W ciÄ…gu ostatnich dekad zaobserwowano zmiany w skÅ‚adzie Å›cieków - wzrósÅ‚ poziom siarkowodoru, który przyspiesza korozjÄ™ betonu. Jakie materiaÅ‚y wybierać do ochrony powÅ‚okowej konstrukcji?
Dlaczego korodują betonowe zbiorniki i kanały
Już na przeÅ‚omie lat 70. i 80. ubiegÅ‚ego wieku stwierdzono, że Å›rodowisko panujÄ…ce w kanaÅ‚ach i zbiornikach oczyszczalni Å›cieków jest skrajnie trudne i destrukcyjne dla betonowych budowli i konstrukcji ze wzglÄ™du na kilka różnych czynników niszczÄ…cych i korozyjnych [1].
Po pierwsze stwierdzono, że w tym Å›rodowisku mamy stale do czynienia z silnymi przepÅ‚ywami wody [2] i zawieszonymi w jej masie drobnymi ciaÅ‚ami staÅ‚ymi, które ocierajÄ…c podczas przepÅ‚ywu o powierzchnie Å›cian i dna zbiorników czy kanaÅ‚ów, wywoÅ‚ujÄ… silnÄ… abrazjÄ™1, a dodatkowo w wyniku kawitacji2 zachodzi destrukcyjne zjawisko implozji3, które powoduje powierzchniowe uszkodzenia struktury betonu.
NastÄ™pnie odkryto, że w wyniku okresowych i cyklicznych zmian temperatury (zwÅ‚aszcza w komorach fermentacyjnych i bioreaktorach) betonowe Å›ciany zbiorników w zwiÄ…zku ze stosunkowo wysokim wspóÅ‚czynnikiem rozszerzalnoÅ›ci i odwrotnie kurczliwoÅ›ci termicznej poddawane sÄ… silnym naprężeniom co skutkuje powstawaniem drobnych rys i pÄ™knięć [10], a w ekstremalnych warunkach może powodować powstawanie rys w caÅ‚ej objÄ™toÅ›ci elementu betonowego, prowadzÄ…c do obniżenia jego trwaÅ‚oÅ›ci i skrócenia okresu użytkowania.
SkÅ‚ad Å›cieków a korozja zbiorników na Å›cieki
Jednak najpóźniej zostaÅ‚o udokumentowane najważniejsze zagadnienie dotyczÄ…ce wysokiej agresywnoÅ›ci chemicznej Å›rodowiska Å›cieków powodujÄ…cej powiÄ™kszanie siÄ™ tych wszystkich opisanych drobnych uszkodzeÅ„ mechanicznych powstajÄ…cych w wyniku procesów korozyjnych. DziÅ› jeszcze czÄ™sto siÄ™ spotyka w wytycznych do projektowania zbiorników dla oczyszczalni Å›cieków nisko agresywnÄ… klasÄ™ ekspozycji XA2 [13], co moim zdaniem jest dużym nieporozumieniem.
Klasa ekspozycji XA2 wg normy PN-EN 206-1 [12] to środowisko o średniej agresywności chemicznej (patrz tabela).
3000 mg/L (SO42-) jonów siarczanowych, czyli reszty kwasowej kwasu siarkowego (pierwsza pozycja wymagaÅ„ normy PN-EN 206-1 w tabeli) to tylko 3 gramy w 1 litrze, czyli stężenie 0,3%.
AnalizujÄ…c te jakże niskie wymagania, można dojść do wniosku, że zaÅ‚ożenia do tych wymagaÅ„ powstawaÅ‚y tylko na podstawie skÅ‚adu Å›cieków na wejÅ›ciu (czyli wkÅ‚ad). Takie rozumowanie wydaje siÄ™ logiczne, bo przecież nikt nie dodaje do Å›cieków komunalnych żadnych agresywnych substancji, jak kwasy, Å‚ugi itp. Jednak z poczÄ…tkiem lat 90. ustalono, że skÅ‚ad chemiczny Å›cieków zawierajÄ…cych różnego rodzaju kwasy organiczne i tÅ‚uszczowe staje siÄ™ wysoce agresywny dopiero wraz z przebiegiem procesów ich oczyszczania. Jest to skutkiem rozkÅ‚adu masy organicznej w Å›ciekach przez bakterie beztlenowe żyjÄ…ce pod powierzchniÄ… Å›cieków i wytwarzajÄ…ce duże iloÅ›ci siarkowodoru jako Å›rodka ubocznego procesu przemiany materii tych bakterii zjadajÄ…cych masÄ™ organicznÄ…. Gdy siarkowodór przedostaje siÄ™ do strefy gazowej powyżej lustra Å›cieków, żyjÄ…ce tam bakterie tlenowe utleniajÄ… w nim siarkÄ™, konwertujÄ…c go do postaci biogennego kwasu siarkowego (rys. 1), który osiadajÄ…c na powierzchniach konstrukcji betonowych zbiorników, implikuje bardzo kwaÅ›ne Å›rodowisko - na poziomie 3 lub nawet 2 pH. Niestety tak kwaÅ›ne Å›rodowisko powoduje korozjÄ™ zarówno betonu, jak i prÄ™tów stalowego zbrojenia.
Rys. 1. Proces powstawania kwasu siarkowego w ściekach
Opisany stan odpowiada wiedzy w tym zakresie w latach 90. i w Europie średni poziom stężenia siarkowodoru oraz następnie biogennego kwasu siarkowego przyjęto w ilości 10 ppm.
Jednak na przeÅ‚omie wieków XX i XXI zaszÅ‚y pewne zmiany cywilizacyjne, które drastycznie zmieniÅ‚y warunki Å›rodowiskowe. W wyniku rozdzielenia kanalizacji Å›cieków od instalacji wody deszczowej i ograniczonego zużycia wody czystej w gospodarstwach domowych przez wprowadzenie wodooszczÄ™dnych zmywarek i pralek, perlatorów kranowych itp. Å›cieki ulegÅ‚y znacznemu zagÄ™szczeniu (zwiÄ™kszenie zawartoÅ›ci masy organicznej) [6]. PrzykÅ‚adowo badania redukcji zużycia czystej wody w gospodarstwach domowych w Niemczech wykazaÅ‚y, że w przedziale czasu od 1990 r. do 2011 r. zużycie czystej wody w gospodarstwach domowych spadÅ‚o o 25% [3].
Podobne badania prowadzone na wielkomiejskim obszarze Barcelony w latach 2001-2016 wykazały spadek zużycia wody o 30% (rys. 2).
Rys. 2. Dzienne średnie zużycie wody w Barcelonie w litrach na mieszkańca w latach 2001-2006 (aiguesdebarcelona.cat)
W wyniku rozkÅ‚adu masy organicznej o zwiÄ™kszonej koncentracji poziom siarkowodoru w Å›ciekach z 10 ppm w poczÄ…tku lat 90. wzrósÅ‚ (rys. 3) do drastycznie wysokiego poziomu 100-300 ppm [8], a w przypadkach hermetyzowanych bioreaktorów4 nawet do poziomu 1000 ppm.
Rys. 3. Schemat wpÅ‚ywu zagÄ™szczenia Å›cieków na wzrost stężennia biogennego kwasu siarkowego w wyniku ograniczonego zużycia wody czystej i oddzielenia wody deszczowej [6]
To zjawisko spowodowało wzrost populacji bakterii tlenowych w ściekach, co powoduje zwiększoną koncentrację kwasu siarkowego [11] i dalsze obniżanie pH na powierzchni konstrukcji betonowych z 3 do 1 lub nawet poniżej 1 pH. Niestety nie jest to zjawisko chwilowe, utrzymuje się ono długotrwale, przyspieszając mechanizmy korozyjne betonu (fot. 1).
Fot. 1. Korozja żelbetowego stropu nad zbiornikiem w wyniku oddziaływania biogennego kwasu siarkowego (zdjęcie wykonane przez Alberta Berenguel Puigdomenech - BASF Business & Marketing Manager - Industrial and Concrete Refurbishment Europe)
Wobec opisanych zmian i wzrostu agresywnoÅ›ci chemicznej w Å›rodowisku Å›cieków materiaÅ‚y do ochrony powÅ‚okowej konstrukcji betonowych - stosowane w latach 90. i dobrze siÄ™ wtedy sprawdzajÄ…ce [4] - teraz ulegajÄ… uszkodzeniom (fot. 2), jakie wczeÅ›niej nie byÅ‚y obserwowane. Dzieje siÄ™ tak, gdyż materiaÅ‚y te nie byÅ‚y przewidziane do stosowania w tak wysoce agresywnym chemicznie Å›rodowisku, jakie obecnie wystÄ™puje w Å›ciekach.
Fot. 2. Przykład destrukcji materiału ochrony powłokowej w wyniku agresji chemicznej (zdjęcie wykonane przez dr. Engin Seyhan - Application Manager - BASF Industrial and Concrete Refurbishment Europe)
Jak zabezpieczać zbiorniki przed agresywnym dziaÅ‚aniem Å›cieków?
W celu znalezienia skutecznych systemów ochrony powÅ‚okowej konstrukcji betonowych lub żelbetowych zbiorników dla oczyszczalni Å›cieków konieczne jest prowadzenie różnych badaÅ„ i oczywiÅ›cie należy zacząć od badaÅ„ laboratoryjnych [5].
Zobacz także: Kanalizacja ogólnospÅ‚awna i rozdzielcza - oddziaÅ‚ywanie na Å›rodowisko
Należy pamiÄ™tać, że w Å›rodowisku Å›ciekowym oprócz odpornoÅ›ci chemicznej na standardowe kwasy organiczne trzeba brać pod uwagÄ™ dodatkowe biogenne reakcje chemiczne [6], które sÄ… trudne do zasymulowania w warunkach laboratoryjnych. OptymalnÄ… metodologiÄ™ badaÅ„ laboratoryjnych z uwzglÄ™dnieniem tego czynnika stosowano podczas testów do badania korozji biogennej przeprowadzanych na Uniwersytecie w Duisburgu w Instytucie Fraunhofer. Metoda badania opracowana przez Instytut Fraunhofer pozwala zasymulować warunki przyspieszonej korozji przy udziale biogennego kwasu siarkowego. Testy prowadzone w instytucie w Duisburgu pozwalajÄ… na przyspieszenie tempa korozji o 8-10 razy w porównaniu z realnymi warunkami, jakie panujÄ… w Å›rodowisku Å›ciekowym, co oznacza, że sześć miesiÄ™cy trwania testu odpowiada okresowi 5-6 lat procesów toczÄ…cych siÄ™ w naturalnym Å›rodowisku Å›ciekowym.
GÅ‚ówne wnioski z badaÅ„ korozji biogenicznej na Uniwersytecie w Duisburgu sÄ… nastÄ™pujÄ…ce:
- Beton nie jest odporny na istniejące warunki środowiskowe w gospodarce wodno-ściekowej.
- Cementowo-polimerowe zaprawy naprawcze (nawet te siarczano odporne) w dÅ‚ugim okresie również nie sÄ… wystarczajÄ…co odporne.
- Nawet wysoka odporność chemiczna materiału nie oznacza automatycznie wystarczającej odporności na biogenne reakcje chemiczne.
- Odporność różnych materiaÅ‚ów na kwasy organiczne jest zwykle bardzo ograniczona.
- Nawet dobra lub bardzo dobra odporność chemiczna bez elastyczności i zdolności przesklepiania rys powłoki ochronnej to za mało.
- Wszystkie błędy w aplikacji skutkujące nałożeniem niewystarczająco grubej warstwy powłoki powodują brak zabezpieczenia betonu przed korozją.
PodsumowujÄ…c, zmiany jakoÅ›ciowe i iloÅ›ciowe Å›cieków komunalnych, do jakich doszÅ‚o w latach 1990-2010, w znacznym stopniu wpÅ‚ynęły na ich agresywność chemicznÄ… w stosunku do betonowych konstrukcji i budowli infrastruktury sektora gospodarki wodno-Å›ciekowej, wywoÅ‚ujÄ…c reperkusje dotyczÄ…ce kryteriów wyboru materiaÅ‚ów stosowanych do ochrony powÅ‚okowej tych konstrukcji. Warto przeanalizować przydatność różnych typów technologii w tym nowym Å›wietle i odpowiedzieć na pytanie, czy dostÄ™pna jest na rynku technologia, która byÅ‚aby w stanie sprostać tak trudnym i zÅ‚ożonym wymaganiom?
Bibliografia
- A. Zybura, M. Jaśniok, T. Jaśniok, Diagnostyka konstrukcji żelbetowych. Badania korozji zbrojenia i właściwości ochronnych betonu, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2011.
- A. Halicka, D. Franczak, Projektowanie zbiorników żelbetowych. Zbiorniki na ciecze, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2013.
- M.N. Pons, H. Spanjers, D. Baetens, O. Nowak, S. Gillot, J. Nouwen, N. Schuttinga, Wastewater Characteristics in Europe - A Survey, EWA 2004.
- PN-EN 1504-2:2006 Wyroby i systemy do ochrony i napraw konstrukcji betonowych. Definicje, wymagania, sterowanie jakością i ocena zgodności. Część 2: Systemy ochrony powierzchniowej betonu.
- J.A. Redner, R.P His, E.J. Esfandi, Evaluating coatings for concrete in wastewater facilities: An update, JPCL, grudzień 1994.
- N. Marleni, S. Gray, A. Sharma, S. Burn, N. Muttil, Impact of Water Source Management Practices in Residential Areas on Sewer Networks - A Review, Water Science and Technology, wyd. 65, nr 4, 2012.
- Fumio Mishina, Hiroyuki Fujimoto, Noriyuki Kushiya, „Survey and Evaluation on Corrosion Protection Coatings for Concrete Structures of Wastewater Treatment Plants”, konferencja miÄ™dzynarodowa poÅ›wiÄ™cona materiaÅ‚om budowlanym i technologiom zgodnym ze zrównoważonym rozwojem, Kyoto Research Park, Japonia, 2013.
- R. Nixon, Wastewater treatment plants: Coating selection guidelines for chan- ging exposure conditions, JPCL, maj 2001.
- Instrukcja ITB nr 453/2009, Ochrona powierzchniowa betonu w warunkach agresji chemicznej, Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa 2009.
- J. Banera, M. Maj, A. Ubysz, Powłoki polimocznikowe w budownictwie, DTP:D-CONCEPT, Grupa MD, Poznań 2017.
- L. Correa Lloreda, Los efectos de las medidas de ahorro de agua sobre los colectores: la lucha contra la corrosion, Cimbra nr 386, marzec-kwiecień 2009.
- PN-EN 206 Beton. Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność.
- A. Å»akowicz, Wymagania dla zbiorników na gnojówkÄ™/gnojowicÄ™, „Budownictwo i Inżynieria Åšrodowiska” nr 1/2010.
1 Abrazja (Å‚ac. abrasio - zeskrobywanie) - geologiczny proces bÄ™dÄ…cy jednym z gÅ‚ównych czynników erozji, polegajÄ…cy na Å›cieraniu podÅ‚oża skalnego przez luźny materiaÅ‚ skalny (gÅ‚azy, okruchy), ustawicznie przemieszczany przez prÄ…d rzeczny, prÄ…dy wody.
2 WedÅ‚ug Polskiej Normy kawitacja jest zjawiskiem wywoÅ‚anym zmiennym polem ciÅ›nieÅ„ cieczy, polegajÄ…cym na tworzeniu siÄ™, powiÄ™kszaniu i zanikaniu pÄ™cherzyków lub innych obszarów zamkniÄ™tych (kawern), zawierajÄ…cych parÄ™ danej cieczy, gaz lub mieszaninÄ™ parowo-gazowÄ…. Jest to zespóÅ‚ zjawisk, w którym nastÄ™puje zamiana wody w bÄ…ble pary wodnej, spowodowana miejscowym zmniejszeniem ciÅ›nienia lub zwiÄ™kszeniem temperatury.
3 Odwrotność eksplozji, czyli zapadanie, nagłe kurczenie się przestrzeni, powoduje wytworzenie niszczącej energii/fali uderzeniowej.
4 Szczelne zadaszanie zbiorników celem zÅ‚agodzenia uciążliwoÅ›ci wynikajÄ…cych z nieprzyjemnego zapachu unoszÄ…cego siÄ™ do atmosfery siarkowodoru dla okolicznych mieszkaÅ„ców.
Janusz Banera