Betonowe i żelbetowe obiekty w kanalizacji i oczyszczalniach ścieków (3). Zapachowe kanały.

Niekiedy korozja powodowana przez organizmy żywe sprowadza się do działania mechanicznego. Gnijące ścieki* zawierają lotne składniki charakteryzujące się nieprzyjemnymi zapachami (odorami), z których najłatwiej wyczuwalny jest siarkowodór (H2S) będący gazem o charakterystycznym zapachu i bardzo niskim progu wyczuwalności (0,002¸0,2 ppm). Nawet przy niskich stężeniach siarkowodór jest łatwo wyczuwalny z dużej odległości. Inne zauważalne i wyczuwalne związki zapachowe to m.in. typowo organiczne związki siarki, aminy oraz lotne kwasy. Wszystkie te związki powstają w warunkach anaerobowych i charakteryzują się bardzo niemiłym zapachem (co skutkuje często skargami okolicznych mieszkańców oraz pracowników eksploatujących i serwisujących sieć kanalizacyjną). Korozja siarczanowa kanałów i obiektów kanalizacyjnych zachodzi głównie pod wpływem kwasu siarkowego, który powstaje z utleniania siarki zawartej w siarkowodorze. Utlenianie siarki związanej w mineralnych związkach, w tym w siarkowodorze, może być stymulowane rozwojem chemolitrofów. Bakterie redukujące siarkę mogą się mnożyć w beztlenowych miejscach błony biologicznej w przewadze tlenowej, chociaż nie wykazują one zdolności do migracji przez strefę tlenową do głębiej położonych warstw anaerobowych. Kwas siarkowy w reakcji z betonem tworzy gips. Zniszczenie kanałów w wyniku korozji siarczanowej jest szczególnie wyraźne w sklepieniach kanałów i obiektów, tuż powyżej zwierciadła ścieków. Do rozwoju intensywnej korozji siarczanowej potrzebna jest woda, którą dostarcza wilgotne, ciepłe powietrze w zetknięciu ze sklepieniem kanałów. W wyniku procesów wietrzenia betonu i oddziaływania dwutlenku węgla odczyn pH skroplin spada, co pozwala bakteriom Thiobacillus na rozwój. Gdy obniży się on poniżej pH ≤ 5 rozpoczyna się gwałtowny rozwój tych bakterii, które są w stanie utlenić do kwasu siarkowego zarówno siarkowodór, jak i wytworzone uprzednio produkty niepełnego utleniania siarki. Korozja spowodowana działalnością tych bakterii jest tak intensywna, że wydzielające się na ścianach kanałów i obiektów kanalizacyjnych skropliny mają odczyn nawet poniżej pH ≤ 2. Istotne znaczenie w przypadku korozji urządzeń i sieci oraz obiektów kanalizacyjnych, która wystąpiła w połowie lat 80. w Gnieźnie** miała skład ścieków dopływających z tamtejszej garbarni. Z obserwacji ww. wynika, że powstała w sieci kanalizacyjnej „mgła siarkowodorowa”, która przemieszczała się nad ściekami na długości ok. 4 km tej sieci, niszcząc po drodze beton. Proces utraty grubości konstrukcji betonowych kanałów i obiektów ściekowych następował bardzo szybko, a ubytki grubości ścian kanałów wynosiły 5¸10 mm/rok. Należy tutaj zaznaczyć, że sieć kanalizacyjna w Gnieźnie była wentylowana wyłącznie za pomocą przykanalików i pionów kanalizacyjnych.

Pochodzenia siarkowodoru Siarka występuje w ściekach bytowo-gospodarczych częściowo w postaci siarczanów, które pochodzą głównie z wody wodociągowej i moczu, a częściowo w białkach zarówno pochodzenia zwierzęcego, jak i roślinnego. Proporcje pomiędzy nieorganicznymi i organicznymi formami siarki są bardzo różne w poszczególnych sieciach kanalizacyjnych z uwagi na duży zakres, w którym może się zmieniać stężenie siarczanów w wodach wodociągowych. Należy pamiętać, że głównym źródłem siarkowodoru są siarczany. Jednocześnie stwierdzamy, że przestrzenie ponad związkami ścieków w obiektach kanalizacyjnych posiadają ponadnormatywne ilości gazów między innymi H2S ≥ 500 ppm i CO ≥ 500 ppm. Badając tę strefę zauważono, że w kanale w ww. przestrzeni zachodzą zjawiska reaeracji. Jednocześnie stwierdzono, że gazy powstające w kanalizacji, oprócz uciążliwości zapachowej, posiadają wpływ na występowanie zjawisk korozji zarówno betonu, jak również stali. Należy tutaj wiedzieć, że wentylacja sieci i obiektów kanalizacyjnych nie zawsze jest skuteczna. Zgodnie z WTP sieci kanalizacyjnych względna wysokość napełnienia kanału ściekami nie powinna przekraczać 50% ich średnicy (wysokości całkowitej), między innymi ze względu na ochronę przed zagniwaniem ścieków. Niecałkowite wypełnienie ściekami kanału – kolektora kanalizacyjnego –zapewnia istnienie strefy powietrznej z zawartością między innymi siarkowodoru w górnej części kanału. Z perspektywy eksploatatorów widzimy również, że nie zawsze możliwe jest zapewnienie skutecznej wentylacji kanału, która zapewni wyprowadzenie tego gazu poza kanał. Na schemacie przedstawiono procesy zachodzące w grawitacyjnym systemie kanalizacji sanitarnej i ogólnospławnej.

Agresywność mieszana
Równoczesne działanie kilku czynników chemicznych może w pewnych przypadkach powodować zintensyfikowanie działania korodującego lub jego osłabienie. Na przykład obecność chlorków łagodzi korozyjne działanie siarczanów (np. woda morska), natomiast występujący jednocześnie z jonami siarczanowymi odczyn kwaśny wzmaga je (np. kwas siarkowy). Obecność jonów magnezu zmienia przebieg korozji siarczanowej (MgSO4, woda morska), a korozja przez ługowanie wzmaga się przy jednoczesnym odczynie kwaśnym lub w obecności agresywnego CO2. Szczególnie skomplikowane jest działanie ścieków zawierających jednocześnie dużą ilość różnorodnych substancji. Złagodzenie stopnia agresywności może nastąpić również wskutek osadzania się produktów reakcji na powierzchni betonu w postaci osadu lub powłok utrudniających wymywanie produktów reakcji między środowiskiem agresywnym a betonem i doprowadzenie nowych ilości składników agresywnych.

Czynniki biologiczne
Niszczenie betonu pod wpływem czynników biologicznych jest znane dopiero od niedawna i jeszcze mało zbadane. Na czynniki biologiczne składają się procesy spowodowane głównie działalnością mikroorganizmów. W budownictwie korozją mikrobiologiczną zagrożone jest głównie drewno, a korozja betonu lub żelbetu może wystąpić, jeśli wskutek metabolizmu bakterii lub innych organizmów wytwarzają się szkodliwe czynniki chemiczne. Niekiedy korozja powodowana przez organizmy żywe sprowadza się do działania mechanicznego. Na betonach świeżych, których powierzchnia ma odczyn wyraźnie zasadowy, organizmy żywe nie występują. Dopiero po skarbonizowaniu wilgotne powierzchnie betonu porastają roślinnością lub różnymi mikroorganizmami. Mchy i porosty, osiedlające się na betonie w środowisku powietrznym, zatrzymują tylko wilgoć. Ale w niektórych przypadkach przy współudziale bakterii pod szatą roślinną mogą wytwarzać się szkodliwe substancje chemiczne. Dotychczas najlepiej zbadano bakterie, których działanie prowadzi w efekcie do korozji siarczanowej. Wyjaśniono, że bakterie te, z grupy bakterii siarkowych („Thiobacillus”, „Thioparus”), powodują stopniowe obniżenie pH w wyniku utlenienia siarkowodoru, przez stadia pośrednie do wolnego kwasu siarkowego. Siarkowodór konieczny do rozwoju bakterii siarkowych pochodzi z rozkładu roślin lub innych materiałów organicznych, co dotyczy zwłaszcza środowiska ścieków w kanalizacji i na oczyszczalni. Zaobserwowano, że nawet przy bardzo małych stężeniach H2S dochodzić może do uszkodzeń, o ile obecne są bakterie. Po sterylizacji tego środowiska, np. przez ogrzewanie, korozja nie występuje. Siarkowodór, nawet w warunkach beztlenowych, może być przekształcony w kwas siarkowy przy udziale innych szczepów bakterii. Poza bakteriami siarkowymi pewną rolę odgrywać mogą także inne rodzaje bakterii, które powodują obniżenie pH przez wydzielanie kwasu masłowego lub innych kwasów organicznych albo też wpływają na zmianę zawartości w wodach rozpuszczonego kwasu węglowego, związków azotowych (azotany, azotyny, amoniak), fosforanów, żelaza itd. Agresywność biologiczna ma szczególne znaczenie w budownictwie wodnym, zwłaszcza w warunkach przemysłowych lub rolniczych procesów fermentacyjnych, np. w przypadku kanałów ściekowych, osadników, zbiorników, a także zapór wodnych. Przykładowo, w Rożnowie i na innych polskich zaporach stwierdzono porastanie partii betonu nad wlotem do turbin przez gąbki słodkowodne, ślimaki i porosty, a przeprowadzone badania wykazały występowanie korozji betonu typu siarczanowego wskutek przetworzenia przez żywe organizmy siarkowodoru z rozkładu substancji organicznych na siarczany. Szkodliwemu działaniu bakterii zapobiegać można przez dodawanie do betonu środków bakteriobójczych. Otrzymuje się wtedy beton antyseptyczny. Na przykład beton stosowany w przemysłowych pomieszczeniach wilgotnych, łazienkach, kuchniach bądź przy budowie basenów pływackich wykonuje się z dodatkiem soli miedzi. Według doniesień z literatury przedmiotu wystarczy choćby nasycenie warstwy zewnętrznej grubości ok. 9 mm. Czynniki biologiczne atakować mogą nie tylko beton, lecz również stal zbrojeniową. Na przykład w Japonii stwierdzono korozję zbrojenia w tunelu podmorskim spowodowaną przez bakterie. Także w Polsce na terenie kopalni siarki zaobserwowano korozję stalowej estakady wskutek działania bakterii. Gwałtowną korozję na powierzchni betonu wywołaną kwasem siarkowym pochodzenia mikrobiologicznego odkrył w 1945 roku Parker. Kwas siarkowy był produktem utleniania zredukowanych, nieorganicznych związków siarki (S-2; S0; S2O3-2; SO3-2) przez populację bakterii z rodzaju Thiobacillus. Biogenezę kwasu siarkowego, który jest głównym sprawcą korozji betonu w systemie kanalizacji ściekowej, wykazano w późniejszych pracach. Mechanizm korozji betonu opisany przez Sanda i innych zakłada, że głównym źródłem biogenezy kwasu siarkowego jest siarkowodór (H2S) produkowany przez bakterie redukujące siarczany z rodzaju Desulfovibrio. Bakterie te są typowymi beztlenowcami i najczęściej żyją w środowisku ściekowym na dnie kanału. Do wzrostu wymagają obecności związków organicznych jako źródła węgla dla dobudowy komórek (wskaźnikami związków organicznych jest BZT5 i ChZT) oraz siarczanów jako źródła energii. Przy niskiej koncentracji siarczanów, poniżej 1 mg/dm3 SO4-2-S, proces redukcji siarczanów nie przebiega. Natomiast odbywa się nawet przy niewielkiej koncentracji siarczanów w ściekach, np. przy 70 mg/dm3 i jest opisywany następującą reakcją: SO4-2 + 8H+ + 8e- -> S-2 + 4H2O. Jednocześnie z procesem redukcji siarczanów przebiega proces utleniania złożonej substancji organicznej do prostych związków typu lotnych kwasów tłuszczowych, z wyjątkiem octanów. Poza opisaną desulfurikacją źródłem siarkowodoru są także aminokwasy siarkowe, które uwalniają go w procesie anaerobowej (beztlenowej) fermentacji. Wytwarzanie siarkowodoru jest ważnym etapem w procesie korozji. Korozyjne oddziaływanie może występować już przy stężeniu siarkowodoru w ściekach wynoszącym 0,5 mg/dm3. W zależności od temperatury, a także turbulencji ścieków, do przestrzeni gazowej kanału, w którym płyną ścieki przedostaje się siarkowodór, który szczególnie na zwilżonych powierzchniach betonu rozpuszcza się i staje się pożywką (źródłem energii) dla bakterii zdolnych do utleniania zredukowanych, nieorganicznych związków siarki jak S-2 lub S do kwasu siarkowego. Są to populacje bakterii z rodzaju Thiobacillus, a szczególnie bakterii Thiobacillus thiooxidans, dla których optimum wzrostu przypada przy odczynie pH = 2÷3. Mikrobiologiczna generacja kwasu siarkowego przebiega zgodnie z reakcją: 2 S-2(S°) + 2H2O + O2 -> 2 H2SO4. Obecność kwasu siarkowego na powierzchni betonu powoduje jego destrukcję w rezultacie reakcji chemicznej pomiędzy kwasem siarkowym a węglanem wapniowym. Czynnikiem powodującym kruszenie betonu jest dwutlenek węgla uwalniany w reakcji: CaCO3 + H2SO4 -> CaSO4 + ↑CO2 + H2O. Omówiony mechanizm mikrobiologicznej korozji betonu w pełni potwierdzają rezultaty badań mikrobiologicznych i chemicznych wykonane przez Politechnikę Poznańską na obiektach kanalizacji i Grupowej Oczyszczalni dla Kalisza i Skalmierzyc w Kucharach. Szybkość korozji betonu podawana przez różnych autorów dla tego typu korozji waha się w przedziale: 2,3 ÷ 4,7 mm w ciągu roku.

Czynniki mechaniczne
Czynniki mechaniczne wpływają w sposób istotny na trwałość betonu, gdyż w skutek działań mechanicznych następuje łatwiejszy dostęp środowiska agresywnego do betonu i przyspieszenie właściwej korozji chemicznej. Działania mechaniczne są spowodowane np. ścieraniem, uderzeniami, drganiami, naprężeniami itp. Na działania mechaniczne narażone są powierzchnie drogowe i lotniskowe, parkingi, posadzki w halach fabrycznych, itp. (w skutek ruchu pojazdów). Szczególnym przypadkiem wpływów mechanicznych na beton jest erozja powodowana przez wymywanie wodą płynącą, uderzenia lub tarcia przez twarde substancje oraz usuwanie luźnych cząsteczek wskutek ruchu powietrza. Erozja występuje głownie w przypadku betonowych budowli hydrotechnicznych, zwłaszcza przy szybkim przepływie wód rzecznych. Działanie erozyjne wzmaga występowanie kawitacji, czyli powstawanie w płynącej cieczy pęcherzy wypełnionych parą wodną i gazami, które przesuwając się, powodują intensywne mechaniczne niszczenie powierzchni podłoża.

Obserwacje i badania Podczas badań terenowych w kanałach i kolektorach obserwuje się deficyt tlenu rozpuszczonego oraz intensywny przebieg procesów beztlenowej biodegradacji ścieków i osadów. Zachodzące w wyniku powyższych procesów warunki sprzyjające korozji betonów, stawiają wymagania dotyczące ich jakości.
Poniżej przedstawiamy wymagania Aquanet S.A. Poznań:
* beton XA3,
* klasa betonu C=35/45,
* w/c = 0,45,
* cement siarczanoodporny CEM IIIA 42,5 w ilości 380 kg/m3,
* kruszywa grube łamane bazaltowe,
* nasiąkliwość 4,5%, * wodoszczelność 12%,
* 2≤ pH ≤ 10, * beton odporny na ścieranie.
Wg Piotra Vonsa (YARA Poland) i Wojciecha Suchańskiego (YARA Poland) stopień korozji rur betonowych wyrażony jest jako funkcja odczynu pH na ich wewnętrznej powierzchni, przedstawiono na wykresie. W przypadku nieuzyskania przez beton wymaganej odporności na ww. korozję należy stosować odpowiednie szpachle lub wykładziny tworzywowe na wewnętrznych powierzchniach rur i kubaturowych obiektów kanalizacyjnych.
Roman Ćwiertnia Tomasz Ćwiertnia

* czas ich transportu kanałem lub kolektorem w układzie grawitacyjnym t ł 2 h – wynikający z własnych obserwacji i doświadczeń, natomiast czas zagniwania ścieków wprowadzonych do rurociągu tłocznego, wg badań dr inż. Tymoteusza Jaroszyńskiego z Politechniki Poznańskiej, wynosi ok. 0,5¸1,0 h. W rurociągu tłocznym ścieki znacznie szybciej przechodzą w fazę beztlenową i rozpoczynają się procesy redukcyjne ** wg prof. dr hab. inż. Józefa Jasiczaka (Politechnika Poznańska) i dr. inż. Daniela Pawlickiego (Politechnika Poznańska), którzy badali przyczyny tej korozji i zniszczenia kanalizacji,
Zobacz artykuł w wersji pdf pdf pdf pdf

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *

Ta strona korzysta z ciasteczek (cookies) Więcej informacji

Ustawienia plików cookie na tej stronie są włączone na "zezwalaj na pliki cookie", aby umożliwić najlepszy z możliwych sposób przeglądania. Jeśli w dalszym ciągu chcesz korzystać z tej strony, bez zmiany ustawienia plików cookie lub kliknięciu przycisku "Akceptuję", a następnie użytkownik wyraża zgodę na to.

Zamknij