Korrosion in Kläranlagen

Transkript

1 33. Erfahrungsaustausch der Lehrerinnen und Lehrer am 06./ in Lüneburg des DWA Landesverbandes Nord Korrosion in Kläranlagen Prof. Dr.-Ing. Ute Austermann-Haun Hochschule Ostwestfalen-Lippe, FB Bauingenieurwesen, Labor für Siedlungswasserwirtschaft Emilienstr. 45, Detmold

2 Inhalte Orte besonderer Korrosionsgefahr Metallkorrosion (Ursachen, Sanierung) Betonkorrosion (Ursachen, Sanierung) 2

3 Orte besonderer Korrosionsgefahr auf KA Zulaufschacht, Zulaufpumpwerk (Schneckenpumpwerk) Rechengebäude und Rechenanlage Belebung (Wasserwechselzonen, tiefe Becken, Rotorbrücken, ) Fahrbahnoberflächen von Absetzbecken (Vorklärung und Nachklärung) abgedeckte Becken Schlammseite überall wo es anaerob ist: Eindickung, Faulung, Faulgasreinigung, Faulgasnutzung zusammenfassend: fast überall auf einer Kläranlage herrscht eine besondere Korrosionsgefahr 3

4 Korrosionsreaktionen Ursachen von Korrosion Säuren (mineralische und organische) Kalk lösende Kohlensäure biogene Schwefelsäure Sulfat Chlorid Ammonium Fette und Öle bzw. die sich daraus bildenden Säuren Lösemittel (hier nicht relevant) 4

5 Metallische Korrosionsreaktionen Lochfraß Kontaktkorrosion Interkristalline Korrosion (bei Wärmebehandlung nicht rostender Stähle, z.b. beim Schweißen) Spaltkorrosion (unter Dichtungen, an Überlappungen von Bauteilen, z.b. an nicht durchgeschweißten Schweißnähten Punktschweißung) 5

6 Edelstahlkorrosion Die Bezeichnung nicht rostend führt zu der irrigen Annahme, dass diese Stähle in allen Fällen und unter allen Bedingungen nicht rosten. Diese Annahme ist falsch! Lochfraß entsteht bei Anwesenheit großer Mengen an Chloriden, aber auch wenn sich Chloride anreichern durch z.b. Biofilmbildung Einfluss hat die Baustoffqualität, maßgebend ist die Wirksumme W [W = % Cr + 3,3 % Mo + (15 bis 30) % Ni] je höher die Wirksumme, umso höher die Korrosionsbeständigkeit (Quelle: DWA-M 168, 2010) Faktoren, die die Beständigkeit von Edelstählen mindern: Chlorid-Ionen, Schwefelwasserstoff, Schwefelsäure nach biologischer Oxidation, Toträume, Spalte, Biofilme, Stagnation u.a. 6

7 Beständigkeit von Edelstahl Quelle: Broschüre der Fa. Butting 7

8 Eigenschaften einiger wichtiger nichtrostender Stähle Quelle: DWA-M 168, Juni

9 Deckel eines Siebrechens aus Edelstahl 9

10 Kontaktkorrosion - Mischung unterschiedlicher Werkstoffe Mischinstallation birgt generell die Gefahr der Metallkorrosion, die sich so auswirkt, dass sich jeweils das unedlere von zwei Metallen bis zur völligen Zerstörung auflöst Voraussetzungen für Kontaktkorrosion: - unterschiedliche Korrosionspotentiale der Metalle - zwischen den Metallen besteht eine elektronenleitende Verbindung - beide Metalle verbindet ein leitfähiger Feuchtigkeitsfilm Abhilfe bzw. Vermeidung von Kontaktkorrosion: elektrische Isolation der Bauteile (Kunststoffscheiben oder hülsen) Verlagerung in einen Raum ohne Feuchtigkeit Beschichtung der Kathode oder beider Flächen 10

11 Beispiel für Kontaktkorrosion 11

12 Beispiel KA

13 Beispiel KA

14 Beispiel KA

15 Beispiel KA

16 Beispiel KA

17 Beispiel KA

18 Beispiel KA

19 Beispiel KA

20 Wie hätte hier Korrosion vermieden/vermindert werden können? weniger Feuchtigkeit durch Kapselung des Siebrechens Ansonsten gilt: je trockener, umso weniger Korrosion ausreichende Be- und Entlüftung, die gleichzeitig die Luftfeuchtigkeit vermindert Abluft durch technische Maßnahmen behandeln (z.b. Photoionisation mit Aktivkohle) 20

21 Abluftbehandlung durch Photoionisation Quelle: Ingenieurbüro Danjes, Detmold 21

22 Sanierungsmaßnahme: Austausch der verzinkten Gitterroste gegen Kunststoffroste verrostete Gitterroste 2005 nach der Sanierung

23 Korrosion an lierten Behältern 23

24 Ablaufschacht am Anaerobreaktor, nachträglich geschlossen, Ursache H 2 S bzw. biogene Schwefelsäure 24

25 Problem: korrodierende Schnecken Korrodierte Schnecke vor Sanierung gleiches Pumpwerk nach Austausch der Schnecken gegen Kreiselpumpen 25

26 Schutz der Schneckenpumpwerke vor Korrosion durch Anbringen von Opferanoden aus Zink-, Aluminium- oder Magnesium-Legierungen (kathodischer Korrosionsschutz) Zur Wirkungsweise am Beispiel von Eisen und Zink: Zink ist unedler als Eisen und stellt im galvanischen Element die Anode dar, und Eisen ist die Kathode. Eisen als edleres Metall ist daher so lange kathodisch geschützt, bis das Zink wegkorrodiert ist. 26

27 Betonkorrosion in Kläranlagen Ursache: biogene Schwefelsäurekorrosion bei anaerobem Milieu entsteht aus im Abwasser enthaltenem Sulfat Schwefelwasserstoff SO 2-4 H 2 S H 2 S wird von Bakterien umgewandelt zu elementarem Schwefel S und Schwefelsäure (H 2 SO 4 ) Schwefelsäure greift den Beton an 27

28 Betonkorrosion Stoffumsatz in Abwasserkanälen bei aerobem Milieu (links) und anaerobem Milieu (rechts) mit biogener Schwefelsäurekorrosion Quelle: DWA-M

29 Beispiel biogene Schwefelsäurekorrosion im Zulaufschacht 29

30 Betonkorrosion in Kläranlagen Ursache: kalk lösende Kohlensäure aus Kohlendioxid und Wasser entsteht Kohlensäure CO 2 + H 2 O H 2 CO 3 gebildete Kohlensäure reagiert mit dem im Baustoff enthaltenen Calciumcarbonat (CaCO 3 ) Umwandlung in Calciumhydrogencarbonat (Ca(HCO 3 ) 2 ), d.h. Calciumcarbonat löst sich auf CaCO 3 + H 2 O + CO 2 Ca(HCO 3 ) 2 H 2 CO 3 In harten Wässern wird CO 2 mit den im Wasser enthaltenen Ca 2+ - Ionen gebunden keine Korrosion In weichen Wässern wirken, wegen des geringen Gehalts an Calcium-Ionen, schon geringe CO 2 -Gehalte angreifend 30

31 Endprodukte des biologischen Abbaus: CO 2, H 2 O und Biomasse Besonders gefährdet sind: Belebungsbecken mit Reinsauerstoffbegasung durch hohen CO 2 -Gehalt tiefe Becken KA mit Abwasser geringer Säurekapazität (weiches Wasser) 31

32 Betonkorrosion in KA Ursache: Ammonium 6 NH NH H + 6 H CaO 2SiO 2 3 H 2 O 3 Ca H 2 O + 2 SiO 2 Quelle: Schmidt-Döhl (2005) Gleicher Effekt bei Nitrifikation Säurebildung durch Nitrifikation NH O 2 NO 3- + H 2 O + 2 H + 32

33 Betonwand zwischen zwei Nitrifikationsbecken (links) und zwei Denitrifikationsbecken (rechts) in der gleichen Belebungsanlage 33

34 Beispiel: korrodierte Betonkrone im Belebungsbecken 34

35 Beispiel: korrodierte Betonkrone 35

36 Betonkorrosion in Kläranlagen Ursache: Sulfat die im Zementstein enthaltenen Aluminate und Aluminiathydrate bilden das kristallwasserhaltige Trisulfat (Ettringit), z.b.: 3 CaO Al 2 O (CaSO 4 2 H 2 O) + 26 H 2 O 3 CaO Al 2 O 3 3 CaSO 4 32 H 2 O Durch nachträgliche Kristallisation und Wachstum der Reaktionsprodukte entsteht ein Druck, der zu Treiberscheinungen führt (treibende Korrosion). Hierfür ist in erster Linie die Bildung von Ettringit und von Gips anzuführen. (DWA-M 168) keine Gefahr in kommunalen KA, aber bei Deponiesickerwasser! 36

37 Besondere Gefahren für Beton in Kläranlagen Chemischer Angriff (biogene Schwefelsäurekorrosion, Ammonium, niedriger ph-wert z.b. infolge Bildung organischer Säuren, CO 2, ) Frost Tausalz (Chlroid greift Bewehrung an, Problem auf Räumerfahrbahnen) mechanische Beanspruchung (Räumerfahrbahnen) Erfordernis einer hohen Betonqualität und großer Betonüberdeckung 37

38 Abwasser mit niedrigem ph-wert tropft auf einen Betonboden (Stärkefabrik in Vietnam) 38

39 Beispiel: korrodierte Betonkrone bei zusätzlicher mechanischer Beanspruchung durch Räumer 39

40 Gefahr der Korrosion von Beton und Bewehrung wird durch Expositionsklassen charakterisiert: Quelle: DWA-M 211,

41 Empfehlungen von Gutsch für die Betonqualität auf KA: Verwendung von HS-Zementen (gegen Sulfat) Expositionsklasse XA3 (chem. stark angreifende Umgebung) Dichter Beton Mindestbetonfestigkeitsklasse C35/45, w/z-wert < 0,45, Mindestzementgehalt 320 kg/m³ ggf. Kunststoff-Auskleidung Quelle: Gutsch, A.-W.: Betonkorrosion durch biogenen Schwefelsäureangriff. In: Bauen im Bestand Beton in der Abwassertechnik, Seminar der MPA Braunschweig 6. September 2005, Heft 188 Materialprüfanstalt für das Bauwesen 41

42 Abhilfemaßnahmen 42

43 Fahrbahnsanierung 43

44 Nach Betonsanierung Quelle: Ingenieurbüro Danjes, Detmold 44

45 Schneckenpumpwerk vor und nach der Betonsanierung 45

46 Möglichkeiten den Beton zu schützen PE-Auskleidung mit PE-Steg- oder Noppenplatten im Vorfeld, d.h. beim Bau Beschichtungen bestehen i.d.r. aus Reaktionsharzen Gefahr durch Ein- und Durchdiffusion von kleinen Molekülen (Wasser, Sauerstoff) Blasenbildung Aufplatzen der Beschichtung erneute Betonkorrosion Gefahr durch osmotische Vorgänge, wenn z.b. die Oberflächen mangelhaft vorbehandelt sind Werden Schäden an der Beschichtung festgestellt, so sind diese Stellen möglichst bald zu reparieren. Nach den bisherigen Erfahrungen sind Beschichtungen auf Betonoberflächen im Abwasserbereich nicht zu empfehlen. DWA-M 168, Entwurf, Stand Februar

47 Schäden 3 Jahre nach der Betonsanierung (Beschichtung löst sich ab) Blasenbildung aufgeplatzte Blase 47

48 Aufwändige Abwasserumleitung während der Betonsanierung 48

49 Zusammenfassung alles kann korrodieren auch Edelstahl und Beton geschlossene Räume möglichst trocken halten Wahl eines beständigen Werkstoffs (höherwertige Edelstähle, hochwertige Verarbeitung, hohe Betonqualität, vorbeugender Betonschutz besser als zusätzlicher Korrosionsschutz nachträgliche Beschichtungen helfen wenig eine zeitnahe Reparatur geringfügiger Schäden ist wichtig 49

50 Danke, dass Sie mir zugehört haben. 50

51 Verwendete Literatur DWA-M 211: Schutz und Instandsetzung von Betonbauwerken in kommunalen Kläranlagen (April 2008) DWA-M 168: Korrosion von Abwasseranlagen Abwasserableitung (Juni 2010) DIN EN 206-1: Beton Teil 1: Festlegung, Eigenschaften, Herstellung und Konformität DIN bis -4: Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton DIN EN : Beschichtungen und Auskleidungen aus organischen Werkstoffen zum Schutz von industriellen Anlagen gegen Korrosion durch aggressive Medien Teil 3: Beschichtungen für Bauteile aus Beton Gutsch, A.-W. (2005): Betonkorrosion durch biogenen Schwefelsäureangriff. In: Bauen im Bestand Beton in der Abwassertechnik, Seminar der MPA Braunschweig, 6. September 2005, Heft 188 Schmidt-Döhl, F. (2005): Betonkorrosion in Kläranlagen und deren Vermeidung. In: Bauen im Bestand Beton in der Abwassertechnik, Seminar der MPA Braunschweig, 6. September 2005, Heft