Korrosion in Abwasser- und Abwassersystemen

Korrosion in Abwasser- und Kläranlagen ist ein komplexer Prozess der Zerstörung von Metallen, Beton und anderen Baustoffen unter dem Einfluss von Feuchtigkeit, Schwefelverbindungen, Chloriden, organischen Substanzen, Mikroorganismen und schwankenden Sauerstoffbedingungen. Besonders aggressive Bedingungen herrschen in geschlossenen Abwasserkanälen, Pumpstationen, Abwasserbecken, Prozesskammern und Kläranlagen, wo sich anaerobe Zonen bilden können, die die Entstehung von Schwefelwasserstoff (H₂S) begünstigen.
Es gibt keinen einheitlichen, universellen Korrosionsmechanismus in Abwassersystemen. Abhängig von der Zusammensetzung des Abwassers und der Systemauslegung können gleichmäßige Korrosion, Lochfraß, Spaltkorrosion, galvanische Korrosion, mikrobielle Korrosion (MIC) und säureinduzierte Korrosion gleichzeitig auftreten. Daher sollte bei der Materialauswahl neben der Zusammensetzung des Abwassers selbst auch die Atmosphäre über der Abwasseroberfläche, Temperatur, pH-Wert, Chloridgehalt, das Potenzial für Sedimentbildung und die Strömungsbedingungen berücksichtigt werden.

Warum ist die Abwasserumgebung korrosiv?

Abwasser stellt ein äußerst vielfältiges chemisches und biologisches Milieu dar. Seine Zusammensetzung hängt von seiner Herkunft, dem Verdünnungsgrad, der Temperatur, der Verweildauer im System und dem Vorhandensein von Industrieabwasser ab. In kommunalen Abwassersystemen spielen Schwefelverbindungen, Chloride, Stickstoffverbindungen, organische Substanzen und mikrobielle Aktivität eine zentrale Rolle.
Unter Sauerstoffmangelbedingungen können sulfatreduzierende Bakterien zur Bildung von Sulfiden führen. Abhängig vom pH-Wert treten einige Sulfide als gelöster Schwefelwasserstoff (H₂S) auf. Dieses Gas kann aus Abwässern freigesetzt werden und sich in der Atmosphäre von Kanälen, Schächten, Stauseen und Pumpstationen anreichern.
Besonders intensive H₂S-Freisetzungen können in Bereichen mit Turbulenzen auftreten, wie z. B. bei Überläufen, Verwerfungen, Auslassrohren, Ausdehnungskammern und Stellen mit plötzlichen Änderungen der Strömungsrichtung.

Schwefelwasserstoffkorrosion – einer der wichtigsten Mechanismen der Zerstörung von Abwassersystemen

Eine der typischen Gefahren in Abwassersystemen ist das Vorhandensein von Schwefelwasserstoff. Schwefelwasserstoff selbst kann gegenüber einigen Metallen korrosiv wirken, die gefährlichste Wirkung tritt jedoch auf feuchten Oberflächen oberhalb des Abwasserspiegels auf.
Schwefelwasserstoff diffundiert aus der flüssigen Phase in die Kanalatmosphäre und löst sich in der Feuchtigkeitsschicht, die die Strukturoberflächen bedeckt. Schwefeloxidierende Mikroorganismen können Schwefelverbindungen in Schwefelsäure umwandeln. Dadurch kann der lokale pH-Wert an der Oberfläche sehr stark sinken.
Das Prozessdiagramm kann vereinfacht dargestellt werden:
Sulfate → Sulfide → H₂S → biologische Oxidation → H₂SO₄ → Materialkorrosion
Dieses Phänomen wird oft als biogene Schwefelsäurekorrosion bezeichnet und ist besonders wichtig für Betonkonstruktionen, Bauteile aus Kohlenstoffstahl und ungeschützte Metalloberflächen.

Warum ist die Korrosion oberhalb der Abwasseroberfläche möglicherweise am stärksten?

Ein charakteristisches Merkmal der Abwasserkorrosion ist das Potenzial für sehr starke Materialzerstörung in Teilen der Rohrleitung, die nicht dauerhaft in Abwasser eingetaucht sind. Dies gilt insbesondere für die oberen Abschnitte von Kanälen, Tankdecken, Schächte und Prozesskammern.
Diese Zone enthält gleichzeitig Feuchtigkeit, H₂S und Sauerstoff, die für Mikroorganismen, welche Schwefelverbindungen oxidieren, unerlässlich sind. Daher kann sich an der Oberfläche Schwefelsäure bilden, die einen intensiven chemischen Angriff verursacht.
In Freispiegelleitungen kann der Rohrscheitel besonders anfällig sein. Die starke Korrosion oberhalb der Abwasseroberfläche ist ein Grund dafür, dass die Beurteilung der Korrosionsaggressivität allein anhand chemischer Analysen der Flüssigkeit zu falschen Schlussfolgerungen führen kann.

Betonkorrosion im Abwassersystem

Beton wird häufig beim Bau von Kanälen, Schächten, Stauseen und Kläranlagenkomponenten verwendet. Sein natürlich alkalisches Milieu bietet einen relativ guten Schutz für die Bewehrung, jedoch kann eine längere Einwirkung von Säuren zur allmählichen Zerstörung der Zementmatrix führen.
Bei der biogenen Schwefelkorrosion reagiert Schwefelsäure mit den Bestandteilen des Zementleims. Eines der Reaktionsprodukte ist Calciumsulfat, auch bekannt als Gips. Es kann auch zur Bildung von Ettringit kommen. Diese Reaktionsprodukte tragen nicht zur ursprünglichen Festigkeit des Betons bei und können zu Erweichung, Rissbildung, Abplatzungen und Materialverlust führen.
Durch fortschreitende Zersetzung des Betons kann die Stahlbewehrung mit der Zeit freigelegt werden. Sobald das schützende alkalische Milieu verloren geht, wird der Bewehrungsstahl deutlich anfälliger für Korrosion.

Korrosion von Kohlenstoffstahl

Kohlenstoffstahl, der in Rohrleitungen, Tragkonstruktionen, Tanks, Pumpenkomponenten und Anlagen zur Abwasserbehandlung verwendet wird, ist in feuchten Abwasserumgebungen korrosionsanfällig.
Die Abbaurate kann durch das Vorhandensein von H₂S, Chloriden, sauren Abwasserbestandteilen und Sedimenten, die lokale Korrosionszellen bilden, erhöht werden. Bereiche mit eingeschränkter Sauerstoffzufuhr, Hohlräume unter Sedimenten und bauliche Spalten sind besonders anfällig.
In der Praxis benötigt Kohlenstoffstahl, der in aggressiven Abwasserumgebungen eingesetzt wird, einen angemessenen Schutz, z. B. Beschichtungen, Auskleidungen, Korrosionszuschläge oder die Verwendung eines Materials mit höherer Beständigkeit.

Edelstahl in Abwasseranlagen

Edelstahl bietet eine sehr gute Haltbarkeit für Komponenten von Kläranlagen und Abwasserbehandlungsanlagen, aber der Begriff "Edelstahl" bedeutet nicht automatisch Beständigkeit gegenüber jeder Abwasserumgebung.
Das Hauptproblem besteht in der Gefahr lokaler Schäden an der Passivschicht. In Gegenwart von Chloriden kann Lochfraßkorrosion entstehen, während Spaltkorrosion in Spalten, unter Dichtungen, Ablagerungen und in Bauteilverbindungen auftreten kann.
Die Temperatur spielt ebenfalls eine wichtige Rolle. Mit steigender Temperatur und Chloridkonzentration erhöht sich bei vielen gängigen Edelstählen das Risiko lokaler Korrosion.

Auswahl von Edelstahl für Abwasseranlagen

Die Auswahl einer bestimmten Güteklasse sollte durch eine Analyse der Abwasserzusammensetzung vorbereitet werden. Die bloße Definition des Mediums als „Abwasser“ reicht für die Materialauswahl nicht aus. Kommunales Abwasser und Abwasser aus der chemischen, Lebensmittel-, Galvanisierungs- und petrochemischen Industrie können völlig unterschiedliche korrosive Umgebungen schaffen.

Die Bedeutung von Chloriden

Chloride zählen zu den wichtigsten Faktoren, die die Dauerhaftigkeit von Edelstählen beeinflussen. Sie können die Passivschicht destabilisieren und Lochfraßkorrosion auslösen. Das Risiko steigt mit der Chloridkonzentration, der Temperatur sowie dem Vorhandensein von Spalten und Ablagerungen.
In Umgebungen mit erhöhtem Chloridgehalt kann Stahl der Güteklassen 1.4301 oder 1.4307 unzureichend sein. Stahl der Güteklasse 1.4404 bietet aufgrund des enthaltenen Molybdäns eine höhere Beständigkeit. Bei aggressiveren Umgebungsbedingungen können jedoch Duplex-, Superduplex- oder hochlegierte superaustenitische Stähle gerechtfertigt sein.

PREN und die Auswahl von Stahl für Abwasser

Zur ersten Beurteilung der Beständigkeit von Edelstählen gegen Lochfraßkorrosion kann die PREN (Pitting Resistance Equivalent Number) herangezogen werden. Vereinfacht ausgedrückt hängt ihr Wert hauptsächlich vom Gehalt an Chrom, Molybdän und Stickstoff ab.
Ein höherer PREN-Wert deutet im Allgemeinen auf eine höhere Beständigkeit eines Werkstoffs gegenüber Lochfraßkorrosion in chloridhaltigen Umgebungen hin. Der PREN-Wert sollte jedoch nicht als alleiniges Kriterium für die Werkstoffauswahl herangezogen werden. Er berücksichtigt nicht alle Parameter der tatsächlichen Umgebungsbedingungen, wie Oberflächenqualität, Verbindungsdesign, Schweißbedingungen, das Vorhandensein von Sedimenten oder andere chemische Bestandteile des Abwassers.

Mikrobiologische Korrosion (MIC)

Abwasseranlagen zählen zu den Umgebungen, die die Entstehung von mikrobiell beeinflusster Korrosion (MIC) besonders begünstigen.
Mikroorganismen müssen das Metall nicht direkt „fressen“. Ihre Aktivität kann die lokalen elektrochemischen Bedingungen an der Materialoberfläche verändern, pH-Wert-Änderungen verursachen, an der Umwandlung von Schwefelverbindungen beteiligt sein und einen Biofilm bilden, unter dem sich lokale, korrosionsfördernde Bedingungen entwickeln.
Biofilm kann den Sauerstofftransport einschränken und zu Unterschieden in der Sauerstoffversorgung verschiedener Oberflächenbereiche führen. Unter Sedimenten und biologischen Schichten können sich lokale Korrosionszellen bilden, sodass mikrobiell induzierte Korrosionsschäden oft stark lokalisiert sind.

Sedimente und subsedimentäre Korrosion

Sand, biologische Produkte, Schlamm und andere Ablagerungen, die sich in der Anlage ansammeln, können Bereiche mit anderen Bedingungen als in der Umgebung schaffen.
Unterhalb der Ablagerung ist der Sauerstofftransport eingeschränkt, und der lokale pH-Wert sowie die chemische Zusammensetzung des Elektrolyten können sich verändern. Bei Edelstählen kann dies den Verlust der Passivität und lokale Korrosion begünstigen.
Im Hinblick auf die Langlebigkeit der Anlage ist es wichtig, die Elemente so zu konstruieren, dass die Bildung von Totzonen reduziert und eine effektive Reinigung ermöglicht wird.

Spaltkorrosion

Flansche, Überlappungen, Dichtungsfugen, Befestigungselemente und andere enge Spalten können Bedingungen schaffen, die Spaltkorrosion begünstigen.
Innerhalb des Spalts ist der Stoffaustausch mit der Umgebung erschwert. Sauerstoffmangel kann zum Verlust der Regenerationsfähigkeit der Passivschicht führen, und Veränderungen in der Elektrolytzusammensetzung können die Aggressivität der lokalen Umgebung weiter erhöhen.
Aus diesem Grund ist bei Abwasseranlagen nicht nur die Wahl des richtigen Materials wichtig, sondern auch die sachgerechte Auslegung der Bauteile.

Galvanische Korrosion

Abwassersysteme und Kläranlagen enthalten häufig Bauteile aus unterschiedlichen Metallen. Wenn zwei verschiedene metallische Werkstoffe in elektrischem Kontakt stehen und gleichzeitig einen gemeinsamen Elektrolyten verwenden, kann sich eine galvanische Zelle bilden.
Dies kann besonders ungünstig sein, wenn eine kleine Oberfläche eines unedleren Materials mit einer großen Oberfläche eines edleren Materials verbunden ist. In solchen Fällen kann die lokale Korrosionsrate des Anodenmaterials deutlich ansteigen.
Das Risiko wird unter anderem durch die richtige Auswahl von Materialpaaren, die elektrische Isolierung der Bauteile und die geeignete Auslegung der Verbindungen begrenzt.

Industrieabwasser – ein Umfeld, das eine individuelle Analyse erfordert

Industrieabwasser stellt eine weitaus größere materielle Herausforderung dar. Es kann Säuren, Basen, Chloride, Schwefelverbindungen, Oxidationsmittel, Lösungsmittel und andere chemische Verbindungen in Konzentrationen enthalten, die um ein Vielfaches höher sind als in typischem kommunalem Abwasser.
Die Auswahl eines Materials allein anhand des pH-Werts ist möglicherweise nicht ausreichend. Zwei Medien mit gleichem pH-Wert können gegenüber einer bestimmten Legierung ein völlig unterschiedliches Aggressivitätsverhalten aufweisen.
In solchen Fällen sollten zumindest folgende Punkte berücksichtigt werden:

• vollständige chemische Zusammensetzung des Abwassers
• Konzentration aggressiver Inhaltsstoffe
• pH-Wert und die Möglichkeit seiner Veränderungen,
• Betriebs- und Maximaltemperatur,
• Chloridkonzentration
• Vorhandensein von oxidierenden oder reduzierenden Verbindungen,
• Sauerstoffbedingungen
• Strömungsgeschwindigkeit und Turbulenzen,
• Möglichkeit der Sediment- und Biofilmbildung
• Bedingungen für die periodische Abschaltung der Anlage.

Materialien, die in Abwasseranlagen verwendet werden

Installationskomponenten, die besonders anfällig für Korrosion sind

Das größte Risiko besteht nicht immer auf der gesamten Installationsfläche. Lokal können besonders aggressive Bedingungen auftreten in:

• Kronen von Schwerkraftkanälen
• Abwasserschächte,
• Abwasserpumpstationen,
• Ausdehnungskammern der Abflussrohre,
• Rückhalte- und technologische Speicherbecken,
• Orte mit plötzlicher Änderung der Strömungsrichtung,
• Überläufe und Kaskaden, die Turbulenzen verursachen,
• periodisch befeuchtete Zonen
• Sedimentablagerungsgebiete,
• Spalten und strukturelle Verbindungen,
• Elemente, die sich in einer feuchten, H₂S-haltigen Atmosphäre befinden.

Wie lässt sich Korrosion in Abwassersystemen reduzieren?

Ein wirksamer Schutz sollte sowohl die Materialauswahl als auch die Konstruktion und die Betriebssicherheit umfassen. Die Verwendung einer teureren Legierung allein garantiert keine Langlebigkeit, wenn die Konstruktion die Bildung von Spalten, Stauungen und Ablagerungen begünstigt.
Zu den grundlegenden Tätigkeiten gehören:

• Auswahl von Materialien, die der tatsächlichen Zusammensetzung des Abwassers entsprechen,
• Begrenzung der Verweilzeit von Abwasser und Schaffung anaerober Bedingungen,
• Begrenzung der unkontrollierten Freisetzung von H₂S,
• Belüftung von Räumen, in denen sich Schwefelwasserstoff ansammeln kann,
• Vermeidung von Lücken und ungenutzten Strukturräumen
• Begrenzung der Sedimentablagerung
• regelmäßige Reinigung und Inspektion der Anlagen,
• Verwendung geeigneter Schutzbeschichtungen und -auskleidungen,
• korrekte Ausführung und Verarbeitung von Schweißverbindungen aus Edelstahl,
• Isolierung ungünstiger galvanischer Paare.

Die Bedeutung der Oberflächenqualität von Edelstahl

Die Korrosionsbeständigkeit von Edelstahl hängt nicht nur von seiner chemischen Zusammensetzung ab. Oberflächenqualität, Schweißnahtausführung und der Zustand der Wärmeeinflusszone sind ebenfalls wichtige Faktoren.
Oberflächenverunreinigungen durch Kohlenstoffstahlpartikel, Schweißzunderrückstände, thermische Verfärbungen und unsachgemäße Verarbeitung können die Korrosionsbeständigkeit lokal beeinträchtigen.
Nach der Herstellung einer Edelstahlkonstruktion kann es erforderlich sein, die Oberfläche ordnungsgemäß zu reinigen, Schweißverfärbungen zu entfernen und Bedingungen wiederherzustellen, die eine ordnungsgemäße Passivierung ermöglichen.

Überwachung der Korrosion von Abwasseranlagen

In Anlagen mit erhöhtem Korrosionsrisiko ist die Überwachung der Betriebsbedingungen von entscheidender Bedeutung. Je nach Art der Anlage kann die Überwachung pH-Wert, Temperatur, Gehalt an gelöstem Sauerstoff, Sulfidkonzentration im Abwasser und H₂S in der Kanalluft umfassen.
Der Zustand eines Bauwerks lässt sich durch Sicht- und Kamerainspektionen, Dickenmessungen von Metallbauteilen und die Beurteilung des Materialverlusts überwachen. Bei Beton ist die Beurteilung des Oberflächenzustands und des Ausmaßes der Schädigung von entscheidender Bedeutung.
Die frühzeitige Erkennung von Bedingungen, die Korrosion begünstigen, ermöglicht oft die Reduzierung der Reparaturkosten und die Vermeidung des Verlusts der Dichtheit oder der Tragfähigkeit von Anlagenkomponenten.

Korrosion in Abwasser und Abwassersystemen entsteht durch das Zusammenwirken chemischer, elektrochemischer und biologischer Faktoren. Einer der wichtigsten Mechanismen ist die Bildung von Schwefelwasserstoff unter anaeroben Bedingungen, dessen Freisetzung in die Abwasseratmosphäre und dessen biologische Oxidation zu Schwefelsäure auf feuchten Oberflächen über der Abwasseroberfläche.
Bei Metallen stellen zusätzliche Gefahren Chloride, Ablagerungen, Spalten, der Kontakt zwischen verschiedenen Werkstoffen und mikrobielle Korrosion dar. Daher sollte die Werkstoffauswahl auf einer Analyse der tatsächlichen Betriebsbedingungen basieren.
In weniger aggressiven Umgebungen können gängige Edelstähle wie 1.4404/316L eingesetzt werden. Bei steigendem Chloridgehalt und zunehmender Aggressivität der Umgebung kann der Einsatz von Duplexstahl 1.4462, Superduplexstahl 1.4410 oder hochlegierten superaustenitischen Stählen wie 1.4547 und 1.4529 erforderlich sein. Bei aggressivem Industrieabwasser sollte die Materialauswahl individuell unter Berücksichtigung der vollständigen chemischen Zusammensetzung, der Temperatur und der Betriebsbedingungen analysiert werden.

Arten der Korrosion von Stahl und Metallen

Gleichmäßige Korrosion von Stahl und Metallen
Lochfraßkorrosion von Edelstählen
Spaltkorrosion von Edelstählen
Interkristalline Korrosion von Edelstahl
Spannungsrisskorrosion
Galvanische Korrosion
Erosive Korrosion
Kavitationskorrosion
Korrosionsermüdung
Reibkorrosion
Mikrobiologische Korrosion (MIC)
Hochtemperaturkorrosion

Aufteilung der Korrosion nach Umwelteinflüssen

Marine Korrosion – Korrosion von Stahl und Metallen in Meerwasser
Korozja atmosferyczna
Bodenkorrosion
Korrosion in Süß- und Brauchwasser
Korrosion in chloridhaltigen Umgebungen
Korrosion in sauren Umgebungen
Korrosion in alkalischen Umgebungen
Korrosion in Gasen und Abgasen
Korrosion in Abwasser- und Abwassersystemen
Korrosion in chemischen und petrochemischen Umgebungen

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