Полный текст

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.

Об авторах

О. И Ручкинова

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

П. П Дьяков

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

В. Ю Россихин

Пермский национальный исследовательский политехнический университет

Список литературы

Статистика

Просмотры

Аннотация - 934

PDF (Russian) - 353

Ссылки

• Ссылки не определены.