Разработка устройства определения газа в канализации

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Южный Федеральный Университет

Институт управления в экономических, экологических и социальных системах

Кафедра техносферной безопасности, экологии и химии

Отчет по практике

Магистрант группы УЭмо 2-1 Трихин М.С.

Руководитель к.т.н., доцент каф ТБЭХ Мясоедова Т.Н.

Проверил к.т.н., доцент Воробьев Е.В.

Таганрог 2015



СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Отравление сероводородом

2. Происшествия со взрывом метана

3. Износ трубопровода

4. Методика осмотра канализационных колодцев

5. Некоторые способы борьбы с неблагоприятными процессами в системе водоотведения

6. Канализационный газ как топливо

7. Расширенная оценка сульфидных и метановых выбросов в системе водоотведения средиземноморских городов

8. Разработка дрейфующего сенсора

Заключение

Список использованных источников



Введение

Система канализации является неблагоприятной средой вследствие образования в ней таких соединений как метан (CH4), сероводород (H2S), углекислый газ (CO2), аммиак (NH3) и многих других. Их наличие влечет за собой угрозу для жизни людей, угрозу обрушения и взрыва газа в коллекторе, а также существенному вкладу в образование парникового эффекта[1]. По всему миру отмечаются происшествия, связанные с негативными факторами системы водоотвода.

Образование сероводорода в системе сточных вод представляет собой большую опасность, как для самой системы канализации, так и для обслуживающего персонала. Сероводород образуется в биопленке в трубах активными сульфатредуцирующими бактериями. Поднимаясь к своду трубы и вступая в реакцию с водой, образуется серная кислота, которая приводит к постепенному износу трубопровода и его обрушению.

Также сероводород является чрезвычайно токсичным газом. В небольших количествах он повсеместно распространен в природе. Поэтому человек сначала игнорирует неприятный запах, а далее уже может не почувствовать его присутствие. Имеются данные о летальных исходах среди обслуживающего персонала даже при малых концентрациях газа в воздухе (0.03 %). Образование метана в системе канализации является очень серьезной проблемой. По всему миру зарегистрированы случаи, связанные с взрывами газа в сточных коллекторах. Это может происходить по целому ряду причин, связанных с человеческой деятельностью, так и по иным причинам. Так, например, в Японии произошел взрыв образований метана в канализации вследствие цунами. В результате крупная сеть трубопровода вышла из строя вместе с колодцами, что привело к выходу из строя сети водоотведения и крупному экономическому ущербу. Основная доля взрывов метана связана с возникновением искры при ремонтных работах в коллекторе. В результате этих нежелательных ситуаций гибнут люди.

1. Отравление сероводородом

В «Авторском ресурсе врача-исследователя Воробьева К.П.» описан случай отравления людей сероводородом на одном из предприятий Луганской области[3]. Одна из рабочих этих сооружений оказалась в загазованном помещении и потеряла сознание. Через 1 час ее обнаружил муж, спустился в загазованное помещение для оказания помощи и тоже потерял сознание. Прибывший врач скорой помощи неправильно оценил опасность и тоже спустился в загазованное помещение без средств индивидуальной защиты. В результате он также потерял сознание. Через 20 минут был найден изолирующий противогаз, и пострадавшие были извлечены из очага поражения. Женщина погибла на месте. Пострадавший работник очистных сооружений Г и пострадавший врач Х были без сознания. Время их нахождения в очаге поражения составило соответственно 50 и 20 минут.

Пострадавшие были доставлены в реанимационное отделение районной больницы, а затем в областной реанимационный центр. Состояние пострадавших оценивалось как крайне тяжелое, сохранялось коматозное состояние. Степень поражения мозга по шкале Глазго у пострадавшего Г - 6 баллов, у пострадавшего Х - 7 баллов.

Сразу при поступлении в областной реанимационный центр (через 5 часов с момента отравления) после иньекций препаратов цитохрома больным в срочном порядке проведены сеансы гипербарической оксигенации (ГБО).

После первого сеанса ГБО пострадавший Х. пришел в сознание, в дальнейшем ему проводилось лечение, направленное на купирование последствий токсической и гипоксической энцефалопатии, включая сеансы ГБО N 6 , цитомак, ноотропы, глюкокортикоиды, энтеросорбцию. На 9-е сутки, в удовлетворительном состоянии больной был выписан для продолжения лечения у невропатолога по месту жительства.

У пострадавшего Г. с более глубоким нарушением сознания, несмотря на проведение сеанса ГБО нарастали проявления сердечно-сосудистой и дыхательной недостаточности, что потребовало перевода на ИВЛ вначале через интубационную трубку, а затем через трахеостомическую канюлю в течение 20 суток. На фоне базисной терапии у больного Г. на 2-е сутки развилась клиника обширной трансмуральной ишемии миокарда, подтвержденной ЭКГ исследованиями. При проведении стандартной терапии, уже через несколько дней на ЭКГ уменьшилась зона повреждения, а к концу 3-ей недели полностью исчезла ЭКГ картина ишемии, без образования рубца . Все это время больной находился в состоянии глубокой комы. На 21-е сутки у больного восстановилось сознание, и исчезли нарушения витальных функций, еще около 4-х недель потребовалось для полного восстановления памяти, социальной реабилитации больного.

Механизмы патогенного действия сероводорода имеют ряд особенностей. Сероводород является основным патогенным фактором канализационных газов. При острых отравлениях сероводород попадает в организм ингаляционным путем. Благодаря хорошей растворимости в крови быстро достигаются высокие концентрации токсиканта. При этом в первую очередь блокируются железосодержащие ферменты дыхательной цепи: цитохромов и цитохромоксидазы. Происходит блокада клеточного дыхания, прежде всего в центральной нервной системе, что приводит к утрате сознания. Нарушение сознания является типичными синдромами тяжелого отравления сероводородом. Такая форма отравления имеет ряд особенностей, требующих теоретического анализа для выработки оптимальной тактики терапии.

Таким образом, становится понятно, что отравление сероводородом носит весьма серьезный характер и способно привести к тяжелому отравлению, неблагоприятным последствиям для здоровья и летальному исходу.

метан канализационный газ водоотведение



2. Происшествия с взрывом метана

Если отравление сероводородом в коллекторе среди людей регистрируются не так часто, то взрыв метана, образовавшегося в канализации, является более распространенным явлением. Так, например, сравнительно недавно, 17 марта 2015 года произошел взрыв метана в канализации Красноармейского района Волгограда. В результате взрыва образовалась воронка глубиной в семь метров[4]. При этом не было ни огня, ни дыма, но куски асфальта разлетелись на несколько метров вокруг, как рассказали очевидцы. В результате взрыва обрушились бетонные перекрытия коллектора. «Для того чтобы ремонтники могли заглянуть внутрь, подогнали подъемный кран. Чтобы кран мог работать, пришлось срезать электрические провода», - сообщила пресс-секретарь МУП "Горводоканал Волгограда" Анна Степнова. В результате без света остались соседние дома.

Приведенный пример далеко не единственный. Подобные происшествия возникали во всем мире, сопровождаясь неизменно экономическим ущербом и людскими жертвами. Так, например, 06.12.1996 г. в городе Сан-Хуан, Пуэрто-Рико, прогремел мощный взрыв метана в канализации. В результате происшествия 33 человек погибло, 80 человек было ранено и произошло обрушение крупного здания. 24 марта 2014 года в чешской столице Праге прогремел подземный взрыв канализации. Число пострадавших достигло 26 человек, к счастью, обошлось без гибели людей. Однако, первый этаж прилегающего здания был полностью разрушен.

3. Износ трубопровода

Не менее значимой проблемой является разрушение и обрушение элементов канализационной сети, которые являются важной составляющей жизнеобеспечения любого города. Исследования и практика эксплуатации канализационных сетей показывают, что они подвержены быстрому и нередко непредсказуемому износу. В крупных городах ежегодно происходят аварии, вызванные обрушением железобетонных канализационных труб. При этом в грунте образуются воронки, иногда перекрывается канализационный сток, сточные воды разливаются по поверхности, загрязняют окружающую среду, затрудняется движение транспорта, создаётся угроза для безопасности населения. По мнению специалистов НИИКВОВ, отказы коллекторов приводят к техногенным авариям с элементами катастрофы и вызывают ущерб в десятки и сотни миллионов рублей[5].

Сероводород, поднимаясь к своду труб, вступает в реакцию с водой и образует серную кислоту. Кислота с течением времени разъедает бетонные конструкции, превращая их в пастообразную массу. Многочисленные обследования коллекторов сточных вод показывают, что наибольшее выделение сероводорода наблюдается в местах, где сточные воды из напорных трубопроводов изливаются в самотёчные участки, а также в перепадных колодцах. Другими участками с интенсивным выделением сероводорода из сточных вод являются места подключения стоков, имеющих повышенную температуру и пониженное значение рН (повышенную кислотность), а также стоков, загрязненных органическими веществами -- отходами кожевенного производства, предприятий по переработке мяса, рыбы, заводов безалкогольных напитков.

4. Методика осмотра канализационных колодцев

Системы водоотведения периодически обследуются путем прохода трасс и внешнего осмотра, а также проверки действия сетевого оборудования[6]. Осмотр проводится по специальному графику и по заранее запланированному маршруту не менее 6 раз в год, а отдельные участки просматриваются чаще. На маршрут выходит бригада из двух человек, которая производит осмотр колодцев (состояние крышек, плотность их прилегания и т.д.), прилегающих к ним участков земли (отсутствие подозрительных и посторонних предметов, разрывов земли и т.д.), а также проверяет наличие газов специальными приборами. Спуск людей при осмотре колодцев не разрешается. Не реже двух раз в год происходит обследование состояния арматуры. Бригада из трех человек, снабженная необходимой экипировкой и снаряжением. Производит необходимые работы. При этом два человека находятся на поверхности, а осмотрщик спускается в колодец в специальном противогазе с удлиненным шлангом, выходящим на поверхность. При выполнении работ необходимо отсутствие загазованности в колодце, для чего предварительно происходит проверка при помощи специальных приборов. При наличии загазованности колодец вентилируется.

Таким образом, становится очевидной проблема образования газа в системе сточных вод, так как их наличие может привести к различным неблагоприятным последствиям. Рассмотрим методы борьбы с этими факторами.

5. Некоторые способы борьбы с неблагоприятными процессами в системе водоотведения

В теории построения канализационных сетей и сетей водоотведения предполагается, что их наклон, расположение, размеры и другие характеристики будут способствовать тому, что их очистка будет происходить естественным путем[7]. То есть она будет самоочищаться. На практике, к сожалению, этого процесса не возникает и образуется осадки и отложения, способствующие развитию неблагоприятных процессов. В частности, развиваются бактерии, производящие сероводород и метан, а также другие соединения.

Существует ряд мер, направленный на борьбу с отложением осадка в канализационных трубах. Среди методов, применяемых сегодня, очистка труб механическим способом, промывка гидродинамическим способом, химический способ промывки, промывка канализации термическим способом. Также в разной степени распространены методы обеззараживания стоков, например, хлорирование сточных вод, озонирование сточных вод, дезинфекция стоков ультрафиолетом, а также многие другие. Рассмотрим их более подробно.

Суть механического метода заключается в помещении в трубу вращающегося устройства, которое производит очистку труб. Однако, этот метод недостаточно эффективен и не всегда может быть применим.

Гидродинамический способ очистки представляет собой промывку труб водой, находящейся под высоким давлением (до 300 атмосфер). До недавнего времени данный способ очистки был связан с применением автомобиля с насосной техникой, что затрудняло его применение в многоквартирных домах. Однако, на сегодняшний день существует переносное оборудование для этих целей. В качестве примера можно привести технику торговой марки Керхер (Karcher).

Термический способ прочистки схож с гидродинамическим, за исключением того, что применяется вода, подогретая до температуры 120 градусов. Данный способ эффективен на небольших промежутках трубопровода и ввиду высокой стоимости оборудования применяется на крупных предприятиях.

Химический способ промывки эффективен при удалении застарелых и твердых осадков в системе. Под воздействием специального химического состава, который в обязательном порядке сертифицируется, происходит разложение осадка. Однако, ввиду высокой стоимости химических реагентов и оборудования данный метод не всегда целесообразен.

Методы обеззараживания стоков в разной степени способствуют исключению или отсутствию осадка в трубопроводе. Самым распространенным из них является хлорирование стоков. Данный метод обладает наиболее низкой стоимостью по сравнению с другими, а также отличается простотой применения. Однако, этот способ имеет ряд существенных недостатков, так как хлор вступает в реакцию с другими веществами, способствуя образованию соединений, опасных как для человека, так и для флоры и фауны. Среди таких соединений можно выделить хлорфенол, хлороформ, 4-хлористый углерод, бромдихлорметан и др. Кроме того, данные вещества способны накапливаться в донных отложениях и живых организмах. Еще одним существенным недостатком применения данного метода очистки является необходимость хранения хлора в больших количествах, что создает дополнительный риск возникновения опасных ситуаций.

Озонирование стоков по эффективности применения превосходит хлорирование, так как оказывает губительное воздействие на все виды вирусов, а также грибковых спор. Наряду с этим, озонирование стоков обладает рядом недостатков. Применение озона чревато образованием токсичных веществ. Кроме этого, озон при определенной смеси с воздухом образует взрывоопасный газ. Следовательно, озонирование целесообразно после выполнения механической очистки трубопровода от твердых фракций.

Отдельного рассмотрения заслуживает метод дезинфекции стоков ультрафиолетом. Данный метод очистки является физическим процессом, поэтому он исключает образование химических соединений, способных нанести вред человеку. Среди положительных аспектов способа очистки можно выделить следующие: уникальные дезинфицирующие свойства, время прохождения процесса очистки минимально, низкая стоимость процесса, малые габариты установок. Так как обеззараживание происходит на клеточном уровне, не происходит негативного воздействия на воду. Среди всех перечисленных методов и способов очистки стоков и коммуникаций применение ультрафиолета является самым передовым.

6. Канализационный газ как топливо

Относительно недавно BBC опубликовало статью на русскоязычной версии своего сайта о том, что британцы намерены добывать газ из канализации[8]. На первый взгляд данная информация может показаться абсурдной, однако, английские специалисты считают, что система канализации может оказаться настоящим газовым клондайком. Запасы газа в Северном море далеко не безграничны и, как утверждают ученые, газы, получающиеся в результате человеческой жизнедеятельности, способны стать достойной заменой природному газу. Дело в том, что данная необходимость поиска источника энергии является еще и политизированной, так как Британия не хочет быть зависимой от поставок газа из России или Ближнего Востока. К 2020году планируется получение 15 % всех энергоносителей из возобновляемых источников энергии.

Ежегодно Соединенное королевство производит 1,73 млн тонн канализационных отходов, которые потенциально могут стать источником добычи газа.

Летом 2010 года компания British Gas совместно с Thames Water и Scotia Gas Network начали производство биометана, получаемого из отходов деятельности человека. Этим газом снабжались 130 домов в местечке Дидкот, графство Оксфордшир. Дополнительная переработка полученного из канализации газа на заводе British Gas позволила получить метан, который можно использовать для газовых плит.

Наибольшее опасение у потребителей топлива вызывает возможность присутствия неприятного запаха. Однако, как заверяют производители, данный газ не будет ничем отличаться от природного сырья.

Идея использования отходов в качестве топлива далеко не нова. Еще в 10 веке до н.э. ассирийцы использовали данный вид для подогрева воды в банях, в 13 веке Марко Поло обнаружил, что китайцы использовали бочки с экскрементами в качестве топлива. В 17 веке знаменитый писатель Даниель Дефо описал похожую технологию в своей книге. В 1859 году в Бомбее было создано предприятие по переработке экскрементов с помощью анаэробных бактерий, а в викторианской Англии ими топили уличные фонари.



7. Расширенная оценка сульфидных и метановых выбросов в системе водоотведения средиземноморских городов

Производство и наращивание сульфидов и метана в системе сточных вод вызывает ряд неблагоприятных последствий, включая неприятный запах, опасности воздействия на здоровье вследствие его токсичности, а также коррозию и износ трубопровода[9]. С другой стороны, производство метана вносит существенный вклад в образование парникового эффекта. Статья [9] посвящена изучению вклада сульфида и метана в систему водоотведения средиземноморских городов ввиду их климатического расположения, проведению комбинированного анализа их влияния на городские системы водоснабжения, а также для выявления основных инструментов управления, включая контроль выброса вредных веществ.

В материале говорится, что в результате пагубного воздействия сероводорода и его соединений на трубопровод, экономические затраты на восстановление поврежденных линий могут составлять сотни и тысячи евро за метр. Также, в статье говорится о метане - крупном вкладчике в образование парникового эффекта, чей «срок жизни» составляет 12 лет, от которого ущерб выше в 20-25 раз, чем от углекислого газа. В последнем докладе от Межправительственной группы экспертов по изменению климата (МГЭИК), касающегося выбросов парниковых газов, не было рассмотрено производство метана в закрытых или подземных канализационных системах (МГЭИК др., 2006), несмотря на некоторые признаки того, что бытовые сточные воды является одним из антропогенных источников метана.

С относительно мягким дождливым зимой и сухим климатом в летнее время средиземноморский регион, скорее всего, подвергнется неблагоприятному воздействию в ближайшие годы. Средиземноморье сильно подвержено температурным перепадам, наводнениям и засухам. Эти процессы повышают активность бактерий, выделяющих газы, что ведет к снижению качества воды. Поэтому индустрия очистки воды сталкивается с необходимостью повышения стандартов очистки воды и одновременно с попыткой уменьшить выбросы углекислого газа. Материал статьи направлен на попытку качественного и количественного анализа комбинированных систем водоотведения в Средиземноморском регионе. В дальнейшем это позволит развить стратегию по контролю образования газов в городских системах сточных вод.

В статье говорится о ведении работ в испанском городе Л`Ескала, регион Коста-Брава на северо-востоке Испании, который является крупным туристическим центром, страдающем от проблем образования газов в системе сточных вод. Проведенные измерения показывают нахождение сернистых и углеродных соединений в жидкой и газообразной формах. Также проводится онлайн мониторинг на местах для определения количества сульфидов и метана, чтобы выявить динамику развития газов в системе сточных вод. Газовая фаза сероводорода определяется средствами Oddaloger компании Addtek International. Другие пробы проводились в лаборатории института ICRA. Взятие проб производилось в местах, где ожидаема их наибольшая концентрация.

Собранные данные помогут создать модель канализационной сети, с помощью которой можно предсказать динамику развития биологического углерода и соединения серы, формирующие метан и сероводород. Модель по своей природе динамична и позволяет вникнуть в происходящие в биопленке и в основной жидкости биохимические процессы (аэробные, анаэробные и бескислородные). Среди входных характеристик для моделирования применяют следующие данные: расположение сети, размеры труб, длина и наклон, а также гидравлические характеристики - изменение потока и т.д. В дополнение к этому учитываются данные о температуре. Данная модель системы трубопровода позволит в будущем проводить успешное управление системой, выявлять наиболее слабые места и способствовать предотвращению неблагоприятных ситуаций.

8. Разработка дрейфующего сенсора

Большой интерес по данной теме представляет статья, опубликованная в зарубежном журнале Ad Hoc Networks «SewerSnort: A drifting sensor for in situ Wastewater Collection System gas monitoring»[11]. В ней приводится информация о разработке мобильного сенсора, построенного на плавающей платформе. Сенсор, перемещаясь по канализации по течению, производит замеры концентрации в контрольных точках. Устройство передачи данных, встроенное в установку, передает данные о составе газовой среды на приемные станции, расположенные на всем пути следования сенсора. Эти данные передаются по внутренним городским узкополосным сетям на пункт наблюдения.

Данная разработка обладает существенными преимуществами по сравнению с существующими методами мониторинга газовой среды. Во-первых, построение устройства на плавающей платформе позволяет производить мониторинг всей системы изнутри, что является большим преимуществом по сравнению с другими методами определения состава газовой среды. Во-вторых, устройство позволяет получать данные в режиме реального времени. В-третьих, схема устройства обладает значительной простотой построения.

Однако, наряду с рядом преимуществ, данная система обладает рядом недостатков. Ввиду открытости сенсора, он может быть подвержен негативному воздействию среды. Иными словами, попадание влаги, а также специфика зоны нахождения могут негативным образом отразиться на работе устройства. Кроме того, измерения производятся по методу определения диэлектрической проницаемости среды, что не дает разделения по отдельным составляющим из общей газовой смеси. Также геометрическое построение платформы и ее размеры не могут способствовать легкому огибанию препятствий.



Заключение

В результате проведения практической работы и составления отчета были проанализированы зарубежные и отечественные источники, посвященные проблемам, возникающим при эксплуатации канализационных сетей. Из информации, представленной выше, следует, что существует целый ряд проблем, связанных с системой водоотведения. Обрушение сводов канализационных трубопроводов и взрывы метана в коллекторе могут привести к большим экономическим затратам на их устранение, а также привести к человеческим жертвам. Проведение различных мероприятий по устранению неблагоприятных ситуаций не могут полностью исключить образование вредных соединений, либо их проведение требует больших экономических затрат. Вследствие этого задача проведения мониторинга системы канализации является актуальной и требует тщательного и внимательного решения. Использование подвижных установок и иных устройств поможет в будущем моделировать процесс эксплуатации сетей водоотведения, выявлять наиболее уязвимые места, способствовать недопущению аварий, связанных с взрывами метана и отравлением людей сероводородом, снизить денежные затраты на эксплуатацию и ремонт трубопровода.



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. А.В. Коваленко, Е.С. Лебедева Повышение экологической безопасности канализационных систем за счет использования альтернативных источников энергии. Х.: Харьковский национальный университет строительства и архитектуры, 2013. 4 с.

2. Е.В. Вильсон Исследования в области удаления восстановленных соединений серы из сточных вод. Р.: ИЖ «Науковедение», 2013.

3. Н.К. Розенталь Коррозия и защита бетонных и железобетонных конструкций сооружений очистки сточных вод. // Бетон и Железобетон, № 11, 2011, с. 78-85

4. Волоник Г.И., Терехов Л.Д., Сошников Е.В., Стеблевский В.И. Техническая эксплуатация коммунальных систем водоснабжения и водоотведения Хабаровск: изд-во ДВГУПС, 2008 г., 195 с.

5. Jung Soo Lim, Jihyoung Kim, Jonathan Friedman, Uichin Lee, Luiz Vieira, Diego Rosso, Mario Gerla, Mani B. Srivastava SewerSnort: A drifting sensor for in situ Wastewater Collection System gas monitoring // AdHoc 2013, v. 1471 p. 1456-1471

Размещено на Allbest.ur