CC BY
70
УДК 504.06
Е. С. Лебедева, В. А. Юрченко, С. В. Свергузова КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТЕМПЕРАТУРНОГО ФАКТОРА НА НАКОПЛЕНИЕ СЕРОВОДОРОДА В ПОДСВОДОВОМ ПРОСТРАНСТВЕ КАНАЛИЗАЦИОННОГО КОЛЛЕКТОРА
Ключевые слова: сточные воды, канализационные сети, газообразные выбросы, экологическая безопасность, теплообменные
системы, сероводород, коррозия бетона.
На основании количественных расчетов показано, что понижение температуры сточных вод при использовании теплообменных установок в канализационной сети эффективно снижает образование экологически опасного газообразного сероводорода, а также скорость коррозии бетона сводовой части коллектора.
Keywords: wastewater, sewer networks, gaseous emissions, environmental safety, heat exchange systems, hydrogen sulfide, corrosion
of concrete.
Based on quantitative calculations it is showed that lowering of waste water temperature by using heat exchange systems in the sewer system effectively reduces the formation of environmentally dangerous hydrogen sulfide gas, and the corrosion rate of concrete crest of the collector.
Накопление в подсводовом пространстве канализационных сетей и выброс в городскую атмосферу сероводорода - высокотоксичного и химически активного соединения, кардинально снижает экологическую безопасность и эксплуатационную надежность водоотведения [1]. Абсолютные значения концентраций сероводорода (Н2Э) в газообразных выбросах из канализационных сетей достигают 150 мг/м3, что многократно превышает предельно допустимые концентрации (ПДКмр.,. ПДКсс) [1, 2]. Кроме того, сероводород инициирует биогенную сернокислую коррозию бетонных конструкций и трубопроводов в канализационных сетях, скорость которой может достигать 10 мм/год. Коррозия является причиной 70-75 % аварий на железобетонных трубопроводах водоотведения, снижая их долговечность с планируемых 50 до 10-15 лет [1-6]. В связи с этим мониторинг содержания и прогноз накопления сероводорода в канализационных сетях является чрезвычайно актуальным, как для оценки экологической и эксплуатационной ситуации на данных технических объектах, так и для разработки методов подавления образования этого соединения в транспортируемых сточных водах.
Канализационный коллектор представляет собой «биологический реактор», в котором спонтанные микробиологические реакции приводят к целому ряду процессов, угрожающих безопасности городского населения [1-9]:
• образованию в транспортируемых сточных водах в экологически опасных концентрациях высокотоксичных газообразных соединений - Н2Э, ЫИз, СО, С02, N02, СН4, ОНзОИгвН (этилмеркаптана), СН3БН (метилмеркаптана) и др., выброс которых в городскую атмосферу создает угрозу экологической безопасности жителей;
• окислению сероводорода в конденсатной влаге на своде до серной кислоты и коррозионному разрушению сводовой части бетонных канализационных трубопроводов, которое на некоторых участках сети создает угрозу обрушения свода с чрезвычайно опасными последствиями как
для городской среды и населения, так и для надежности водоотведения.
Наиболее опасным процессом, инициирующим ряд последующих крайне неблагоприятных для эксплуатационной долговечности бетонных конструкций и экологической безопасности городской атмосферы событий, является микробиологическая сульфатредукция в
транспортируемых сточных водах [1-8]. При сульфатредукции - восстановлении сульфатов протонами органических соединений,
сульфатредуцирующие бактерии продуцируют газообразный Н2Э (соединение 2 класса опасности), который элюирует в газо-воздушную среду подсводового пространства трубопроводов, а из него - в городскую атмосферу. Кроме того, растворяясь в конденсатной влаге на сводовой части коллектора Н28 инициирует развитие в этой среде ацидофильных тиобацилл - возбудителей микробиологической коррозии бетона [2, 3, 8].
Измерения, проведенные на одном их участков канализационной сети г. Харькова, свидетельствуют, что концентрация сероводорода в атмосфере подсводового пространства в течение суток колеблется в довольно широком диапазоне (рис.1).
/
/ 1
/ / г- г
/ / V
/ V V 1
Рис. 1 - Динамика содержания сероводорода в атмосфере подсводового пространства канализационных трубопроводов
Известно, что на развитие микробных популяций и скорость микробиологических
процессов большое влияние оказывает такой экологический фактор как температура [10].
Снижение температуры сточных вод в сетях канализации до недавнего времени представлялось сложной и экономически весьма затратной операцией. Однако с распространением использования тепловых насосов, в том числе и на канализационных сооружениях, такая задача стала совершенно реальной. Известно, что при использовании тепловых насосов достигается экологический эффект, обусловленный
уменьшением потребления природного газа для отопления и как следствия - снижения выбросов парниковых газов в атмосферу. Однако, на сооружениях канализации охлаждение
транспортируемых сточных вод позволяет достичь еще ряда положительных результатов, имеющих большое экологическое и эксплуатационное значение. Для оценки влияния снижения температуры транспортируемых сточных вод на микробиологические и физические процессы образования и миграции сероводорода использовали математические модели, разработанные на кафедре безопасности жизнедеятельности и инженерной экологии ХНУСА.
Снижение температуры сточных вод должно снижать скорость микробиологической
сульфатредукции - главного источника сероводорода в сточной воде, снижая мультипликативный коэффициент К,, учитывающий влияние на процесс температуры, согласно известному биокинетическому уравнению [3]:
= Pm,
С"
Сл
Кп
(1)
соответствующей удельной скорости изменения концентрации сероводорода:
rS = 0,86
V
2 Л
Л
0,86.| 1+0,2-— |.(V)3/8 {ктеаУ -b-kpH >
с? mean/ /
S P
mean
\
s( - ii)
kphchw / a.h2s
- kA
KsA.H2S + SAH2S
1,034'
1,03'
(3)
где V - средняя скорость течения сточной жидкости, м/с; g - ускорение силы тяжести, м/с2; hmean - средняя гидравлическая глубина; i - уклон коллектора, b -коэффициент, учитывающий влияние физико-химического состава сточной жидкости на массоперенос сероводорода по сравнению с чистой водой; kpH -коэффициент, учитывающий часть сероводорода из общего количества растворенных сульфидов в зависимости от рН; - суммарная концентрация растворенных SS(-II) сульфидов, г S/м3; SAH2S -концентрация сероводорода в атмосфере коллектора, г S/м3; P - коэффициент, учитывающий влияние физико-химического состава сточных вод на концентрацию насыщения сероводорода; CHW/H2S - безразмерное значение константы закона Генри (м3 водной фазы/м3 газовой фазы) для сероводорода; Т - температура сточной жидкости, 0С; KADOX - максимальная поверхностная скорость адсорбции сероводорода из атмосферы коллектора в пленке конденсатной влаги и окисления в биопленке тионовыми микроорганизмами на своде коллектора, г S(м2•с)"1; aA - удельная площадь поверхности пленки конденсатной влаги и биопленки на своде коллектора, м-1; KSAH2S- константа полунасыщения по газообразному сероводороду, г S/м3.
где рсупъфатРед, Р - удельная текущая и максимальная удельная скорости сульфатредукции, ч-1, СЛ304 -концентрация сульфатов в сточной воде, мг/дм3, СЛХПК -ХПК сточной воды, мг/дм3, Кт304 - константа полунасыщения сульфатредукции по сульфатам, мг/дм3, КтХПК - константа полунасыщения сульфатредукции по ХПК, мг/дм3, КО2, К,, КрН - поправочные коэффициенты, отражающие влияние концентрации О2, температуры и рН на скорость сульфатредукции.
Kt = 10
(2)
где кТ - температурный коэффициент - 0,03, Т -температура среды, С, Топт - оптимальная температура среды, 0С.
Графическое представление влияния снижения температуры на накопление сероводорода в сточных водах показано на рисунке 2.
Исходя из математической модели [3] процесса сульфатредукции в сточных водах, при понижении температуры на 7 0С, скорость образования Н2Э снижается ~ на 25-30 %. Математическая модель [6] позволяет рассчитать концентрацию всех основных переменных по длине участка коллектора с учетом процессов, происходящих в самотечных канализационных коллекторах, а также концентрацию Н2Э в атмосфере подсводового пространства на основании
Рис. 2 - Влияние температуры на накопление сероводорода в сточных водах,
транспортируемых канализационными сетями
Графическое представление снижения концентрации Н2Э в атмосфере коллектора при снижении температуры сточных вод показано на рисунке 3, основываясь на математической модели, изложенной выше.
Исходя из математической модели [6] концентрация Н2Э в атмосфере подсводового пространства на основании соответствующей удельной скорости изменения концентрации сероводорода при понижении температуры на 7
AH2S
S
X
S
a.hs
Kt • KpH
K + С"
mSO4 SO4
K + С"
тХХП ^ХПК
опт
градусов, скорость образования H2S снижается ~ на 36 %.
Рис. 3 - Влияние температуры сточной воды на накопление сероводорода в атмосфере подсводового пространства канализационных трубопроводов
Однако указанная модель [6] не учитывает влияние температуры сточных вод на растворимость сероводорода. При снижении температуры сточных вод растворимость сероводорода увеличивается, а, следовательно, уменьшается его поступление из сточной жидкости в газо-воздушную среду (рис. 4).
Рис. 4 - Растворимость Н28 в воде в зависимости от температуры
Как видно из представленных данных, снижение температуры воды с 20 до 13 0С, приводит к повышению растворимости сероводорода с 3,8 до 5,2 г газа/кг воды, т.е. приблизительно на 27 %. Таким образом, если суммировать эффекты подавляющего воздействия снижения температуры на образование сероводорода в сточной воде и снижения его выброса в атмосферу за счет повышения растворимости, то, в целом,
концентрация коллекторов
H2S в
после
подсводовом снижения
пространстве температуры
транспортируемой сточной воды на 7 С (с 20 до 13 0С) снизится ~ на 51% от исходной (формула 4):
ОКп п - С„,
100 - а 100 - в
-51%
(4)
100 100
где ОК - остаточная концентрация Н2Б в подсводовом пространстве коллекторов после снижения температуры от исходной, %, СисхГ исходная концентрация Н2Б, а -эффект снижения концентрации Н2Б в сточной воде, 30 %, в - эффект задержания Н2Б в сточной воде, 27 %.
Таким образом, исходя из проведенных расчетов, выполняемых с помощью математических моделей и на основании количественных характеристик физических свойств сероводорода, при снижении температуры транспортируемой сточной воды на 7 0С, концентрация K2S в подсводовом пространстве коллекторов снизится ~ на 51% от исходной, что существенно снизит экологическую опасность газообразных выбросов из канализационных сетей для городских регионов. На основании расчета рассеивания можно сделать заключение о возможности достижения значительного снижения концентраций H2S в атмосфере города до нормативных показателей.
Литература
1. В.М. Васильев, Г.А. Панкова, Ю.В. Столбихин. ВСТ, 9, 67-76 (2013).
2. Г.Я. Дрозд, Н.И. Зотов, В.Н. Маслак. Канализационные трубопроводы: надежность, диагностика, санация. Донецк, ИЭП НАН Украины, 2003. 260 с.
3. В.А. Юрченко. Дис. докт. техн. наук, УГНИИ „УкрВОДГЕО", Харьков, 2007. 426 с.
4. Д.Ф. Гончаренко. Эксплуатация, ремонт и восстановление сетей водоотведении. Харьков, Консум, 2008. 400 с.
5. Н.К. Розенталь. Бетон и железобетон. Оборудование, материалы, технология, 1, 96-103, 2011.
6. Е.В. Бригада. дис. канд. техн. наук. ХНУСА, Харьков, 2013. 168 с.
7. В.Я. Кофман. Водоснабжение и санитарная техника, 11, 72-78 (2012).
8. J. Vollertsen, J. Hvitved-Jacobsen. Environ. Eng. 15, 1, 104-109 (2004).
9. З.О. Садыкова, А.С. Сироткин, Е.В. Перушкина, Вестник Казанского технологического университета, 15, 183-186 (2014).
10. С.А. Понкратова, В.М. Емельянов, А.С. Сироткин, М.В. Шулаев. Вестник Казанского технологического университета, 6, 76-85 (2010).
© Е. С. Лебедева - аспирант кафедры безопасности жизнедеятельности и инженерной экологии Харьковского национального университета строительства и архитектуры, [email protected], В. А. Юрченко - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой Безопасности жизнедеятельности и инженерной экологии, Харьковского национального университета строительства и архитектуры, С. В. Свергузова - д-р техн. наук, профессор зав. кафедрой промышленной экологии Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова.
© E. S. Lebedeva - postgraduate of life safety and engineering ecology cathedra of Kharkov National University of Civil Engineering and Architecture, [email protected], V. A.Yurchenko - d.tech.soc, professor, head of life safety and engineering ecology cathedra of Kharkov National University of Civil Engineering and Architecture, E-mail: [email protected], S. V. Sverguzova -d-r tech.soc,, professor, Head the department of industrial ecology of Belgorod state technological university V.G.Shuhova.
