La corrosión por sulfuro biogénico es un proceso mediado por bacterias de formación de gas de sulfuro de hidrógeno y la posterior conversión a ácido sulfúrico que ataca al hormigón y al acero en los entornos de aguas residuales . El gas sulfuro de hidrógeno se oxida bioquímicamente en presencia de humedad para formar ácido sulfúrico. El efecto del ácido sulfúrico en las superficies de hormigón y acero expuestas a entornos de aguas residuales severas puede ser devastador. [1] Solo en los EE. UU., La corrosión está causando pérdidas de activos de alcantarillado estimadas en alrededor de $ 14 mil millones por año. [2]Se espera que este costo aumente a medida que la infraestructura obsoleta continúe fallando. [3]
Ambiente
La corrosión puede ocurrir cuando las aguas residuales viejas generan gas sulfuro de hidrógeno en una atmósfera que contiene gas oxígeno y alta humedad relativa. Debe haber un hábitat acuático anaeróbico subyacente que contenga sulfatos y un hábitat acuático aerobio suprayacente separado por una fase gaseosa que contenga tanto oxígeno como sulfuro de hidrógeno en concentraciones superiores a 2 ppm. [4]
Conversión de sulfato SO 4 2− en sulfuro de hidrógeno H 2 S
Las aguas residuales domésticas frescas que ingresan a un sistema de recolección de aguas residuales contienen proteínas que incluyen compuestos orgánicos de azufre oxidables a sulfatos y pueden contener sulfatos inorgánicos. [5] El oxígeno disuelto se agota a medida que las bacterias comienzan a catabolizar material orgánico en las aguas residuales. En ausencia de oxígeno disuelto y nitratos , los sulfatos se reducen a sulfuro de hidrógeno como una fuente alternativa de oxígeno para catabolizar desechos orgánicos por bacterias reductoras de sulfato (SRB), identificadas principalmente a partir de la especie anaeróbica obligada Desulfovibrio . [4]
La producción de sulfuro de hidrógeno depende de varios parámetros fisicoquímicos, topográficos e hidráulicos [6], tales como:
- Concentración de oxígeno en aguas residuales. El umbral es 0,1 mg.l -1 ; por encima de este valor, los sulfuros producidos en los lodos y sedimentos son oxidados por el oxígeno; por debajo de este valor se emiten sulfuros en fase gaseosa.
- Temperatura. Cuanto mayor sea la temperatura, más rápido la cinética de H 2 producción S.
- PH de las aguas residuales. Debe incluirse entre 5,5 y 9 con un óptimo en 7,5-8.
- Concentración de sulfato.
- Concentración de nutrientes, asociada a la demanda bioquímica de oxígeno .
- 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 plano es el terreno, menos pendiente se puede dar a la red de alcantarillado, y esto favorece un flujo más lento y más estaciones de bombeo (donde el tiempo de retención es generalmente más largo).
Conversión de sulfuro de hidrógeno en ácido sulfúrico H 2 SO 4
Algo de gas de sulfuro de hidrógeno se difunde en el entorno del espacio de cabeza por encima de 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 cuelgue en gotas parcialmente formadas de la corona horizontal de la alcantarilla. A medida que una parte del gas de sulfuro de hidrógeno y el gas de oxígeno del aire sobre las aguas residuales se disuelve en estas gotitas estacionarias, se convierten en un hábitat para las bacterias oxidantes del azufre (SOB), del género Acidithiobacillus . Las colonias de estas bacterias aeróbicas metabolizan el gas sulfuro de hidrógeno a ácido sulfúrico. [4]
Corrosión
El ácido sulfúrico producido por microorganismos interactuará con la superficie del material de la estructura. En el caso del cemento Portland ordinario , 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 a una molécula más grande en la matriz, lo que provoca presión y desconchado del hormigón adyacente y las partículas de agregado. [7] La corona debilitada puede colapsar bajo cargas pesadas de sobrecarga. [8] Incluso dentro de una red de alcantarillado bien diseñada, una regla empírica en la industria sugiere que el 5% de la longitud total puede sufrir / sufrirá corrosión biogénica. En estas áreas específicas, la corrosión por sulfuro biogénico puede deteriorar el metal o varios milímetros por año de concreto (ver Tabla).
Fuente | Pérdida de espesor (en mm.y −1 ) | Tipo de material |
---|---|---|
EPA de EE.UU., 1991 [9] | 2,5 - 10 | Hormigón |
Morton y col., 1991 [10] | 2,7 | Hormigón |
Mori y col., 1992 [11] | 4,3 - 4,7 | Hormigón |
Ismail y col., 1993 [12] | 2 - 4 | Mortero |
Davis, 1998 [13] | 3.1 | Hormigón |
Monteny et al., 2001 [14] | 1.0 - 1.3 | Mortero |
Vincke et al., 2002 [15] | 1,1 - 1,8 | Hormigón |
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 de neutralización de ácidos de los cementos de aluminato de calcio frente al 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 ordinario. Para una determinada producción de ácido por la biopelícula , un hormigón de cemento de aluminato de calcio durará más.
- La segunda barrera se debe a la precipitación, cuando el pH superficial cae por debajo de 10, de una capa de gel de alúmina (AH3 en la notación química del cemento). AH3 es un compuesto estable hasta un pH de 4 y formará una barrera resistente a los ácidos siempre que el pH de la superficie no baje de 3-4 por la actividad bacteriana.
- La tercera barrera es el efecto bacteriostático que se activa localmente cuando la superficie alcanza valores de pH inferiores a 3-4. A 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 sobre el metabolismo de las bacterias. En otras palabras, las bacterias se detendrán la oxidación del azufre de H 2 S al ácido productos, y el pH se detendrán decreciente.
Un mortero hecho de cemento de aluminato de calcio combinado con agregados de aluminato de calcio, es decir, un material de aluminato de calcio al 100%, durará mucho más ya que los agregados también pueden limitar el crecimiento de microorganismos e inhibir la generación de ácido en la fuente misma.
Prevención
Hay varias opciones para abordar los problemas de corrosión por sulfuro biogénico: perjudicar 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 de gradiente más pronunciado, lo que reduce el tiempo disponible para la generación de sulfuro de hidrógeno. Asimismo, la eliminación de lodos y sedimentos del fondo de las tuberías reduce la cantidad de áreas anóxicas responsables del crecimiento de bacterias reductoras de sulfato . Proporcionar una buena ventilación de las alcantarillas puede reducir las concentraciones atmosféricas de gas sulfuro de hidrógeno y puede secar las coronas de alcantarillado expuestas, pero esto puede crear problemas de olor con los vecinos alrededor de los pozos de ventilación. Se pueden usar otros tres métodos eficientes que involucran la operación continua de equipos mecánicos: se puede agregar continuamente reactivo químico como nitrato de calcio en el agua de alcantarillado para afectar la formación de H 2 S, una ventilación activa a través de unidades de tratamiento de olores para eliminar el H 2 S, o un inyección de aire comprimido en red presurizada para evitar que se desarrolle la condición anaeróbica. En las áreas de alcantarillado donde se espera la corrosión por sulfuro biogénico, los materiales resistentes a los ácidos como los cementos de aluminato de calcio , PVC o tubería de arcilla vitrificada pueden sustituirse por las alcantarillas ordinarias de concreto o acero. Las estructuras existentes que tienen una exposición extensa a la corrosión biogénica, como las alcantarillas y los pozos húmedos de las estaciones de bombeo, pueden rehabilitarse. La rehabilitación se puede hacer con materiales como un recubrimiento epoxi estructural, este epoxi 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. Control de la corrosión del alcantarillado de hormigón mediante el proceso de pulverización de corona. Ambiente de agua. Res. 68 (3), 338–347.
- Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos, 1991. Corrosión por sulfuro de hidrógeno en sistemas de recolección y tratamiento de aguas residuales (Informe técnico).
- Agencia de Protección Ambiental de los 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. Water Research, 26, 29–37.
- Ismail N., Nonaka T., Noda S., Mori T. (1993) Efecto de la carbonatación sobre la corrosión microbiana del hormigón. Journal of Construction Management and Engineering, 20, 133-138.
- Davis JL (1998) Caracterización y modelado de la corrosión inducida por microbios 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 de 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 de ácido sulfúrico biogénico. Biodeterioro y biodegradación internacionales, 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. 12 p.
- Hammer, Mark J. Tecnología de agua y 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 Clay Pipes Development Association
- Sawyer, Clair N. & McCarty, Perry L.Química para ingenieros sanitarios (segunda edición) McGraw-Hill (1967) ISBN 0-07-054970-2
- Departamento del Interior de los Estados Unidos (USDI) Concrete Manual (octava edición) Oficina de Imprenta del Gobierno de los Estados Unidos (1975)
- Weismann, D. y Lohse, M. (Hrsg.): "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, "Comprensión de la corrosión por sulfuro biogénico", MP (noviembre de 2007), págs. 36-39.
- ^ Brongers et al., 2002
- ^ Sydney y col., 1996; EPA de EE. UU., 1991
- ^ a b c Sawyer y McCarty p.461 y 462
- ^ Metcalf y Eddy p.259
- ^ EPA de EE. UU., 1985
- ^ USDI págs. 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. Water Research, 26, 29–37.
- ^ Ismail N., Nonaka T., Noda S., Mori T. (1993) Efecto de la carbonatación sobre la corrosión microbiana del hormigón. Revista de Gestión e Ingeniería de la Construcción, 20, 133-138.
- ^ Davis JL (1998) Caracterización y modelado de la corrosión inducida por microbios 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 de 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 de ácido sulfúrico biogénico. Biodeterioro y biodegradación internacional, 49, 283-292.
- ^ Herisson J., Van Hullebusch E., Gueguen Minerbe M., Chaussadent T. (2014) Mecanismo de corrosión biogénica: estudio de los parámetros que explican la durabilidad del cemento de aluminato de calcio. CAC 2014 - Conferencia internacional sobre aluminatos de calcio, mayo de 2014, Francia. 12 p.
El informe de Pomeroy contiene errores en la ecuación: la pendiente de la tubería (S, p. 8) se cotiza como m / 100m, pero debería ser m / m. Esto introduce un factor de subestimación de 10 en el cálculo del 'factor Z', que se utiliza para indicar si existe riesgo de corrosión inducida por sulfuros, si se utilizan las unidades publicadas. El enlace web es a la edición revisada de 1992, que contiene el error de las unidades: la edición de 1976 tiene las unidades correctas.