Biogenic sulfide corrosion is a bacterially mediated process of forming hydrogen sulfide gas and the subsequent conversion to sulfuric acid that attacks concrete and steel within wastewater environments. The hydrogen sulfide gas is biochemically oxidized in the presence of moisture to form sulfuric acid. The effect of sulfuric acid on concrete and steel surfaces exposed to severe wastewater environments can be devastating.[1] In the USA alone, corrosion is causing sewer asset losses estimated at $14 billion per year.[2] This cost is expected to increase as the aging infrastructure continues to fail.[3]
Environment
Corrosion may occur where stale sewage generates hydrogen sulfide gas into an atmosphere containing oxygen gas and high relative humidity. There must be an underlying anaerobic aquatic habitat containing sulfates and an overlying aerobic aquatic habitat separated by a gas phase containing both oxygen and hydrogen sulfide at concentrations in excess of 2 ppm.[4]
Conversion of sulfate SO42− to hydrogen sulfide H2S
Fresh domestic sewage entering a wastewater collection system contains proteins including organic sulfur compounds oxidizable to sulfates and may contain inorganic sulfates.[5] Dissolved oxygen is depleted as bacteria begin to catabolize organic material in sewage. In the absence of dissolved oxygen and nitrates, sulfates are reduced to hydrogen sulfide as an alternative source of oxygen for catabolizing organic waste by sulfate reducing bacteria (SRB), identified primarily from the obligate anaerobic species Desulfovibrio.[4]
Hydrogen sulfide production depends on various physicochemical, topographic and hydraulic parameters[6] such as:
- Sewage oxygen concentration. The threshold is 0.1 mg.l−1; above this value, sulfides produced in sludge and sediments are oxidized by oxygen; below this value, sulfides are emitted in the gaseous phase.
- Temperature. The higher the temperature, the faster the kinetics of H2S production.
- Sewage pH. It must be included between 5.5 and 9 with an optimum at 7.5-8.
- Sulfate concentration.
- Nutrients concentration, associated to the biochemical oxygen demand.
- Concepción de las aguas residuales Como H 2 S se forma sólo en condiciones anaeróbicas. El flujo lento y el tiempo de retención prolongado dan más tiempo a las bacterias aeróbicas para consumir todo el oxígeno disuelto disponible en el agua, creando condiciones anaeróbicas. Cuanto más llano es el terreno, menor pendiente se le puede dar a la red de alcantarillado, lo que favorece un caudal más lento y más estaciones de bombeo (donde el tiempo de retención generalmente es mayor)
Conversión de sulfuro de hidrógeno en ácido sulfúrico H 2 SO 4
Parte del gas de sulfuro de hidrógeno se difunde en el entorno del espacio de cabeza sobre las aguas residuales. La humedad evaporada de las aguas residuales calientes puede condensarse en las paredes no sumergidas de las alcantarillas y es probable que cuelguen en gotas parcialmente formadas desde la corona horizontal de la alcantarilla. A medida que una porción del gas de sulfuro de hidrógeno y oxígeno del aire sobre las aguas residuales se disuelve en estas gotas estacionarias, se convierten en un hábitat para las bacterias oxidantes de azufre (SOB), del género Acidithiobacillus . Las colonias de estas bacterias aeróbicas metabolizan el gas de sulfuro de hidrógeno en ácido sulfúrico. [4]
Corrosión
El ácido sulfúrico producido por microorganismos interactuará con la superficie del material estructural. El cemento Portland común , reacciona con el hidróxido de calcio del hormigón para formar sulfato de calcio. Este cambio destruye simultáneamente la naturaleza polimérica del hidróxido de calcio y sustituye una molécula más grande en la matriz causando presión y desconchado del concreto adyacente y las partículas de agregado. [7] La corona debilitada puede colapsar bajo fuertes cargas de sobrecarga. [8] Incluso dentro de una red de alcantarillado bien diseñada, una regla general en la industria sugiere que el 5% de la longitud total puede sufrir o sufrirá corrosión biogénica. En estas áreas específicas, la corrosión por sulfuros biogénicos puede deteriorar el metal o varios milímetros por año de concreto (ver Tabla).
Para los cementos de aluminato de calcio , los procesos son completamente diferentes porque se basan en otra composición química. Al menos tres mecanismos diferentes contribuyen a una mejor resistencia a la corrosión biogénica: [16]
- La primera barrera es la mayor capacidad neutralizante de ácido de los cementos de aluminato de calcio en comparación con el cemento Portland ordinario; Un gramo de cemento de aluminato de calcio puede neutralizar alrededor de un 40% más de ácido que un gramo de cemento Portland común. Para una determinada producción de ácido por parte de la biopelícula , un hormigón de cemento de aluminato de calcio durará más.
- La segunda barrera se debe a la precipitación, cuando el pH superficial desciende por debajo de 10, de una capa de gel de alúmina (AH3 en notación química del cemento). AH3 es un compuesto estable hasta un pH de 4 y formará una barrera resistente a los ácidos siempre que la actividad bacteriana no baje el pH de la superficie por debajo de 3-4.
- La tercera barrera es el efecto bacteriostático que se activa localmente cuando la superficie alcanza valores de pH inferiores a 3-4. En este nivel, el gel de alúmina ya no es estable y se disolverá, liberando iones de aluminio. Estos iones se acumularán en la delgada biopelícula. Una vez que la concentración alcance 300-500 ppm, producirá un efecto bacteriostático en el metabolismo de las bacterias. En otras palabras, las bacterias dejarán de oxidar el azufre del H 2 S para producir ácido y el pH dejará de disminuir.
Un mortero hecho de cemento de aluminato de calcio combinado con agregados de aluminato de calcio, es decir, un material 100% de aluminato de calcio, durará mucho más ya que los agregados también pueden limitar el crecimiento de microorganismos e inhibir la generación de ácido en la propia fuente.
Prevención
Hay varias opciones para abordar los problemas de corrosión por sulfuros biogénicos: impedir la formación de H 2 S, ventilar el H 2 S o utilizar materiales resistentes a la corrosión biogénica. Por ejemplo, las aguas residuales fluyen más rápidamente a través de alcantarillas con gradientes más pronunciados, lo que reduce el tiempo disponible para la generación de sulfuro de hidrógeno. Asimismo, eliminar lodos y sedimentos del fondo de las tuberías reduce la cantidad de áreas anóxicas responsables del sulfato que reduce el crecimiento de bacterias. Proporcionar una buena ventilación de las alcantarillas puede reducir las concentraciones atmosféricas de gas de sulfuro de hidrógeno y puede secar las coronas de las alcantarillas expuestas, pero esto puede crear problemas de olores con los vecinos alrededor de los pozos de ventilación. Se pueden utilizar otros tres métodos eficientes que implican el funcionamiento continuo de equipos mecánicos: se puede añadir continuamente un reactivo químico como el nitrato de calcio al agua residual para impedir la formación de H 2 S, una ventilación activa a través de unidades de tratamiento de olores para eliminar el H 2 S, o una ventilación activa a través de unidades de tratamiento de olores para eliminar el H 2 S. Inyección de aire comprimido en red presurizada para evitar que se desarrolle la condición anaeróbica. En áreas de alcantarillado donde se espera corrosión por sulfuros biogénicos, los materiales resistentes a los ácidos, como cementos de aluminato de calcio , PVC o tuberías de arcilla vitrificada, pueden sustituir las alcantarillas ordinarias de hormigón o acero. Las estructuras existentes que están ampliamente expuestas a la corrosión biogénica, como las alcantarillas y los pozos húmedos de las estaciones de bombeo, pueden rehabilitarse. La rehabilitación se puede realizar con materiales como un revestimiento epóxico estructural; este epóxico está diseñado para ser resistente a los ácidos y fortalecer la estructura de concreto comprometida.
Ver también
Referencias
- Brongers, MPH, Virmani, PY, Payer, JH, 2002. Sistemas de agua potable y alcantarillado en costos de corrosión y estrategias preventivas en los Estados Unidos. Administración Federal de Carreteras del Departamento de Transporte de los Estados Unidos.
- Sydney, R., Esfandi, E., Surapaneni, S., 1996. Controle la corrosión del alcantarillado de hormigón mediante el proceso de pulverización de corona. Entorno de agua. Res. 68 (3), 338–347.
- Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos, 1991. Corrosión por sulfuro de hidrógeno en sistemas de tratamiento y recolección de aguas residuales (Informe técnico).
- Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos (1985) Manual de diseño, control de olores y corrosión en sistemas de alcantarillado sanitario y plantas de tratamiento (Informe técnico).
- Morton RL, Yanko WA, Grahom DW, Arnold RG (1991) Relación entre las concentraciones de metales y la corrosión de la corona en las alcantarillas del condado de Los Ángeles. Revista de investigación de la Federación para el Control de la Contaminación del Agua, 63, 789–798.
- Mori T., Nonaka T., Tazaki K., Koga M., Hikosaka Y., Noda S. (1992) Interacciones de nutrientes, humedad y pH en la corrosión microbiana de tuberías de alcantarillado de hormigón. Investigación del agua, 26, 29–37.
- Ismail N., Nonaka T., Noda S., Mori T. (1993) Efecto de la carbonatación sobre la corrosión microbiana del hormigón. Revista de Ingeniería y Gestión de la Construcción, 20, 133–138.
- Davis JL (1998) Caracterización y modelado de la corrosión inducida microbianamente de tuberías de alcantarillado de hormigón. Doctor. Disertación, Universidad de Houston, Houston, TX.
- Monteny J., De Belie N., Vincke E., Verstraete W., Taerwe L. (2001) Pruebas químicas y microbiológicas para simular la corrosión por ácido sulfúrico del hormigón modificado con polímeros. Investigación sobre cemento y hormigón, 31, 1359-1365.
- Vincke E., Van Wanseele E., Monteny J., Beeldens A., De Belie N., Taerwe L., Van Gemert D., Verstraete W. (2002) Influencia de la adición de polímeros en el ataque biogénico del ácido sulfúrico. Biodeterioro y biodegradación internacional, 49, 283–292.
- Herisson J., Van Hullebusch E., Gueguen Minerbe M., Chaussadent T. (2014) Mecanismo de corrosión biogénica: estudio de parámetros que explican la durabilidad del cemento de aluminato de calcio. CAC 2014 – Conferencia Internacional sobre Aluminatos de Calcio, mayo de 2014, Francia. 12p.
- Hammer, Mark J. Tecnología del agua y de las aguas residuales John Wiley & Sons (1975) ISBN 0-471-34726-4
- Metcalf & Eddy Ingeniería de aguas residuales McGraw-Hill (1972)
- Pomeroy, RD, 1976, "El problema del sulfuro de hidrógeno en las alcantarillas". Publicado por la Asociación de Desarrollo de Pipas de Arcilla
- Sawyer, Clair N. & McCarty, Perry L. Química para ingenieros sanitarios (segunda edición) McGraw-Hill (1967) ISBN 0-07-054970-2
- Manual de hormigón del Departamento del Interior de los Estados Unidos (USDI) (octava edición) Imprenta del Gobierno de los Estados Unidos (1975)
- Weismann, D. & Lohse, M. (Ed.): "Sulfid-Praxishandbuch der Abwassertechnik; Geruch, Gefahr, Korrosion verhindern und Kosten beherrschen!" 1. Auflage, VULKAN-Verlag, 2007, ISBN 978-3-8027-2845-7
Notas
- ^ O'Dea, Vaughn, “Understanding Biogenic Sulfide Corrosion”, MP (noviembre de 2007), págs. 36-39.
- ^ Brongers y otros, 2002
- ^ Sydney y otros, 1996; EPA de EE. UU., 1991
- ^ abc Sawyer y McCarty p.461 y 462
- ^ Metcalf y Eddy p.259
- ^ EPA de EE. UU., 1985
- ^ USDI páginas 9 y 10
- ^ Martillo p.58
- ^ Agencia de Protección Ambiental de Estados Unidos, 1991. Corrosión por sulfuro de hidrógeno en sistemas de tratamiento y recolección de aguas residuales (Informe técnico)
- ^ Morton RL, Yanko WA, Grahom DW, Arnold RG (1991) Relación entre las concentraciones de metales y la corrosión de la corona en las alcantarillas del condado de Los Ángeles. Revista de investigación de la Federación para el Control de la Contaminación del Agua, 63, 789–798.
- ^ Mori T., Nonaka T., Tazaki K., Koga M., Hikosaka Y., Noda S. (1992) Interacciones de nutrientes, humedad y pH en la corrosión microbiana de tuberías de alcantarillado de hormigón. Investigación del agua, 26, 29–37.
- ^ Ismail N., Nonaka T., Noda S., Mori T. (1993) Efecto de la carbonatación sobre la corrosión microbiana del hormigón. Revista de Ingeniería y Gestión de la Construcción, 20, 133-138.
- ^ Davis JL (1998) Caracterización y modelado de la corrosión inducida microbianamente de tuberías de alcantarillado de hormigón. Doctor. Disertación, Universidad de Houston, Houston, TX.
- ^ Monteny J., De Belie N., Vincke E., Verstraete W., Taerwe L. (2001) Pruebas químicas y microbiológicas para simular la corrosión por ácido sulfúrico del hormigón modificado con polímeros. Investigación sobre cemento y hormigón, 31, 1359-1365.
- ^ Vincke E., Van Wanseele E., Monteny J., Beeldens A., De Belie N., Taerwe L., Van Gemert D., Verstraete W. (2002) Influencia de la adición de polímeros en el ataque biogénico del ácido sulfúrico. Biodeterioro y Biodegradación Internacional, 49, 283-292.
- ^ Herisson J., Van Hullebusch E., Gueguen Minerbe M., Chaussadent T. (2014) Mecanismo de corrosión biogénica: estudio de parámetros que explican la durabilidad del cemento de aluminato de calcio. CAC 2014 – Conferencia Internacional sobre Aluminatos de Calcio, mayo de 2014, Francia. 12p.
El informe de Pomeroy contiene errores en la ecuación: la pendiente de la tubería (S, p. 8) se indica como m/100m, pero debería ser m/m. Esto introduce un factor de subestimación de 10 en el cálculo del 'factor Z', utilizado para indicar si existe riesgo de corrosión inducida por sulfuro, si se utilizan las unidades publicadas. El enlace web lleva a la edición revisada de 1992, que contiene el error de unidades; la edición de 1976 tiene las unidades correctas.