Моделирование процесса выделения сероводорода в камере гашения напора

При транспортировке сточной жидкости в сетях канализации идут процессы образования и выделения газа сероводорода, что влечет за собой множество негативных последствий. Одним из видов сооружений, наиболее подверженных процессу дегазации, являются камеры гашения напора (КГН). Для обеспечения безопасности функционирования КГН необходимо заблаговременно, на стадии проектирования производить оценку интенсивности возможно выделения сероводорода. В настоящее время подобных методик в нормативной базе Российской Федерации не представлено. В рамках данной работы была разработана и верифицирована модель КГН, соответствующая реальному объекту. Верифицированная компьютерная модель позволит исследовать влияние различных факторов на интенсивность процесса дегазации сероводорода и разработать методику по оценке интенсивности выделения сероводорода в КГН.

Ключевые слова: камера гашения напора, сероводород, сточная вода, ANSYS CFX, компьютерное моделирование.

В результате протекания процессов в канализационных сетях образуется целый перечень газов. Одним из наиболее опасных является газ сероводород (H2S) [1], [2]. Выделение данного соединения в подсводное пространство коллекторов, а также окружающий атмосферный воздух влечет за собой множество негативных последствий:

— приводит к газовой коррозии конструктивных элементов сетей и сооружений [3];

— приводит к обрушениям конструкций и как следствие физическому и материальному урону [4];

— является причиной неприятного канализационного запаха на территориях населенных пунктов [5];

— несет санитарно-гигиеническую опасность для населения [6];

— приводит к ухудшению экологической обстановки [7].

Образование сероводорода в системе канализации определяется деятельностью сульфатредуцирующих бактерий биопленки, которой обрастают смоченные стенки коллекторов и сооружений. Анаэробные процессы, реализуемые сульфатредуцирующими бактериями, приводят к образованию и растворению в сточной воде сульфидов. В зависимости от активной реакции среды сульфиды могут частично или полностью восстанавливаться до дигидросульфида H ₂ S , который в свою очередь может покидать водную среду. Таким образом, количество выделяемого в воздушную среду сероводорода определяется активностью деятельности сульфатредуцирующих бактерий и водородным показателем транспортируемого стока. На рис. 1 представлено долевое соотношение сульфидов и H2S в сточной воде [1] в зависимости от рН.

Рис. 1. Долевое соотношения форм серы в зависимости от рН жидкости [1]

Анаэробные условия, повышающие активность сульфатредуцирующих бактерий, наилучшим образом создаются в напорных участках канализационных коллекторов. Для перехода от напорного к самотечному режиму транспортировки стоков выполняются конструкции колодцев гасителей или камер гашения напора (КГН). Таким образом, поступающие в КГН сточные воды несут в себе повышенное содержание растворенного сероводорода и сульфидов за счет длительного пребывания в анаэробных условиях. При этом в момент выхода сточных вод из подводящих трубопроводов в открытое пространство колодца возникает контакт потока с воздушной средой и начинается перенос образованных газов через границу раздела фаз. Кроме того, конструкции КГН подразумевают снижение энергии поступающего напорного потока за счет падения жидкости, что приводит к увеличению степени его турбулизации [8] и дополнительной реаэрации [9], что также усиливает массообменные процессы. Таким образом, данный вид сооружений является одним из основных мест газовыделения на сети, что так же подтверждается результатами натурных измерений [10].

Также хотелось бы отметить, что необходимость изучения и учета процессов дегазации в канализационных сетях и сооружениях подтверждается не только актуальностью наблюдаемых последствий данного вида выделений, но и требованиями нормативной документации, действующей в Российской Федерации. Согласно Распоряжению Правительства от 8 июля 2015 г. № 1316-р [11] источниками загрязнения атмосферы считаются все объекты, из которых происходит выделение загрязняющих веществ. Сероводород относится к загрязняющим веществам согласно перечню данного документа [11]. Также, в соответствии с действующей редакцией СП 32.13330.2018 [12] при проектировании сетей и объектов сети системы канализации необходимо осуществлять учет процессов выделения и рассеивания дурно пахнущих веществ от источников такого типа. Отметим, что к настоящему моменту СП 32.13330.2018 [12] регламентирует в качестве исходных данных для проектируемых объектов использовать информацию о выбросах загрязняющих веществ и о наличии запаха по объектам-аналогам. Однако каждое сооружение системы канализации имеет множество индивидуальных особенностей, что говорит о невозможности прямого использования результатов работы одного сооружения для оценки работы другого.

Таким образом, особую актуальность приобретает разработка методики позволяющей выполнять оценку интенсивности выделения сероводорода в КГН.

Достижение поставленной цели возможно за счет проведения натурных измерений, а также компьютерного моделирования изучаемого объекта. В рамках данной работы предусматривается разработка модели действующего сооружения КГН № 4, расположенной в городе Череповце Вологодской области, и ее верификация на основании данных натурных измерений [13].

Для моделирования КГН был выбран программный продукт ANSYS CFX , реализующий метод вычислительного гидродинамического анализа. Первым этапом выполнялось конструирование твердотельной расчетной области, имитирующей внутреннее воздушное пространство КГН со следующими геометрическими характеристиками: d _inl = 0,7 м, l _inl = 3 м, i _inl = 0,026, h _inl = 2,0 м, a _inl = 1,7 м, d _out = 1 м, l _out = 3 м, i _out = 0,0016, h _out = 0,7 м, H = 3,5 м, а = 4,4 м, b = 4,0 м, d _open = 0,7 м, h _open = 0,44 м, a _open = 2 м, b _open = 0,65 м. Внешний вид сконструированной расчетной области представлен на рис. 2.

В рамках следующего этапа выполнялась генерация расчетной сетки. Заполнение расчетной области предусматривалось тетраэдрической сеткой с максимальным размером ячейки 0,35 мм. Для пристеночных слоев, контактирующих с транспортируемой жидкой фазой, предусматривалось дополнительное измельчение сеточного поля при помощи функции Inflation. Качество сконструированной сетки проверялось по таким параметрам как Aspect Ratio, Orthogonality Quality, Mesh Expansion Factor и YPlus и не превышало допустимых величин ( Aspect Ratio = 52, Orthogonality Angle = 32,5˚, Mesh Expansion Factor = 12, YPlus = 52–298).

На рис. 3 представлены граничные условия моделирования. Поступление потока сточной жидкости в модель осуществлялось через условия Inlet _1 и Inlet _2. Отведение потока сточной жидкости осуществлялось через границу Outlet , для которой определялось отсутствие избыточного давления. Обмен с окружающей воздушной средой обеспечивался через люк сооружения посредствам граничного условия Open , где также отсутствовало избыточное давление. Для стенок трубопроводов и самого сооружения задается граничное условие Wall с шероховатостью, соответствующей шероховатости материала.

Рис. 3. Граничные условия моделирования КГН

Начальным условием моделирования было определено присутствие в расчетной области только воздуха. Расчет гидро- и аэродинамических процессов осуществлялся по механизму модели турбулентности k- Epsilon . Также для оптимизации расчета модель КГН была определена, как изотермическая с температурой 18 ˚С, что соответствовало температуре воздуха, определенной при натурных измерениях [13]. Модельный расчет считался завершенным при уровнях средних невязок ( RMSResidual ) менее 10– ⁴ и общих дисбалансах ( Imbalance ) в системе для всех сред менее 1 %.

Численная проверка результатов моделирования проводилась на основании показаний, полученных во время натурных измерений. Основной сложностью осуществления верификации стало отсутствие возможности отбора пробы сточной воды в действующей КГН в напорном трубопроводе. Максимальное значение концентраций растворенного сероводорода в пробе сточной жидкости из падающего потока составляло CL, _{H 2 S} = 0,418±0,105 мг/л.

В связи с этим для определения концентрации растворенного сероводорода в поступающих в модель стоках была использована модель прогнозирования, представленная в работах L. Carrera [14] и T. Hvitved-Jacobsen [1]:

где r _o — коэффициент дефицита растворенного кислорода для реаэрации на канализационном перепаде; С _{L , H 2 S _ inlet} и С _{L , H 2 S _ outlet} — концентрация сероводорода в жидкости до и после падения потока, г/м ³ ; K _H — коэффициент реаэрации в перепаде, 1/м; Н — высота перепада, м; f — параметр, учитывающий диссоциацию сульфидов.

В соответствии с полученными в натурном эксперименте исходными данными было определено, что С _{H2S_inlet} = 4,5 мг/л. Рассчитанное значение было использовано при установке граничных условий Inlet _1 и Inlet _2.

Гидродинамическая картина, получаемая при моделировании КГН представлена на рис. 4. Полученные результаты по объемному заполнению области расчета и скорости потока хорошо соотносятся с прогнозируемыми по классическим методикам. При падении потока сточной воды на дно камеры возникают гидравлические прыжки. Данный процесс сопровождается эжекцией воздушных масс в водную среду, что видно по соотношению долей водной и воздушной сред, представленных на рис. 4.

Рис. 4. Результаты моделирования. Гидродинамическая картина

На рис. 5 представлены линии тока сероводорода внутри модели, а также обозначены сечения, в которых выполнялась фиксация величин содержания сероводорода для сопоставления с результатами натурных экспериментов. Численные значения, зарегистрированные газоанализаторами в данных сечениях также отражены на рис. 5. Погрешность полученных при моделировании не превышала 15 % относительно результатов измерений на действующем объекте. Таким образом полученная модель КГН была верифицирована.

Рис. 5. Распределение сероводорода внутри КГН

В рамках данной работы была разработана и верифицирована модель КГН, соответствующая действующему натурному объекту. Верифицированная компьютерная модель позволит исследовать влияние различных параметров работы сооружения на интенсивность процесса дегазации сероводорода и разработать методику по оценке интенсивности выделения сероводорода в КГН. Возможность оценки интенсивности газовыделения на стадии проектирования, в свою очередь, станет обоснованием для планового выполнения мероприятий по газоочистке или химической обработке сточных вод, а также позволит оценить скорость газовой коррозии и влияние КГН на окружающую среду.

Литература:

1. Hvitved-Jacobsen, T. Sewer processes. Microbial and Chemical Process Engineering of Sewer Networks / T. Hvitved-Jacobsen, J. Vollertsen, A. H. Nielsen. — Miama: LLC, 2013. — 399 c.
2. СанПиН 1.2.3685–21. Гигиенические нормативы и требования к обеспечению безопасности и (или) безвредности для человека факторов среды обитания. — М., 2021. — 469 с.
3. The rapid chemically induced corrosion of concrete sewers at high H2S concentration / L. Xuan, L. O'Moore, S. Yarong [и др.]. // Water Research. — 2019. — № 162. — С. 95–104.
4. Столбихин, Ю. В. Разработка методов предотвращения коррозии канализационных коллекторов и сооружений на основе совершенствования камер гашения напора: специальность 05.23.04 «водоснабжение, канализация, строительные системы охраны водных ресурсов»: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук / Столбихин Юрий Вячеславович; Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет. — Санкт-Петербург, 2016. — 227 c.
5. Направления решения проблемы с запахами в системе водоотведения в городе Перми / А. М. Веремеев, А. А. Томилов, А. В. Чухланцев, О. И. Ручкинова // Современные технологии в строительстве. Теория и практика. — 2018. — № 2. — С. 366–373.
6. Understanding the effect of ventilation, intermittent pumping and seasonality in hydrogen sulfide and methane concentrations in a coastal sewerage system / M. R. Ventura, F. Ferreira, C. Gil, M. J. Saldanha // Environmental Science and Pollution Research. — 2019. — № 26. — С. 3404–3414.
7. Nitrous oxide and methane emissions from different treatment processes in fullscale municipal wastewater treatment plants / Y. G. Ren, J. H. Wang, H. F. Li [и др.] // Environmental Technology. — 2013. — № 34. — С. 2917–2927.
8. Mannina, G. Mathematical Modelling of In-Sewer Processes as a Tool for Sewer System Design / G. Mannina, P. Calabrò, G. Viviani // New Trends in Urban Drainage Modelling. — Palermo:, 2018. — С. 814–819.
9. Yongsiri, C. Effect of temperature on air–water transfer of hydrogen sulfide / C. Yongsiri, J. Vollertsen, T. Hvitved-Jacobsen // Journal of Environmental Engineering. — 2004. — № 130. — С. 104–109.
10. Churchill, P. Hydrogen sulfide odor control in wastewater collection systems / P. Churchill, D. Elmer // Newea Journal. — 1999. — № 33. — С. 57–63.
11. Распоряжение Правительства Российской Федерации от 8 июля 2015 г. № 1316-р. Перечень загрязняющих веществ, в отношении которых применяются меры государственного регулирования в области охраны окружающей среды. — М., 2015. — 21 с.
12. СП 32.13330.2018. Канализация. Наружные сети и сооружения (с изменениями от 27.12.2021). — М., 2021. — 126 с.
13. Телятникова, А. М. Контроль состояния атмосферного воздуха и воздуха рабочей зоны камеры гашения напора / А. М. Телятникова, С. В. Федоров, А. В. Кудрявцев // Вода и экология: проблемы и пути решения. — 2020. — № 4 (84). — С. 58–66.
14. A review of sulfide emissions in sewer networks: overall approach and systemic modelling / L. Carrera, F. Springer, G. Lipeme-Kouyi, P. Buffiere // Water Science and Technology. — 2015. — № 73 (6). — С. 1231–1242.