CC BY
60
УДК 696/697(082)
МИКРОБИОЛОГИЧЕСКАЯ КОРРОЗИЯ БЕТОНА В СИСТЕМАХ ВОДООТВЕДЕНИЯ. СТАДИИ РАЗВИТИЯ
© К.И. Чижик1, К.В. Семенов2, Н.В. Белоокая3
1 2
, Московский государственный строительный университет, 129337, г. Москва, Ярославское шоссе, 26. 3Иркутский государственный технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
Описаны катастрофические последствия коррозионного разрушения сооружений водоснабжения, водоотведения и водоочистки. Необходимы масштабные решения проблемы обеспечения их долговечности на этапах проектирования, строительства и эксплуатации. Показано, что для безопасной эксплуатации указанных сооружений требуется учет мирового опыта и постановка собственных исследований с привлечением специалистов различных областей: химиков, технологов, микробиологов, конструкторов. Ил. 3. Библиогр. 14 назв.
Ключевые слова: коллектор; биологическая пленка; сероводород; поверхность бетона; микробиологическая коррозия.
MICROBIOLOGICAL CORROSION OF CONCRETE IN SEWERAGE SYSTEMS. DEVELOPMENT STAGES K.I.Chizhik, K.V.Semenov, N.V.Belookaya
Moscow State University of Civil Engineering, 26 Yaroslavskoe Shosse, Moscow, 129337, Russia Irkutsk State Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia
Having described the disastrous effects of corrosion destruction on water supply, sewerage and water purification structures, the article proves the need for large-scale solutions of the problem of ensuring structure durability at the stages of design, construction and operation. Safe operation of the specified facilities requires the consideration of the world experience as well as pursuing of own researches with the involvement of experts in various areas: chemists, technologists, microbiologists, designers. 3 figures. 14 sources.
Key words: sewer; biological film; hydrogen sulfide; concrete surface; microbiological corrosion.
Первая стадия развития микробиологической коррозии
Абиотическая нейтрализация поверхности бетона. Значение рН на поверхности бетона нового коллектора, как правило, составляет 11-13 [4, 5]. Под водой на стенках коллектора образуется биопленка, толщина которой различна. В [6-8] отмечается, что при нормальных условиях толщина биопленки составляет около 1 мм. При высокой скорости течения толщина этой пленки уменьшается до 0,3 мм, а при малой скорости - примерно до 3 мм. В биопленке активны колонии анаэробных сульфатредуцирующих бактерий (рис. 1). В результате сульфатного дыхания и за счет окисления органических субстратов они образуют сероводород и углекислый газ в соответствии с урав-
нением (1) [6, 9, 10]:
СРБ
Органическое вещество + —> Я25 + С02. (1)
Образующийся сероводород переходит в сточную воду, где находится в молекулярной форме, а также в виде диссоциированных ионов Н+ и НS- [3, 4]. При нормальном значении рН для бытовых сточных вод (6,5-8) 25-35% растворенных сульфидов существует в виде молекулярного Н2S [4].
Через поверхность раздела фаз "жидкость - газ" Н^ и СО2 выделяются в подсводное пространство коллектора и растворяются в конденсационной пленке, которая образуется на стенках и шелыге коллектора. Вернувшись в жидкую фазу, Н^ повторно диссоциирует на ионы НS- и Н+, и поверхность бетона
1Чижик Константин Иванович, кандидат технических наук, профессор кафедры водоотведения и водной экологии, тел.: 89037273482, e-mail: [email protected]
Chizhik Konstantin, Candidate of technical sciences, Professor of the Department of Sewerage and Water Ecology, tel.: 89037273482, e-mail: [email protected]
2Семенов Кирилл Валерьевич, инженер 2-ой кат. управления канализации АО "Мосводоканал", тел.: 89037273482, e-mail: [email protected]
Semenov Kirill, 2nd Category Engineer of the "Mosvodokanal" JSC Sewerage department, tel.: 89037273482, e-mail: [email protected]
3Белоокая Нина Витальевна, кандидат технических наук, доцент кафедры городского строительства и хозяйства, тел.: 89148723364, e-mail: [email protected]
Belookaya Nina, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of City Construction and Economy, tel. : 89148723364, e-mail: [email protected]
насыщается продуктами окисления сероводорода кислородом воздуха - серой, тиосульфатом, политио-натами [4, 5]. СО2, в свою очередь, растворяется с созданием угольной кислоты в ее различных формах (Н2СО3, Н+ + НСО3-, 2Н+ + СОз2-). Слабые кислоты, образующиеся в конденсационном слое, вступают в реакцию со щелочами в бетоне, например, гидрокси-дом кальции, снижая с течением времени рН поверхности бетона до значения ~9 [4].
Длительность первой стадии зависит от различных факторов. Исследования, проведенные в Австралии, показали, что первая стадия коррозии может протекать в течение 3-6 месяцев [11].
Вторая стадия развития микробиологической коррозии
Заселение нейтрофильными бактериями. При
достаточном количестве кислорода, питательных веществ и влажности нейтрофильные сероокисляющие микроорганизмы начинают заселять поверхность бетона (рис. 2), когда значение рН снижается до ~9 [4, 5, 11]. К таким микроорганизмам следует отнести бактерии рода ШоЬаоШиз, Потопав, НаНоМоЬаоШиз, Starkeya, Птрга и Рагаооооив [14]. В течение второй стадии коррозионного процесса эти бактерии образуют Н^О4 путем окисления НД диффундирующего в конденсационную пленку [3, 5, 11].
Образованная серная кислота реагирует с силикатными и карбонатными соединениями в цементной составляющей бетона, формируя механически непрочный гипс путем следующих реакций [4]:
Н2Б04 + СаО • БЮ2 • 2Н20 ^ СаБ04 + Б1(ОН)2 + Н20] (2)
H2S04 + Са(ОН)2 ^ CaS04 + Н20.
(4)
H2S04 + СаС03 ^ CaS04 + Н2С03
(3)
Образование гипса приводит к увеличению объема твердой фазы примерно на 124%, что ослабляет цементную структуру [9]. На протяжении второй стадии рН поверхности бетона непрерывно снижается. Начиная со значения рН 7 бетон постепенно заселяется грибами-микромицетами, которые своими тончайшими нитевидными клетками (гифами) проникают в трещины поверхностного слоя, разрушая их. Попадание в бетон мицелия грибов способствует прикреплению других микроорганизмов и проникновению в тело бетона продуктов их жизнедеятельности. На этой стадии бетон еще сохраняет механическую прочность [5]. Согласно исследованиям, длительность второй стадии коррозии может составлять 13-24 месяца [11].
Третья стадия развития микробиологической коррозии
Заселение ацидофильными бактериями. Основная потеря бетонной массы. Когда значение рН на поверхности бетона падает до ~4, наступает третья стадия процесса биодеструкции сооружения [10]. Начинается заселение ацидофильными серо-окисляюшими микроорганизмами [4, 5, 11]. Ацидофильные тионовые бациллы, в первую очередь Ло1б1-Ш'1оЬаоШив Ш'оохШапв, являются наиболее значимыми продуцентами серной кислоты. Они также окисляют тиосульфаты, политионовые кислоты и элементарную серу, которая откладывается на сводовой части коллектора в результате окисления сероводорода кислородом подсводного пространства [8, 14]. Жизнедеятельность ацидофильных бактерий приводит к дальнейшему снижению рН до значений ~1-2.
Рис. 1. Первая стадия развития микробиологической коррозии: 1 - сечение коллектора; 2 - сточная жидкость; 3 - подсводное пространство (газовая сфера коллектора); 4 - биопленка; 5 - выделяющийся газ; 6 - конденсационная пленка; Т - продолжительность
Рис. 2. Вторая стадия развития микробиологической коррозии: 1 - сечение коллектора; 2 - сточная жидкость; 3 - биопленка; 4 - подсводное пространство (газовая сфера коллектора); 5 - выделяющийся газ; 6 - конденсационная пленка; 7 - колонии нейтрофильных бактерий; 8 - серная кислота; 9 - слой продукта коррозии; Т - продолжительность
Согласно современным представлениям о микроорганизмах-биодеструкторах, некоторые нейтрофиль-ные тиобациллы способны сохранять жизнеспособность и размножаться при рН 2 [10]. Предполагается,
Коллектор в начале третьей стадии разрушения
__пН 4
что ацидофилы и нейтрофилы на данной стадии присутствуют в бетоне одновременно и сконцентрированы послойно.
Заселение ацидофильными бактериями
Аэробные условия
Анаэробные условия
Образование эттрингита РН 4 —- 2 _
-11
Интенсивное разрушение
pH 2
Рис. 3. Третья стадия развития микробиологической коррозии: 1 - сечение коллектора; 2 - сточная жидкость; 3 - биопленка; 4 - подсводное пространство (газовая сфера коллектора); 5 - выделяющийся газ; 6 - конденсационная пленка; 7 - колонии нейтро- и ацидофильных бактерий; 8 - серная кислота; 9 - слой продукта коррозии; 10 - колонии бактерий; 11 - эттрингит; Т - продолжительность
Третья стадия микробиологической коррозии (рис. 3) характеризуется резким возрастанием скорости разрушения материала. Под действием серной кислоты гидрат окиси кальция превращается в гипс согласно реакциям (2), (3). Однако более разрушительной является последующая реакция (4) между гипсом и трикальцием-алюминатом внутри цементной матрицы на границе разрушающегося и еще не затронутого коррозией бетона с образованием минерала эттринги-та [4, 5]:
СаБ04 + ЗСаО • А1203 • 6Н20 + 25Н20 ^ ЗСаО • А1203 • СаБ04 • 31Н20. (5)
Формирование эттрингита приводит к значительно большему увеличению объема разрушенного бетона (от 227 [9] до 700% [12]). Образование эттрингита, имеющего в своей структуре большое количество молекул кристаллизационной воды, приводит к внутреннему растрескиванию и образованию пор в бетоне. Это, в свою очередь, увеличивает поверхность реакции и способствует более легкому проникновению влаги, кислоты и микроорганизмов в тело бетона. Таким образом, глубина размягчения бетона увеличивается нарастающими темпами [5]. На протяжении всего процесса коррозии на поверхности бетона образуется
мягкий белый слой продуктов коррозии (в первую очередь, гипса), который постепенно утолщается. Эттрин-гит наиболее часто наблюдается в трещинах, пронизывающих бетон до неповрежденного слоя [13, 14].
Разрушение защитного слоя бетона приводит к оголению арматуры. Ее поверхность заселяется агрессивными тионовыми бациллами АоШоЬаоШив ferroxidans. Они получают энергию для своей жизнедеятельности, окисляя двухвалентное железо до трехвалентного и соединения серы с образованием серной кислоты [9, 10].
В заключение следует отметить, что катастрофические последствия коррозионного разрушения сооружений водоснабжения, водоотведения и водоочистки требуют масштабных решений проблемы обеспечения их долговечности на этапах проектирования, строительства и эксплуатации. Безопасная эксплуатация указанных сооружений, в свою очередь, требует учета мирового опыта и постановки собственных исследований с привлечением специалистов различных областей: химиков, технологов, микробиологов, конструкторов.
Статья поступила 30.10.2014 г.
Библиографический список
1. Розенталь Н.К. Коррозия и защита бетонных и железобетонных конструкций сооружений очистки сточных вод // Бетон и железобетон. Оборудование, материалы, технология. 2011. № 1. С. 96-103.
2. Васильев В.М., Панкова Г.А., Столбихин Ю.В. Разрушение канализационных тоннелей и сооружений на них вследствие микробиологической коррозии // Водоснабжение и санитарная техника. 2013. № 9. С. 67-76.
3. Zhang L., De Shryver P., De Gusseme B., et al. Chemical and biological technologies for hydrogen sulfide emission control in sewer systems: A review // Water Research. 2008. № 42. P.1-12.
4. Wells P.A. Melchers R.E. Factors involved in the long term corrosion of concrete sewers: Conference Proceedings: Corrosion and Prevention 2009: The Management of Infrastructure Deterioration. Coffs Harbour, Australia, 15-18 November, 2009.
5. Васильев В.М., Дмитриев Е.Ю. Современное представление о микробиологической биодеструкции бетона и металлов при эксплуатации канализационных коллекторов // Инженерно-экологические системы: мат. междунар. науч.-практ. конф. 10-12 октября 2012 г. СПб.: СПбГАСУ, 2012. С. 24-26.
6. КаЫу W. Vizsgalotokcsаtornаhаlozаtokszаgаrtаlmаnаk. «Kornyezetvedelem Аnаlitikаjа (12) TudomаnyosUlesszаk» -on, elhаgzottelosdаs а^^ // Szomdаttely. 1985. № 9. Р. 2325.
7. Васильев В.М. К вопросу о надежности канализационных коллекторов глубокого заложения // Подземное пространство мира. 1993. № 5, 6. С. 32-33.
8. Parande A. K., Ramsamy P. L., et al. Deterioration of reinforced concrete in sewer environments. Proceedings of the Institution of Civil Engineers // Municipal Engineer. 2005. № 159 (1). P. 11-20.
9. Дмитриева Е.Ю. Микроорганизмы-биодеструкторы подземных канализационных сооружений // Вода и экология. Проблемы и решения. 2013. № 1. С. 20-44.
10. Wells T., Melchers R., et al. A collaborative investigation of microbial corrosion of Concrete Sewer Pipe in Australia OzWater 2012 Conference. - Sydney, May 2012.
11. Monteny J., Vincke E., et al. Chemical, microbiological, and in situ test methods for biogenic sulfuric acid corrosion of concrete // Cement and Concrete Research. 2000. № 30 (4). P. 623-634.
12. Mori T., Koga M., et al. Microbial corrosion of concrete sewer pipes, H2S production from sediments and determination of corrosion rate // Water Science and Technology. 1991. № 23. P. 1275-1282.
13. Mori T., Nonaka T., et al. Interactions of nutrients, moisture and pH on microbial corrosion of concrete sewer pipes // Water Research. 1992. № 26 (1). P. 29-37.
14. Maxwell et al 2004.
