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corrosión por sulfuro biogénico

La corrosión biogénica por sulfuro es un proceso mediado por bacterias que produce sulfuro de hidrógeno y su posterior conversión en ácido sulfúrico , el cual ataca el hormigón ...

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La corrosión biogénica por sulfuro es un proceso mediado por bacterias que produce sulfuro de hidrógeno y su posterior conversión en ácido sulfúrico , el cual ataca el hormigón y el acero en ambientes de aguas residuales . El sulfuro de hidrógeno se oxida bioquímicamente en presencia de humedad para formar ácido sulfúrico. El efecto del ácido sulfúrico sobre las superficies de hormigón y acero expuestas a ambientes de aguas residuales severas puede ser devastador. [ 1 ] Solo en Estados Unidos, la corrosión causa pérdidas en las infraestructuras de alcantarillado estimadas en 14 mil millones de dólares anuales. [ 2 ] Se espera que este costo aumente a medida que la infraestructura envejecida continúe deteriorándose. [ 3 ]

Ambiente

La corrosión puede producirse cuando las aguas residuales estancadas liberan sulfuro de hidrógeno en una atmósfera con oxígeno y alta humedad relativa. Debe existir un hábitat acuático anaeróbico subyacente que contenga sulfatos y un hábitat acuático aeróbico suprayacente, separados por una fase gaseosa que contenga oxígeno y sulfuro de hidrógeno en concentraciones superiores a 2 ppm. [ 4 ]

Conversión de sulfato a sulfuro de hidrógeno

Las aguas residuales domésticas frescas que ingresan a un sistema de recolección de aguas residuales contienen proteínas, incluidos compuestos orgánicos de azufre oxidables a sulfatos ( SO₄²⁻ ) , y pueden contener sulfatos inorgánicos. [ 5 ] El oxígeno disuelto se agota a medida que las bacterias comienzan a catabolizar la materia orgánica en las aguas residuales. En ausencia de oxígeno disuelto y nitratos , los sulfatos se reducen a sulfuro de hidrógeno (H₂S ) como una fuente alternativa de oxígeno para catabolizar los desechos orgánicos por bacterias reductoras de sulfato (BRS), identificadas principalmente en 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 de 0,1  mg/l; por encima de este valor, los sulfuros producidos en lodos y sedimentos se oxidan por acción del oxígeno; por debajo de este valor, los sulfuros se emiten en fase gaseosa.
  • Temperatura. Cuanto mayor sea la temperatura, más rápida será la cinética de producción de H₂S .
  • pH de las aguas residuales. Debe estar comprendido entre 5,5 y 9, con un valor óptimo entre 7,5 y 8.
  • concentración de sulfato
  • Concentración de nutrientes, asociada a la demanda bioquímica de oxígeno.
  • Concepto del sistema de alcantarillado : El H₂S se forma únicamente en condiciones anaeróbicas. Un flujo lento y tiempos de retención prolongados permiten que las bacterias aerobias consuman todo el oxígeno disuelto disponible, creando así condiciones anaeróbicas. Cuanto más llano sea el terreno, menor será la pendiente que se le puede dar a la red de alcantarillado, lo que favorece un flujo más lento y un mayor número de estaciones de bombeo (donde el tiempo de retención suele ser mayor).

Conversión de sulfuro de hidrógeno en ácido sulfúrico

Parte del sulfuro de hidrógeno se difunde en el espacio superior de las aguas residuales. La humedad que se evapora de las aguas residuales calientes puede condensarse en las paredes emergidas de las alcantarillas y probablemente formar pequeñas gotas que cuelgan de la parte superior horizontal de la alcantarilla. A medida que parte del sulfuro de hidrógeno y el oxígeno del aire sobre las aguas residuales se disuelven en estas gotas estacionarias, se convierten en un hábitat para bacterias oxidantes de azufre (SOB), del género Acidithiobacillus . Las colonias de estas bacterias aerobias metabolizan el sulfuro de hidrógeno en ácido sulfúrico ( H₂SO₄ ) . [ 4 ]

Corrosión

El ácido sulfúrico producido por microorganismos interactuará con la superficie del material estructural. En el 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. Sustituye una molécula más grande en la matriz, causando presión y desprendimiento de las partículas de hormigón y agregado adyacentes. [ 7 ] La corona debilitada puede colapsar bajo cargas de sobrecarga pesadas. [ 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 corrosión biogénica. En estas áreas específicas, la corrosión biogénica por sulfuro puede deteriorar el metal o varios milímetros por año de hormigón (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 la 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 en comparación con el cemento Portland ordinario; un gramo de cemento de aluminato de calcio puede neutralizar aproximadamente un 40 % más de ácido que un gramo de cemento Portland ordinario. Para una producción de ácido determinada por la biopelícula , un hormigón de cemento de aluminato de calcio durará más tiempo.
  • 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 la nomenclatura química del cemento). El AH3 es un compuesto estable hasta un pH de 4 y forma una barrera resistente a los ácidos siempre que el pH superficial no disminuya por debajo de 3-4 debido a 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 deja de ser estable y se disuelve, liberando iones de aluminio. Estos iones se acumulan en la fina biopelícula. Una vez que la concentración alcanza las 300-500  ppm, se produce un efecto bacteriostático sobre el metabolismo bacteriano. En otras palabras, las bacterias dejan de oxidar el azufre del H₂S para producir ácido, y el pH deja de disminuir.

Un mortero fabricado con 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 microbiano e inhibir la generación de ácido en su origen.

Prevención

Existen varias opciones para abordar los problemas de corrosión por sulfuro biogénico: reducir la formación de H₂S , ventilar el H₂S o utilizar materiales resistentes a la corrosión biogénica. Por ejemplo, las aguas residuales fluyen más rápidamente a través de alcantarillas con mayor pendiente, 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 minimiza el número de áreas anóxicas que favorecen el crecimiento de bacterias reductoras de sulfato . Una buena ventilación de las alcantarillas puede reducir las concentraciones atmosféricas de sulfuro de hidrógeno y secar las coronas expuestas, pero esto puede generar problemas de olores con los vecinos cercanos a los pozos de ventilación. Se pueden utilizar otros tres métodos eficaces que implican el funcionamiento continuo de equipos mecánicos: se puede añadir continuamente un reactivo químico como el nitrato de calcio al agua residual para inhibir la formación de H₂S , una ventilación activa mediante unidades de tratamiento de olores para eliminar el H₂S , o una inyección de aire comprimido en las tuberías principales presurizadas para evitar que se desarrollen condiciones anaeróbicas. En las zonas de alcantarillado donde se prevé corrosión por sulfuros biogénicos, se pueden sustituir las tuberías de hormigón o acero convencionales por materiales resistentes a los ácidos, como cementos de aluminato de calcio , PVC o tuberías de arcilla vitrificada .

Las estructuras existentes expuestas a una corrosión biogénica extensa, como las alcantarillas y los pozos húmedos de las estaciones de bombeo, pueden rehabilitarse. La rehabilitación se puede realizar con materiales como un revestimiento epoxi estructural; este epoxi está diseñado para ser resistente a los ácidos y reforzar la estructura de hormigón dañada.

Véase también

Notas

  1. ↑ O'Dea, Vaughn, "Understanding biogenic sulfide corrosive", MP (noviembre de 2007), págs. 36-39.
  2. ↑ Brongers et al. (2002)
  3. ↑ Sydney et al. (1996); US EPA (1991)
  4. 1 2 3 Sawyer y McCarty (1967) págs. 461–462
  5. ↑ Metcalf y Eddy (1972) pág. 259
  6. ↑ Agencia de Protección Ambiental de EE. UU. (1985)
  7. ↑ USDI (1975) págs. 9-10
  8. ↑ Hammer (1975) pág. 58
  9. ↑ 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)
  10. ↑ 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. Research Journal of Water Pollution Control Federation, 63, 789–798.
  11. ↑ 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.
  12. ↑ Ismail N., Nonaka T., Noda S., Mori T. (1993). Efecto de la carbonatación en la corrosión microbiana del hormigón. Journal of Construction Management and Engineering, 20, 133–138.
  13. ↑ Davis JL (1998). Caracterización y modelado de la corrosión inducida por microorganismos en tuberías de alcantarillado de hormigón. Tesis doctoral, Universidad de Houston, Houston, TX.
  14. ↑ 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. Cement and Concrete Research, 31, 1359–1365.
  15. ^ 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 del ácido sulfúrico biogénico. Biodeterioro y biodegradación internacional, 49, 283–292.
  16. ↑ 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 págs.

Referencias

  • Brongers, MPH, Virmani, PY, Payer, JH (2002). Sistemas de agua potable y alcantarillado: costos de corrosión y estrategias preventivas en los Estados Unidos. Departamento de Transporte de los Estados Unidos, Administración Federal de Carreteras.
  • Davis JL (1998). Caracterización y modelado de la corrosión inducida por microorganismos en tuberías de alcantarillado de hormigón. Tesis doctoral, Universidad de Houston, Houston, TX.
  • Hammer, Mark J. (1975). Tecnología del agua y las aguas residuales. John Wiley & Sons. ISBN 0-471-34726-4
  • 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 págs.
  • Ismail N., Nonaka T., Noda S., Mori T. (1993). Efecto de la carbonatación en la corrosión microbiana del hormigón. Journal of Construction Management and Engineering, 20, 133–138.
  • Metcalf y Eddy (1972). Ingeniería de aguas residuales. McGraw-Hill.
  • 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. Cement and Concrete Research, 31, 1359–1365.
  • 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.
  • 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. Research Journal of Water Pollution Control Federation, 63, 789–798.
  • Pomeroy, RD (1976). "El problema del sulfuro de hidrógeno en las alcantarillas" . Publicado por la Clay Pipes Development Association.
    • El informe de Pomeroy contiene errores en la ecuación: la pendiente de la tubería (S, pág.  8) se indica como m/100 m, pero debería ser m/m. Esto introduce una subestimación de 100 veces en el cálculo del "factor Z", utilizado para indicar el riesgo de corrosión inducida por sulfuros al emplear las unidades publicadas. El enlace web remite a la edición revisada de 1992, que contiene el error en las unidades; la edición de 1976 utiliza las unidades correctas.
  • Sawyer, Clair N. y McCarty, Perry L. (1967). Química para ingenieros sanitarios (2.ª edición). McGraw-Hill. ISBN 0-07-054970-2
  • Sydney, R., Esfandi, E., Surapaneni, S. (1996). Control de la corrosión de alcantarillas de hormigón mediante el proceso de pulverización corona. Water Environ. Res. 68 (3), 338–347.
  • Departamento del Interior de los Estados Unidos (USDI) (1975). Manual del Hormigón (8.ª edición). Oficina de Imprenta del Gobierno de los Estados Unidos.
  • 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).
  • 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).
  • 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 del ácido sulfúrico biogénico. Biodeterioro y biodegradación internacional, 49, 283–292.
  • Weismann, D. y Lohse, M. (Ed.) (2007). "Sulfid-Praxishandbuch der Abwassertechnik; ¡Geruch, Gefahr, Korrosion verhindern und Kosten beherrschen!" 1. Auflage, VULKAN-Verlag, ISBN 978-3-8027-2845-7