Методика определения качества эксплуатационной среды канализационных коллекторов

Проблема и ее связь с научными и практическими задачами. Долговечность и безопасность канализационных коллекторов зависит от химического состава стоков и конструктивных особенностей сооружения. Эти два фактора или их сочетание определяют свойства эксплуатационной среды коллекторов.

В напорных коллекторах эксплуатационной средой является сточная жидкость, в самотечных – сточная жидкость и воздушногазовая атмосфера подсводового пространства трубопроводов.

Сточные воды, несмотря на сложный химический состав (минеральные, органические вещества и сопутствующие им микроорганизмы) по своим коррозионным свойствам (жесткости воды, величине рН и содержанию сульфатов – основным показателям, ответственным за I, II и III коррозии) не являются агрессивными к материалу труб [1]. Поэтому напорные трубопроводы не подвержены коррозионному воздействию.

Наличие в самотечных коллекторах двух фаз – жидкости и воздушно-газовой среды предопределяет их потенциальную аварийность, вызванную коррозионным разрушением труб и санитарно-экологическую опасность в виде канальных газов (сероводорода, углекислого газа, меркаптана, аммиака и пр.) [2]. Именно наличие последних в подсводовом пространстве трубопроводов и колодцах обуславливает разрушение участков канализационной сети, осложняет работу эксплуатирующего персонала и приводит к загрязнению атмосферы городов токсичными газами через неплотности люков, вытяжки и вентиляционные стояки.

Опыт эксплуатации канализационных сетей свидетельствует о прямой связи между загазованностью коллектора и его долговечностью. При высокой загазованности коллекторов срок их эксплуатации исчисляется годами, при отсутствии газов, эксплуатация осуществляется многие десятилетия.

Из “букета” канальных газов наибольшую коррозионную (см.

табл. 1) и токсическую угрозу

[ ПДК н 2 s

0,08 ^м ₃ ^г м

представляет

сероводород [3-6].

Сероводород – продукт жизнедеятельности анаэробных сульфатредуцирующих бактерий, развивающихся в бескислородных условиях коллекторов (напорные трубопроводы, иловые отложения лотковой части труб), накапливается в сточной жидкости в зависимости от рН в виде сульфидов и, собственно, сероводорода [2, 3, 6]. При разделе фаз в самотечном трубопроводе из воды в воздушное подсводовое пространство выделяется газообразный сероводород, где под действием тионовых бактерий окисляется в серную кислоту, разрушающую материал труб [5].

Таблица 1 - Сопоставление агрессивности растворов серной кислоты и сероводородной газовой среды к бетону

Сернокислотная коррозия				Сероводород ная коррозия	Степень агрессивности газовой фазы
Концентрация H 2 SO 4	рН раствора	Скорость коррозии бетона		Концентраци я H 2 S, мг/м3 (газовая фаза)
		мм/год	См, за 50 лет
1Н٭	0,16	40,0	200	500	Сильная
0,1Н	1	10,0	50	135
0,01Н	2	2,5	12,5	35
0,001Н	3	0,6	3,0	8	Средняя
0,0001Н	4	0,3	1,5	4
0,00001Н	5	0,08	0,4	2	Слабая
0.00001Н	6	0,05	0,25	1

Примечание: Н - нормальность раствора серной кислоты. 78

Анализ исследований и публикаций.

Для прогнозирования скорости образования сульфидов (S) в напорном трубопроводе в свое время была предложена зависимость [3]:

— = 0,057 ■ 10-3 ■ ХПК ■ (1,07)T-20 ■ Д”1(1 + 0,037Д) (1) dt

Общее количество сульфидов в конечной точке напорного трубопровода ( S ₂ ) предлагалось вычислять по эмпирической формуле:

S 2 = 0,01312 ■ t ■ БПК ■ ( 1,07 ) T ^{- 20} ■ ( 12 Д + 0,12 ) + S 1 ,

где Т – температура сточной жидкости, ⁰С;

Д – диаметр трубы, дюймы;

S ₁ – количество сульфидов в начальной точке напорного трубопровода, мг/л;

t – время пребывания стоков в напорном трубопроводе, час.

Эти зависимости справедливы в случае, если ХПК (химическое потребление кислорода) в 2-3 раза превышает БПК (биологическое потребление кислорода).

В самотечном коллекторе прогнозировать рост сульфидов гораздо труднее, так как находящаяся в нем сточная вода частично сообщается с атмосферой. R. Pomeroy [7], считая что количество растворенного кислорода в воде находится в диапазоне <0,5мг/л, при котором могут образовываться сульфиды, предложил уравнение для самотечных трубопроводов:

— = 0,32 - 10 ^{- 3} ■ БПК ■ 1,07 T ^{- 20} - 0,64 ( z ■ v )% ■ ( i ) d m , ^dt

где v - скорость потока воды, м/с;

d _m – гидравлическая глубина, м;

i - уклон.

Эмпирические формулы (1 - 3) позволяют удовлетворительно оценивать содержание сульфидов в сточной воде. Однако в соответствии с ДСТУ [1] наличие в воде сульфидов и сероводорода не отражается на агрессивности сточной воды. Агрессивностью обладает газообразный сероводород (источник для окисления в серную кислоту), диффузия которого из воды должна подчиняться закону Генри [5]. Однако самотечные коллекторы являются открытой системой, где одновременное движение двух фазовых потоков – воды и воздушно-газовой смеси с различными мгновенными скоростями, особенно при наличии различных местных сопротивлений (перепады, повороты), делают сомнительным применимость данного закона.

Постановка задачи.

В настоящее время проблематичность определения сульфидов в водном потоке и выделяющегося из него сероводорода выдвигают необходимость разработки упрощенной и более точной методики оценки агрессивности и токсичности эксплуатационной среды коллекторов. Для этого необходимо учитывать максимальное количество факторов, влияющих как на биологическое образование сульфидов (рН, температура, количество сульфатов и органики, окислительно–восстановительный потенциал), так и гидравлические параметры потока - скорость и турбулентность, определяющие интенсивность его дегазации.

Изложение материала и его результаты.

Исходя из представлений о биологическом факторе формирования агрессивной среды в коллекторах, были проведены экспериментальные исследования образования сероводорода сульфатредуцирующими бактериями на среде Постгейта «В» [6] в зависимости от различных факторов анаэробной среды [8]. Полученные зависимости представлены на рис. 1 и явились основой для получения эмпирических формул (4 - 6), адаптированных к реальным условиям.

Рисунок 1 - Результаты микробиологических исследований а) зависимость образования сульфидов и сероводорода в жидкости от ХПК; б) зависимость образования сульфидов на среде Постгейта « В » сульфатредуцирующими бактериями от температуры (Т); в) зависимость биогенного образования сульфидов от температуры во времени; г) зависимость образования сульфидов от окислительновосстановительного потенциала среды (Eh); д) зависимость биогенного

образования сульфидов от соотношения SO42-/ ХПК; е) зависимость потерь сероводорода водой (Δ H2S) от турбулентности потока (Re)

При натурных исследованиях образование сероводорода в сточной воде в анаэробных условиях канализационных сетей описывается зависимостью (4) с достоверностью r = 0,74:

,           x f   2-V°,72

[ HS ] = 0,0142 . T 1,7⁴⁴ . t V2^878T 4 ) .| S^ L I      ,      (4)

L 2 J ’                         (ХПКJ

где [ H 2 S ] - концентрация сероводорода в воде, мг/л;

T - температура, ⁰С;

t - время пребывания в анаэробных условиях, час;

SO 2 - концентрация сульфатов в воде, мг/л;

ХПК - химическое потребление кислорода, мгО₂/л.

Экспериментальные исследования стадии дегазации сероводорода из воды выполнены на действующих коллекторах. Концентрация сероводорода в атмосфере трубопроводов при условии постоянной турбулентности потока жидкости с достоверностью r = 0,7 может быть определена по эмпирической формуле (5):

H 2 Snoe = 7 • T0,034 [H 2 S ](0,33T 0,357),                    (5)

где  H2Sпов  - концентрация сероводорода в воздухе трубопровода, мг/м3;

T - температура, ⁰С;

[ H 2 S ] - концентрация сероводорода в воде, мг/л.

При изменении турбулентности потока сточной жидкости по длине трубопровода (Re 2 > Re 1 ) зависимость (5) с достоверностью r = 0,79 приобретает вид (6):

H 2 S noe = 7 . T⁰⁰³⁴ [ H 2 S ] х

0,33 T 0,357 , х [1 + 0,0064(Re - 10 ^{- 6} f ]

Рисунок 2 иллюстрирует связь между конструктивными особенностями коллектора (наличие перепадных колодцев), увеличением турбулентности потока (дополнительный выброс в подсводовое пространство газа) и коррозионным разрушением участков сооружения.

Средняя скорость коррозии бетона труб повышенной плотности под действием сероводородной среды (r = 0,79) может быть определена по формуле (7):

230.0

О= Колодец и трубопровод

'Y Место образования провалов

Рисунок 2 - Разрушение канализационного коллектора агрессивной эксплуатационной газовой средой, обусловленной конструктивными особенностями сооружения vK б= 0,073 ■ H2Sno 6 + 0,136,                (7)

.

где v _{к . б .} - скорость коррозии бетона, мм/год;

H ₂ S _пов - концентрация сероводорода в атмосфере трубопровода, мг/м³.

Для бетона нормальной плотности (более пористого, чем особо плотный бетон) скорость коррозии, определенная по вышеприведенной формуле увеличивается примерно на 30 %.

Многочисленные данные обследований аварийных коллекторов свидетельствуют, что наиболее вероятными местами разрушений трубопроводов являются:

• -    участки сооружения после анаэробных зон (после напорных трубопроводов, в местах изменения продольного уклона с меньшего на больший);

• -    после перепадных колодцев, резких изменений продольных уклонов, изменения направления трассы в плане, в местах подключения к коллектору трубопроводов с более высокой температурой или более низким значением рН воды, чем в основном потоке.

Потенциальная аварийность указанных участков объясняется приведенными выше рассуждениями о формировании агрессивной эксплуатационной среды.

Приведенная методика прогнозирования агрессивности среды открывает широкие практические возможности ее использования:

• -    на стадии проектирования сооружения прогнозная оценка степени агрессивности среды позволяет осуществлять антикоррозионные мероприятия в виде первичной или вторичной защиты трубопроводов на потенциально опасных участках;

• -    на этапе эксплуатации сооружения позволяет оценить степень его загазованности;

• -    при проектировании и эксплуатации коллектора при комплексном использовании данных о качестве газовой среды, параметрах труб и скорости коррозии дает возможность с достаточно высокой степенью вероятности оценить долговечность всего сооружения или отдельных его участков.

Выводы.

• 1.    Впервые разработана и предложена методика прогнозирования качества эксплуатационной среды канализационных коллекторов, позволяющая с достаточно высокой достоверностью (70 – 80 %) оценивать степень агрессивности сероводородной среды к бетону и принимать решения по его антикоррозионной защите, характеризовать загазованность трубопроводов и прогнозировать их долговечность.

• 2.    Методика, в виду отсутствия аналогов, может быть полезна для специалистов, работающих в области проектирования, строительства и эксплуатации канализационных сетей.