ВЫДЕЛЕНИЕ СЕРОВОДОРОДА В КАМЕРАХ ГАШЕНИЯ НАПОРА

THE PROCESS OF HYDROGEN SULFIDE MASS OUTGASSING IN ENERGY DISSIPATION CHAMBER

Vasilina Sukhova

Student, Department of Water Management and Environment, Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering,

Russia, Saint Petersburg

Anna Telyatnikova

Senior lecturer, Saint Petersburg State University of Architecture and Civil Engineering,

Russia, Saint Petersburg

Работа выполнена в рамках темы НИР № 57С23 при финансовой поддержке гранта СПбГАСУ.

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрена проблема выделения сероводорода в камерах гашения напора. Изучение масообменных процессов H₂S происходило с использованием конечно-элементного анализа в ANSYS CFX. По итогам обработки результатов моделирования были сделаны выводы о зависимости выделения сероводорода в камерах гашения напора от качественных параметров сточных вод и гидродинамических характеристик потока.

ABSTRACT

This article considers the problem of hydrogen sulfide mass outgassing in energy dissipation chambers. The investigations of hydrogen sulfide mass exchange processes is using the program finite element analysis in ANSYS CFX. The results of the modeling allow to do conclusion about the dependence of hydrogen sulfide release in pressure damping chambers on the qualitative parameters of wastewater and hydrodynamic characteristics of the flow.

Ключевые слова: сероводород, камера гашения напора, ANSYS CFX.

Keywords: hydrogen sulfide, pressure damping chambers, ANSYS CFX.

При транспортировке сточной жидкости в системе канализации образуется сероводород H₂S [2]. Наиболее интенсивно процесс выделения H₂S и сточной воды протекает в камерах гашения напора (далее – КГН). Данная особенность связана со входом в камеру подводящих и отводящих коллекторов на разных высотах, что влечет за собой усиление турбулентных сил в потоке и активному перемешиванию воды с кислородом. Актуальность проблемы газовыделения для данного вида сооружения подтверждается и результатами натурных измерений [4], [3].

Изучение и анализ научной литературы по данной теме позволил определить следующий перечень основных факторов, влияющих на концентрации H₂S в КГН: концентрация сульфидов и растворенного сероводорода в исходной сточной воде C_L в сточной воде [2],  рН жидкости [6]; расход сточных вод Q и высота падения потока Н [5].

Для изучения закономерностей изменения концентрации H₂S в зависимости от основных выявленных факторов был выбран метод конечно-элементного моделирования в программном продукте ANSYS CFX. Конструкция моделируемой камеры была выбрана на основе реального объекта КГН [7] и представлена на рис. 1. Габаритные размеры модели составили: D_вх = 350 мм; A = 2200 мм; B = 2000 мм; C = 1750 мм; H = 1000, 1500 или 2000 мм; D_вых = 462 мм; K = 850 мм; F = 350 мм; a = 1000 мм; b = 325 мм; s = 220 мм; d 350 мм.

Рисунок 1. Конструкция моделируемой КГН

В рамках моделирования имитировалось три режима работы камеры:

на максимальную производительность 157 л/с, среднюю – 118 л/с

и минимальную – 79 л/с. Показатели качества сточной жидкости, определяемые для моделирования, были приняты равными: рН = 5, 6 и 7; C_L = 2, 6 и 12 мг/л.

Первым этапом моделирования выполнялось конструирование твердотельной расчётной области, имитирующей внутреннее воздушное пространство КГН. Условия моделирования, определяемые в ANSYS CFX представлены на рис. 2. Определение концентрации H₂S, поступающего с водой (C_L,H2S) в модель осуществлялось через условия Inlet_1 и Inlet_2, для которых задавалось долевое соотношение H₂S и H₂О, в зависимости от моделируемых концентраций C_L и рН. Выход сточной жидкости из пространства модели задавался через границу Outlet. Условием выхода потока из модели было отсутствие избыточного давления на границе Outlet. Для трубопроводов и железобетонной конструкции самой КГН определялось граничное условие Wall с шероховатостью соответствующего материала.

Начальным условием моделирования было определено присутствие в расчётной области только воздуха. Проведение модельных расчетов выполнялось при постоянной температуре, равной 18 ˚С [1]. Модельный расчёт осуществлялся в нестационарных условиях на время протекания жидкости равное 5 мин.

Рисунок 2. Граничные условия моделирования КГН

На рис. 3 представлена гидродинамическая картина, которая получилась по итогам моделирования КГН в ANSYS CFX. Согласно классическим методикам [8], [9], в которых прогнозируются объёмное заполнение области расчёта и скорость потока, полученные результаты близки к действительности. При падении потока сточных вод на дно камеры, можно заметить возникновение гидравлических прыжков. Описанный процесс протекает параллельно с смешением стока с воздушными массами, что видно по соотношению массовых долей водной и воздушной сред, представленных на рис. 3.

Рисунок 3. Результаты моделирования. Гидродинамическая картина

На рис. 4 представлен пример закономерности, полученной при обработке результатов моделирования. Осреднение результатов моделирования производилось с временным шагом равным 1 мин. Полученные закономерности описывали изменения концентраций сероводорода в подсводном пространстве КГН C_G,H2S в зависимости от основных исследуемых параметров: Q, Н, рН и C_L.

Рисунок 4. Результаты изменения C_G,H2S  в зависимости от Q (рН = 7, C_L = 12 мг/л, Н_экв = 4 м)

Таким образом, в результате математического моделирования были установлены основные тенденции изменения объёмов выделения сероводорода. Количество выделяемого в КГН сероводорода возрастало при:

- увеличении содержания растворенного сероводорода и сульфидов в сточной воде;

- снижении рН сточной жидкости;

- увеличении производительности сооружения;

- увеличении высоты падения потока.

Список литературы:

1. Carrera L., Springer F., Lipeme Kouyi G., Buffière P. A review of sulfide emissions in sewer networks: overall approach and systemic modelling // Water Science and Technology. – 2016. – N 73. – P. 1231 – 1242.
2. Hvitved-Jacobsen T, Vollertsen J, Nielsen A. H. Sewer processes. Microbial and Chemical Process Engineering of Sewer Networks. – Miama: Taylor & Francis Group, LLC, 2013. – 399 p.
3. Liu Yi., Sharma K. R., Murthy S., Johnson I., Evans T., Yuan Zh. On-line monitoring of methane in sewer air // Scientific Reports. – 2014. – N 4: 6637. – P. 1 – 8.
4. Matos J.S., Aires C.M. Mathematical modelling of sulphides and hydrogen sulphide gas build-up in the Costa do Estoril sewerage system // Water Science Technology. – 1995. – N 31. – P. 255 – 261.
5. Веремеев А. М., Томилов А. А., Чухланцев А. В., Ручкинова О. И. Направления решения проблемы с запахами в системе водоотведения в городе Перми // Современные технологии в строительстве. Теория и практика. – 2018. – N 2. – С. 366 – 373.
6. Горелик И. Н., Ситницкая Э. А., Штейнберг В. А. Газовая коррозия канализационного коллектора г. Егорьевска // Водоснабжение и санитарная техника. – 1984. – N 12. – С. 3 – 4.
7. Телятникова А. М., Федоров С. В., Кудрявцев А. В. Контроль состояния атмосферного воздуха и воздуха рабочей зоны камеры гашения напора // Вода и экология: проблемы и пути решения. – 2020. – N 4 (84). – С. 58 – 66.
8. Курганов А. М., Федоров Н. Ф. Справочник по гидравлическим расчетам систем водоснабжения и канализации. – Л.: Стройиздат, 1978. – 424 с.
9. Лукиных А. А., Лукиных Н. А. Таблица для гидравлического расчета канализационных сетей и дюкеров по формуле академика Н. Н. Павловского. – М.: Стройиздат, 1974. – 156 с.