9094

РАБОТА ВЫПОЛНЕНА В САРАТОВСКОМ ГОСУДАРСТВЕННОМ ТЕХНИЧЕСКОМ УНИВЕРСИТЕТЕ

Научный консультант

доктор технических наук, профессор

Высоцкий Лев Ильич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, старший научный сотрудник

Карпов Вадим Леонидович,

доктор химических наук, профессор

Борисов Анатолий Федосеевич,

доктор технических наук, доцент

Азаров Валерий Николаевич

Ведущая организация

ГОУ ВПО Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет

Защита состоится «16» марта 2006 года в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.162.03 при Нижегородском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 603950, г. Нижний Новгород, ул. Ильинская, 65, корпус 5, аудитория 202.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Нижегородского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан « 2О » января 2006 г.

1

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Важное место в комплексе мероприятий по улучшению жизненных условий населения Российской Федерации принадлежит охране окружающей среды, рек и других водоёмов, воздушного бассейна. Для этого в стране предусматривается строительство большого количества сооружений по отведению и очистке производственных и поверхностных вод. Основное внимание при этом уделено канализационным сооружениям по очистке сточных вод промышленных предприятий, на долю которых приходится значительная часть загрязнения окружающей среды.

Эксплуатация канализационных сооружений по очистке производственных сточных вод ведется в условиях поступления в них большого количества различных легковоспламеняющихся, горючих и вредных для человека и окружающей среды веществ. Сточные воды в результате испарения, химических и биохимических реакций выделяют значительное количество газов и паров, поэтому канализационные системы, включая и очистные сооружения, могут явиться источником пожаров и взрывов, отравления людей, повышенной загазованности окружающей среды. Особенно большое количество пожаро- и взрывоопасных, а также вредных и ядовитых газов и паров выделяют производственные, химически загрязненные сточные воды.

В настоящее время недостаточно изучен вопрос по исследованию взрывопожарной и пожарной опасности канализационных очистных сооружений предприятий, в которых по условиям технологии производства возможно попадание в производственные сточные воды легковоспламеняющихся (ЛВЖ) и горючих (ГЖ) жидкостей, а также вредных для человека и окружающей среды веществ, способных при определенных условиях образовывать взрывоопасные парогазовоздушные смеси (ПГВС) в различных зонах, как внутри, так и снаружи (на территории) очистных сооружений.

Канализационные очистные сооружения ряда предприятий, из-за отсутствия достоверных данных об их взрывопожарной опасности, относят к взрывоопасным, тем самым увеличивая строительные и эксплуатационные расходы на эти сооружения. В то же время необоснованное занижение степени опасности этих сооружений может явиться причиной взрывов, пожаров, аварий, загрязнения окружающей среды, гибели людей и значительных материальных ценностей.

В связи с этим, исследование реальной взрывной, пожарной и экологической опасности канализационных очистных сооружений производств, применяющих ЛВЖ и ГЖ, следует рассматривать как важную народнохозяйственную задачу.

Актуальность работы соответствует законам РФ: «О пожарной безопасности», «О промышленной безопасности опасных производственных

2

объектов», «Об охране окружающей природной среды», «О санитарноэпидемиологическом благополучии населения», «Об охране атмосферного воздуха», Программе Госстроя РФ по решению научно-технической проблемы «Взрывобезопасность зданий и сооружений», входит в темы Перечня приоритетных направлений развития науки, технологии и техники РФ.

Цель работы состоит в разработке научных основ взрывопожарной и пожарной безопасности на основе исследования реальной опасности канализационных очистных сооружений предприятий основных отраслей промышленности.

Для достижения поставленной цели работы решены следующие за-

дачи:

- обоснование и выбор объектов для проведения теоретических и экспериментальных исследований;

определение фактических концентраций парогазовоздушных смесей в различных зонах действующих канализационных очистных сооружений выбранных для исследования предприятий;

—построение математических моделей и выявление закономерностей, необходимых для определения возможных значений максимальных концентраций парогазовоздушных смесей внутри и снаружи обследованных очистных сооружений;

—разработка метода оценки взрывопожарной опасности канализационных очистных сооружений производств, применяющих легковоспламеняющиеся и горючие жидкости;

- обеспечение взрывопожарной, пожарной и экологической безопасности при эксплуатации очистных сооружений.

Методы исследований сочетают в себе экспериментальные и теоретические. В работе применялись натурные обследования объектов и экспериментальные исследования на действующих канализационных очистных сооружениях предприятий, методы гидравлических расчетов, методы теории подобия и размерностей и др.

Научная новизна работы состоит:

в разработке метода оценки взрывопожароопасности канализационных очистных сооружений предприятий и производств ряда отраслей промышленности, применяющих легковоспламеняющиеся и горючие жидкости, в основу которого положен комплексный учет факторов, влияющих на выделение паров и газов из производственных сточных вод и образование взрывоопасных концентраций в канализационных очистных сооружениях;

— в получении результатов теоретических и экспериментальных исследований взрывной, пожарной и экологической опасности канализационных очистных сооружений производств ряда отраслей промышленности; - в получении результатов экспериментальных исследований зависимости концентраций парогазовоздушных смесей в различных зонах очистных сооружений от факторов окружающей среды: температуры, скорости

3

движения воздуха; от способов очистки промстоков и самих очистных сооружений, их конструкции, размеров и др.;

в разработке классификации канализационных очистных сооружений по взрывной и пожарной опасности;

— в разработке технологических, санитарно-гигиенических и планировочных мероприятий по снижению взрывопожарной опасности и защите окружающей среды при проектировании и эксплуатации очистных сооружений производственной канализации.

В работе впервые проведены многочисленные долговременные натурные исследования по определению максимальных концентраций парогазовоздушных смесей в различных зонах действующих канализационных очистных сооружений.

Практическая ценность и реализация результатов работы. На основании полученных экспериментальных и теоретических данных разработаны научные основы взрывопожарной и пожарной безопасности канализационных очистных сооружений, разработан метод оценки взрывопожарной опасности очистных сооружений исследуемых производств, применяющих легковоспламеняющиеся и горючие жидкости, который также может быть рекомендован для применения и на других подобных объектах. Даны рекомендации по категорированию и оценке взрывопожарной и экологической опасности канализационных очистных сооружений, а также по уменьшению их опасности.

Основные результаты работы использованы при составлении «Методических указаний по проектированию очистных сооружений и оборотных систем водоснабжения для предприятий железнодорожного транспорта» Всесоюзного НИИ железнодорожного транспорта МПС; в «Рекомендациях для проектирования сооружений канализации предприятий нефтеперерабатывающей, нефтехимической и химической промышленности с учетом требований взрывной, взрывопожарной и пожарной безопасности» Союзводоканалпроекта Госстроя. Результаты работы позволили пересмотреть нормы проектирования очистных сооружений для предприятий Главмоспромстройматериалов.

Результаты настоящих исследований внедрены в проектных институтах «Моспроектстройиндустрия», «Союзводоканалпроект» Госстроя РФ, во Всесоюзном научно-исследовательском институте железнодорожного транспорта МПС, ГУЛ «Саратовоблводоканал».

Результаты диссертационных исследований внедрены в учебный процесс в Саратовском государственном техническом университете, в институте социального и производственного менеджмента СГТУ, в институте механизации и электрификации сельского хозяйства Саратовского государственного аграрного университета им. Н.И.Вавилова и используются в учебном курсе дисциплины «Безопасность жизнедеятельности», а также в методическом обеспечении подготовки инженеров специальности 290800

4

«Водоснабжение и водоотведение» и аспирантов.

На защиту выносятся:

-результаты теоретического и экспериментального исследования взрывопожарной и пожарной опасности канализационных очистных сооружений производств, применяющих легковоспламеняющиеся и горючие жидкости;

математические модели и закономерности, отражающие изменения максимальных значений концентраций ПГ ВС от различных факторов;

-метод оценки взрывопожарной опасности очистных сооружений производств;

-классификация канализационных очистных сооружений и насосных станций по взрывной и пожарной опасности;

-рекомендации по уменьшению взрывопожарной и экологической опасности канализационных очистных сооружений производств, применяющих легковоспламеняющиеся и горючие жидкости.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований по теме диссертации докладывались на международных научнопрактических конференциях «Экология и охрана природы» (г. Уральск,

2003 г.); «Экология и безопасность жизнедеятельности промышленнотранспортных комплексов», ELPIT — 2003 (г. Тольятти, 2003 г.); «Безопасность. Технологии. Управление» (г. Тольятти, 2005 г.); научнопрактической конференции с международным участием «Окружающая среда и здоровье» (г. Саратов, 2002 г.); всероссийских научнопрактических конференциях «Экологические проблемы промышленных городов» (г. Саратов, 2003 г.); «Окружающая среда и здоровье» (г. Пенза,

2004 г.); межвузовской научно-практической конференции «Разработка методов расчета, диагностики, проектирования, строительства, эксплуатации существующих и вновь создаваемых сооружений» (г. Саратов, 2001 г.); на научно-технических конференциях Московского инженерностроительного института (ныне МГСУ) и Саратовского политехнического института - государственного технического университета (1975 - 2004 гг.).

Публикации. Основные результаты выполненных исследований по теме диссертации опубликованы в 48 печатных работах, из них 9 - в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 монография. Общий объем публикаций 28,9 п.л., из них лично автору принадлежит 21,1 п.л.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов и результатов, списка литературы, включающего в себя 284 наименования, и приложений; изложена на 305 страницах, содержит 65 рисунков, 38 таблиц.

Особую благодарность и признательность автор выражает д.т.н., проф. Л.И.Высоцкому (СГТУ), д.т.н., проф. Н.А.Мосиенко (СГАУ), д.т.н., проф. А.А.Игнатьеву (СГТУ) и к.т.н., проф. В.А.Пчелинцеву (МГСУ) за ценные консультации в ходе работы над докторской диссертацией.

5

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении кратко охарактеризована актуальность решаемой научной проблемы, сформулированы цель и задачи исследования, научная новизна, практическая ценность, основные положения и результаты, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу проблемной ситуации, связанной с взрывной, пожарной и экологической опасностью канализационных систем и очистных сооружений.

Следует отметить, что в решение многоплановой проблемы исследования и обеспечения пожаровзрывобезопасности зданий и сооружений внесли заметный вклад ученые: И.М.Абдурагимов, М.В.Алексеев, А.Н.Баратов, О.М.Волков, М.Г.Годжелло, Я.Б.Зельдович, Е.Н.Иванов, А.Я.Корольченко, В.Т.Монахов, А.Г.Никитин, В.Я.Орлов, Г.Г.Орлов, Л.П.Пилюгин, Б.Г.Попов, В.А.Пчелинцев, А.И.Розловский, М.Я.Ройтман, И.В.Рябов, Н.Н.Семенов, Н.А.Стрельчук, И.И.Стрижевский, Д.А.ФранкКаменецкий и др. По исследованиям в области очистки стоков, канализационных очистных сооружений и защите среды: Л.И.Высоцкий, Н.А.Мосиенко, С.В.Яковлев и другие ученые. Результаты их деятельности нашли отражение в нормативно-технических документах.

Рассмотрены и проанализированы случаи взрывов, пожаров, аварий в канализационных очистных сооружениях, происшедших в нашей стране и за рубежом. Аварии происходят, в основном, из-за поступления в канализационные системы со сточными водами легковоспламеняющихся и горючих жидкостей: различных нефтепродуктов - нефти, бензина, керосина; спирта, ацетона и многих других горючих веществ. Причинами аварий также может быть выделение метана и сероводорода из осадков сточных вод в процессе их гниения. Взрывопожароопасные газы и пары могут выделяться из производственных сточных вод в результате испарения, химических и биохимических реакций. Все это приводит к повышенной загазованности окружающей воздушной среды, к отравлению работающих и населения, живущего вблизи канализационных очистных сооружений.

Приведен обзор существующих способов механической очистки производственных сточных вод ряда предприятий и производств нефтеперерабатывающей, химической и нефтехимической промышленности, предприятий строительной индустрии и железнодорожного транспорта в РФ и за рубежом. Эти предприятия охватывают основную массу производств, в которых по условиям технологии в промстоки попадают горючие вещества. Приводятся характеристики промстоков исследуемых предприятий, состав канализационных очистных сооружений по очистке производственных сточных вод. Проведен анализ схем очистки промстоков рассмотренных предприятий, который показал, что все они построены по идентичной схеме и имеют характерную последовательность сооружений

6

по очистке стоков. Установлено, что всем рассмотренным предприятиям свойственны песколовки, нефтеловушки и отстойники, являющиеся основным звеном механической очистки стоков. Проведен предварительный анализ взрывопожарной и экологической опасности очистных сооружений рассматриваемых групп предприятий, с точки зрения возможности образования взрывоопасных парогазовоздушных смесей в их воздушных зонах. Рассмотрен вопрос о потерях нефти, нефтепродуктов и других горючих веществ в системах промканализаций и очистных сооружениях на исследуемых объектах в РФ и за рубежом. Отмечено, что величина этих потерь достигает 35-40% от общего объема нефтепродуктов и других веществ, поступающих в производственную канализацию. Проанализированы основные действующие нормативные документы по оценке взрывопожарной опасности производств и сооружений. Сделан обзор исследований взрывоопасных зон у зданий, сооружений и наружных установок.

Существующие методы оценки в недостаточной мере учитывают изменяющиеся во времени режимные условия эксплуатации очистных сооружений, например, количественно-качественные, температурные и скоростные характеристики воздуха и стоков и ряд других факторов. Из проведенного анализа следует, что имеющихся данных недостаточно для объективного определения условий распределения взрывоопасных значений концентраций и зон как внутри, так и снаружи очистных сооружений.

Для достоверной и более полной оценки реальной взрывопожарной и экологической опасности канализационных очистных сооружений производств, применяющих ЛВЖ и ГЖ, необходимо решить следующие научные и практические задачи:

-выбрать объекты внутри рассматриваемых отраслей для проведения долговременных экспериментальных исследований;

-теоретически и экспериментально исследовать фактические концентрации парогазовоздушных смесей в различных зонах канализационных очистных сооружений выбранных для исследования предприятий;

получить аналитические модели изменения значений максимальных концентраций ПГВС в различных зонах очистных сооружений, внутри и снаружи на их территории от различных факторов: длины, высоты и ширины сооружения, климатических параметров, количественнокачественных характеристик стоков и др.;

-получить расчетные зависимости для определения возможных значений концентраций парогазовоздушных смесей внутри и снаружи канализационных очистных сооружений;

-разработать метод оценки взрывопожарной опасности канализационных очистных сооружений;

-разработать классификацию канализационных сооружений по взрывной

ипожарной опасности;

7

— разработать технологические, санитарно-гигиенические и планировочные мероприятия по снижению взрывопожарной опасности и защите окружающей среды на стадиях проектирования и эксплуатации сооружений производственной канализации; - провести оценку экономической эффективности результатов исследова-

ния и разработать практические рекомендации.

Вторая глава посвящена экспериментальным исследованиям. В соответствии с разработанной методикой проведения экспериментальных исследований определение фактических концентраций парогазовоздушных смесей проводилось на действующих очистных сооружениях: песколовках, нефтеловушках, прудах дополнительного отстоя стоков, флотаторах, аэротенках, отстойниках и других сооружениях исследуемых предприятий. Измерения концентраций ПГВС в воздушных зонах внутри и снаружи очистных сооружений проводились в разное время года: весной, летом, осенью и зимой. Это обусловлено тем, что в различное время года количество стоков, их состав и температура, а следовательно, и испарения с поверхности стоков горючих веществ различны. Концентрации ПГВС внутри воздушных зон всех очистных сооружений исследуемых предприятий замерялись отдельно в каждой из секций песколовок, нефтеловушек, на прудах дополнительного отстоя, флотаторах и в различных зонах очистных сооружений станций БХО - аэротенках и отстойниках и др.

Как было установлено ранее, наибольшую опасность с точки зрения возможности образования взрывоопасных концентраций ПГВС ЛВЖ и ГЖ представляют очистные сооружения первого блока станций механической очистки промстоков — песколовки, нефтеловушки и отстойники. Поэтому при проведении экспериментальных исследований этим сооружениям было уделено особое внимание.

Для уточнения реальной взрывопожарной опасности всех остальных сооружений очистки стоков проводились замеры концентраций ПГВС на прудах, флотаторах, БХО и др.

Замеры концентраций ПГВС во внутренних воздушных зонах сооружений осуществлялись по высоте воздушной зоны в нескольких точках в каждой из секций этих сооружений для контроля полученных концентраций. Точки отбора проб выбирались в начальной, средней и конечной частях сооружений, а по высоте — не менее трех точек: на уровне поверхности сточных вод, в средней зоне свободного пространства и в верхней зоне - у перекрытия или на уровне бортов сооружений, в случае открытого исполнения этих сооружений (рис. 1).

Замеры концентраций ПВС снаружи очистных сооружений проводились непосредственно над ними на разных высотах (от 0 до 2,0 м) и на территории их на разных расстояниях по периметру от них в плане, по горизонтали (до 10 м) с целью выявления наружной загазованности территории очистных сооружений и определения взрывоопасных зон вблизи этих

При проведении замеров концентраций ПГВС выбирались характерные точки очистных сооружений, в которых наиболее вероятны застой паров и газов, а также максимальные испарения с поверхности промстоков паров ЛВЖ, ГЖ и газов. В каждой выбранной точке измерения содержания паров (отбор проб) проводились не менее трех-пяти раз.

Наряду с замерами концентраций паров ЛВЖ и ГЖ производился замер температур окружающей среды и стоков, а также скорости движения воздуха внутри и снаружи сооружений и промстоков в очистных сооруже-