Korrosion in Kläranlagen

33. Erfahrungsaustausch der Lehrerinnen und Lehrer am
06./07.10.2010 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, 32756 Detmold
e-mail: [email protected]
Inhalte
• Orte besonderer Korrosionsgefahr
• Metallkorrosion (Ursachen, Sanierung)
• Betonkorrosion (Ursachen, Sanierung)
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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
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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)
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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)
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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.
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Beständigkeit von Edelstahl
Quelle: Broschüre der Fa. Butting
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Eigenschaften einiger wichtiger nichtrostender Stähle
Quelle: DWA-M 168, Juni 2010
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Deckel eines Siebrechens aus Edelstahl
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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
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Beispiel für Kontaktkorrosion
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Beispiel KA 2001
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Beispiel KA 2001
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Beispiel KA 2001
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Beispiel KA 2005
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Beispiel KA 2005
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Beispiel KA 2008
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Beispiel KA 2005
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Beispiel KA 2008
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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)
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Abluftbehandlung durch Photoionisation
Quelle: Ingenieurbüro
Danjes, Detmold
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Sanierungsmaßnahme: Austausch der verzinkten
Gitterroste gegen Kunststoffroste
verrostete Gitterroste 2005
nach der Sanierung 2006
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Korrosion an emaillierten Behältern
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Ablaufschacht am Anaerobreaktor, nachträglich
geschlossen, Ursache H2S bzw. biogene
Schwefelsäure
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Problem: korrodierende Schnecken
Korrodierte Schnecke vor Sanierung
gleiches Pumpwerk nach
Austausch der Schnecken
gegen Kreiselpumpen
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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.
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Betonkorrosion in Kläranlagen
Ursache: biogene Schwefelsäurekorrosion
bei anaerobem Milieu entsteht aus im Abwasser enthaltenem Sulfat
Schwefelwasserstoff
SO42H 2S
• H2S wird von Bakterien umgewandelt zu elementarem Schwefel S
und Schwefelsäure (H2SO4)
• Schwefelsäure greift den Beton an
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Betonkorrosion
Stoffumsatz in
Abwasserkanälen
bei aerobem Milieu (links)
und anaerobem Milieu
(rechts) mit biogener
Schwefelsäurekorrosion
Quelle: DWA-M 168
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Beispiel biogene Schwefelsäurekorrosion im
Zulaufschacht
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Betonkorrosion in Kläranlagen
Ursache: kalk lösende Kohlensäure
• aus Kohlendioxid und Wasser entsteht Kohlensäure
CO2 + H2O
H2CO3
• gebildete Kohlensäure reagiert mit dem im Baustoff enthaltenen
Calciumcarbonat (CaCO3 )  Umwandlung in Calciumhydrogencarbonat (Ca(HCO3)2), d.h. Calciumcarbonat löst sich auf
CaCO3 + H2O + CO2
Ca(HCO3)2
H2CO3
• In harten Wässern wird CO2 mit den im Wasser enthaltenen Ca2+Ionen gebunden  keine Korrosion
• In weichen Wässern wirken, wegen des geringen Gehalts an
Calcium-Ionen, schon geringe CO2-Gehalte angreifend
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Endprodukte des biologischen Abbaus: CO2, H2O und
Biomasse
Besonders gefährdet sind:
• Belebungsbecken mit
Reinsauerstoffbegasung
durch hohen CO2-Gehalt
• tiefe Becken
• KA mit Abwasser geringer
Säurekapazität (weiches
Wasser)
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Betonkorrosion in KA
Ursache: Ammonium
•
6 NH4+
•
6 H+ + 3 CaO 2SiO2 3 H2O
6 NH3 + 6 H+
3 Ca2+ + 6 H2O + 2 SiO2
Quelle: Schmidt-Döhl (2005)
Gleicher Effekt bei Nitrifikation
•
Säurebildung durch Nitrifikation
NH4+ + 2 O2
NO3- + H2O + 2 H+
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Betonwand zwischen zwei Nitrifikationsbecken (links) und zwei
Denitrifikationsbecken (rechts) in der gleichen Belebungsanlage
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Beispiel: korrodierte Betonkrone im
Belebungsbecken
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Beispiel: korrodierte Betonkrone
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Betonkorrosion in Kläranlagen
Ursache: Sulfat
die im Zementstein enthaltenen Aluminate und Aluminiathydrate bilden
das kristallwasserhaltige Trisulfat (Ettringit), z.B.:
3 CaO  Al2O3 + 3 (CaSO4  2 H2O) + 26 H2O
3 CaO  Al2O3  3 CaSO4  32 H2O
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!
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Besondere Gefahren für Beton in Kläranlagen
• Chemischer Angriff (biogene Schwefelsäurekorrosion,
Ammonium, niedriger pH-Wert z.B. infolge Bildung
organischer Säuren, CO2, …)
• Frost
• Tausalz (Chlroid – greift Bewehrung an, Problem auf
Räumerfahrbahnen)
• mechanische Beanspruchung (Räumerfahrbahnen)
Erfordernis einer hohen Betonqualität und großer
Betonüberdeckung
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Abwasser mit niedrigem pH-Wert tropft auf
einen Betonboden (Stärkefabrik in Vietnam)
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Beispiel: korrodierte Betonkrone bei zusätzlicher
mechanischer Beanspruchung durch Räumer
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Gefahr der Korrosion von Beton und
Bewehrung wird durch
Expositionsklassen charakterisiert:
Quelle: DWA-M 211, 2008
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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
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Abhilfemaßnahmen
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Fahrbahnsanierung
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Nach Betonsanierung
Quelle: Ingenieurbüro Danjes, Detmold
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Schneckenpumpwerk vor und nach der
Betonsanierung
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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 2009
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Schäden 3 Jahre nach der Betonsanierung
(Beschichtung löst sich ab)
Blasenbildung
aufgeplatzte Blase
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Aufwändige Abwasserumleitung während der
Betonsanierung
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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
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Danke, dass Sie mir zugehört haben.
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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 1045-1 bis -4: Tragwerke aus Beton, Stahlbeton und Spannbeton
•
DIN EN 14879-3: 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 188
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