Биогенная сульфидная коррозия

Биогенная сульфидная коррозия — это бактериально -опосредованный процесс образования сероводорода и его последующего преобразования в серную кислоту , которая разъедает бетон и сталь в сточных водах. Газообразный сероводород биохимически окисляется в присутствии влаги с образованием серной кислоты. Воздействие серной кислоты на бетонные и стальные поверхности, подвергающиеся воздействию суровых сточных вод, может быть разрушительным. Только в США коррозия приводит к потерям канализационных систем, которые оцениваются в 14 миллиардов долларов в год. Ожидается, что эта стоимость увеличится, поскольку стареющая инфраструктура продолжает выходить из строя.

Среда

Коррозия может возникнуть, когда несвежие сточные воды выделяют сероводород в атмосферу, содержащую кислород и высокую относительную влажность. Должна существовать подстилающая анаэробная водная среда обитания, содержащая сульфаты, и вышележащая аэробная водная среда обитания, разделенная газовой фазой, содержащей как кислород, так и сероводород в концентрациях, превышающих 2 ppm.

Превращение сульфата в сероводород

Свежие бытовые сточные воды, поступающие в систему сбора сточных вод, содержат белки, в том числе органические соединения серы, окисляющиеся до сульфатов ( SO 2− 4 ) и может содержать неорганические сульфаты. Растворенный кислород истощается, поскольку бактерии начинают расщеплять органические вещества в сточных водах. В отсутствие растворенного кислорода и нитратов сульфаты восстанавливаются до сероводорода (H ₂ S) как альтернативного источника кислорода для катаболизма органических отходов сульфатредуцирующими бактериями (SRB), выделенными преимущественно из облигатного анаэробного вида Desulfovibrio .

Производство сероводорода зависит от различных физико-химических, топографических и гидравлических параметров. такой как:

• Концентрация кислорода в сточных водах. Порог – 0,1 мг/л; выше этого значения сульфиды, образующиеся в шламах и осадках, окисляются кислородом; ниже этого значения в газовой фазе выделяются сульфиды.
• Температура. Чем выше температура, тем быстрее кинетика образования H ₂ S.
• pH сточных вод. Он должен находиться в диапазоне от 5,5 до 9 с оптимальным значением 7,5–8.
• Концентрация сульфатов
• Концентрация питательных веществ, связанная с биохимической потребностью в кислороде
• Концепция сточных вод As H ₂ S образуется только в анаэробных условиях. Медленный поток и длительное время удержания дают аэробным бактериям больше времени для поглощения всего доступного растворенного кислорода в воде, создавая анаэробные условия. Чем более ровная земля, тем меньший уклон может быть придан канализационной сети, и это способствует более медленному потоку и большему количеству насосных станций (где время удержания, как правило, больше).

Превращение сероводорода в серную кислоту

Некоторое количество сероводорода диффундирует в свободное пространство над сточными водами. Влага, испаряющаяся из теплых сточных вод, может конденсироваться на незатопленных стенках канализационных труб и, вероятно, свисать в виде частично сформированных капель с горизонтального венца канализационных труб. Поскольку часть газообразного сероводорода и газообразного кислорода из воздуха над сточными водами растворяется в этих неподвижных каплях, они становятся средой обитания для сероокисляющих бактерий (SOB) рода Acidithiobacillus . Колонии этих аэробных бактерий метаболизируют сероводород до серной кислоты ( Н ₂ SO ₄ ).

Коррозия

См. Также: Сульфидейшн

Серная кислота, вырабатываемая микроорганизмами, будет взаимодействовать с поверхностью материала конструкции. Обычный портландцемент реагирует с гидроксидом кальция в бетоне с образованием сульфата кальция. Это изменение одновременно разрушает полимерную природу гидроксида кальция и заменяет более крупную молекулу в матрице, вызывая давление и растрескивание соседних частиц бетона и заполнителя. Ослабленная крона может затем обрушиться под сильными нагрузками вскрышных пород. Эмпирическое правило в отрасли предполагает, что даже в хорошо спроектированной канализационной сети 5% общей длины может/будет страдать от биогенной коррозии. В этих конкретных областях биогенная сульфидная коррозия может привести к разрушению металла или бетона на несколько миллиметров в год (см. Таблицу).

Источник	Потеря толщины (в мм/год)	Тип материала
Агентство по охране окружающей среды США, 1991 г.	2.5 – 10	Конкретный
Мортон и др., 1991 г.	2.7	Конкретный
Мори и др., 1992 г.	4.3 – 4.7	Конкретный
Исмаил и др., 1993 г.	2 – 4	миномет
Дэвис, 1998 г.	3.1	Конкретный
Монтени и др., 2001 г.	1.0 – 1.3	миномет
Винке и др., 2002 г.	1.1 – 1.8	Конкретный

Для цементов на основе алюмината кальция процессы совершенно иные, поскольку они основаны на другом химическом составе. По крайней мере, три различных механизма способствуют лучшей устойчивости к биогенной коррозии:

• Первым барьером является более высокая кислотонейтрализующая способность цементов на основе алюмината кальция по сравнению с обычным портландцементом; Один грамм цемента на основе алюмината кальция может нейтрализовать примерно на 40% больше кислоты, чем грамм обычного портландцемента. При данном производстве кислоты биопленкой цементный бетон из алюмината кальция прослужит дольше.
• Второй барьер возникает из-за осаждения, когда поверхностный pH становится ниже 10, слоя геля оксида алюминия (AH3 в обозначениях химии цемента). AH3 является стабильным соединением вплоть до pH 4 и образует кислотостойкий барьер до тех пор, пока pH поверхности не опустится ниже 3–4 из-за активности бактерий.
• Третий барьер – бактериостатический эффект, локально активирующийся при достижении поверхности значений рН менее 3–4. На этом уровне гель оксида алюминия перестает быть стабильным и растворяется, высвобождая ионы алюминия. Эти ионы будут накапливаться в тонкой биопленке. Как только концентрация достигнет 300–500 ppm, она окажет бактериостатическое действие на метаболизм бактерий. Другими словами, бактерии перестанут окислять серу из H ₂ S с образованием кислоты, и pH перестанет снижаться.

Раствор, изготовленный из цемента на основе алюмината кальция в сочетании с заполнителями из алюмината кальция, то есть из 100% материала из алюмината кальция, прослужит намного дольше, поскольку заполнители также могут ограничивать рост микроорганизмов и подавлять образование кислоты в самом источнике.

Профилактика

Существует несколько вариантов решения проблем биогенной сульфидной коррозии: снижение образования H ₂ S, удаление H ₂ S или использование материалов, устойчивых к биогенной коррозии. Например, сточные воды текут быстрее через канализационные коллекторы с более крутым уклоном, что сокращает время, необходимое для образования сероводорода. Аналогичным образом, удаление ила и отложений со дна труб уменьшает количество бескислородных зон, ответственных за рост сульфатредуцирующих бактерий . Обеспечение хорошей вентиляции канализационных труб может снизить концентрацию сероводорода в атмосфере и может привести к высушиванию открытых канализационных коронок, но это может создать проблемы с запахом у соседей вокруг вентиляционных шахт. Можно использовать три других эффективных метода, предполагающих непрерывную работу механического оборудования: химического реагента, такого как нитрат кальция, постоянное добавление _{в канализационные воды для уменьшения образования H 2} S, активную вентиляцию через установки очистки запахов для удаления H ₂ S или нагнетание сжатого воздуха в магистрали под давлением во избежание развития анаэробных условий. В канализационных зонах, где ожидается биогенная сульфидная коррозия, следует использовать кислотостойкие материалы, такие как Цемент из алюмината кальция , трубы из ПВХ или керамической глины можно заменить обычными бетонными или стальными канализационными трубами.

Существующие конструкции, которые сильно подвержены биогенной коррозии, такие как канализационные люки и мокрые колодцы насосных станций, можно восстановить. Реабилитацию можно выполнить с использованием таких материалов, как структурное эпоксидное покрытие. Эта эпоксидная смола одновременно устойчива к кислотам и укрепляет поврежденную структуру бетона.

См. также

• Коррозия
• Микробная коррозия
• Сульфид

Ссылки

• Бронгерс, магистр здравоохранения, Вирмани, П.Ю., Пайер, Дж.Х., 2002. Питьевая вода и канализационные системы в затратах на коррозию и профилактические стратегии в Соединенных Штатах. Федеральное управление автомобильных дорог Министерства транспорта США.
• Сидней Р., Эсфанди Э., Сурапанени С., 1996. Борьба с коррозией бетонной канализации с помощью процесса напыления короны. Водная среда. Рез. 68 (3), 338–347.
• Агентство по охране окружающей среды США, 1991. Сероводородная коррозия в системах сбора и очистки сточных вод (Технический отчет).
• Агентство по охране окружающей среды США (1985 г.) Руководство по проектированию, Контроль запаха и коррозии в системах канализации и очистных сооружениях (Технический отчет).
• Мортон Р.Л., Янко В.А., Грэм Д.В., Арнольд Р.Г. (1991)Взаимосвязь между концентрацией металлов и коррозией короны в канализации округа Лос-Анджелес. Исследовательский журнал Федерации контроля загрязнения воды, 63, 789–798.
• Мори Т., Нонака Т., Тазаки К., Кога М., Хикосака Ю., Нода С. (1992) Взаимодействие питательных веществ, влаги и pH на микробную коррозию бетонных канализационных труб. Исследования воды, 26, 29–37.
• Исмаил Н., Нонака Т., Нода С., Мори Т. (1993) Влияние карбонизации на микробную коррозию бетона. Журнал строительного менеджмента и инженерии, 20, 133–138.
• Дэвис Дж.Л. (1998) Характеристика и моделирование микробной коррозии бетонных канализационных труб. доктор философии Диссертация, Хьюстонский университет, Хьюстон, Техас.
• Монтени Дж., Де Бели Н., Винке Э., Верстраете В., Таерве Л. (2001)Химические и микробиологические испытания для моделирования сернокислотной коррозии полимермодифицированного бетона. Исследования цемента и бетона, 31, 1359–1365.
• Винке Э., Ван Ванзееле Э., Монтени Дж., Бельденс А., Де Бели Н., Таерве Л., Ван Гемерт Д., Верстраете В. (2002) Влияние добавления полимера на воздействие биогенной серной кислоты. Международная биопорча и биодеградация, 49, 283–292.
• Хериссон Дж., Ван Халлебуш Э., Геген Минерб М., Шоссадент Т. (2014)Механизм биогенной коррозии: исследование параметров, объясняющих долговечность цемента из алюмината кальция. CAC 2014 – Международная конференция по алюминатам кальция, май 2014 г., Франция. 12 р.
• Хаммер, Марк Дж. Технология водоснабжения и очистки сточных вод John Wiley & Sons (1975) ISBN   0-471-34726-4
• Меткалф и Эдди , инженер по очистке сточных вод , МакГроу-Хилл (1972)
• Помрой, Р.Д., 1976, «Проблема сероводорода в канализации» . Опубликовано Ассоциацией развития глиняных трубок.
  • *Отчет Помроя содержит ошибки в уравнении: уклон трубопровода (S, стр. 8) указан как м/100 м, но должен быть м/м. Это приводит к занижению оценки в 10 раз при расчете «коэффициента Z», используемого для указания на наличие риска сульфидной коррозии, если используются опубликованные единицы измерения. Веб-ссылка ведет на исправленное издание 1992 года, которое содержит ошибку в единицах измерения - в издании 1976 года единицы измерения указаны правильно.
• Сойер, Клер Н. и Маккарти, Перри Л. Химия для сантехников (2-е издание) McGraw-Hill (1967) ISBN   0-07-054970-2
• Министерства внутренних дел США (USDI) Конкретное руководство (8-е издание) Типография правительства США (1975 г.)
• Вейсманн Д. и Лозе М. (ред.): «Практическое руководство по сульфидам для технологии очистки сточных вод: предотвращение запаха, опасности, коррозии и контроль затрат!» 1-е издание, ВУЛКАН-Верлаг, 2007 г., ISBN   978-3-8027-2845-7