Влияние процессов биологической и электрохимической коррозии в канализационных тоннелях на загрязнение окружающей среды

© Е.Ю. Куликова, 2004

УДК 69.035.4 Е.Ю. Куликова

ВЛИЯНИЕ ПРОЦЕССОВ БИОЛОГИЧЕСКОЙ И ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКОЙ КОРРОЗИИ В КАНАЛИЗАЦИОННЫХ ТОННЕЛЯХ НА ЗАГРЯЗНЕНИЕ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ *

О

дной из наиболее значимых причин снижения экологической надежности в системе «канализационный тоннель — массив вмещающих пород — принятая технология — окружающая среда» является разнообразное воздействие агрессивной среды. С одной стороны, агрессивная среда существенно снижает эксплуатационную надежность подземных сооружений. Источником агрессивного воздействия на конструкции канализационных тоннелей могут служить:

• грунтовый массив;

• грунтовые воды;

• тоннельная среда (особенно в коллекторных тоннелях).

С другой стороны, агрессивная среда, разрушая конструкции тоннелей, способствует поступлению различных вредностей в окружающую среду. При этом в первую очередь, происходит загрязнение подземных вод и, через гидравлическую связь, поверхностной гидросферы и почв.

Самыми ощутимыми и опасными воздействиями в отношении экологической безопасности системы «канализационный тоннель — вмещающий массив — технология — окружающая среда» являются:

• химическое — в результате миграции химических веществ из материалов гидроизоляции и химукрепления;

• биологическое — в форме развития биокоррозии;

• электрохимическое — в форме развития электрохимической коррозии и появления блуждающих токов.

Модели загрязнения окружающей среды при биологической и электрохимической

коррозии аналогичны модели поступления токсических веществ из материалов гидроизоляции и химического укрепления грунтов. При этом дополнительно вводятся лишь превалирующие факторы, разрушающие окружающую среду.

Характер фильтрации воды через укрепленный породный массив определяется удельной поверхностью пор и пустот в породе через коэффициент проницаемости среды:

к = к

к„

2

= Сп .

Т 2

К.ТЕИ . ф

Ь

где Кф — коэффициент фильтрации породы; Кпр — коэффициент проницаемости среды; 2 — количество воды, просочившейся через единичный объем укрепленной породы; С — постоянная Козени, зависящая от формы фильтрационного канала; п — эффективная пористость; т — коэффициент извилистости поровых каналов, определяемый как отношение средней длины траектории жидкой частицы в образце к длине образца; S — удельная поверхность пор и каналов, по которым протекает фильтрат; Е — площадь поперечного сечения единичного объема укрепленной породы; Т — время; Ь — длина пути фильтрации; у — плотность воды; ц — динамическая вязкость воды; Н — напор, м.

На основании уравнений (1) — (3) удельная поверхность пор и каналов укрепляемой породы будет описываться следую-

Выполнено при финансовой поддержке в форме гранта Министерства образования РФ

щим уравнением:

Сп3 уТ¥И 2щЬ

.

Если принять за единицу миграции с единицы поверхности величину ОС, то представляется возможность определить количество выделившегося в воду вредного составляющего из материала инъекционного раствора или материала гидроизоляции:

Сп уТЕИ 2т^ь

Полагая, что коэффициент фильтрации укрепленного массива Кк определяется выражением

Кк = -2Ь-ТЕИ

уравнение (5) приобретает вид:

Сп3у

щКк

Концентрация вредных веществ в потоке определяется соотношением:

У

г

2м

где 2м — количество воды в единице

неукрепленного массива

2м = ,

где Кф - коэффициент фильтрации не-

укрепленного массива.

Таким образом,

У = -

гЬ

уКфТЕИ Ь "

Сг?у

т^КК

Кк =С

Сп

у2т2ф '

Используя условие наступления предельного состояния (11) и уравнение (12), а также, учитывая что для воды ;и=1 • 104 Н/м3, получим предельный коэффициент фильтрации укрепленного массива Кк, превышение которого приводит к недопустимой миграции вредных веществ в окружающую среду (13):

У = ДКМ;

Таким образом, исходя из физикомеханических свойств укрепляемого массива горных пород и применяемой технологии, представляется возможным оценить экологический риск применения материалов при строительстве канализационных тоннелей.

Биологическая агрессия оценивается следующими факторами: наличием тионовых бактерий в отложениях, слагающих вмещающий массив; химическим составом отложений; водонасыщенностью массива; применением кессонного метода проходки; общим бактериальным загрязнением почвенных вод и тоннельной атмосферы, превышающим предельно допустимую концентрацию. В частности, для Ташкента характерны синегнойная палочка (кишечная) и аспергил-лы (респираторные заболевания); в Минске имело место загрязнение почвенных вод органическими веществами, содержащимися в отходах кожевенного производства. Толчком для развития процессов биокоррозии могут быть различные явления, от нарушения водного баланса в массиве до механических повреждений материалов несущих и ограждающих конструкций. В материалах несущих конструкций происходит накопление, главным образом, сульфатов и нитратов. Повышается гигроскопичность обделок и возрастает риск их разрушения за счет кристаллизации солей. Большая химическая неоднородность в поверхностных слоях способствует ускорению процессов диффузии растворенных в процессе жизнедеятельности бактерий и грибов солей и активному перемещению микрофлоры в смежные участки конструкций или в воздушную среду. Влажность материала при этом является одним из наиболее значимых провоцирующих факторов. Следовательно, степень агрессивности среды определяется не только ее химическим составом, но и комплексом физических и фи-зико-хими-ческих факторов, характеризующих условия контакта среды и тоннеля.

Биоповреждения бетонных и железобетонных обделок особенно характерны для канализационных тоннелей. Образование агрессивной среды на поверхности их свода связано с реакциями биогеохимического

Условия Процессы

Анаэробные Гниение и брожение органических веществ

в стоке Метановое брожение жирных кислот

Аммонификация мочевины аммонифицирующими бактериями

Нитрификация аммонийных соединений нитрифицирующими бактериями (при наличии растворенного в стоке кислорода) и денитрификация азотной и азотистой кислот денитрифицирующими бактериями

Сульфатредукция сульфатредуцирующими бактериями

Аэробные Окисление сероводорода тионовыми бактериями

Химическое образование угольной кислоты

круговорота серы, которая превращается анаэробными микроорганизмами в сероводород. В газообразном состоянии это соединение выделяется в атмосферу подсводового пространства труб, растворяется в конден-сатной влаге на поверхности свода и окисляется тионовыми бактериями до серной кислоты, которая разрушает материал свода за 10-12 лет эксплуатации. Биогеохимические трансформации бетона в канализации обусловлены микробиологическими превращениями на своде коллектора трех биогенных элементов -- серы, азота, углерода. В более подробной форме биохимические процессы в канализационных системах представлены в таблице.

В развитии биокоррозии систем канализации можно выделить три этапа: I — биохимическое образование сероводорода и углекислого газа в стоке при наличии достаточных концентраций органических и серосодержащих веществ; II — выделение этих веществ из воды в газовоздушную среду в местах резких изменений характера и скорости потока и растворения в конденсатной пленке влаги на поверхности выше уровня стока; III — окисление сероводорода до серной кислоты и образование азотной, азотистой и угольной кислот, а также смеси органических кислот, разрушающих бетонные и железобетонные несущие конструкции коллекторов, расположенные выше уровня стока со скоростью до 4 мм/год.

В нарушенном строительными работами массиве условия для развития микроорганизмов более благоприятные, чем в материнском грунте; породная масса становится более рыхлой, что обеспечивает дополнительный доступ кислорода воздуха к несущим

конструкциям, кроме того повышается температура грунта за счет процессов тепло- и мас-сообмена пород с вентиляционной струей воздуха в подземном помещении. Это создает идеальные условия для развития бактерий, которые, интенсивно размножаясь, «поедают» материал изоляции. Микробы, характерные для фекальных масс, протекающих по канализационным коллекторам, могут не только служить источниками биологической коррозии внутренней стороны обделки коллекторных тоннелей, но и приводить к заражению среды обитания в результате выноса болезнетворных бактерий подземными водами в колодцы и водоемы населенных пунктов. Модель, описывающая миграцию вредных компонентов в окружающую среду при биокоррозионных процессах, аналогична модели химического загрязнения.

Электрохимической коррозии подвержены железобетонные конструкции канализационных тоннелей, а также очистных сооружений на станциях аэрации. Коррозия поверхности бетона, выступающей из воды, происходит в результате воздействия агрессивной электрохимической среды, создаваемой микроорганизмами, преобразующими органические серосодержащие вещества сточных вод в сероводород и серную кислоту. Под воздействием серной кислоты, выделяемой сульфобактериями, происходит разрушение бетона и арматуры в подводной части обделки сооружения или в той ее части, которая имеет непосредственный контакт с подземными (поверхностными) водами, имеющими агрессивный характер. Для железобетонных конструкций даже обычная воздушная среда в определенных температурновлажностных условиях может представлять опасность, так как содержащаяся в воздухе

углекислота, хотя и в малой концентрации (0,03%), постепенно нейтрализует гидроксид кальция в поверхностном слое бетона и снижает его защитные свойства по отношению к арматуре. В связи с бурным развитием автомобильного транспорта воздушный бассейн городов перенасыщен окислами азота, углерода, тяжелыми металлами и другими токсическими веществами. Эти вещества, проникая в сооружения с воздухом или осадками, разрушают обделки подземных объектов, вызывая электрохимическую коррозию и нарушая экологическое равновесие подземного пространства городов. Повреждение конструкций может начаться из-за коррозии арматуры в обычном влажном воздухе после карбонизации защитного слоя и изменения щелочной реакции поровой жидкости бетона до значений, при которых возможен процесс коррозии стальной арматуры (рН<11). Так как при данном виде коррозии задействованы углекислота как жидкостной, так и в газовой формах, то применяют два типа моделей для описания этого процесса.

Модель процессов коррозии при наличии жидкой среды описывающая совокупность следующих процессов и химических реакции: растворение гидроксида кальция (компонент С2); массоперенос гидроксида кальция; диффузию Н2СО3 в поровом пространстве бетона (компонент С!); химическую реакцию нейтрализации растворимого компонента С2 агрессивным компонентом С1; мас-соперенос растворимого продукта реакции С3.

Модель процессов коррозии при наличии газовой среды, описывающая совокупность следующих процессов и химических реакции: диффузию диоксида углерода в поровом пространстве бетона (Са); сорбцию газа в по-ровой жидкости (Св); реакцию образования угольной кислоты (С,!); растворение гидроксида кальция (Се); массоперенос гидроксида кальция в жидкой фазе; химическую реакцию образования карбоната кальция (Сг); образование осадка СаСО3 (д). Задача решается численным методом. Загрязнение окружающей среды продуктами коррозионного разложения, описывается уравнениями (6) -(13).

В заключение можно сделать следующие выводы:

• материалы конструкций подземных сооружений и наземных частей подземных

сооружений активно подвергаются биокоррозии, главной причиной которой является загрязнение окружающей природной среды;

• меняется химический состав материала, усиливается его химическая неоднородность за счет гидролиза и комплексооб-разования. Взамен стабильных минералов в материале появляются хорошо растворимые гигроскопичные вещества - продукты метаболизма бактерий и грибов;

• многообразие видов бактерий и грибов обеспечивает интенсификацию биохимической коррозии и представляет опасность даже при незначительной влажности материалов.

Основными направлениями борьбы с биокоррозией, применяемыми в настоящее время, являются:

• инактивация продуктов жизнедеятельности микроорганизмов;

• идентификация микрофлоры в мате-

риалах несущих конструкций подземных сооружений;

• подавление непосредственно мик-

рофлоры в материалах строительных конструкций путем целенаправленного применения соответствующих антисептиков или антибиотиков;

• предупреждение состояний, ко-

торые обусловливают активизацию микрофлоры (повышенно увлажнение, колебания температуры и т.п.) и нарушают сопрофит-ные взаимоотношения между микроорганизмами и объектом.

Таким образом, описанными мероприятиями коллекторные тоннели защищают от износа, а окружающую среду -- от поступления вредностей. Помимо описанных мероприятий существует еще ряд эффективных способов защиты окружающей среды от миграции вредных компонентов.

Разработан ряд мероприятий, предотвращающих негативное воздействие подземных объектов на окружающую среду и обеспечивающие длительный межремонтный срок их работы. Так, при рассмотрении проблемы эксфильтрации стоков из коллекторов и угрозы заражения болезнетворными бактериями близлежащих водоносных горизонтов, специалистами МГГУ проведены исследования нарушения экологической обстановки при строительстве коллекторных тоннелей. В ходе исследований выявлено, что при зало-

жении подобных тоннелей на значительной глубине даже в случае разгерметизации конструкций коллектора или перекачных насосных станций, величины фактического градиента напора не превысят критические значения градиентов для глинистых пород, что исключает возможность перетекания перекачиваемой жидкости в эксплуатируемый водоносный горизонт. Обоснована оптимальная глубина заложения коллекторных тоннелей (40 -- 60 м), при которой сводятся к минимуму отрицательные воздействия на окружающую среду. В качестве экологической защиты самого коллектора в период эксплуатации от вредных воздействий газовой коррозии, обусловленной выделением из сточных вод различных газовых смесей, предло-

Коротко об авторах ________________________________________________________________

Куликова Елена Юрьевна - доктор технических наук, профессор кафедры «Строительство подземных сооружений и шахт», Московский государственный горный университет.

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ ДИССЕРТАЦИИ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

ГОРНЫЙ ИНСТИТУТ КОЛЬСКОГО НАУЧНОГО ЦЕНТРА РАН.»

ЗАПОРОЖЕЦ Владимир Юрьевич Разработка сейсмобезопасных методов ведения взрывных работ на подземных рудниках Хибин 25.00.20 к. т. н.

ИНСТИТУТ ГЕОЛОГИИ КОМИ НАУЧНОГО ЦЕНТРА УРАЛЬСКОГО ОТДЕЛЕНИЯ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

ГЕРАСИМЕНКО Виталий Яковлевич Информационные модели в геологическом музее региональной направленности 25.00.01 25.00.05 д. г.-мн..н.

жено интенсивное проветривание коллектора на всей его протяженности через вентиляционные стволы, оборудованные средствами улавливания и очистки газов.

При моделировании взаимодействия канализационных тоннелей с окружающей средой и решении вопроса обеспечения экологической надежности подземного объекта уже на стадии проектирования важным моментом является получение информации о механических свойствах и состоянии контролируемой среды, а также о состоянии несущих конструкций объекта в процессе его эксплуатации. Это возможно при осуществлении гибких или управляемых технологий строительства.