CC BY
31СТРОИТЕЛЬСТВО И ЖИ ЛИЩНО-КОММУНАЛЬНОЕ ХОЗЯЙСТВО
УДК 628.24.004.12
МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ КАЧЕСТВА ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ СРЕДЫ КАНАЛИЗАЦИОННЫХ КОЛЛЕКТОРОВ
ГОУ ВПО «Луганский университет имени Владимира Даля».
Институт строительства, архитектуры и ЖКХ
Аннотация. Приведена методика определения качества эксплуатационной среды канализационных коллекторов, позволяющая оценивать степень агрессивности сероводородной среды к бетону и принимать решения по его защите, а также характеризовать загазованность трубопроводов и прогнозировать их долговечность еще на стадии проектирования.
Ключевые слова: степень агрессивности среды, сероводород, канализационный коллектор, бетон, коррозия, прогнозирование.
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 воздушно-газовая 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
Г.Я.Дрозд, М.Ю. Хвортова
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
ПДКН. = 0,08 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 H2SO4 рН раствора Скорость коррозии бетона Концентраци я H2 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.
м
Анализ исследований и публикаций.
Для прогнозирования скорости образования сульфидов (8) в напорном трубопроводе в свое время была предложена зависимость [3]:
— = 0,057 • 10-3 • ХПК • (1,07)г-20 • Д- (1 + 0,037Д) (1)
&
Общее количество сульфидов в конечной точке напорного трубопровода (¿2) предлагалось вычислять по эмпирической формуле:
Б2 = 0,01312 • t • БПК • (1,07)г-20 • (12Д + 0,12)+ ¿1, (2)
где Т - температура сточной жидкости, 0С;
Д - диаметр трубы, дюймы;
¿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. К Ротегоу [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 • 1,07т-20 - 0,64(/ • # • (/)&• , (3)
Л
где V - скорость потока воды, м/с;
&т - гидравлическая глубина, м;
1 - 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 окислительно-восстановительного потенциала среды (ЕК); д) зависимость биогенного
образования сульфидов от соотношения SO42-/ ХПК; е) зависимость потерь сероводорода водой (Д H2S) от турбулентности потока ^е)
При натурных исследованиях образование сероводорода в сточной воде в анаэробных условиях канализационных сетей описывается зависимостью (4) с достоверностью г = 0,74:
/ 2- \-0,72
[Н2$] = 0,0142• Т1,744 • Д2,878^0,464)• , (4)
1 2 1 ХПК
V /
где Н2 $ ] - концентрация сероводорода в воде, мг/л;
Т - температура, 0С;
t - время пребывания в анаэробных условиях, час; - 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 г = 0,7 может быть определена по эмпирической формуле (5):
Н2 $пов = 7 • Т °,°34 [Н2$ ](°,33Т 0,357), (5)
где Н2 ¿пов - концентрация сероводорода в воздухе трубопровода, мг/м3;
Т - температура, 0С;
Н2 $ ] - концентрация сероводорода в воде, мг/л.
При изменении турбулентности потока сточной жидкости по длине трубопровода (Яе2 > ЯеО зависимость (5) с достоверностью г = 0,79 приобретает вид (6):
Н Б = 7 • т°,°34 [Н $]х
2 пов 2 J
I, (6)
33Т0,357 > 4 '
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 (г = 0,79) может быть определена по формуле (7):
Колодец и трубопровод О перепадной колодец л Вентиляционный стояк ^ Место образования провалов
Рисунок 2 - Разрушение канализационного коллектора агрессивной эксплуатационной газовой средой, обусловленной конструктивными особенностями сооружения
ук6 = 0,073 • Н2Бпов + 0,136, (7)
где б - скорость коррозии бетона, мм/год;
Н поп ' 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 изменении 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.
Список использованных источников:
1. ДСТУ Б В.2.6-145:2010. Захист бетонних i залiзобетонних конструкцш ввд корози. Загальт техтчт вимоги (ГОСТ 31384:2008, NEQ). - Кив: Мшрегюнбуд Украши, 2010. - 52 с.
2. Дрозд Г.Я. Коррозионное разрушение бетонных канализационных коллекторов /Г.Я.Дрозд // Водопостачання та водовщведення, 2012, №1. - с. 30-34.
3. Klose N. Biogene Schwefelsaurekorrosion / Noibert Klose // Abwassertehnik. - 1985. - Bd. 36. - №1. - s. 13-24.
4. Biochemika koros betonu ve stokach: V conferencia "Ochrana
stavebneto diela pred korosion". - Bratislava, 1986, s. 11-76.
5. Читаишвили Т. Тионовые бактерии как фактор коррозии бетонных сооружений, омываемых сероводородными минерализованными водами / Т. Читаишвили // Иванов Ф.М., Горшин С.Н. Биоповреждения в строительстве. М: Стройиздат, 1984. - с. 193-199.
6. Микробная коррозия и ее возбудители: учеб. пособ. / Е.И. Андреюк, В.И. Билай, Э.З. Коваль, И.А. Козлова; Наукова думка. - Киев: б.и. , 1980. - 287 стр.
7. Pomeroy R.D. The forecasting of sulfide Buildup rates in sewers / R.D. Pomeroy, I.D. Parkkurst // Progr. wat. Techn., 1977, №9. - s. 53-63.
8. Приближенная оценка агрессивности сточных вод с точки зрения развития биогенной коррозии бетона самотечных канализационных коллекторов: сб. науч. тр. / М - во высш. обр. Украины.- Киев: УМК ВО, 1992. - 263 с.
Дрозд Геннадий Яковлевич, доктор технических наук, профессор^^^ @mail.ru, Луганская Народная Республика, Луганск, Луганский университет имени Владимира Даля.
Хвортова Марина Юрьевна,кандидат технических наук, доцент,
[email protected], Луганская Народная Республика, Луганск, Луганский университет имени Владимира Даля.
METHODOLOGY OF QUALITY DETERMINATION OF OPERATIONAL ENVIRONMENT OF SEWAGE COLLECTORS Drozd G., Khvortova M.
Abstract. The proposed methods of quality determination of operational environment of sewage collectors allow to estimate the degree of aggressiveness of sulphurated hydrogen environment to the concrete, to make decisions on its protection, to characterize gas contamination of pipelines and forecast their longevity yet on the stage ofplanning.
Keywords: degree of environment aggressiveness, sulphurated hydrogen, sewage collector, concrete, corrosion, forecasting.
Drozd Gennadij Jakovlevich, doctor of technical Sciences, Professor, drozd.g @mail.ru, Luhansk People's Republic , Luhansk, Luhansk university of the name Vladimira Dalya Khvortova Marina Jurievna, candidate of technical Sciences, associate Professor, [email protected], Luhansk People's Republic , Luhansk, Luhansk university of the name Vladimira Dalya.
