Биогенная сульфидная коррозия - Biogenic sulfide corrosion

Биогенная сульфидная коррозия это бактериально опосредованный процесс формирования сероводород газ и последующий перевод на серная кислота это атакует конкретный и стали в Сточные Воды среды. Газ сероводорода биохимически окисленный в присутствии влаги с образованием серной кислоты. Воздействие серной кислоты на бетонные и стальные поверхности, подверженные воздействию тяжелых сточных вод, может быть разрушительным.[1] Только в США коррозия вызывает убытки канализационных сетей, которые оцениваются примерно в 14 миллиардов долларов в год.[2] Ожидается, что эта стоимость будет расти, поскольку устаревшая инфраструктура продолжает выходить из строя.[3]

Среда

Коррозия может возникнуть, если несвежие сточные воды выделяют сероводород в атмосферу, содержащую газообразный кислород и высокую относительную влажность. Должна быть нижележащая анаэробная водная среда обитания, содержащая сульфаты, и вышележащая аэробная водная среда обитания, разделенная газовой фазой, содержащей кислород и сероводород в концентрациях, превышающих 2 ppm.[4]

Конверсия сульфата SO42− к сероводороду H2S

Свежие бытовые сточные воды, попадающие в систему сбора сточных вод, содержат белки, включая органические соединения серы, окисляемые до сульфатов, и могут содержать неорганические сульфаты.[5] Растворенный кислород истощается, поскольку бактерии начинают катаболизировать органический материал в сточных водах. При отсутствии растворенного кислорода и нитраты, сульфаты восстанавливаются до сероводорода в качестве альтернативного источника кислорода для катаболизации органических отходов путем сульфатредуцирующие бактерии (SRB), идентифицированный в основном из облигатных анаэробных видов Десульфовибрио.[4]

Производство сероводорода зависит от различных физико-химических, топографических и гидравлических параметров.[6] Такие как:

  • Концентрация кислорода в сточных водах. Порог - 0,1 мг / л.−1; выше этого значения сульфиды, образующиеся в илах и отложениях, окисляются кислородом; ниже этого значения сульфиды выделяются в газовой фазе.
  • Температура. Чем выше температура, тем быстрее кинетика H2S. производство.
  • PH сточных вод. Он должен быть от 5,5 до 9 с оптимальным значением 7,5-8.
  • Концентрация сульфатов.
  • Концентрация питательных веществ, связанных с биохимическая потребность в кислороде.
  • Концепция сточные воды Пепел2S образуется только в анаэробных условиях. Медленный поток и длительное время удерживания дают аэробным бактериям больше времени для поглощения всего доступного растворенного кислорода в воде, создавая анаэробные условия. Чем ровнее земля, тем меньший уклон может быть придан канализационной сети, и это способствует более медленному потоку и большему количеству насосных станций (у которых время удержания обычно больше)

Превращение сероводорода в серную кислоту H2ТАК4

Некоторое количество сероводорода диффундирует в среду над сточными водами. Влага, испарившаяся из теплых сточных вод, может конденсироваться на незатопленных стенках канализации и, вероятно, будет свисать в виде частично сформированных капель с горизонтального свода канализации. 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) из рода Ацидитиобациллы. Колонии этих аэробных бактерий превращают газообразный сероводород в серную кислоту.[4]

Коррозия

Смотрите также: Сульфидирование

Вырабатываемая микроорганизмами серная кислота будет взаимодействовать с поверхностью материала конструкции. За обычный портландцемент, он реагирует с гидроксидом кальция в бетоне с образованием сульфата кальция. Это изменение одновременно разрушает полимерную природу гидроксида кальция и заменяет более крупную молекулу в матрицу, вызывая давление и растрескивание прилегающих частиц бетона и заполнителя.[7] Ослабленная коронка может затем разрушиться под сильными перекрывающими нагрузками.[8] Практика показывает, что даже в пределах хорошо спроектированной канализационной сети 5% общей длины могут пострадать от биогенной коррозии. В этих конкретных областях биогенная сульфидная коррозия может привести к повреждению металла или бетона на несколько миллиметров в год (см. Таблицу).

ИсточникПотеря толщины

(в мм.г−1)

Тип материала
Агентство по охране окружающей среды США, 1991 г.[9]2.5 – 10Конкретный
Мортон и др., 1991[10]2.7Конкретный
Мори и др., 1992[11]4.3 – 4.7Конкретный
Исмаил и др., 1993 г.[12]2 – 4Миномет
Дэвис, 1998[13]3.1Конкретный
Monteny et al., 2001[14]1.0 – 1.3Миномет
Винке и др., 2002 г.[15]1.1 – 1.8Конкретный

За кальциево-алюминатные цементы, процессы совершенно разные, потому что они основаны на другом химическом составе. По крайней мере, три различных механизма способствуют лучшей устойчивости к биогенной коррозии:[16]

  • Первый барьер больше кислотонейтрализующая способность цементов на основе алюмината кальция по сравнению с обычным портландцементом; Один грамм алюминатного цемента может нейтрализовать примерно на 40% больше кислоты, чем грамм обычного портландцемента. Для данного производства кислоты биопленка, цементный бетон на основе алюмината кальция прослужит дольше.
  • Второй барьер возникает из-за осаждения, когда поверхностный pH становится ниже 10, слоя глиноземного геля (AH3 в обозначении химии цемента). AH3 является стабильным соединением до pH 4, и оно будет образовывать кислотостойкий барьер, пока поверхностный pH не опускается ниже 3-4 из-за активности бактерий.
  • Третий барьер - это бактериостатический эффект, который активируется локально, когда поверхность достигает значений pH менее 3–4. На этом уровне гель оксида алюминия больше не является стабильным и будет растворяться, высвобождая ионы алюминия. Эти ионы будут накапливаться в тонкой биопленке. Как только концентрация достигнет 300-500 ppm, будет производиться бактериостатический влияние на метаболизм бактерий. Другими словами, бактерии перестанут окислять серу из H.2S производит кислоту, и pH перестанет снижаться.

Раствор из алюминатного цемента в сочетании с агрегатами алюмината кальция, то есть 100% алюминат кальция, прослужит намного дольше, так как агрегаты также могут ограничивать рост микроорганизмов и подавлять образование кислоты в самом источнике.

Профилактика

Существует несколько вариантов решения проблем биогенной сульфидной коррозии: ухудшение H2S образование, выходящий из H2S или с использованием материалов, устойчивых к биогенной коррозии. Например, сточные воды быстрее проходят через канализацию с более крутым уклоном, что сокращает время, необходимое для образования сероводорода. Точно так же удаление шлама и отложений со дна труб уменьшает количество бескислородных участков, ответственных за сульфатредуцирующие бактерии рост. Обеспечение хорошей вентиляции канализации может снизить концентрацию сероводорода в атмосфере и высушить открытые коронки канализации, но это может создать проблемы с запахом у соседей вокруг вентиляционных шахт. Можно использовать три других эффективных метода, связанных с непрерывной работой механического оборудования: химический реагент, такой как нитрат кальция можно непрерывно добавлять в сточную воду, чтобы снизить H2Образование S, активная вентиляция через установки обработки запаха для удаления H2S, или нагнетание сжатого воздуха в сеть под давлением, чтобы избежать развития анаэробных условий. В местах канализации, где ожидается биогенная сульфидная коррозия, кислотостойкие материалы, такие как кальциево-алюминатные цементы, ПВХ или же керамическая труба может быть заменен на обычную бетонную или стальную канализацию. Существующие конструкции, которые сильно подвержены биогенной коррозии, такие как канализационные люки и мокрые колодцы насосных станций, могут быть восстановлены. Ремонт может быть выполнен с использованием таких материалов, как структурное эпоксидное покрытие, эта эпоксидная смола разработана так, чтобы быть кислотостойкой и укреплять поврежденную бетонную структуру.

Смотрите также

Рекомендации

  • Brongers, M.P.H., Virmani, P.Y., Payer, J.H., 2002. Питьевая вода и канализационные системы в стоимости коррозии и превентивных стратегиях в Соединенных Штатах. Федеральное управление шоссейных дорог Министерства транспорта США.
  • Сидней, Р., Эсфанди, Э., Сурапанени, С., 1996. Контроль коррозии бетонной канализации с помощью процесса распыления короны. Water Environ. Res. 68 (3), 338–347.
  • Агентство по охране окружающей среды США, 1991 год. Коррозия сероводородом в системах сбора и очистки сточных вод (технический отчет).
  • Агентство по охране окружающей среды США (1985) Руководство по проектированию, Контроль запаха и коррозии в системах санитарной канализации и очистных сооружениях (Технический отчет).
  • Мортон Р.Л., Янко В.А., Грахом Д.В., Арнольд Р.Г. (1991) Взаимосвязь между концентрациями металлов и коррозией короны в коллекторах округа Лос-Анджелес. Исследовательский журнал Федерации по контролю за загрязнением 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 управления строительством и инженерии, 20, 133–138.
  • Дэвис Дж. Л. (1998) Характеристика и моделирование микробиологической коррозии бетонных канализационных труб. Кандидат наук. Диссертация, Университет Хьюстона, Хьюстон, Техас.
  • Monteny J., De Belie N., Vincke E., Verstraete W., Taerwe L. (2001) Химические и микробиологические тесты для моделирования сернокислотной коррозии модифицированного полимером бетона. Исследование цемента и бетона, 31, 1359–1365.
  • Винке Э., Ван Ванзеле Э., Монтени Дж., Бельденс А., Де Бели Н., Таэрве Л., Ван Гемерт Д., Верстраете В. (2002) Влияние добавления полимера на биогенную атаку серной кислоты. International Biodeterioration and Biodegradation, 49, 283–292.
  • Хериссон Дж., Ван Хуллебуш Э., Геген Минерб М., Чоссадент Т. (2014) Механизм биогенной коррозии: исследование параметров, объясняющих долговечность алюминатного цемента. CAC 2014 - Международная конференция по алюминатам кальция, май 2014 г., Франция. 12 шт.
  • Хаммер, Марк Дж. Водоснабжение и очистка сточных вод Джон Уайли и сыновья (1975) ISBN  0-471-34726-4
  • Меткалф и Эдди Очистка сточных вод Макгроу-Хилл (1972)
  • Помрой, Р. Д., 1976, «Проблема сероводорода в канализации». Опубликовано Ассоциацией развития глиняных труб
  • Сойер, Клер Н. и Маккарти, Перри Л. Химия для инженеров-сантехников (2-е издание) Макгроу-Хилл (1967) ISBN  0-07-054970-2
  • Министерство внутренних дел США (USDI) Руководство по бетону (8-е издание) Правительственная типография США (1975)
  • Вайсманн, Д. и Лозе, М. (Hrsg.): "Sulfid-Praxishandbuch der Abwassertechnik; Geruch, Gefahr, Korrosion verhindern und Kosten beherrschen!" 1. Auflage, VULKAN-Verlag, 2007, стр. ISBN  978-3-8027-2845-7

Примечания

  1. ^ О’Ди, Вон, «Понимание биогенной сульфидной коррозии», член парламента (ноябрь 2007 г.), стр. 36–39.
  2. ^ Brongers et al., 2002
  3. ^ Сидней и др., 1996; Агентство по охране окружающей среды США, 1991 г.
  4. ^ а б c Сойер и Маккарти, стр.461 и 462
  5. ^ Меткалф и Эдди стр.259
  6. ^ Агентство по охране окружающей среды США, 1985 г.
  7. ^ USDI pp.9 и 10
  8. ^ Молоток стр.58
  9. ^ Агентство по охране окружающей среды США, 1991. Коррозия сероводородом в системах сбора и очистки сточных вод (технический отчет)
  10. ^ Мортон Р.Л., Янко В.А., Грахом Д.В., Арнольд Р.Г. (1991) Взаимосвязь между концентрациями металлов и коррозией короны в коллекторах округа Лос-Анджелес. Исследовательский журнал Федерации по контролю за загрязнением воды, 63, 789–798.
  11. ^ 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.
  12. ^ Исмаил Н., Нонака Т., Нода С., Мори Т. (1993) Влияние карбонизации на микробную коррозию бетона. Журнал управления строительством и инженерии, 20, 133-138.
  13. ^ Дэвис Дж. Л. (1998) Характеристика и моделирование микробиологической коррозии бетонных канализационных труб. Кандидат наук. Диссертация, Университет Хьюстона, Хьюстон, Техас.
  14. ^ Monteny J., De Belie N., Vincke E., Verstraete W., Taerwe L. (2001) Химические и микробиологические тесты для моделирования сернокислотной коррозии модифицированного полимером бетона. Исследование цемента и бетона, 31, 1359-1365.
  15. ^ Винке Э., Ван Ванзеле Э., Монтени Дж., Бельденс А., Де Бели Н., Таэрве Л., Ван Гемерт Д., Верстраете В. (2002) Влияние добавления полимера на биогенную атаку серной кислоты. International Biodeterioration and Biodegradation, 49, 283-292.
  16. ^ Хериссон Дж., Ван Хуллебуш Э., Геген Минерб М., Чоссадент Т. (2014) Механизм биогенной коррозии: исследование параметров, объясняющих долговечность алюминатного цемента. CAC 2014 - Международная конференция по алюминатам кальция, май 2014 г., Франция. 12 шт.

Отчет Помероя содержит ошибки в уравнении: уклон трубопровода (S, стр. 8) указан как м / 100 м, но должен быть м / м. Это вводит 10-кратную заниженную оценку при расчете «фактора Z», используемого для указания, существует ли риск коррозии, вызванной сульфидом, если используются опубликованные единицы. Веб-ссылка ведет на пересмотренное издание 1992 года, которое содержит ошибку единиц измерения - издание 1976 года имеет правильные единицы измерения.