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Schachtsanierung bei Biogener Schwefelsäurekorrosion mit dem KS-ASS-Verfahren in Schwerin

07.06.2004

Beschichtung Gesamtquerschnitt

Die Firma Werner Vollert Tiefbau GmbH & Co. KG, Büdelsdorf, hatte den Auftrag für die Stadtwerke Schwerin einen Kanalschacht zu sanieren. Die Firma Vollert führte die Schachtsanierung mit dem KS-ASS Verfahren und ERGELIT Kombina KS 2b aus. Als Schadensfall in diesem Schacht wurde eindeutig biogene Schwefelsäurekorrosion (BSK) festgestellt.

Im Falle eines durch Korrosion, insbesondere biogene Schwefelsäurekorrosion geschädigten Bauwerks in der Kanalisation ist die Auswahl des richtigen Sanierungsverfahrens mittels Materials zur Beschichtung äußerst wichtig. Die Art der Korrosion bzw. deren Auslöser wird erst durch die nähere Betrachtung der Umgebungsbedingungen erkennbar. Die biogene Schwefelsäurekorrosion soll im folgenden näher beschrieben werden.

Die Korrosion in der Kanalisation wird überwiegend durch Einwirken saurer Medien hervorgerufen. Der ph-Wert von Abwasser liegt in der Regel zwischen 6 und 8. Wenn ein handelsüblicher Beton im Kanal Schäden aufweist, muss der pH-Wert weiter in den sauren Bereich, d.h. unter pH 6 gewandert sein.
Bei Einleitern im industriellen Bereich kommt es häufig zu Korrosionserscheinungen durch saure Abwässer, die durch Reinigungsprozesse oder Arbeitsprozesse entstehen. Verstärkt finden wir diese Bedingungen bei Brauereien, Molkereien, Winzern oder der Chemischen Industrie. Hier ist es wichtig zu hinterfragen, was, wie und in welchen Zeitabständen Abwasser eingeleitet wird. Vorliegende Wasseranalysen, aus denen man Rückschlüsse ziehen kann, sind auch von hohem nutzen.
Eine besondere Art der Korrosion, die als sehr kritisch zu betrachten ist, stellt bei teilgefüllten Kanälen aus zementgebundenen Werkstoffen die biogene Schwefelsäurekorrosion (BSK) dar, auch Sulfidkorrosion oder biogene Säurekorrosion genannt. Während bei der "normalen" Korrosion infolge direkter Einwirkung aggressiver Abwässer ausschließlich der benetzte Kanalbereich betroffen ist, sind die Auswirkungen der BSK nur im Gasraum, d.h. oberhalb der Wasserlinie zu finden.
Die Ursache für die Entstehung von BSK sind die im Abwasser befindlichen Sulfide, d.h. Schwefelverbindungen in organischer und anorganischer Form. Sie werden durch Industrie und Haushalte in das Abwasser eingebracht. Im Abwasser sorgen eine Vielfalt von Mikroorganismen für deren natürlichen Abbau, wobei als unmittelbares Endprodukt gasförmige Schwefelverbindungen entstehen.
Vom Schwefelwasserstoffgehalt, der sich hierbei im Gasraum bildet, ist jedoch abhängig, ob BSK in starker Form entstehen kann oder nicht. Aus dem Schwefelwasserstoff kann an der Oberfläche der Abwasserbauteile elementarer Schwefel entstehen. Dieser ist ein Substrat für sogenannte Thiobazillen, die im Gasraum auf feuchten Oberflächen von teilgefüllten Abwasseranlagen zu finden sind. Bei den Thiobazillen handelt es sich um ausgesprochen säureresistente Bakterien, die sich fast im gesamten pH- Wertbereich entwickeln, aber nur unterhalb von etwa pH 6,5 für den Beton schädlich werden und deren Aktivität u.a. von der Temperatur und von der Feuchtigkeit der Kanalwandung abhängig ist. Zuerst findet man eine Thiobazillenflora vor, die schwache Säuren bildet, die den pH-Wert von ca. pH 9 auf ca. 6 senkt. Wenn die Schwefelwasserstoffkonzentration jedoch weiter zunimmt und anaerobe Bedingungen, d.h. wenig Luftsauerstoff vorherrscht, sind die Lebensbedingungen für den Thiooxidans geschaffen. Dieser kann durch seine Stoffwechselaktivitäten den pH-Wert auf 1 fallen lassen, und somit den stärksten Säureangriff, der im Kanal vorzufinden ist, verursachen. Aus mikrobiologischer Sicht lässt sich die Korrosion an Beton durch Messung der Zellzahlen mengenmäßig ermitteln.
Die Zellzahlen beziehen sich auf den Thiobacillus thiooxidans und geben die Anzahl der Zellen pro 1 mg Protein an der Kanalwandung an. Dabei ist die Zellzahl von T. thiooxidans von besonderer Bedeutung. Aufgrund starker Schwefelsäurebildung kann man T. thiooxidans leicht von anderen Mikroorganismen unterscheiden. Er wächst gut und lässt sich zahlenmäßig leicht erfassen. Zunächst sind auf der Wandung die schwach konzentrierten Thiobacillenarten aktiv. Sie senken den pH- Wert so weit ab, das T. thiooxidans wachsen kann. Auf karbonatisiertem Beton bei pH- Werten zwischen 8 und 9 überwiegen säuretolerante Arten. Erst nachdem der pH- Wert unter 5 gesunken ist, kann T. thiooxidans, das letzte Glied in der Kette, zur Entwicklung kommen. Dadurch werden andere Mikroorganismen, auch Thiobacillen gehemmt und als Nahrungskonkurrenten ausgeschaltet. Für T. thiooxidans ist nun eine geeignete Umwelt entstanden, eine sogenannte ökologische Nische. Namentlich zu erwähnen sind besonders folgende Thiobacillen, und zwar T. concretivirus, T. denitrificans, T. novellus, T. intermedius und T. neapolitanus, T. thioparus, auf die aber im einzelnen nicht eingegangen wird.
Erkennen kann man die BSK an folgenden Merkmalen:
  • die Oberfläche ist gelb/weiß und sehr weich
  • die Oberfläche sieht aus wie Waschbeton
  • Lackmuspapier zeigt einen pH-Wert unter 5 an
  • sowie Geruchsbelästigung, wobei 0,1 ppm (parts per million, 1:106) die untere Geruchsschwelle ist ; ab 0,5 ppm kann Schwefelsäurekorrosion an den Bauwerkswandungen auftreten, ab 50-100 ppm ist mit Reizwirkungen auf Augen und Atemorgane zu rechnen.
    Achtung: ab 1000 ppm Schwefelwasserstoff (H?S) wird das Gas nicht mehr wahrgenommen und wirkt in kurzer Zeit tödlich.

Grundsätzlich findet die BSK in einer Zeitspanne zwischen 50 - 70 Jahren in jedem Kanal statt. Wenn jedoch schon nach 5 - 10 Jahren eine starke Beschädigung der Bauwerksoberfläche auftritt, werden dort die Randbedingungen, die zur verstärkten BSK führen, sehr ausgeprägt sein. Diese sind:

  • schlechte Be- und Entlüftung der Kanäle
  • sehr langsame Fließzeiten, bzw. sehr lange Standzeiten des Abwassers im Kanal
  • warme Temperaturen, d.h. > 20° C

Besonders gefährdet durch biogene Schwefelsäurekorrosion sind Kanalstrecken nach

  • Pumpwerken,
  • Übergang von Druckrohrleitungen in Freispiegelleitungen
  • Einleitung sulfidhaltiger Abwässer aus Absetzanlagen, Gewerbe und Industrie
  • Einleitung aus Druckentwässerungssystemen,
  • Abstürzen und anderen Bauwerken, durch die Turbulenzen erzeugt werden.

Im Falle eines durch Korrosion, insbesondere biogene Schwefelsäurekorrosion geschädigten Bauwerks in der Kanalisation, ist die Auswahl des richtigen Materials zur Sanierung äußerst wichtig. Bei diesem konkreten Beispiel gilt für den Einsatz von ERGELIT-Tockenmörtel zur Zeit folgendes:

  • ERGELIT-Trockenmörtel Kombina KS 2 wird nur bei reinem Säureangriff eingesetzt.
  • ERGELIT-Trockenmörtel Kombina KS 2a wird bei einem biologisch verursachtem Säureangriff, d.h. bei biogener Schwefelsäurekorrosion eingesetzt. Kombina KS 2a wird eingesetzt, wenn die Korrosionsrate bei kleiner gleich 1 mm/a Korrosion lag.
  • ERGELIT-Trockenmörtel Kombina KS 2b wird bei einem biologisch verursachtem Säureangriff, d.h. bei biogener Schwefelsäurekorrosion eingesetzt. Kombina KS 2b wird eingesetzt, wenn die Korrosionsrate bei größer 1 mm/a liegt. Bei ca. 10 mm/a Korrosion ist auch bei Kombina KS 2b mit einer Korrosionsrate von ca. 1-2 mm/a zu rechnen. In diesen Fällen ist eventuell eine zusätzliche Beschichtung von 10-20 mm einzuplanen.

Die genannten ERGELIT-Trockenmörtel sind zementgebundene, durch organische und anorganische Zusätze vergütete Ein-Komponenten-Korrosionschutzmörtel mit einer Körnungsgröße < 1 mm.

Zur Korrosionsrate- bzw. geschwindigkeit sei noch folgendes angemerkt. Über die Abschätzung der Korrosionsraten infolge der biogenen Schwefelsäurekorrosion gibt es einige Erfahrungswerte und Modelle zu nennen, die teilweise jedoch zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen führen:

  • Bei einem handelsüblichem Beton mit quarzitischen Zuschlagsstoffen und einem pH- Wert kleiner 6,5 auf der feuchten Betonoberfläche kann je nach pH-Wert mit einem Korrosionsabtrag von 3-6 mm/a gerechnet werden.
  • Die Korrosionsgeschwindigkeit ist von der Betonzusammensetzung und den verbleibenden Korrosionsprodukten abhängig und beträgt im Mittel maximal 3 mm/a im Gasraum.

Wichtig für die Entscheidung bei diesem Projekt ERGELIT Kombina KS 2b einzusetzen, waren die guten Langzeiterfahrungen und die Referenzen von Freiburg aus 1990 und Hamburg aus 1994. Auch die Referenzen aus Schwerte, Witten, Oranienburg und Peitz sprechen deutlich für den Einsatz von KS-ASS in Verbindung mit ERGELIT!

Bei dieser Schachtsanierung wurde für die Schachtwandbeschichtung ERGELIT Kombina KS 2b und für die Reprofilierung der Ein-Komponenten-Korrosionsschutzmörtel ERGELIT Kombina KS1 eingesetzt.

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