Quá trình ăn mòn có nguồn gốc sinh học trong HTTN

Một phần của tài liệu Nghiên cứu sự hình thành và phát tán Hydrosunfua từ sông Tô Lịch (Trang 32)

Trên thế giới,  đã  có  nhiều nghiên cứu về tổn thất do việc phá huỷ cấu trúc bê tông  liên  quan  đến sự hình thành axit sunfuric (H2SO4) do các hoạt  động của VSV gây ra khi có sự tích luỹ khí H2S trong HTTN thải.  Quá  trình  ăn  mòn  các  cấu kiện bê tông trong HTTN thải  dưới ảnh  hưởng của sunfua sinh ra do hoạt  động của các VSV được gọi   là   quá   trình   ăn   mòn   có   nguồn gốc sinh học (Microbial Induced

Corrosion - MIC).  Đối với  các  đô  thị hiện  đại, hầu hết các ống  thoát  nước thải có đường kính nhỏ thường  được sử dụng bằng các vật liệu nhựa tổng hợp,  ngược lại, các  đường ống  có  đường kính lớn hơn  thường  được làm bằng bê tông và MIC có thể xẩy  ra  đối với  các  đường ống làm bằng bê tông [114, 166].

29

Thông  thường các HTTN thải  được thiết kế với thời gian sử dụng từ 50  đến 100   năm,   nhưng   do   hiện   tượng MIC trong HTTN thải   đã   làm   giảm thời gian sử dụng của HTTN từ 10  đến  20  năm  [154].

Hiện  tượng MIC trong HTTN thải  đã  làm  gia  tăng  chi  phí  sửa chữa HTTN. Năm  1989,  Thành  phố Los  Angeles  đã  phải tiêu tốn khoảng 150 triệu  USD  để sửa chữa và thay thế 25 dặm   đường ống   thoát   nước,   ngoài   ra   cũng   còn   phải tiêu tốn thêm khoảng 1 tỷ USD  để thay thế và sửa chữa khoảng 500 dặm  đường ống khác. Thành phố Hoston   cũng   ước   tính   chi   phí   cho   chương   trình   sửa chữa HTTN là khoảng 477 triệu USD [154].

Từ nửa  đầu của thế kỷ 20, trên thế giới  đã  có  nhiều nghiên cứu về tác hại của việc hình thành H2S trong HTTN thải.  Năm  1945,  Parker  lần  đầu tiên đã  phân lập được 5 chủng VSV trong phần bê tông bị ăn  mòn  trong  HTTN thải.  Trước  đây,  các   chủng VSV này  được  đặt tên thuộc chi Thiobacillus concretivorous [117], gần  đây   nhóm VSV này   được   đặt lại tên là Thiobacillus thiooxidans thuộc nhóm VSV có

khả năng  ô  xy  hóa  sunfua (Sulfide Oxidizing Bacteria - SOB) [78].

Nghiên cứu về hoạt tính sinh học của các VSV thuộc chi Thiobacillus concretivorous, Parker  (1945b)  đã  giải  thích  được hiện  tượng MIC và làm rõ nguồn

gốc của a xit sunfuric gây ra hiện  tượng  ăn  mòn  vật liệu trong các HTTN thải là do các VSV thuộc chi Thiobacillus concretivorous đã  chuyển  hóa  lưu  huỳnh từ H2S có nguồn gốc phát thải từ nước thải [118]. Các nghiên cứu khác về hoạt tính sinh học của các VSV gây  ăn  mòn  bê  tông  trong  nước thải cho thấy sự chuyển  hóa  lưu  huỳnh từ H2S phát thải từ nước thải do VSV thuộc chi Thiobacillus concretivorous có thể

làm giảm  độ pH  (dao  động từ 3  đến 3,3) [119, 121].

Các nghiên cứu  trong  giai  đoạn sau về sự chuyển  hóa  lưu huỳnh từ H2S phát thải từ nước thải do VSV thuộc nhóm SOB có thể làm giảm  độ pH của lớp màng ẩm trên bề mặt bê tông của  đường ống cống tới giá trị pH khoảng từ 1  đến 2 [80, 142]. Thậm chí, hoạt  động của VSV thuộc chi Thiobacillus thiooxidans có thể tạo ra dung dịch axít sunfuric với nồng  độ khoảng 7 %  làm  độ pH của lớp màng ẩm trên bề mặt bê tông của  đường ống cống có thể bị giảm xuống tới pH = 0,5 [122].

30

Hiện  tượng MIC trong HTTN thải  được giải thích là do cả quá trình chuyển hóa hóa học và chuyển hóa sinh học của  chu  trình  lưu  huỳnh trong HTTN thải. Tuy nhiên vai trò của sự chuyển hóa sinh học là lớn  hơn  nhiều so với chuyển hóa hóa học.  Nói  cách  khác  MIC  là  quá  trình  ăn  mòn  bê  tông chủ yếu trong HTTN thải [73].

Cơ  chế ăn   mòn  MIC  trong  nước thải do Parker (1951) mô tả như   hình  1.8 [120].

Hình 1.8. Quá trình MIC trong HTTN thải

Nguồn: Parker, 1951 [120]. Các tác hại do sự ăn  mòn  đường cống  thoát  nước thải do H2S gây ra là kết quả của một số quá trình sau [11, 13, 25, 40, 114, 171]:

31

x Sự hình thành sinh học của H2S: Là sản phẩm từ quá trình khử sunfat của các VSV tự dưỡng. Quá trình này xẩy  ra  trong  điều kiện kỵ khí cao,  và  thông  thường không xảy  ra  đối với các dòng chảy mạnh, dòng rối và dòng chảy toàn phần;

x H2S xuất hiện  trong  nước thải  dưới hai dạng hoặc là muối sunfua kim loại  (không  bay  hơi)  hoặc là các dạng hoà tan H2S, HS- và S2-. Sự phát tán của các dạng này phụ thuộc vào các yếu tố như  pH,  nhiệt  độ, dòng chảy rối, nồng  độ H2S  trong  nước thải, vận tốc dòng chảy…;;

x Sự hoà tan của khí H2S  trên  màng  nước của  đường ống (phần trên của cống) sau khi phát tán;

x Quá trình ô xy hoá của H2S thành a xít sunfuric;

x Quá trình phá huỷ hoá học các cấu trúc kim loại  và  xi  măng  trong  bê   tông dẫn  đến sụp  đổ đường cống.

Tốc  độ ăn  mòn  sunfat chịu ảnh  hưởng của tính chất  nước thải  và  đặc  điểm hệ thống  đường ống thu gom. Có nhiều yếu tố tác  động trực tiếp hoặc gián tiếp  đến quá trình này [115, 155]:

x Tác  động  liên  quan  đến tính chất  nước thải;

x Hàm   lượng ôxy hoà tan (DO): DO thấp thích hợp cho sự phát triển của các VSV kỵ khí và sinh ra khí H2S;

x BOD5: Giá trị BOD5 cao tạo   điều kiện các VSV phát triển và làm giảm DO;

x Nhiệt  độ: Nhiệt  độ tăng  làm  gia  tăng  tốc  độ tăng  trưởng của VSV và làm giảm khả năng  hoà  tan  của DO;

x pH: Giá trị pH thấp  tăng  cường khả năng  hoà  tan  của H2S;

x Các hợp chất có chứa  lưu  huỳnh: Là nguyên liệu cho quá trình sunfua hoá;

32

o Độ dốc và vận tốc dòng chảy:   Liên   quan   đến mức   độ làm thoáng khí trở lại, lắng  đọng các chất rắn, phát tán H2S, lớp bùn đáy  (nơi  VSV phân huỷ kỵ khí sinh ra H2S);

o Dòng rối:  Tác  động giống  như  độ dốc và vận tốc dòng chảy;

o Sự quá tải: Khi dòng chảy bị quá tải (dòng chảy toàn phần) làm giảm khả năng  trao   đổi  ôxy,  tăng  cường quá trình hình thành H2S, và không xẩy ra hiện  tượng  ăn  mòn;

o Hệ thống   bơm   có   áp   hoặc   có   xi   phông:   Tác   động giống như   hiện  tượng quá tải,  và  tăng  cường phát tán khí H2S ở dòng xả rối cuối  đường ống;

o Vật liệu  làm  đường ống:  Liên  quan  đến tính chống  ăn  mòn  của vật liệu;

o Độ kiềm của  bê  tông:  Độ kiềm cao làm giảm tỷ lệ ăn  mòn;

o Sự tích luỹ của các các mảnh vụn, bùn cát: Làm giảm vận tốc dòng chảy,  có  tác  động giữ lại các CHC dạng rắn.

Quá trình MIC bắt   đầu khi các hợp chất chứa   lưu   huỳnh   trong   nước thải được chuyển thành sunfua. Ở các giá trị pH  thông  thường của NTSH bình  thường, có khoảng từ một phần  tư  đến một phần  ba  lượng sunfua tổng số tồn tại  dưới dạng H2S  và  chúng  được phát thải  vào  không  khí  trong  đường ống cống,  và  đọng lại trên bề mặt bê tông của hệ thống cống rãnh. Các VSV thuộc nhóm SOB có mặt trên bề mặt của bê tông sẽ chuyển hóa H2S thành axít sunfuric làm giảm giá trị pH của lớp màng ẩm trên bề mặt bê tông tới giá trị pH khoảng từ 1  đến 2. A xít sunfuric hình thành sẽ ăn  mòn  các  cấu trúc bê tông phía trên dòng chảy [80, 122].

MIC  là  quá  trình  ăn  mòn  diễn ra chậm, với tốc  độ ăn  mòn  bê  tông  nhỏ hơn  5   mm/năm  [98]. Mức độ MIC xác  định bằng  phương  pháp  thực nghiệm  đối với các loại bê tông khác nhau dựa trên mức   độ giảm trọng   lượng của khối bê tông mẫu được  đưa  vào  HTTN thải  và  xác  định tốc  độ ăn  mòn  dựa theo công thức 1.10 [58]:

CR= m/(SA *  ρ) (1.10)

33

Trong  đó  CR là tốc  độ bị ăn  mòn  của  bê  tông  (mm/năm),  SA là diện tích bề

mặt tiếp xúc (cm2),  ρ  là  tỷ trọng của bê tông (g/cm3), và m là khối lượng hao hụt của khối bê tông (g/ngày).

Tốc   độ ăn   mòn   bê   tông   do   MIC   gây   ra   đã   được một số nghiên cứu thực nghiệm công bố và  được tổng hợp trong bảng 1.5 [58].

Bảng 1.5. Tốc  độăn  mòn  bê  tông  do  MIC  gây  ra

Địa  điểm nghiên cứu Hàm  lượng sunfat (mg/l) Tốc  độăn  mòn  (mm/năm)

Tripoli và Jounich 30 ÷ 80 0,004

Sacramento 20 ÷ 130 0,342

Kassis và Coniche Alanara 900 ÷ 1005 0,1

Rotterdam (Hà Lan) 2700 0,8

Phòng thí nghiệm (1) 1858 0,08 ÷ 0,208

Phòng thí nghiệm (2) 2000 ÷ 4000 1,6 ÷ 4,3

Nguồn: Guadalupe và nnk, 2010 [58].

Một phần của tài liệu Nghiên cứu sự hình thành và phát tán Hydrosunfua từ sông Tô Lịch (Trang 32)

Tải bản đầy đủ (PDF)

(191 trang)