Bài báo mô tả giải pháp chống ăn mòn bằng chất kháng khuẩn được phát triển ở Nhật Bản nhằm ức chế hoạt động của vi khuẩn ô xy hóa lưu huỳnh (SOB), đồng thời đưa ra ví dụ và phân tích kết quả thí điểm cho một số hố ga ở Việt Nam sử dụng giải pháp này.
Tóm tắt
Contents
Nhóm tác giả: Atsunori Negishi, Yoshihisa Yamamoto; Tomohiro Nitta; Hiroshi Nagaoka Atsunori Negishi, Yoshihisa Yamamoto; Tomohiro Nitta; Hiroshi Nagaoka *Tập đoàn Hazama Ando; **Công ty Global Works; ***Trường Đại học Tokyo.
Đường sá bị sụt lún do các đường ống thoát nước bị ăn mòn là những sự cố thường xảy ra tại Việt Nam cũng như Nhật Bản. Sự ăn mòn ống bê tông là do axit sulfuric tạo ra từ vi sinh vật tồn tại trên bề mặt bê tông. Bài báo này mô tả giải pháp chống ăn mòn bằng chất kháng khuẩn được phát triển ở Nhật Bản nhằm ức chế hoạt động của vi khuẩn ô xy hóa lưu huỳnh (SOB). Các sản phẩm bê tông có thêm hóa chất này có thể được bảo vệ khỏi sự ăn mòn trong thời gian dài.
Sử dụng công nghệ này, 3 hố ga hiện hữu đặt phía trước một phố chợ ở TP Hải Phòng đã được thay thế bằng hố ga đúc sẵn mới. Một nghiên cứu tiếp theo đã được thực hiện trong suốt 1 năm sau khi lắp đặt hố ga đúc sẵn này đã xác nhận hiệu quả kháng khuẩn của các hố ga bê tông được bổ sung chất kháng khuẩn chống SOB so với hố ga bê tông thông thường.
1. Lời mở đầu
Qua năm tháng, đường sá bị sụt lún do các đường ống thoát nước bị ăn mòn là những sự cố thường xảy ra tại Việt Nam, như trong Hình ảnh 1. Điều này là do nhiệt độ không khí cao hơn và các vi sinh vật hoạt động trong quá trình ăn mòn bê tông.
Mục đích của dự án trình diễn thử nghiệm này là ứng dụng công nghệ bê tông chống ăn mòn vào việc kiểm soát ăn mòn ở Việt Nam. “Chất kháng khuẩn” là chất phụ gia được trộn vào bê tông trước khi sản xuất ống bê tông, nó có thể ngăn chặn hoạt động của vi khuẩn oxy hóa lưu huỳnh (Hình 3), là nguyên nhân gây ra sự suy giảm axit sulfuric của bê tông. Hình 2 thể hiện cơ chế ăn mòn.
Dự án này do Bộ Đất đai, Hạ tầng, Giao thông và Du lịch Nhật Bản hỗ trợ, nhằm mục đích chứng thực tính hiệu quả của chất kháng khuẩn mới được phát triển thông qua thử nghiệm trình diễn. Chất lượng của các sản phẩm chống ăn mòn sử dụng vật liệu địa phương đạt tiêu chuẩn Nhật Bản và chúng tôi đã kiểm tra liệu các hố ga được sản xuất bằng vật liệu địa phương có đáp ứng các tiêu chuẩn của Hiệp hội Công trình Thoát nước Nhật Bản (JSWAS) hay không.
3 hố ga hiện hữu trước phố chợ ở TP Hải Phòng đã được dỡ bỏ và thay thế bằng các hố ga mới là hố ga chống ăn mòn có chứa chất kháng khuẩn và một hố ga thông thường để so sánh. Các nghiên cứu tiếp theo đã được tiến hành để xác nhận hiệu quả bảo vệ kháng khuẩn của công nghệ này.
2. Bối cảnh
Ở Việt Nam, quá trình công nghiệp hóa và phát triển công nghiệp tại các đô thị đã dẫn đến sự tập trung dân số như TP Hà Nội và TP.HCM, kéo theo lượng nước thải công nghiệp và sinh hoạt ngày càng gia tăng. Mặt khác, chỉ có khoảng 20% hệ thống xử lý nước thải được bảo trì tốt trong khi phần lớn nước thải được xả thẳng vào các nguồn nước công cộng mà không được xử lý dẫn đến ô nhiễm nguồn nước nghiêm trọng.
Vì lý do này, Chính phủ đang có kế hoạch nâng tỷ lệ bao phủ xử lý nước thải ở các khu vực đô thị lên khoảng 100% vào năm 2050 (theo Quyết định số 589/QĐ-TTg được Thủ tướng Chính phủ phê duyệt ngày 6/4/2016). Để thúc đẩy phát triển hệ thống thoát nước, xử lý nước thải, cần có các giải pháp làm giảm chi phí phát triển hệ thống thoát nước, xử lý nước thải.
Tại TP Hà Nội và TP.HCM, lưu lượng giao thông trên các tuyến đường thi công cống thoát nước rất cao, vì vậy, cần có phải có các giải pháp chống ùn tắc giao thông do công tác thi công. Với lý do này, một số dự án thi công hệ thống thoát nước bằng kinh phí hỗ trợ phát triển chính thức của Nhật Bản đã và đang sử dụng phương pháp kích ống ngầm, một công nghệ thi cống thoát nước không đào hở của Nhật Bản.
Ống kích được sản xuất bằng phương pháp đúc ly tâm, còn đối với các ống cống và hố ga có yêu cầu chống ăn mòn thì biện pháp chống ăn mòn thường được thực hiện bằng cách phủ lớp lót sau khi đúc sản phẩm thứ cấp, tốn nhiều thời gian và chi phí. Ngoài ra, TP Hải Phòng – nơi tiến hành thử nghiệm trình diễn là một thành phố cảng biển, nơi dễ phát sinh khí hydro sunfua do nước biển xâm nhập vào các đường ống nước thải đặt ngầm, dưới mực nước biển khi thủy triều dâng cao hoặc khi ngập úng.
Đặc biệt ở khu vực lân cận chợ, ngoài nước thải, dư lượng thực phẩm chứa hàm lượng lưu huỳnh cao cũng xả vào đường ống thoát nước, dẫn đến thiệt hại nghiêm trọng như sụt lún đường các sản phẩm bê tông bị ăn mòn do hydro sunfua gây ra. Vì vậy, cần phải có các biện pháp giải quyết những sự cố như vậy.
3. Khái quát về công nghệ được thử nghiệm
Bê tông chống ăn mòn được sử dụng trong dự án này là bê tông được trộn với chất kháng khuẩn (chất ức chế ăn mòn). Chất kháng khuẩn là chất có tác dụng ức chế hoạt động của vi khuẩn oxy hóa lưu huỳnh chuyển đổi hydro sunfua thành axit sunfuric gây ăn mòn bê tông. Chất kháng khuẩn này được trộn vào bê tông sẽ ngăn ngừa được sự hư hỏng do axit sulfuric của bê tông được sử dụng trong các công trình thoát nước từ giai đoạn đầu. Chất kháng khuẩn được trộn vào bê tông ở dạng bột như trong Hình 4.
Trong dự án trình diễn này, các thử nghiệm đã được tiến hành bằng cách sử dụng hai loại: S là chất chống vi trùng được phân phối ở Nhật Bản và C là chất chống vi trùng mới được phát triển nhằm mục đích triển khai ở nước ngoài.
4. Thử nghiệm kiểm chứng chất lượng với vật liệu địa phương
4.1. Thiết kế tỷ lệ trộn:
Bảng 1 cho thấy các đặc điểm của vật liệu địa phương được sử dụng trong nghiên cứu này. Vật liệu cho khu vực phía Bắc được sử dụng tại nhà máy của Global Works đặt tại tỉnh Bắc Ninh và vật liệu cho khu vực phía Nam được sử dụng tại nhà máy đặt tại tỉnh Đồng Nai.
Kết quả kiểm tra cường độ nén (cường độ 7 ngày và cường độ 28 ngày) cho mỗi công thức được thể hiện trong Biểu đồ 1, trong đó đường màu đỏ biểu thị giá trị quy định (25 N/mm2). Cho thấy rằng việc bổ sung các chất (S và C) không ảnh hưởng đến cường độ nén của bê tông.
4.2. Thử nghiệm kiểm chứng chất lượng sản phẩm:
Hố ga được chế tạo bằng cách sử dụng 3 loại bê tông, nhiều cuộc kiểm tra chất lượng đã được thực hiện. Bảng 2 thể hiện danh mục các thành phần của hố ga đúc sẵn.
(1) Kiểm tra độ bền tải dọc trục
Các thử nghiệm độ bền tải dọc trục đã được thực hiện đối với các hố ga chống ăn mòn được sản xuất theo tiêu chuẩn “Hố ga bê tông cốt thép đúc sẵn cho hệ thống thoát nước (JSWAS A-11)” và đã xác nhận rằng không có thay đổi nào về các đặc tính như nứt ngay cả sau khi tải lên tới 150 kN.
(2) Kiểm tra độ bền uốn ngang
Các thử nghiệm độ bền uốn ngang đã được thực hiện đối với các hố ga chống ăn mòn được sản xuất theo cùng một tiêu chuẩn và đã xác nhận rằng không có thay đổi nào về các đặc tính như vết nứt ngay cả sau tải trọng 6,9 kN/m…
(3) Kiểm tra độ kín nước
Các thử nghiệm về độ kín nước đã được tiến hành đối với các hố ga chống ăn mòn được sản xuất theo cùng tiêu chuẩn. Kết quả khẳng định các hố ga có thể chịu áp lực nước 0,05 MPa trong 3 phút và có khả năng kín nước vượt giá trị tiêu chuẩn.
4.3. Thử nghiệm độ phân tán của chất kháng khuẩn:
Sử dụng các mẫu thử để kiểm tra độ bền, độ phân tán của chất kháng khuẩn được phân tích bằng máy phân tích vi mô đầu dò điện tử (EPMA), có thể đo lường sự phân bố của các nguyên tố thông qua hợp chất kim loại của thành phần chính. Người ta đã xác nhận rằng các thành phần chất chống vi trùng được phân bổ đồng đều khắp các mẫu thử cho thấy không ảnh hưởng đến hiệu suất kháng khuẩn ngay cả khi bê tông bị trầy xước hoặc hư hỏng.
4.4. Thử nghiệm chứng thực hiệu suất kháng khuẩn:
Mẫu thử dùng trong thử nghiệm độ bền (thông thường, hỗn hợp chất C và hỗn hợp chất S, mỗi mẫu từ hai khu vực) được ngâm trong 1 giờ vào dung dịch thử nghiệm có chứa vi sinh vật ăn mòn, chất nền của vi sinh vật và chất chỉ thị pH (màu vàng khi pH<4 và màu xanh lam khi pH>4), pH được điều chỉnh ở mức 2,5.
Như được minh họa trong Hình 5, các mẫu không có chất phụ gia vẫn có màu vàng, nguyên nhân là do vi sinh vật sản xuất axit sulfuric, trong khi các mẫu có chất phụ gia chuyển sang màu xanh lam, nguyên nhân là do sự ức chế ăn mòn của chất phụ gia và sự rửa trôi thành phần xi măng.
5. Thay thế hố ga hiện hữu
3 hố ga hiện hữu đặt phía trước phố chợ ở TP Hải Phòng đã được thay thế bằng hố ga đúc sẵn mới là hố ga chống ăn mòn có chất kháng khuẩn và hố ga thông thường. Các nghiên cứu tiếp theo đang được tiến hành để xác thực hiệu quả bảo vệ kháng khuẩn của công nghệ này. Các mẫu thử được đặt bên trong các hố ga. Nhiệt độ trung bình trong thời gian thử nghiệm là 200C và nồng độ hydro sunfua tối đa là 40 ppm. Hiện nay, quá trình đo nồng độ hydro sunfua và lấy mẫu các mẫu thử sau 3, 12 và 24 tháng kể từ khi lắp đặt đang được thực hiện để đánh giá tình trạng xuống cấp.
Các vi sinh vật bám vào được lấy mẫu từ mỗi bề mặt hố ga và thực hiện thử nghiệm định lượng các loại vi sinh vật.
Bảng 3 cho thấy mặc dù đã phát hiện được bảy loại vi khuẩn oxy hóa lưu huỳnh nhưng Thiobacillus, loại vi khuẩn gây ra sự ăn mòn bê tông, được cho là chiếm ưu thế. Tỷ lệ tồn tại SOB trong hố ga có chất kháng khuẩn là 1/4 – 1/3 so với trong hố ga không có chất kháng khuẩn, khẳng định hiệu quả của việc bổ sung chất kháng khuẩn.
6. Kết luận
Kết quả của thử nghiệm thực tế, chúng tôi đưa ra một số kết luận như sau.
(1) Chi phí và thời gian sản xuất bê tông chống ăn mòn được sản xuất bằng cách trộn với chất kháng khuẩn thấp hơn so với bê tông phủ lót.
(2) Bê tông chống ăn mòn có thể được sản xuất bằng vật liệu sẵn có ở Việt Nam.
(3) Tác dụng ức chế hoạt động của vi khuẩn oxy hóa lưu huỳnh được phân bổ đồng đều bên trong bê tông chống ăn mòn và có hiệu quả trong một thời gian dài.
(4) Công nghệ phát triển kỳ vọng sẽ góp phần kéo dài tuổi thọ, giúp giảm chi phí vòng đời của cơ sở hạ tầng thoát nước ở Việt Nam và các nước Đông Nam Á.
Báo cáo được biên soạn là kết quả của dự án WOW TO JAPAN. Văn phòng Kỹ thuật và thoát nước quốc tế, Phòng Quy hoạch thoát nước, Cục Quản lý thoát nước và nước thải, Tổng Cục Quản lý Nước và thiên tai, Bộ Đất đai, Hạ tầng, Giao thông và Du lịch Nhật Bản (MILT), Cơ quan Hợp tác Quốc tế Nhật Bản (JICA), các chuyên gia Việt Nam và Công ty Thoát nước Hải Phòng là những đơn vị đã hỗ trợ thực hiện dự án trình diễn thí điểm này.
Tài liệu tham khảo
- Tsuyoshi Sugio, Rie Sugio, Atsunori Negishi, Hideki Igawa, A rapid analysis of tungsten in a tungsten-mixed portland cement by use of sulfur-oxidizing bacteria, The 68th Annual Meeting of the Society for Biotechnology, Japan, 2016, 3P-1a112.
- Tiêu chuẩn của Hiệp hội Công trình thoát nước Nhật Bản, Hố ga bê tông cốt thép đúc sẵn cho hệ thống thoát nước (JSWAS A-11), 2005 (tiếng Nhật).
- Bộ Đất đai, Hạ tầng, Giao thông và Du lịch Nhật Bản, dự án WOW TO JAPAN, 2021, https://www.mlit.go.jp/mizukokudo/sewerage/mizukokudo_sewage_tk_000723.html (tiếng Nhật).
- Terunobu Maeda và Atsunori Negishi, Điều tra khả năng kháng khuẩn của bê tông, Gãy và hư hỏng của bê tông và đá, ed. Rossmanith, H. P., Chapman và Hall, London, 1993, 307–313.
- Terunobu Maeda, Atsunori Negishi, Yuko Oshima, Yasuo Nogami, Kazuo Kimura và Tsuyoshi Sugio, Phân lập vi khuẩn oxy hóa lưu huỳnh có thể phát triển dưới độ pH kiềm từ bê tông bị ăn mòn, Biosci. Biotech. Biochem. 62(6), 1998, 1087-1092.
- Tsuyoshi Sugio, Rie Sugio, Atsunori Negishi, Hideki Igawa, Phân tích nhanh vonfram trong xi măng portland hỗn hợp vonfram bằng cách sử dụng vi khuẩn oxy hóa lưu huỳnh, Hội nghị thường niên lần thứ 68 của Hiệp hội Công nghệ sinh học, Nhật Bản, 2016, 3P-1a112.
DANH MỤC
HỖ TRỢ TRỰC TUYẾN