. Ganigué, G. Jiang, and Z. Yuan, "Assessment of pH shock as a method for controlling sulfide and methane formation in pressure main sewer systems," Water Res., vol. 48, no. 1, 2014.

[4]G. Jiang, O. Gutierrez, K. R. Sharma, J. Keller, and Z. Yuan, "Optimization of intermittent, simultaneous dosage of nitrite and hydrochloric acid to control sulfide and methane productions in sewers," Water Res., vol. 45, no. 18, 2011.

[5]G. Jiang, A. Keating, S. Corrie, K. O’halloran, L. Nguyen, and Z. Yuan, "Dosing free nitrous acid for sulfide control in sewers: Results of field trials in Australia," Water Res., vol. 47, no. 13, 2013.

[6]G. Li Xuanand Jiang, "Mitigation of Microbially Influenced Corrosion of Concrete Sewers Using Nitrite," in Biotechnological Innovations for Environmental Bioremediation, A. and O. S. and Y. Y.-Y. Arora Sudiptiand Kumar, Ed., Singapore: Springer Nature Singapore, 2022, pp. 119–135.

[7]I. Pikaar et al., "Full-scale investigation of in-situ iron and alkalinity generation for efficient sulfide control," Water Res., vol. 167, 2019.

[8]X. Sun, G. Jiang, P. L. Bond, J. Keller, and Z. Yuan, "A novel and simple treatment for control of sulfide induced sewer concrete corrosion using free nitrous acid," Water Res., vol. 70, 2015.

[9]L. Aguilar, S. Zha, Z. Cheng, J. Winnick, and M. Liu, "A solid oxide fuel cell operating on hydrogen sulfide (H2S) and sulfur-containing fuels," J. Power Sources, vol. 135, no. 1–2, 2004.

Tác giả: Võ Thanh Huy^13*, Tsuyoshi Imai², Lê Đức Thường³, Nguyễn Thế Hùng³

^{1Nhóm nghiên cứu Đổi mới Công nghệ và Dữ liệu phục vụ phát triển bền vững (iTechdata_SDGs), Trường Đại học Xây dựng Miền Trung}

^{2 Graduate School of Sciences and Technology for Innovation, Yamaguchi University}

^{3 Khoa Xây dựng, Trường Đại học Xây dựng Miền Trung}

^{*Tác giả liên hệ. Email: vothanhhuy@muce.edu.vn}