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); (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
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].