Prognozowanie stężenia siarkowodoru na końcu rurociągu tłocznego - analiza istniejących modeli w odniesieniu do doświadczenia laboratoryjnego

• Autorzy: Bogusławski Bartosz

Identyfikatory

DOI

10.36119/15.2024.11.5

Warianty tytułu

EN

Predicting hydrogen sulphide concentration at the end of the force main - existing models analysis concerning the laboratory experiment

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Znanym i powszechnie występującym efektem przemian biochemicznych w ściekach, a zarazem niebezpiecznym, jest powstawanie gazowej formy siarkowodoru. Siarkowodór jest uznawany za główną przyczynę odorów i korozji w systemach kanalizacyjnych. Mimo wielu lat badań, kwestie te pozostają kosztownymi i nie rozwiązanymi problemami. Przeanalizowano modele służące do prognozowania przyrostu stężenia siarczków na końcu rurociągu tłocznego. Celem badań było przetestowanie skuteczności przewidywania wybranych modeli empirycznych na danych uzyskanych w eksperymencie laboratoryjnym. Przeprowadzono doświadczenie laboratoryjne, którego istotą było odzwierciedlenie sposobu pracy kanalizacyjnych rurociągów ciśnieniowych. W tym celu powstało stanowisko doświadczalne o skali „wielkolaboratoryjnej”, o pojemności ok. 80 dm³ i długości rurociągu 28,65 m. W doświadczeniu wykorzystywano ścieki mechanicznie oczyszczone, pochodzące z miejskiej oczyszczalni ścieków. Porównano wyniki przyrostów stężeń siarczków w ściekach, uzyskane w czasie eksperymentu, z przewidywaniami wynikającymi z zastosowania wybranych modeli. Większość wykorzystanych modeli wielokrotnie zawyżyło wyniki w porównaniu z obserwacjami. Jedynie modele Hvitveda-Jacobsena i in. oraz Nielsena i in. generowały wyniki o podobnym rzędzie wielkości, jednak nie w całym zakresie obserwacji. Model EPA poddano kalibracji poprzez dostosowanie stałej M, do otrzymanych wyników w eksperymencie, za pomocą metody najmniejszej sumy kwadratów. Otrzymana stała jest znacznie mniejsza niż sugerują autorzy modelu. Opracowano własne równanie, kierując się nieco odmiennymi założeniami. Założono nieliniowy wpływ czasu zatrzymania na przyrost stężenia siarczków. Otrzymany model jest istotny statystycznie, ale nie ma znaczącej dokładności. Powstał także na stosunkowo niedużej próbie danych. Nie mniej stanowi on próbę przedstawienia zagadnienia prognozowania stężenia siarczków z nieco innej strony.

EN

The formation of hydrogen sulphide is a well-known, common and dangerous effect of biochemical transformations in wastewater. Hydrogen sulphide is recognised as a major cause of odour and corrosion in sewer systems. Despite years of research, these issues remain costly and unresolved problems. Models for predicting the increase in sulphide concentration at the end of the discharge pipeline were analysed. The aim of the study was to test the predictive performance of selected empirical models on data obtained in a laboratory experiment. A laboratory experiment was carried out, the essence of which was to reflect how sewer pressure pipelines work. For this purpose, a ‘large-laboratory’ scale test bed was set up, with a capacity of several tens of litres and a pipeline length of 28.65 m. The experiment used mechanically treated wastewater from a municipal wastewater treatment plant. The results of the increments in effluent sulphide concentrations obtained during the experiment were compared with the predictions resulting from the selected models. Most of the models used repeatedly overestimated the results compared to observations. Only the models of Hvitved-Jacobsen et al. and Nielsen et al. generated results of a similar order of magnitude, but not over the entire range of observations. The EPA model was calibrated by adjusting the constant M, according to the results obtained in the experiment, using the least sum of squares method. The resulting constant is much smaller than suggested by the model authors. An equation of its own was developed, following slightly different assumptions. A non-linear effect of retention time on the increase in sulphide concentration was assumed. The resulting model is statistically significant but does not have considerable accuracy. It was also created on a relatively small sample of data. It is no less an attempt to present the issue of sulphide concentration forecasting from a slightly different angle.

Słowa kluczowe

PL

kanalizacja ciśnieniowa; siarkowodór; korozja betonu

EN

pressure sewerage system; hydrogen sulphide; concrete corrosion

• Wydawca: Ośrodek Informacji "Technika instalacyjna w budownictwie''
• Czasopismo: Instal
• Rocznik: 2024
• Tom: nr 11
• Strony: 45--51
• Opis fizyczny: Bibliogr. 39 poz., rys., tab., wzory

Twórcy

autor

Bogusławski Bartosz

• Zachodniopomorski Uniwersytet Technologiczny w Szczecinie, Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska, Katedra Inżynierii Środowiska, Szczecin

• https://orcid.org/0000-0001-9220-5641

Bibliografia

• [1] T. Hvitved-Jacobsen, J. Vollertsen, i A. Nielsen, Sewer Processes - Microbial and Chemical Process Engineering of Sewer Networks, 2. wyd. CRC Press, 2013.
• [2] Per Halkjaer Nielsen, K. Raunkjaer, N. H. Norsker, N. A. Jensen, i T. Hvitved-Jacobsen, „Transformation of wastewater in sewer systems - a review”, Water Sci. Technol., t. 25, nr 6, s. 17-31, 1992.
• [3] M. Maciejewska i Z. Dymaczewski, „Sieć kanalizacyjna jako reaktor przemian biochemicznych”, Technol. Wody, nr 6, s. 50-53, 2020.
• [4] A. Talaiekhozani, M. Bagheri, A. Goli, i M. R. T. Khoozani, „An overview of principles of odor production, emission, and controlmethods in wastewater collection and treatment systems”, J. Environ. Manage., t. 170, s. 186-206, 2016.
• [5] Z. Podraza, „Korozja siarczanowa jako realny problem sieci przewodów kanalizacyjnych”, Acta Sci. Pol. Tech. Agrar., t. 13, nr 1-2, s. 41-48, 2014.
• [6] P. Nielsen, K. Raunkjaer, i T. Hvitved-Jacobsen, „Sulfide production and wastewater quality in pressure mains”, Water Sci. Technol., t. 37, nr 1, s. 97-104, 1998.
• [7] „Hydrogen Sulfide Corrosion In Wastewater Collection And Treatment Systems”, U.S. Environmental Protection Agency, Office of Water (WH-595), Washington, Technical Report, maj 1991.
• [8] G. Ayoub, N. Azar, M. El Fadel, i B. Hamad, „Assessment of hydrogen sulphide corrosion of cementitious sewer pipes: A case study”, Urban Water J., nr 1, s. 39-53, 2004.
• [9] D. Apgar i J. Witherspoon, Minimization of Odors and Corrosion in Collection Systems, t. 7. w WERF Research Report Series, vol. 7. IWA Publishing, 2008.
• [10] T. Wells, R. Melchers, i P. Bond, „Factors involved in the long term corrosion of concrete sewers”, zaprezentowano na 49th Annual Conference of the Australasian Corrosion Association, 2009.
• [11] M. O’Connell, C. McNally, i M. G. Richardson, „Biochemical attack on concrete in wastewater applications: A state of the art review”, Cem. Conrete Compos., nr 32, s. 479-485, 2010.
• [12] W. Dąbrowski, „Czy stężenie siarczanów ma istotny wpływ na korozję siarczanową? Część 1. Podstawy prognozowania”, Gaz Woda Tech. Sanit., nr 11/2010, s. 25-28, lis. 2010.
• [13] P. Lens i H. Pol, Environmental Technologies to Treat Sulfur Pollution. Londyn: IWA Publishing, 2000.
• [14] T. Hvitved-Jacobsen, B. Jutte, P. Nielsen, i N. Jensen, „Hydrogen Sulphide Control in Municipal Sewers”, w Pretreatment in Chemical Water and Wastewater Treatment, H. Hahn i R. Klute, Red., 1988.
• [15] E. Stanaszek-Tomal i M. Fiertak, „Biological Corrosion in The Sewage System and The Sewage Treatment Plant”, Procedia Eng., nr 161, s. 116-120, 2016.
• [16] W. Węglewski, „Modelowanie zniszczenia betonu wywołanego korozją siarczanową”, Instytut Podstawowych Problemów Techniki Polskiej Akademii Nauk, Warszawa, 2008.
• [17] S. K. Pramanik i in., „Bio-corrosion in concreto sewer systems: Mechanisms and mitigation strategies”, Sci. Total Environ., t. 921, 2024, doi: 10.1016/j.scitotenv.2024.171231.
• [18] D. Frier, E. Friedler, i O. Lahav, „Control of sulfide in sewer systems by dosage of iron salts: Comparision between theoretical and experimental results, and practical implications”, Sci. Total Environ., nr 392, s. 145-156, 2008.
• [19] L. Zhang, P. De Schryver, B. De Gusseme, W. De Muynck, N. Boon, i W. Verstraete, „Chemical and biological technologies for hydrogen sulfide emission control in sewer systems: A review”, Water Res., nr 42, s. 1-12, 2008.
• [20] W. Dąbrowski, „Nieporozumienia dotyczące korozji siarczanowej kanałów”, Instal, nr 1/2013, s. 33-36, 2013.
• [21] L. Zhang i in., „Hydrogen sulfide control in sewer systems: A critical review of recent progress”, Water Res., t. 240, nr 15, 2023, doi: https://doi.org/10.1016/j.watres.2023.120046.
• [22] A. M. Alani, A. Faramarzi, M. Mahmoodian, i K. Fah Tee, „Prediction of sulphide build-up in filled sewer pipes”, Environ. Technol., t. 35, nr 14, s. 1721-1728, 2014.
• [23] W. Dąbrowski, „Prognozowanie korozji siarczanowej w kanałach betonowych”, Instal, t. 11, s. 65-69, 2017.
• [24] A. Harlina, A. K. Mohd Omar, I. Norli, i I. Azni, „Empirical prediction on sulphide generation in Malaysian sewage”, zaprezentowano na International Conference on Environment Science and Engineering, Singapore: IACSIT Press, 2011, s. 255-257.
• [25] R. D. Pomeroy i J. D. Parkhurst, „The forecasting of sulfide build-up rates in sewers”, Prog Water Technol, t. 9, s. 621-628, 1977.
• [26] R. P. G. Bowker, J. M. Smith, i N. A. Webster, „Odor and Corrosion Control i Sanitary Sewerage Systems and Treatment Plants”, U.S. Environmental Protection Agency, Design Manual, paź. 1985.
• [27] S. Elmaleh, S. Delgado, M. Alvarez, L. E. Rodriguez-Gomez, i E. Aguiar, „Forecasting of H2S build-up in a reclaimed wastewater pipe”, Water Sci. Technol., t. 38, nr 10, s. 241-248, 1998.
• [28] A. G. Boon i A. R. Lister, „Formation of sulphide in rising main sewers and its prevention by injection of oxygen”, Prog Water Technol, nr 7, s. 289-300, 1975.
• [29] J. Sun, B.-J. Ni, K. Sharma, Q. Wang, S. Hu, i Z. Yuan, „Modelling the long-term effect of waste-water compositions on maximum sulfide and methane production rates of sewer biofilm”, Water Res., nr 129, s. 58-65, 2018.
• [30] R. Shokri, E. Derikvand, A. Souri, A. Mahvi, i M. Hashemi, „Prediction of H2S production rate in sewer systems using the Z model: a case study in Dehloran city, Iran”, J. Adv. Environ. Health Res., t. 6, nr 3, s. 152-159, 2018, doi: 10.22102/JAEHR.2018.130842.1078.
• [31] P. Nielsen i T. Hvitved-Jacobsen, „Effect of Sulfate and Organic Matter on the Hydrogen Sulfide Formation in Biofilms of Filled Sanitary Sewers”, J. - Water Pollut. Control Fed., t. 60, nr 5, s. 627-634, 1988, doi: 10.2307/25043547.
• [32] F. Bertran de Lis, E. Saracevic, i N. Matsche, „Control of sulphide problems in pressure sewers”, Novatech, s. 965-972, 2007.
• [33] T. Hvitved-Jacobsen, J. Vollertsen, i P. Nielsen, „A process and model concept for microbial wastewater transformations in gravity sewers”, Water Sci. Technol., t. 37, nr 1, s. 233-241, 1998.
• [34] T. Hvitved-Jacobsen, J. Vollertsen, i N. Tanaka, „An integrated aerobic/anaerobic approach for prediction of sulfide formation in sewers”, Water Sci. Technol., t. 41, nr 6, s. 107-115, 2000.
• [35] Z. Dymaczewski, Kanalizacja grawitacyjna jako system transportu oraz przemian biochemicznych ścieków, 1. wyd. Poznań: Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, 2015.
• [36] K. Sharma, Z. Yuan, D. de Haas, G. Hamilton, i J. Keller, „Dynamics and dynamic modeling of H2S production in sewer systems”, t. 42, s. 2527-2538, 2008.
• [37] K. Sharma, D. de Haas, S. Corrie, K. O’Halloran, J. Keller, i Z. Yuan, „Predicting hydrogen sulfide formation in sewers: a new model”, Aust. Water Assoc., s. 60-65, 2008.
• [38] A. Nielsen, T. Hvitved-Jacobsen, i J. Vollertsen, „Kinetics and stoichiometry of sulfide oxidation by sewer biofilms”, Water Res., t. 39, s. 4119-4125, 2005.
• [39] S. Bering, J. Mazur, K. Tarnowski, B. Bogusławski, i A. Głowacka, „Czynniki fizykochemiczne wskazujące na korozję betonu i odory w kanalizacji na obszarach wiejskich”, Przem. Chem., t. 98, nr 9, s. 1384-1387, 2019.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr POPUL/SP/0154/2024/02 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki II" - moduł: Popularyzacja nauki (2025)