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

Dlaczego korodują betonowe zbiorniki i kanały

Już na przełomie lat 70. i 80. ubiegłego wieku stwierdzono, że środowisko panujące w kanałach i zbiornikach oczyszczalni ścieków jest skrajnie trudne i destrukcyjne dla betonowych budowli i konstrukcji ze względu na kilka różnych czynników niszczących i korozyjnych [1].

Po pierwsze stwierdzono, że w tym środowisku mamy stale do czynienia z silnymi przepływami wody [2] i zawieszonymi w jej masie drobnymi ciałami stałymi, które ocierając podczas przepływu o powierzchnie ścian i dna zbiorników czy kanałów, wywołują silną abrazję¹, a dodatkowo w wyniku kawitacji² zachodzi destrukcyjne zjawisko implozji³, które powoduje powierzchniowe uszkodzenia struktury betonu.

Następnie odkryto, że w wyniku okresowych i cyklicznych zmian temperatury (zwłaszcza w komorach fermentacyjnych i bioreaktorach) betonowe ściany zbiorników w związku ze stosunkowo wysokim współczynnikiem rozszerzalności i odwrotnie kurczliwości termicznej poddawane są silnym naprężeniom co skutkuje powstawaniem drobnych rys i pęknięć [10], a w ekstremalnych warunkach może powodować powstawanie rys w całej objętości elementu betonowego, prowadząc do obniżenia jego trwałości i skrócenia okresu użytkowania.

Skład ścieków a korozja zbiorników na ścieki

Jednak najpóźniej zostało udokumentowane najważniejsze zagadnienie dotyczące wysokiej agresywności chemicznej środowiska ścieków powodującej powiększanie się tych wszystkich opisanych drobnych uszkodzeń mechanicznych powstających w wyniku procesów korozyjnych. Dziś jeszcze często się spotyka w wytycznych do projektowania zbiorników dla oczyszczalni ścieków nisko agresywną klasę 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 (SO₄^2-) jonów siarczanowych, czyli reszty kwasowej kwasu siarkowego (pierwsza pozycja wymagań normy PN-EN 206-1 w tabeli) to tylko 3 gramy w 1 litrze, czyli stężenie 0,3%.

Analizując te jakże niskie wymagania, można dojść do wniosku, że założenia do tych wymagań powstawały tylko na podstawie składu ścieków na wejściu (czyli wkład). Takie rozumowanie wydaje się logiczne, bo przecież nikt nie dodaje do ścieków komunalnych żadnych agresywnych substancji, jak kwasy, ługi itp. Jednak z początkiem lat 90. ustalono, że skład chemiczny ścieków zawierających różnego rodzaju kwasy organiczne i tłuszczowe staje się wysoce agresywny dopiero wraz z przebiegiem procesów ich oczyszczania. Jest to skutkiem rozkładu masy organicznej w ściekach przez bakterie beztlenowe żyjące pod powierzchnią ścieków i wytwarzające duże ilości siarkowodoru jako środka ubocznego procesu przemiany materii tych bakterii zjadających masę organiczną. Gdy siarkowodór przedostaje się do strefy gazowej powyżej lustra ścieków, żyjące tam bakterie tlenowe utleniają w nim siarkę, konwertując go do postaci biogennego kwasu siarkowego (rys. 1), który osiadając na powierzchniach konstrukcji betonowych zbiorników, implikuje bardzo kwaśne środowisko – na poziomie 3 lub nawet 2 pH. Niestety tak kwaśne środowisko powoduje korozję zarówno betonu, jak i prętów 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 przełomie wieków XX i XXI zaszły pewne zmiany cywilizacyjne, które drastycznie zmieniły warunki środowiskowe. W wyniku rozdzielenia kanalizacji ścieków od instalacji wody deszczowej i ograniczonego zużycia wody czystej w gospodarstwach domowych przez wprowadzenie wodooszczędnych zmywarek i pralek, perlatorów kranowych itp. ścieki uległy znacznemu zagęszczeniu (zwiększenie zawartości masy organicznej) [6]. Przykładowo badania redukcji zużycia czystej wody w gospodarstwach domowych w Niemczech wykazały, że w przedziale czasu od 1990 r. do 2011 r. zużycie czystej wody w gospodarstwach domowych spadło 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 rozkładu masy organicznej o zwiększonej koncentracji poziom siarkowodoru w ściekach z 10 ppm w początku lat 90. wzrósł (rys. 3) do drastycznie wysokiego poziomu 100-300 ppm [8], a w przypadkach hermetyzowanych bioreaktorów⁴ nawet do poziomu 1000 ppm.

Rys. 3. Schemat wpływu zagęszczenia ścieków 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 agresywności chemicznej w środowisku ścieków materiały do ochrony powłokowej konstrukcji betonowych – stosowane w latach 90. i dobrze się wtedy sprawdzające [4] – teraz ulegają uszkodzeniom (fot. 2), jakie wcześniej nie były obserwowane. Dzieje się tak, gdyż materiały te nie były przewidziane do stosowania w tak wysoce agresywnym chemicznie środowisku, jakie obecnie występuje w ściekach.

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 działaniem ścieków?

W celu znalezienia skutecznych systemów ochrony powłokowej konstrukcji betonowych lub żelbetowych zbiorników dla oczyszczalni ścieków konieczne jest prowadzenie różnych badań i oczywiście należy zacząć od badań laboratoryjnych [5].

Zobacz także: Kanalizacja ogólnospławna i rozdzielcza – oddziaływanie na środowisko

Należy pamiętać, że w środowisku ściekowym oprócz odporności chemicznej na standardowe kwasy organiczne trzeba brać pod uwagę dodatkowe biogenne reakcje chemiczne [6], które są trudne do zasymulowania w warunkach laboratoryjnych. Optymalną metodologię badań laboratoryjnych z uwzględnieniem 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 pozwalają na przyspieszenie tempa korozji o 8-10 razy w porównaniu z realnymi warunkami, jakie panują w środowisku ściekowym, co oznacza, że sześć miesięcy trwania testu odpowiada okresowi 5-6 lat procesów toczących się w naturalnym środowisku ściekowym.

Główne wnioski z badań korozji biogenicznej na Uniwersytecie w Duisburgu są następujące:

• Beton nie jest odporny na istniejące warunki środowiskowe w gospodarce wodno-ściekowej.
• Cementowo-polimerowe zaprawy naprawcze (nawet te siarczano odporne) w długim okresie również nie są wystarczająco odporne.
• Nawet wysoka odporność chemiczna materiału nie oznacza automatycznie wystarczającej odporności na biogenne reakcje chemiczne.
• Odporność różnych materiałów 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.

Podsumowując, zmiany jakościowe i ilościowe ścieków komunalnych, do jakich doszło w latach 1990-2010, w znacznym stopniu wpłynęły na ich agresywność chemiczną w stosunku do betonowych konstrukcji i budowli infrastruktury sektora gospodarki wodno-ściekowej, wywołując reperkusje dotyczące kryteriów wyboru materiałów stosowanych do ochrony powłokowej tych konstrukcji. Warto przeanalizować przydatność różnych typów technologii w tym nowym świetle i odpowiedzieć na pytanie, czy dostępna jest na rynku technologia, która byłaby w stanie sprostać tak trudnym i złożonym 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 międzynarodowa poświęcona materiałom 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. Żakowicz, Wymagania dla zbiorników na gnojówkę/gnojowicę, „Budownictwo i Inżynieria Środowiska” nr 1/2010.

¹ Abrazja (łac. abrasio – zeskrobywanie) – geologiczny proces będący jednym z głównych czynników erozji, polegający na ścieraniu podłoża skalnego przez luźny materiał skalny (głazy, okruchy), ustawicznie przemieszczany przez prąd rzeczny, prądy wody.

² Według Polskiej Normy kawitacja jest zjawiskiem wywołanym zmiennym polem ciśnień cieczy, polegającym na tworzeniu się, powiększaniu i zanikaniu pęcherzyków lub innych obszarów zamkniętych (kawern), zawierających parę danej cieczy, gaz lub mieszaninę parowo-gazową. Jest to zespół zjawisk, w którym następuje zamiana wody w bąble pary wodnej, spowodowana miejscowym zmniejszeniem ciśnienia lub zwiększeniem temperatury.

³ Odwrotność eksplozji, czyli zapadanie, nagłe kurczenie się przestrzeni, powoduje wytworzenie niszczącej energii/fali uderzeniowej.

⁴ Szczelne zadaszanie zbiorników celem złagodzenia uciążliwości wynikających z nieprzyjemnego zapachu unoszącego się do atmosfery siarkowodoru dla okolicznych mieszkańców.

Janusz Banera

Sprawdź: Nowe regulacje w gospodarce wodno-ściekowej