生物起源硫化物腐食

生物起源の硫化物腐食は、細菌が媒介する硫化水素ガスの生成と、その後の硫酸への変換で、廃水環境内のコンクリートや鋼材を侵食します。硫化水素ガスは水分の存在下で生化学的に酸化され、硫酸を形成します。過酷な廃水環境にさらされたコンクリートや鋼材の表面に対する硫酸の影響は壊滅的です。^[1]米国だけでも、腐食による下水道資産の損失は年間 140 億ドルと推定されています。^{[2]老朽化した}インフラの故障が続くと、このコストは増加すると予想されます。^[3]

腐朽した下水が、酸素ガスと高相対湿度を含む大気中に硫化水素ガスを発生させる場所では、腐食が発生する可能性があります。下層には硫酸塩を含む嫌気性水生生息地があり、上層には酸素と硫化水素の両方を2ppmを超える濃度で含むガス相によって隔てられた好気性水生生息地があるはずです。^[4]

下水収集システムに入る新鮮な家庭下水には、硫酸塩に酸化される有機硫黄化合物（SO2−4）であり、無機硫酸塩を含んでいる可能性があります。^[5]細菌が下水中の有機物を分解し始めると、溶存酸素が枯渇します。溶存酸素と硝酸塩がない場合、硫酸塩は硫化水素（H ₂ S）に還元され、硫酸還元細菌（SRB）によって有機廃棄物を分解するための代替酸素源となります。SRBは、主に偏性嫌気性種であるデスルフォビブリオから特定されます。^[4]

硫化水素の生成は、次のような さまざまな物理化学的、地形的、水力学的パラメータに依存します^{[6] 。}

• 下水の酸素濃度。閾値は 0.1 mg/l です。この値を超えると、汚泥や堆積物中に生成された硫化物は酸素によって酸化され、この値を下回ると、硫化物は気相で放出されます。
• 温度。温度が高いほど、H ₂ S 生成の速度は速くなります。
• 下水の pH 値は 5.5 ～ 9 の範囲でなければならず、最適値は 7.5 ～ 8 です。
• 硫酸塩濃度
• 栄養素濃度は生化学的酸素要求量と関連している
• 下水の概念H ₂ S は嫌気性条件でのみ生成されます。流れが遅く、滞留時間が長いと、好気性細菌が水中の利用可能な溶存酸素をすべて消費する時間が長くなり、嫌気性条件が作成されます。土地が平坦であればあるほど、下水道ネットワークに与えることができる傾斜が少なくなり、流れが遅くなり、ポンプ場の数が増えます (滞留時間が一般的に長くなります)。

一部の硫化水素ガスは、廃水の上部の空間環境に拡散する。温かい下水から蒸発した水分は、下水管の非浸水壁で凝縮し、下水管の水平頂部から部分的に形成された液滴となって垂れ下がる可能性がある。下水上部の空気中の硫化水素ガスと酸素ガスの一部がこれらの静止液滴に溶解すると、アシディチオバチルス属の硫黄酸化細菌（SOB）の生息地となる。これらの好気性細菌のコロニーは、硫化水素ガスを硫酸（H ₂ SO ₄）に代謝する。^[4]

微生物によって生成される硫酸は、構造材料の表面と相互作用します。普通ポルトランドセメントの場合、硫酸はコンクリート内の水酸化カルシウムと反応して硫酸カルシウムを形成します。この変化は同時に水酸化カルシウムのポリマー特性を破壊し、より大きな分子をマトリックスに置き換えて、隣接するコンクリートおよび骨材粒子に圧力と剥離を引き起こします。 ^[7]弱くなったクラウンは、重い上載荷重で崩壊する可能性があります。^[8]適切に設計された下水道ネットワーク内でも、業界の経験則では、全長の5％が生物起源の腐食の影響を受ける可能性があるとされています。これらの特定の領域では、生物起源の硫化物腐食により、金属が劣化したり、コンクリートが年間数ミリメートル劣化したりする可能性があります（表を参照）。

カルシウムアルミネートセメントの場合、化学組成が異なるため、プロセスは全く異なります。少なくとも3つの異なるメカニズムが、生物由来の腐食に対する優れた耐性に寄与しています。^[16]

• 最初の障壁は、普通のポルトランドセメントに比べてカルシウムアルミネートセメントの方が酸を中和する能力が高いことです。カルシウムアルミネートセメント 1 グラムは、普通のポルトランドセメント 1 グラムよりも約 40% 多くの酸を中和できます。バイオフィルムによる酸の生成量が一定であれば、カルシウムアルミネートセメントコンクリートの方が長持ちします。
• 2 番目のバリアは、表面 pH が 10 未満になると、アルミナゲル (セメント化学表記では AH3) の層が沈殿することによって生じます。AH3 は pH 4 まで安定した化合物であり、細菌の活動によって表面 pH が 3～4 未満に低下しない限り、耐酸性バリアを形成します。
• 3 つ目のバリアは、表面の pH 値が 3～4 未満になると局所的に活性化する細菌抑制効果です。このレベルでは、アルミナゲルは安定しなくなり、溶解してアルミニウムイオンを放出します。これらのイオンは薄いバイオフィルムに蓄積されます。濃度が 300～500 ppm に達すると、細菌の代謝に細菌抑制効果が生じます。つまり、細菌は H ₂ S から硫黄を酸化して酸を生成するのをやめ、pH の低下も止まります。

カルシウムアルミネートセメントとカルシウムアルミネート骨材を組み合わせたモルタル、つまり 100% カルシウムアルミネート材料は、骨材が微生物の増殖を制限し、酸の発生源自体を抑制するため、はるかに長持ちします。

生物起源の硫化物腐食の問題に対処するには、H2S の形成を阻害する、H2S を排出する、生物起源の腐食に耐性のある材料を使用するなど、いくつかの選択肢があります_{。たとえば}、下水は勾配の急な下水道をより速く流れるため、硫化水素の生成に利用できる時間が短縮されます。同様に、パイプの底からヘドロや堆積物を除去すると、硫酸塩還元細菌の増殖の原因となる無酸素領域の量が減ります。下水道の換気を良くすると、大気中の硫化水素ガスの濃度が下がり、露出した下水道の冠部が乾燥する可能性がありますが、これにより、通気シャフト周辺の近隣住民との間で臭気問題が発生する可能性があります。機械設備の連続操作を含む他の 3 つの効率的な方法を使用できます。硝酸カルシウムなどの化学反応物を下水に連続的に添加して H2S の形成を阻害する_{か、臭気処理装置による能動換気でH2S}を除去するか、加圧本管に圧縮空気を注入して嫌気性状態の発生を回避することができます。生物起源の硫化物腐食が予想される下水道区域では、通常のコンクリートまたは鋼鉄下水道管の代わりに、アルミン酸カルシウムセメント、PVC、またはガラス化粘土管などの耐酸性材料を使用することができます。

下水道マンホールやポンプ場のウェット ウェルなど、生物による腐食に大きくさらされている既存の構造物は、修復することができます。修復は、構造用エポキシ コーティングなどの材料を使用して行うことができます。このエポキシは、耐酸性があり、損傷したコンクリート構造を強化するように設計されています。

• 腐食
• 微生物による腐食
• 硫化物

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  • *ポメロイのレポートには方程式の誤りがあります。パイプラインの勾配 (S、8 ページ) は m/100m と記載されていますが、正しくは m/m です。これにより、公表されている単位を使用すると、硫化物による腐食のリスクがあるかどうかを示すために使用される「Z 係数」の計算で 10 分の 1 の過小評価が発生します。Web リンクは 1992 年の改訂版へのリンクですが、単位の誤りがあります。1976 年版には正しい単位があります。
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