کنترل خوردگی در تأسیسات آب و فاضلاب؛ چالش‌ها و راهکارها

چرا این تأسیسات این‌قدر آسیب‌پذیرند؟

تأسیسات آب و فاضلاب زیرساخت‌هایی‌اند که قرار است ده‌ها سال کار کنند و بیشترشان زیر زمین یا در فضاهای بسته‌اند؛ جایی که بازرسی سخت است و خرابی تا وقتی جدی نشود دیده نمی‌شود. گزارش FHWA دربارهٔ هزینهٔ خوردگی در آمریکا، بخش آب آشامیدنی و فاضلاب را با هزینهٔ مستقیم سالانهٔ حدود ۳۶ میلیارد دلار، بزرگ‌ترین بخش در میان ۲۶ بخش مطالعه‌شده معرفی کرده است.

در این تأسیسات دو نوع چالش متفاوت وجود دارد. در شبکه و تجهیزات آب آشامیدنی، لوله‌ها و مخازن فولادی با آب در تماس‌اند و پوشش داخلی و خارجی باید هم از فلز محافظت کند و هم برای تماس با آب مناسب باشد. در شبکه و تصفیه‌خانهٔ فاضلاب، تهدید اصلی گاز سولفید هیدروژن است که می‌تواند حتی بتن را تخریب کند.

سازوکار خوردگی ناشی از سولفید هیدروژن

گزارش سال ۱۹۹۱ سازمان حفاظت محیط‌زیست آمریکا (EPA) به کنگرهٔ این کشور، این فرایند را به‌تفصیل توضیح داده است. خلاصهٔ آن چند مرحله دارد:

1. در لایهٔ لجنی که روی دیوارهٔ زیر آب لوله تشکیل می‌شود، باکتری‌های کاهندهٔ سولفات، سولفات موجود در فاضلاب را به سولفید تبدیل می‌کنند.
2. سولفید محلول به شکل گاز H₂S از فاضلاب آزاد می‌شود. تلاطم و دمای بالاتر این آزادسازی را تشدید می‌کنند.
3. روی سطح مرطوب سقف و دیواره‌های بالای سطح فاضلاب، باکتری‌هایی از گروه تیوباسیلوس گاز H₂S را به اسید سولفوریک تبدیل می‌کنند.
4. این اسید به بتن حمله می‌کند و محصولی شبیه گچ می‌سازد که استحکام ندارد و به‌تدریج می‌ریزد.

به همین دلیل، خوردگی در لوله‌های فاضلاب بتنی معمولاً در سقف لوله شدیدتر است، نه در کف آن که با فاضلاب تماس دارد.

شدت مسئله به زبان اعداد

گزارش EPA چند داده دارد که ابعاد مسئله را نشان می‌دهد. به گفتهٔ این گزارش، خوردگی شدید ناشی از سولفید هیدروژن می‌تواند عمر یک لولهٔ فاضلاب را که برای ۵۰ تا ۱۰۰ سال طراحی شده، به کمتر از ۱۰ سال برساند. در یک نظرسنجی سال ۱۹۸۴، ۳۲ شهر از ۸۹ شهر بررسی‌شده، فروریختن لوله‌های فاضلاب را گزارش کرده‌اند که در ۲۶ مورد علت آن خوردگی ناشی از H₂S بوده است. در همان گزارش، ۶۰ تا ۷۰ درصد شهرداری‌ها از خوردگی در تصفیه‌خانه‌هایشان خبر داده‌اند.

این داده‌ها مربوط به آمریکا و چند دهه پیش‌اند، ولی سازوکار فیزیکی و شیمیایی که توضیح می‌دهند، به جغرافیا وابسته نیست. در مناطق گرم‌تر که دمای فاضلاب بالاتر است، خطر آزادسازی H₂S هم بیشتر است.

نقاط پرخطر در شبکه و تصفیه‌خانه

طبق گزارش EPA، خوردگی در نقاطی شدیدتر است که فاضلاب دچار تلاطم می‌شود یا مدت طولانی بدون هوا می‌ماند:

• محل تخلیهٔ خطوط تحت فشار (فورس‌مین)، جایی که فاضلاب پس از ماندن طولانی در لولهٔ پر و بی‌هوا وارد کانال ثقلی می‌شود
• منهول‌های دارای افت ارتفاع که تلاطم ایجاد می‌کنند
• چاهک‌های ایستگاه پمپاژ
• سازه‌های ورودی تصفیه‌خانه و بخش‌هایی که فاضلاب در آن‌ها هم زده می‌شود

شناخت این نقاط به اولویت‌بندی بازرسی و سرمایه‌گذاری کمک می‌کند. لازم نیست کل شبکه با گران‌ترین روش محافظت شود؛ باید نقاط بحرانی را پیدا کرد.

راهکارهای شیمیایی و طراحی

گزارش EPA سه رویکرد شیمیایی اصلی را برای کنترل سولفید برشمرده است: افزودن اکسیدکننده‌ها، افزودن رسوب‌دهنده‌هایی مثل نمک‌های آهن و روی که سولفید را به شکل نامحلول درمی‌آورند و بالابردن pH فاضلاب. ولی گزارش هشدار می‌دهد که رابطهٔ بین کاهش سولفید محلول و کاهش گاز H₂S خطی نیست؛ در نمونه‌ای که ذکر شده، کاهش ۷۵ تا ۹۵ درصدی سولفید محلول فقط به کاهش ۵۰ تا ۶۰ درصدی H₂S در هوای داخل شبکه منجر شده است.

در طراحی شبکه‌های جدید، گزارش بر این موارد تأکید دارد:

• سرعت کافی جریان برای جلوگیری از ته‌نشینی مواد جامد
• پرهیز از نقاطی که رسوب در آن‌ها جمع می‌شود
• به حداقل رساندن طول خطوط تحت فشار
• کاهش تلاطم در نقاط حساس

پوشش‌ها و آستر داخلی؛ چه چیزی کار کرده است؟

یکی از یافته‌های قابل‌توجه گزارش EPA این است که بسیاری از پوشش‌هایی که با عنوان «مقاوم در برابر خوردگی» به کار رفته بودند، زودتر از انتظار شکست خورده‌اند، در حالی که روش‌هایی مثل آسترکشی با لوله‌های داخلی و آستر عمل‌آوری‌شده در محل عملکرد بهتری داشته‌اند. درس این یافته برای امروز این است که در محیط اسیدی فاضلاب، ادعای مقاومت شیمیایی کافی نیست و شواهد عملکرد در شرایط مشابه، آماده‌سازی دقیق سطح بتن و کیفیت اجرا تعیین‌کننده‌اند.

برای لوله‌ها و اتصالات فولادی آب، استاندارد AWWA C210 الزامات پوشش‌ها و آسترهای اپوکسی مایع را برای لولهٔ فولادی آب تعیین می‌کند که در زیر زمین یا زیر آب کار می‌کنند. ویرایش ۲۰۲۴ این استاندارد مصالح، آماده‌سازی سطح، روش اعمال، بازرسی و آزمون را پوشش می‌دهد. اگر در پروژه‌ای پوشش داخلی لولهٔ فولادی آب مطرح است، ارجاع به این استاندارد در مشخصات فنی، معیار مشترکی برای خریدار و پیمانکار فراهم می‌کند.

تجهیزات فلزی تصفیه‌خانه

در تصفیه‌خانه‌ها فقط بتن آسیب نمی‌بیند. نرده‌ها، دریچه‌ها، پل‌های لجن‌روب، سازه‌های نگهدارنده و بدنهٔ پمپ‌ها هم یا با آب در تماس‌اند یا در هوای مرطوب و گاهی آلوده به H₂S کار می‌کنند. برای انتخاب سامانهٔ پوشش این تجهیزات، می‌توان از طبقه‌بندی ISO 12944-2 کمک گرفت: سازه‌هایی که همیشه زیر آب شیرین هستند در دستهٔ غوطه‌وری Im1 قرار می‌گیرند و بخش‌های بیرون از آب بر اساس شرایط هوای اطرافشان در یکی از دسته‌های C. این استاندارد یادآوری می‌کند که تنش‌های خورندهٔ ویژه، مثل حضور گازهای خورنده، باید جداگانه بررسی شوند.

چند توصیهٔ عملی برای این تجهیزات:

• بخش‌هایی که در خط آب قرار می‌گیرند و مدام خیس و خشک می‌شوند، معمولاً زودتر از بقیه آسیب می‌بینند و باید در بازرسی اولویت داشته باشند.
• پیچ و مهره‌ها و اتصالات از جنس متفاوت با سازه، خطر خوردگی گالوانیک دارند.
• ترمیم پوشش در محل، به دلیل رطوبت بالای این فضاها، باید با کنترل دقیق نقطهٔ شبنم انجام شود.

پایش؛ هشدار پیش از فروریختن

گزارش EPA یادآوری می‌کند که روش استانداردی برای اندازه‌گیری مستقیم سرعت خوردگی در لوله‌های فاضلاب وجود ندارد. در عوض، اندازه‌گیری pH سطح سقف لوله را بهترین هشدار اولیه می‌داند؛ وقتی pH سطح به‌شدت پایین بیاید، یعنی اسید در حال تولید است و خوردگی فعال است.

یک برنامهٔ پایش عملی برای این تأسیسات می‌تواند شامل این موارد باشد:

• اندازه‌گیری دوره‌ای غلظت H₂S در هوای منهول‌ها و ایستگاه‌های پمپاژ
• آزمون pH سطح سقف در نقاط پرخطر
• بازرسی تصویری لوله‌ها برای یافتن نشانه‌های تخریب بتن یا آستر
• بازرسی تجهیزات فلزی مثل نرده‌ها، دریچه‌ها و پمپ‌ها که در معرض هوای حاوی H₂S هستند

H₂S علاوه بر خوردگی، برای کارکنان هم خطرناک است. هر ورود به فضای بسته در این تأسیسات باید با پایش گاز و رعایت دستورالعمل‌های ایمنی انجام شود.

سوالات متداول

منابع و مراجع

1. U.S. EPA (1991) — Hydrogen Sulfide Corrosion in Wastewater Collection and Treatment Systems, Report to Congress — سازوکار، آمار، نقاط پرخطر، روش‌های کنترل و پایش
2. AWWA C210-24 — Liquid-Epoxy Coatings and Linings for Steel Water Pipe and Fittings — دامنهٔ استاندارد پوشش اپوکسی لوله‌های فولادی آب
3. FHWA-RD-01-156 — Corrosion Costs and Preventive Strategies in the United States — هزینهٔ ۳۶ میلیارد دلاری بخش آب و فاضلاب
4. ISO 12944-2:2017 — Classification of environments — دستهٔ غوطه‌وری Im1 و تنش‌های خورندهٔ ویژه