Процесс образования сероводорода в канализации и последствия его выделения в окружающую среду



В статье авторы описывают процесс образования сероводорода в канализации и последствия его выделения в окружающую среду

Ключевые слова: канализация, сероводород, экология.

Для обеспечения своевременной и качественной транспортировки стоков, к настоящему моменту создана сложная канализационная сеть. Сточные воды, транспортируемые в данной системе, могут содержать в себе различные биологические и химические загрязнения. Многокомпонентность состава, разнообразность фракций протекающей смеси, а также непостоянство гидродинамики потока приводят к выпадению осадка в лотки сетей и сооружений, а также обрастанию биопленкой стенок коллекторов. Далее в выпавшем осадке идут процессы брожения, сопровождающиеся выделением метана и аммиака. Жизнедеятельность бактерий в закрепившейся биопленке влечет за собой выделение в водную среду сероводорода и углекислого газа. Частично образовавшиеся газы остаются в растворенном виде в сточной воде, другая же их доля выделяется в подсводное пространство канализационных сетей и распространяется по ним.

Из подсводного пространства канализационных сетей через неплотности люков, вентиляцию и дождеприемники (в общесплавных системах) образовавшиеся газы попадают в окружающую среду. Наиболее часто встречающимся последствием данного процесса становится ощущение жителями городов специфического канализационного аромата. В большей степени ответственность за данное явление несет сероводород с свойственным ему запахом «тухлых яиц». Важно отметить, что, хотя запах не является опасным, он приносит массу неудобств жителям городской среды. Например, увеличение утомляемости, снижение трудоспособности, производительности и просто понижение уровня комфорта пребывания [1, 2].

Рис. 1. Процесс образования сероводорода в канализации

Но не только распространение запаха может быть последствием газовыделения на сетях водоотведения. При значительных концентрациях канализационные газы могут приводить к токсическим отравлениям, удушениям или даже летальному исходу. Чаще всего подобные случаи встречаются среди обслуживающего персонала эксплуатирующих компаний (27,5 % от общества числа несчастных случаев) [3]. Кроме того, загрязнение атмосферного воздуха канализационными газами в более низких концентрациях грозит человеку и другим живым организмам раздражением слизистых оболочек глаз и верхних дыхательных путей. Особо остро проблема подобного характера обстоит в южных регионах. Например, для жителей Морокканской префектуры Мохаммедия данное явление стало насущной и очень острой проблемой [4].

Физический и материальный урон человеку и созданной им инфраструктуре могут нанести и разрушения, обвалы и взрывы, возникающие при накоплении газов внутри сетей. Так в канализации интенсивно идет процесс, получивший название газовой коррозии и приводящий к разрушению конструктивных элементов системы [5–8].

Поступление метана и углекислого газа в атмосферу плохо сказывается и на экологическом состоянии окружающей среды. Данные газы способны накапливаться в стратосфере и приводить к явлению, получившему название парникового эффекта.

Представленные возможные последствия выделения газов наглядно отображают актуальность проблемы санитарно-экологической безопасности воздушной среды вблизи канализационных сетей, а также необходимость учета данного явления, как при проектировании сетей, так и при их эксплуатации.

Кроме того, отметим, что особое внимание следует уделять сероводороду, как наиболее опасному и обладающему большим спектром негативных последствий.

Невозможно не отметить, что не все сооружения, расположенные на сети канализации, имеют одинаковый потенциал к образованию и выделению газов. Наравне с весьма безобидными объектами в систему водоотведения могут входить и те, что хранят потенциальную опасность. С технологической точки зрения каждое сооружение обладает индивидуальными параметрами и условиями функционирования, которые в свою очередь влияют на гидро- и аэродинамику внутри объекта. Хотелось бы отметить, что как показывает практический опыт, наилучшим образом выделение газов происходит в сооружениях, расположенных на напорных участках сетей, а также обладающих способностью к дроблению потока и снижению его кинетической энергии. К таким сооружениям можно отнести: канализационные насосные станции (КНС), камеры гашения напора (КГН), перепадные колодцы. Рассмотрим алгоритм эмиссии газов в упомянутых ранее сооружениях более подробно.

Основным узлом выделения газов в КНС служат приемные камеры. В мокром отделение КНС напорные трубопроводы имеют технологический разрыв, что приводит к возникновению контакта сточной жидкости с воздушной средой, а соответственно и насыщению воздуха газами. Статистические данные концентрации сероводорода в КНС, получение Л. И. Лейбовичем [9] говорят о максимальной зафиксированной величине в 347 мг/м3, что в почти в 35 раз больше допустимой концентрации (ПДК) рабочей зоны.

Склонность к повышенному газовыделению имеют перепады различных типов. При истечении сточной жидкости из подводящего трубопровода происходит увеличение поверхности контакта водной и воздушной фаз, что активизирует протекание массообменных процессов. Кроме того, падение жидкости повышает турбулентность потока, что также влечет за собой более активное выделение газов [5]. Также, для перепадов со стояком характерно дополнительное эжектирование потока сточных вод воздухом, затягивающимся через верхний открытый конец.

Особого внимания заслуживают камеры гашения напора (КГН). По своей сути они совмещаю в себе основные причины повышенного выделения газов от представленных выше типов сооружений. Во-первых, в данном виде сооружений осуществляется переход от напорного к безнапорному режиму движения сточной жидкости, как в мокром отделении КНС. В анаэробных условиях напорного подводящего трубопровода КГН активно идут процессы образования токсичных газов. При этом заполнение всего живого сечения трубопровода не дает возможности для протекания массообменных процессов, то есть все образовавшиеся газы сохраняются в растворенном виде в сточной жидкости. При смене режима движения проявляется значительное нарушение баланса концентраций веществ между водной и воздушной фазами, а также резкое увеличение площади контакта этих фаз, что влечет за собой интенсивное выделение газов в подсводное пространство [5], а затем и в окружающую среду. Во-вторых, как и в перепадных колодцах, в КГН гашение энергии потока сточной жидкости чаще всего происходит за счет ее падения с высоты. В данном случае ситуация еще и осложняется наличием постоянного избыточного давления в напорном трубопроводе, что влечет за собой увеличение скорости потока при его выходе в зону с гравитационным движением. В конечном счете это приводит к диспергированию части сточных вод и еще более активной дегазации потока. Множество обследований, действующих КГН, проведены В. М. Васильевым. Так, обследование Филевского коллектора г. Москвы выявило возможность достижения концентрации сероводорода внутри КГН порядка 22 мг/м3 [10]. А в отводящем самотечном трубопроводе после сооружения концентрация повышалась до 40 мг/м3. Подобные результаты были получены и при проведении измерений другими учеными в различных городах России [11, 12]. Отдельно хотелось бы отметить результаты исследований канализационного коллектора в г. Егорьевске [13]. В КГН данного объекта канализования была зафиксирована концентрация сероводорода свыше 300 мг/м3.

Представленные выше статистические данные различных исследований также подтверждают остроту вопроса выделения газов и необходимость учета данного процесса при проектировании и эксплуатации сооружений на сетях. Для проведения данной исследовательской работы было выбрано сооружение КГН, как совмещающее в себе наибольший спектр факторов повышающих эмиссию газов.

Опасность канализационных газов подтверждает необходимость оценивать в процессе проектирования потенциал сооружения к газовыделению, а также определять зону влияния объекта на атмосферный воздух. В конечном счете, для сооружений, наиболее подверженных эмиссии газов, должны быть установлены границы санитарно-защитных зон или определена установка газоочистного оборудования. К сожалению, к настоящему моменту в Российской Федерации (РФ) методика оценки влияния создана только для сооружений станций по очистке сточных вод и не предусмотрены для объектов, расположенных на транспортирующих сетях.

Литература:

1. Богомолов М. В., Кармазинов Ф. В., Костюченко С. В. Методы удаления запахов в системах транспортировки и очистки сточных вод // Водоснабжение и санитарная техника. 2016. № 7. С. 33–43.
2. Bokowa A. H. The Review of the Odour Legislation // Proceedings of the Water Environment Federation. 2010. № 20. C. 492–511.
3. Burlet-Vienney D., Chinniah Y., Bahloul A., Roberge B. Occupational safety during interventions in confined spaces // Safety Science. 2015. № 79. С. 19–28.
4. Taleb A., Kanbouchi I., Souabi S., Chtaini A. Etude de la problématique de la présence de l’H2S dans le réseau d’assainissement de la ville basse de la ville de Mohammedia // Journal of Materials and Environmental Science. 2015. № 6 (8). С. 2137–2147.
5. Малков А. В. Предотвращение коррозии конструкционных материалов в системах водоотведения на основе организации газообмена [Текст]: дис…канд. техн. наук / А. В. Малков. — Санкт-Петербург.: СПбГАСУ, 2017. 179 с.
6. Vollertsen J., Nielsen A., Jensen H., Wium-Andersen T., Hvitved-Jacobsen T. Corrosion of concrete sewers — The kinetics of hydrogen sulfide oxidation // The Science of the total environment. 2008. № 394. С. 162–170.
7. Kuliczkowska E., Parka A. The structural integrity of corroded concrete sewers // Engineering Failure Analysis. 2019. № 104, С. 409–421.
8. Sun X., Jiang G., Philip B., Jurg K. Impact of fluctuations in gaseous H ₂ S concentrations on sulfide uptake by sewer concrete: The effect of high H2S loads // Water Research. 2015. № 81, С. 84–91.
9. Лейбович Л. И., Пацурковский П. А. Моделирование динамики поступления сероводорода в окружающую среду при работе насосов канализационных насосных станций // Вестн. ХНАДУ. 2016. № 72. С. 176–181.
10. Васильев В. М. Филевский коллектор — проблемы эксплуатации, причины разрушений // Подземное пространство мира. 1995. № 3–4. С. 109.
11. Научно-исследовательская работа Канализационные коллекторы г. Новосибирска (руководитель д. т.н., проф. В. М. Васильев).
12. Ахмадуллин Р. Р. Повышение долговечности железобетона в условиях сероводородной коррозии [Текст]: дис…канд. техн. наук / Р. Р. Ахмадуллин. — Уфа.: УГНТУ, 2006. 154 с.
13. Горелик И. Н., Ситницкая Э. А., Штейнберг В. А. Газовая коррозия канализационного коллектора г. Егорьевска // Водоснабжение и санитарная техника. 1984. № 12. С. 3–4.