ASSESSMENT OF RELATIVE PRESSURE IN THE SEWAGE NETWORK COLLECTOR

Abstract


Sewage networks are one of the main and important urban communications. When sewage move through the collector, harmful gases are released through leaks in wells, penetrate into the residential area of the city and causes a negative impact on the human organism, and also causes chemical deformation of collector and related facilities. One of the gases is hydrogen sulfide, which belongs to the II hazard category. The object of this study is the gravity sewage pipeline of the city, located after the stilling basin, considered in the article as the most problematic, in terms of high concentrations of hydrogen sulfide in the subroof space. The research methods used include the analysis of literature on the topic under study, experimental studies on measuring temperature, atmospheric pressure, studies of the concentration of emitted gases over time in the current collector - collected and systematized data on the constructive characteristics of the collector. Instrumental data on atmospheric air temperature and industrial emissions, atmospheric pressure and pollutant concentrations in industrial emissions of control points of sewage facilities during different seasons of the year are presented. The purpose of the article is to obtain the data necessary for calculating the natural draft depression of the air-gas mixture in the reservoir. According to the results of calculations based on the data collected during the annual period, conclusions are drawn about the absence of natural draft in the drainage collector and the need for taking measures to organize artificial ventilation of the collector, as well as calculating the depression created by the captivating ability of the fluid.

Full Text

Введение В процессе транспортировки сточных вод [1] по канализационной сети происходит выделение газа, насыщенного агрессивными и дурнопахнущими веществами [2, 3]. Газ, аналогично сточной жидкости, за счет различных побуждающих сил транспортируется по сети. В местах выхода сооружений канализационной сети на дневную поверхность выбросы агрессивного газа в атмосферу создают дискомфорт на урбанизированных территориях в связи с дурным запахом от объектов канализации [4, 5]. Зачастую выбросы происходят в людных общественных местах. На урбанизированных территориях следует перераспределить поток воздуха в соседнюю шахту, которая расположена в отдалении от людей [6], или как минимум произвести дезодорацию воздушных выбросов [7]. Также одним из решений вышеописанных проблем считается организация газообмена между канализационной сетью и атмосферой земли (вентиляция канализационной сети). Вентиляция канализационной сети необходима с целью минимизации запахов на дневной поверхности и коррозии в сети [8-10]. О необходимости газообмена в канализационной сети пишут в российской литературе [4, 11]. Газообмен на канализационных сетях РФ в настоящее время практически не реализован. Эксплуатируемые канализационные сети вентилируются только через канализационные стояки домов за счет естественной тяги, а также за счет неплотности сети и специального отверстия в люке колодца. СП не регламентируют иные технические решения по организации газообмена в канализационной сети. В российском законодательстве пока не установлены нормативы по запахам в воздухе. Не определены методы, позволяющие прогнозировать места и количество выбросов на этапах проектирования и эксплуатации канализационных сетей. Выявление мест выбросов агрессивных дурнопахнущих газов осуществляется в основном на основе жалоб населения. Так, в ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» организована «горячая линия» Водоканала, куда петербуржцы всегда могут обратиться с жалобами на запах канализации [12, 13]. Отсутствие стандартных методов, позволяющих без обследования канализационной сети производить расчеты вентиляции сети [14], обосновывать необходимость внедрения систем газообмена/газоочистки, а также моделировать и внедрять рациональные, экономически обоснованные решения, определяет актуальность настоящего исследования. Объект исследования: самотечный канализационный коллектор города, расположенный после камеры гашения напора (КГН). Предмет исследования: аэродинамика движения газа по сети коллектора. Цель исследования: получение данных, необходимых для расчета естественной тяги в коллекторе. Задачи исследования: - изучение и анализ исполнительной, отчетной документации на объект; - получение объективных инструментальных данных о температуре атмосферного воздуха и промышленных выбросов, атмосферном давлении и концентрациях загрязняющих веществ в промышленных выбросах контрольных точек объектов канализации; - аэродинамический расчет относительного давления в порталах канализационной сети. Методы исследования: анализ литературных источников по изучаемой теме; экспериментальные исследования по замеру температуры, атмосферного давления, исследования концентраций газов во времени в действующем коллекторе. 1. Общие сведения об объекте Объектом обследования являлся канализационный коллектор, расположенный в центральной части города. Началом коллектора является камера гашения напора (КГН). Далее стоки поступают в шахты главного разгрузочного коллектора (ГРК) - точки № 5, № 6 на рис. 1. На рис. 1 представлена профиль-схема данного участка канализационной сети. В плане трасса имеет 4 поворота, изменяющих гидравлический режим течения жидкости. Рис. 1. Профиль-схема участка канализационной сети от КГН т. 1 до шахты ГРК т. 6 Fig. 1. Profile diagram of the sewer nerwork section from point 1 to point 6 Коллектор расположен после протяженного (более 6 км) напорного участка со временем транспортирования стоков в анаэробных условиях порядка 3 ч. Дальнейшее движение потока осуществляется в аэробных условиях по самотечному коллектору длиной 1,6 км с очень кратким временем транспортирования - 7 мин. Материал, диаметр и протяженность труб, используемых на данном участке канализационной сети, приведены в табл. 1. Таблица 1 Материалы и диаметры труб на участке канализационной сети Table 1 Materials and diameters of pipes in the sector of sewer network Участок сети Материал трубы Диаметр трубы, мм Протяженность участка, м 1-2 Стеклопластик 1000 780,8 2-3 Железобетон 1000 681,2 3-4 Железобетон 900 12 4-5 Полиэтилен 1000 45,6 5-6 Стеклопластик 1400 94,9 Итого 1614,5 В настоящее время на участке сети 1-2 установлена несъемная конструкция герметизации колодцев водоотводящей сети. Данная конструкция не позволяет осуществлять работу с сетью, в том числе визуальный осмотр и обслуживание, без ее полного демонтажа, а работа сети на данном участке осуществляется без естественной вентиляции. Шахты ГРК т. 5, т. 6 для приема стоков выполнены из железобетона с внутренним диаметром 6 м с камерой для переключения стоков в шахту т. 5. Шахты оборудованы вентиляционными киосками с воздушными фильтрами серии ФАВН (адсорбционные вытяжные низкого давления) [15]. 2. Движение газа в самотечных коллекторах под действием естественной тяги Одной из сил, побуждающих к движению газообразную среду, находящуюся в подсводном пространстве канализационного коллектора, является разность давления ∆P на концах расчетного участка канализационного коллектора - естественная тяга [16, 17]. | Pо - PL | = ∆P, (1) где Pо и PL - давление на концах расчетного участка, Па. Более тяжелый, холодный наружный воздух с температурой t 0нв и плотностью ρнв поступает в приточную шахту. Далее, двигаясь по шахте, увеличивает свою температуру до t 0кол или близкой к ней и уменьшает плотность до ρкол, т.е. становится более легким. Затем воздух движется по коллектору, где сохраняет свою температуру, равную t 0кол, и попадает в вытяжную шахту. В процессе движения по вытяжной шахте воздух охлаждается и становится более тяжелым. У выхода из вытяжной шахты температура воздуха достигает температуры наружного воздуха t 0нв и соответствующей плотности ρнв. Естественная тяга (движение воздуха) между приточным и вытяжным киосками возможна только при условии, если удельный вес воздуха на выходе будет меньше, чем удельный вес воздуха на входе (рис. 2). Рис. 2. Расчетная схема [20] Fig. 2. Design scheme [20] Естественная тяга может возникать только при условии t 0нв ≠ t 0кол, (2) ρнв ≠ ρкол, (3) где t 0нв - температура воздуха на дневной поверхности, К; t 0кол - температура газообразной среды в подсводном пространстве канализационного коллектора, К; ρнв - плотность воздуха на дневной поверхности, кг/м3; ρкол - плотность газообразной среды в подсводном пространстве канализационного коллектора, кг/м3. Другими словами, естественная тяга возникает практически всегда. Как было сказано ранее, естественная тяга возникает ввиду разности давления на концах расчетного участка (P1 и P2). Давление на концах участка можно определить, воспользовавшись основным уравнением гидростатики, по формуле [2] Р = ρgh, (4) где - ускорение свободного падения, ; р - плотность газообразной среды (в зависимости от температуры среды), Соответственно, разность давления на расчетном участке можно записать в следующем виде [18]: ∆Р = Р1 - Р2 = g (ρ1h1 - ρ1h1), (5) где h1 и h2 - высота шахты 1 и 2 соответственно, м. 2. Результаты обследования коллектора В 2019 г. были проведены лабораторные исследования и инструментальные замеры качества сточных вод, атмосферного воздуха, выбросов, интенсивности запаха на участке от т. 1 до т. 6. По результатам обследования было установлено, что среднее за период наблюдений содержание сероводорода в подсводовом пространстве коллектора составляло 86,5 мг/м3 [19]. Очевидно, что высокоагрессивная газовая среда на участке от КГН до шахты ГРК т. 6 оказывает критическое воздействие на конструктивные элементы шахт путем биохимической коррозии, а также на железобетонные трубы коллектора [20]. По степени агрессивности к бетону весь участок от т. 1 до приемной камеры шахты т. 6 относится к сильноагрессивному согласно ГОСТ 31384-2017 «Защита бетонных и железобетонных конструкций от коррозии». Трасса коллектора от т. 2 до т. 4 выполнена в железобетонном исполнении, как и шахты ГРК. Дальнейшая эксплуатация коллектора и шахт в подобном режиме может привести к увеличению аварийных ситуаций с непредсказуемыми последствиями для инфраструктуры города. Необходимы мероприятия по поддержанию уровня сероводорода на участке сети в допустимых пределах. В связи с этим требуется оценка естественной тяги в коллекторе водоотводящей сети для принятия необходимых решений по вентилированию данного участка. 3. Результаты расчета относительного давления в порталах канализационной сети В качестве расчетного участка рассмотрен участок канализационной сети от КГН т. 1 до шахты т. 6. В КГН т. 1 имеется приток сточных вод по напорному трубопроводу. Расчетный участок разбит на три участка с опорными точками, в которых производились замеры физических параметров атмосферного воздуха и промышленных выбросов, необходимых для аэродинамического расчета: - КГН т. 1 - т. 4 - колодец; - т. 4 - шахта т. 5; - шахта т. 5 - шахта т. 6. Движение газа может идти по двум направлениям попутно потоку сточной жидкости (из КНГ т. 1 в шахту т. 6) или противопутно (из шахты т. 6 в КГН т. 1). С точки зрения побуждающих сил движение газа по первому варианту попутно с потоком сточной жидкости является более рациональным. Произведен расчет естественной тяги для каждой точки сети. В качестве плоскости сравнения принята самая высокая отметка участка сети КГН т. 1 (отм. 153,5 м). Для портала сравнения (точка с максимальной отметкой) относительное давление, Па, определяется по формуле Ротн.порт = g · hпорт · ρпорт. (6) Для сравниваемых порталов относительное давление, Па, определяется по формуле (7): Ротн.порт = g · hат · ρат + g · hпорт · ρпорт = Рат + Рпорт, (7) где hпорт - высота портала, м; hат - высота портала до плоскости сравнения, м; g - ускорение свободного падения, м/с2; ρат - плотность воздуха на дневной поверхности, кг/м3; ρпорт - плотность газообразной среды в подсводном пространстве канализационного коллектора, кг/м3. Значения ρат и ρпорт определялись по таблицам в зависимости от температуры воздуха атмосферного на дневной поверхности (Татм) и температуры газообразной среды в подсводном пространстве коллектора в портале (Тпорт). Разность давления на расчетном участке определяется в соответствии с формулой (5): ∆Р = Р1 - Р2. Расчеты проведены для всех дней, когда осуществлялся отбор проб и замеры физических параметров атмосферного воздуха и промвыбросов в контрольных точках. Исходные данные для расчета приняты на основании натурных замеров. Высотные отметки приведены на профиле участка сети (см. рис. 1). Высотные отметки верха шахт т. 5 и т. 6 приняты с учетом высоты вытяжной трубы от венткиосков с фильтрами ФАВН = 4 м. Результаты расчетов представлены в табл. 2. Таблица 2 Расчет естественной тяги на участке сети от КГН т. 1 до шахты ГРК т. 6 Table 2 Calculation of natural draft in the network section from point 1 to point 6 Портал Высота портала Высота до плоскости сравнения Ускорение свободного падения Температура атмосферного воздуха Атмосферное давление Плотность атмосферного воздуха Температура воздуха в портале Плотность воздуха в портале Относительное давление портала Относительное давление портала до плоскости сравнения Суммарное относительное давление Естественная тяга (депрессия) Дата, 2019 г. hпорт hАТ g Татм Ратм rАТ Тпорт rпорт Ротн. порт Рплос Poтн DР м м м/с2 °С мм рт. ст. кг/м3 °С кг/м3 Па Па Па Па т. 1 2,9 9,81 8 745 1,23 12 1,211 34,5 34,5 24,05 т. 4 2,47 17,23 9,81 8 746 1,233 16 1,193 28,9 208,41 237,3 -202,9 ш. 5 5,6 20,86 9,81 10 746 1,221 16 1,193 65,5 249,86 315,4 -78,1 ш. 6 21,89 18,27 9,81 10 746 1,221 16 1,193 256,2 218,84 475,0 -159,6 т.1 2,9 9,81 19 745 1,185 22 1,173 33,4 33,4 19,06 т. 4 2,47 17,23 9,81 20 745 1,181 23 1,169 28,3 199,62 227,9 -194,6 ш. 5 5:6 20,86 9,81 20 745 1,181 27 1,161 63,8 241,68 305,5 -77,5 ш. 6 21,89 18,27 9,81 20 745 1,181 27 1,161 249,3 211,67 461,0 -155,5 т. 1 2,9 9,81 24 749 1,171 25 1,16S 33,2 33,2 17,07 т. 4 2,47 17,23 9,81 24 749 1,171 22 1,13 28,6 197,93 226,5 -193,3 ш. 5 5:6 20,86 9,81 25 749 1,171 24 1,171 64,3 239,63 304,0 -77,4 ш. 6 21,89 18,27 9,81 25 749 1,171 26 1,165 250,2 209,88 460,0 -156,1 т. 1 2,9 9,81 16 747 1,196 19 1,19 33,9 33,9 14,08 т. 4 2,47 17,23 9,81 16 747 1,196 19 1,19 28,8 202,16 231,0 -197,1 ш. 5 5,6 20,86 9,81 16 747 1,196 20 1,186 65,2 244,75 309,9 -78,9 ш. 6 21,89 18,27 9,81 16 747 1,196 21 1,182 253,8 214,36 468,2 -158,3 т. 1 2,9 9,81 5 749 1,25 13 1,202 34,2 34,2 16,10 т. 4 2,47 17,23 9,81 5 750 1,25 6 1,244 30,1 211,28 241,4 -207,2 ш. 5 5:6 20,86 9,81 6 750 1,244 15 1,21 66,5 254,57 321,0 -79,6 ш. 6 21,89 18,27 9,81 6 750 1,244 21 1,185 254,5 222,96 477,4 -156,4 В результате расчетов относительного давления в расчетных точках по трассе сети КГН т. 1 - шахта т. 6 установлено отсутствие депрессии, создаваемой естественной тягой. Разница относительного давления порталах: т. 4 - колодец, шахта т. 5, шахта т. 6 относительно плоскости сравнения КГН т. 1 - отрицательная. Рис. 3. Относительное давление на участке сети от КГН т. 1 до шахты т. 6 Fig. 3. Relative pressure in the network section from point 1 to point 6 Проведенные расчеты показали, что движение газа в весенний, летний и осенний периоды происходит противопутно потоку сточной жидкости из шахты т. 6 в КГН т. 1 (рис. 3). Заключение Установлено, что транспортирование стоков по самотечному коллектору от т. 1 до шахт ГРК т. 5, т. 6 является постоянным источником образования сероводорода в высоких концентрациях и причиной микробиологической коррозии канализационной сети и сооружений на ней. Выполненные расчеты показали отсутствие естественной тяги в водоотводящем коллекторе. Движение газа в весенний, летний и осенний периоды происходит противопутно потоку сточной жидкости из шахты т. 6 в КГН т. 1. Необходимы мероприятия по организации искусственной вентиляции коллектора. Для расчета необходимой депрессии, создаваемой вентиляционной установкой, требуется расчет депрессии, создаваемой увлекающей способностью жидкости.

About the authors

O. I Ruchkinova

Perm National Research Polytechnic University

P. P Diakov

Perm National Research Polytechnic University

V. Y Rossikhin

Perm National Research Polytechnic University

References

  1. Васильев В.М., Новикова А.М. Способ организации газообмена на канализационной сети // Информационно-технический листок № 90-112 / ЛДНТП. - Л., 1990. - 35 с.
  2. Assessment of pH shock as a method for controlling sulfide and methane formation in pressure main sewer systems / Oriol Gutierrez [et al.] // Water research. - 2014. - № 48. - Р. 569-578.
  3. Gerаrs M.N. Аreviev of dаngerous gаzez in sаnitаri sewers // Рyblic Works. - 1982. - Vol. 113, № 10. - Р. 34-36.
  4. Васильев В.М., Малков А.В. Газы в канализационной сети их вред и пути ликвидации // Техника и технологии мира. - 2016. - № 3-4 (81-82). - С. 48-53.
  5. Рублевская О.Н. Мероприятия по предотвращению распространения неприятных запахов на объектах ГУП «Водоканал Санкт-Петербурга» // Водоснабжение и санитарная техника. - 2013. - № 10. - С. 46-55.
  6. Sewer ventilation // Minimization of Odors and Corrosion in Collection Systems. - 2005. - Chapter 6. - P. 6-10.
  7. Жмаков Г.Н. Водоотводящие сети и сооружения // Техника и технологии мира. - 2015. - № 6 (74). - 48 с.
  8. James P., James J. Ventilation, Odor and Corrosion Control for Large Diameter Collection Systems. - 2012. - № 6. - Р. 1-32.
  9. Joyce J., Hunniford Ch., Plummer A. Implementing vapor phase odor control on large diameter interceptor systems // Biosolids and Odor and Corrosion, Conference & Expo. - 2013. - Р. 1-31.
  10. Parker W.J., Ryan H.A Tracer study of headspace ventilation in a collector sewer // Journal of the Air & Waste Management Association. - 2011. - Dec. - Р. 581-592.
  11. Васильев В.М. Почему необходимо вентилировать канализационные коллектора // Подземное пространство мира. - 1993. - № 5-6. - С. 12-18.
  12. Снопченко И. «Неприятно, но не опасно»: чем воняет в Петербурге, и как с этим борются власти [Электронный ресурс] // ИА «Диалог». - URL: https://topdialog.ru/2016/ 07/05/nepriyatno-no-ne-opasno-chem-vonyaet-v-peterburge-i-kak-s-etim-boryutsya-vlasti/ (дата обращения: 22.02.2019).
  13. Лобановский А. Зловонный Петербург стыдливо «задушили» [Электронный ресурс]. - URL: http://ok-inform.ru/stroitelstvo/zhkkh/53466zlovonnyj-peterburg-stydlivo-zadushili.html (дата обращения: 29.01.2016).
  14. Бизенков В.Н. Стационарные машины. Расчет вентиляторных установок шахт. - Кемерово: Тип. ГУ КузГТУ, 2005. - 67 с.
  15. Дезодорация газовоздушных выбросов объектов канализационной сети. Ч. 2 [Электронный ресурс] // Все о ЖКХ. - 2011. - № 2 (10). - С. 50-51. - URL: https://rucont.ru/ efd/573405 (дата обращения: 29.01.2016).
  16. Медведев Б.И., Гущин А.М., Лобов В.Л. Естественная тяга глубоких шахт. - М.: Недра, 1985. - 77 с.
  17. Васильев В.М. К расчету естественной тяги канализационных коллекторов // Подземное пространство мира. - 1994. - Вып. 1. - 131 с.
  18. Лапшев Н.Н. Гидравлика. - М.: Академия, 2007. - 268 с.
  19. Дрозд Г.Я. Коррозионное разрушение, прогнозирование степени агрессивности эксплуатационной среды и обеспечение надежности канализационных коллекторов на стадии проектирования // Вода и экология. Проблемы и решения. - 2013. - № 1. - С. 40-56.
  20. Малков А.В. Предотвращение коррозии конструкционных материалов в системах водоотведения на основе организации газообмена: дис. … канд. техн. наук. - СПб., 2017. - 179 с.

Statistics

Views

Abstract - 21

PDF (Russian) - 20

Refbacks

  • There are currently no refbacks.

Copyright (c) 2020 Ruchkinova O.I., Diakov P.P., Rossikhin V.Y.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial 4.0 International License.

This website uses cookies

You consent to our cookies if you continue to use our website.

About Cookies