Диссертация: Обеспечение пожаровзрывобезопасности объектов воздухоочистки систем водоотведения.

Актуальность темы исследования и степень ее разработанности Централизованная система водоотведения поселения или городского округа представляет собой комплекс технологически связанных инженерных сооружений, предназначенных для водоотведения с последующей очисткой и обеззараживанием. Её неотъемлемой частью, являются насосные станции, шахтные сооружения, соединяющие их между собой канализационные сети мелкого и глубокого заложения, установки очистки воздушной среды, поступающей из канализационного коллектора и другие процессы и сооружения направленные на совершенствование системы. В настоящее время численность населения городов (и, в частности, СанктПетербурга) постоянно растет. Вследствие быстрого роста и расширения границ городов вчерашние окраины становятся застроенными жилыми районами, где промышленные производства соседствуют с жилыми постройками с численностью населения за сотни тысяч. Сложность процессов очистки обусловлена многокомпонентным составом сточных вод, который, в свою очередь связан с тем, что 70% стоков поступают в общесплавную канализацию, предназначенную для совместного отведения и очистки всех видов сточных вод, включая городские и поверхностные. Ряд проблем, возникших при эксплуатации систем водоотведения в Санкт-Петербурге, связан с большим расходом сточных вод и высокой степенью изношенности сети. В последние годы наблюдается тенденция к снижению водопотребления. Так, например, в 2021 году оно составило 130 л/сут. на человека, в то время как в 2014 г. – 140 л/сут, а в 2010г. – 189 л/сут. Однако такая экономия имеет обратную сторону: снижение скорости транспортирования, образование иловых отложений, засорение коллекторов, интенсивное газообразование и т.п. Образование газов внутри водоотводящей сети хорошо известная проблема. Несмотря на контроль загазованности, который осуществляется специализированными бригадами, существует вероятность накопления этих газов. Рост давления внутри сети приводит к их вытеснению, что подтверждается срывом крышек шахтных сооружений. Аварии на объектах водоотведения и связанными с ним процессами, говорят о необходимости рассмотрения новых источников опасности влияющих на бесперебойную и безаварийную работу. Образованию газов внутри водоотводящей сети ранее уделялось внимание лишь с точки зрения коррозионного разрушения сводов канализационных коллекторов, однако вместе с сероводородом образуются и другие (пожаровзрывоопасные), которые становятся причиной взрывов, разрушений зданий и смежных сооружений системы водоотведения, воздухоочистки и т.п. Анализ аварийности показывает, что за последние несколько лет произошли более 15 аварий связных гибелью персонала и большими материальными затратами. Таким образом, разработка мероприятий, направленных на снижение выбросов газовоздушной смеси из канализационного коллектора является актуальной задачей.
Целью исследования является: обеспечение пожаровзрывобезопасности объектов воздухоочистки систем водоотведения.
Для достижения поставленной цели были сформулированы и решены следующие задачи: 1. Изучен процесс формирования газовоздушной среды внутри канализационного коллектора; 2. Проведен анализ состава газовоздушной среды; 3. Оценена возможность достижения пожаровзрывоопасных концентраций газовоздушной среды; 4. Определены сценарии развития аварийных ситуаций и вероятности их реализации, обусловленные формированием опасной газовоздушной среды; 5. Разработаны мероприятия направленные на снижение пожаровзрывоопасности эксплуатации объектов воздухоочистки.
Объектом исследования являются главный канализационный коллектор Санкт-Петербурга и расположенные на нём станции воздухоочистки.
Предмет исследования: аварийные ситуации, связанные с образованием, распространением и очисткой опасных газовоздушных смесей.
Научная новизна работы заключается в достижении следующих результатов:  разработана модель накопления опасных компонентов газовоздушной смеси в канализационных коллекторах, подтверждающая образование внутри них пожаровзрывоопасной среды;  выявлена функциональная зависимость между интенсивностью выделения компонентов газовоздушной смеси и параметрами работы канализационного коллектора, обуславливающая возможность образования внутри него пожаровзрывоопасной среды;  установлены основные причины, приводящие к возникновению аварий на объектах воздухоочистки;  доказана необходимость оценки пожаровзрывоопасности объектов воздухоочистки систем водоотведения.
Теоретическая значимость работы: Разработана модель, позволяющая расчетным путем прогнозировать накопление пожаровзрывоопасных компонентов газовоздушной смеси за счет повышения интенсивности процессов газовыделения в канализационном коллекторе.
Практическая значимость работы: На основании результатов исследований выявлены критерии отнесения объектов воздухоочистки к пожаровзрывоопасным, что позволяет конкретизировать требования к их конструкционному оформлению и эксплуатации.
Методология и методы диссертационного исследования. В диссертационной работе использованы: основные научные положения теории выделения и смешения газов, а также их распределение внутри канализационных коллекторов; методы отбора проб, газовой хроматографии и математического моделирования развития аварийных ситуаций, на основе газодинамической программы autodyn в 3D.
Основные положения, выносимые на защиту: 1. Условия достижения пожаровзрывоопасных концентраций газовоздушной смеси, образующейся и накапливаемой внутри канализационного коллектора; 2. Развитие аварийных ситуаций связанное с поступлением на объекты воздухоочистки многокомпонентных газовоздушных смесей с концентрацией, соответствующей концентрационным пределам распространения пламени; 3. Опасности, способные привести к взрывам на объектах воздухоочистки, связанные с образованием пожаровзрывоопасной газовоздушной среды.
Достоверность результатов обеспечена использованием современных средств научных исследований, в том числе, высокоточного оборудования при проведении натурных экспериментов; применением средств численного математического моделирования, соответствием их результатов данных натурных экспериментов и исследованиям других авторов.
Апробация результатов. Основные научные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих научных и научно-методических конференциях: научной конференции, посвященной 186-й годовщине образования Санкт-Петербургского государственного технологического института (технического университета), СПбГТИ(ТУ), 2 – 3 декабря 2014г.; II Международной научнометодической конференции «Безопасность в строительстве», СПбГАСУ, 27–28 ноября 2014г.; III Всероссийской научно-методической конференции «Актуальные проблемы охраны труда», СПбГАСУ, 26 – 27 ноября 2015г.; III Всероссийской научно-технической конференции с участием молодых ученых «Инновационные материалы и технологии в дизайне» СПбГИКиТ, 23–24 марта 2017г.; Международной научно-практической конференции «Экологическая безопасность: современные проблемы и пути решения», СПбГУТ им. Бонч-Бруевича, 12 – 13 апреля 2018 г, на заседании рабочей группы ФГУП «Водоканал» по выяснению причин инцидентов в 2020 году.
Структура диссертации: Диссертация содержит введение, четыре главы с выводами, заключение, список литературы из 117 наименований и три приложения; изложена 121 странице, включает 25 рисунков, 33 таблицы.