Używamy cookies i podobnych technologii m.in. w celach: świadczenia usług, reklamy, statystyk. Korzystanie z witryny bez zmiany ustawień Twojej przeglądarki oznacza, że będą one umieszczane w Twoim urządzeniu końcowym. Pamiętaj, że zawsze możesz zmienić te ustawienia. Szczegóły znajdziesz w Polityce Prywatności.

Jak zmiany w składzie ścieków komunalnych wpływają na korozję zbiorników i kanałów

15.05.2019

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 istniejÄ…ce warunki Å›rodowiskowe w gospodarce wodno-Å›ciekowej.
  • Cementowo-polimerowe zaprawy naprawcze (nawet te siarczano odporne) w dÅ‚ugim okresie również nie sÄ… wystarczajÄ…co odporne.
  • Nawet wysoka odporność chemiczna materiaÅ‚u nie oznacza automatycznie wystarczajÄ…cej odpornoÅ›ci na biogenne reakcje chemiczne.
  • Odporność różnych materiaÅ‚ów na kwasy organiczne jest zwykle bardzo ograniczona.
  • Nawet dobra lub bardzo dobra odporność chemiczna bez elastycznoÅ›ci i zdolnoÅ›ci przesklepiania rys powÅ‚oki ochronnej to za maÅ‚o.
  • Wszystkie bÅ‚Ä™dy w aplikacji skutkujÄ…ce naÅ‚ożeniem niewystarczajÄ…co grubej warstwy powÅ‚oki powodujÄ… brak zabezpieczenia betonu przed korozjÄ….

 

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

  1. A. Zybura, M. Jaśniok, T. Jaśniok, Diagnostyka konstrukcji żelbetowych. Badania korozji zbrojenia i właściwości ochronnych betonu, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2011.
  2. A. Halicka, D. Franczak, Projektowanie zbiorników żelbetowych. Zbiorniki na ciecze, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa 2013.
  3. M.N. Pons, H. Spanjers, D. Baetens, O. Nowak, S. Gillot, J. Nouwen, N. Schuttinga, Wastewater Characteristics in Europe - A Survey, EWA 2004.
  4. 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.
  5. J.A. Redner, R.P His, E.J. Esfandi, Evaluating coatings for concrete in wastewater facilities: An update, JPCL, grudzień 1994.
  6. 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.
  7. 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.
  8. R. Nixon, Wastewater treatment plants: Coating selection guidelines for chan- ging exposure conditions, JPCL, maj 2001.
  9. Instrukcja ITB nr 453/2009, Ochrona powierzchniowa betonu w warunkach agresji chemicznej, Instytut Techniki Budowlanej, Warszawa 2009.
  10. J. Banera, M. Maj, A. Ubysz, Powłoki polimocznikowe w budownictwie, DTP:D-CONCEPT, Grupa MD, Poznań 2017.
  11. 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.
  12. PN-EN 206 Beton. Wymagania, właściwości, produkcja i zgodność.
  13. 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

 

Sprawdź: Nowe regulacje w gospodarce wodno-ściekowej

www.piib.org.pl

www.kreatorbudownictwaroku.pl

www.izbudujemy.pl

Kanał na YouTube

Profil na Google+