Проникновение ароматических углеводородов
advertisement
Техническая оценка и определение степени загрязнения труб ПНД материалами БТЭК. Итоговый отчет 10 июля, 2012 отчет выполнен для Общественного консультативного комитета Институт Пластиковых Труб Отчет выполнил: Дэн Ку Трубы из полиэтилена (ПЭ) обладают отличными антиабразивными, ударопрочностными и антикоррозийными свойствами и широко применяются для водопроводных труб, а также, в меньшей степени, для магистральных водопроводов (Шеврон Филипс Кемикал Ко., 2003). Однако неоспоримые данные литературных источников и экспериментальных исследований свидетельствуют о том, что органические загрязнители проникают через ПЭ трубы и оказывают негативное воздействие на качество питьевой воды в водопроводных сетях. По данным исследования, проведённого в 1980-х гг., применение ПЭ труб было связано с 39% от общего числа случаев загрязнения питьевой воды в результате проникновения органических загрязнителей (Томпсон и Дженкинс, 1987). Загрязнение питьевой воды ароматическими углеводородами и хлорсодержащими растворителями в результате проникновения через полиэтиленовые трубы было более вероятно по истечении некоторого времени застоя воды в трубе (Холсен и др., 1991a). Согласно недавнему исследованию, 3 из 44 случаев проникновения загрязняющих веществ в водопроводные трубы для питьевой воды были связаны с ПЭ трубами, в то время как большая часть таких случаев была связана с полибутиленовыми (ПБ) трубами (Онг и др., 2008). Проницаемость ПЭ труб для органических соединений объясняется структурными характеристиками полиэтилена. Полиэтилен представляет собой частично кристаллический полимер, имеющий как кристаллические, так и аморфные области. Кристаллические зоны действуют как непроницаемые барьеры для диффузии, в то время как некристаллическая матрица (аморфные области) является легко проницаемой, поскольку полимерные цепи в аморфных областях довольно «мобильны» (Нейлор, 1989). Из-за неполярной природы полиэтилена липофильные органические соединения могут быстро проникать через ПЭ трубы, хотя при этом ПЭ трубы демонстрируют превосходную устойчивость к проникновению сильно полярных соединений (Вонк, 1985). Хотя хорошо известно, что органические соединения легко проникают через ПЭ трубы (Томпсон и Дженкинс, 1987; Вонк, 1985), значительно меньше внимания уделяется моделированию условий загрязнения, в результате чего имеется мало данных, которые можно применить для предсказания характера проникновения в реальных условиях эксплуатации. Вонком (1985) был представлен отчёт о коэффициентах диффузии широкого диапазона органических соединений через стенки ПЭ труб, но его исследование было сосредоточено на проникновении одного соединения из водных растворов в условиях хорошего смешивания. Так как проникновение может произойти либо в зоне аэрации, либо в зоне насыщения (Фонд исследований воды, 1992), одних экспериментов с водным воздействием недостаточно для исчерпывающего моделирования проницаемости труб в условиях грунта. К тому же большинство утечек химических веществ и случаев загрязнения в условиях эксплуатации связаны с органическими смесями. Проницаемость смесей может значительно отличаться от проницаемости отдельных органических соединений из-за синергетического эффекта. Парк и коллеги (1991) представили отчёт, согласно которому проницаемость органических веществ, с трудом проникающих через ПБ трубы по отдельности, может значительно увеличиться, если их смешать с органическими веществами с большой проницаемостью. Кроме того, тип и характеристики почвы могут оказывать существенное влияние на проникновение органических веществ через материалы труб, косвенно определяя эффективную готовность к проникновению (Холсен и др., 1991b). На утечки и разливы бензина приходится почти 90% зарегистрированных случаев проникновения загрязняющих веществ в водопроводные сети США (Онг и др., 2008; Томпсон и Дженкинс, 1987). Целью данного исследования было, во-первых, смоделировать проникновение соединений бензола, толуола, этилбензола и ксилола в питьевую воду в трубах ПНД из загрязнённых бензином грунтовых вод и ненасыщенной почвы, и, во-вторых, определить интенсивность проникновения и коэффициенты диффузии, необходимые для разработки эмпирических уравнений с целью предсказания характера проникновения в условиях загрязнения, обычно встречающихся в повседневной практике. Также было изучено влияние органического вещества почвы. Для целей предсказания особое значение придавалось бензолу, поскольку он имеет самые большие коэффициенты диффузии и растворимости в воде и значительно более низкий уровень предельно допустимой концентрации (ПДК), установленный Агентством по охране окружающей среды США для ароматических углеводородов. Список Таблиц Таблица 1. Объемная концентрация загрязняющих веществ во внутреннем слое почвы Таблица 2. Химические и физические свойства БТЭК Таблица 3. Национальные нормы для питьевой воды относительно материалов БТЭК Таблица 4. Сравнение национальных стандартов по питьевой воде Таблица 5. ПДК веществ на вкус и запах в питьевой воде Таблица 6. Загрязнение в условиях насыщенной и ненасыщенной грунтовой воды Таблица 7. Фактор коррекции толщины стенки трубы Таблица 8. Диффузионный коэффициент при изменении температуры воды Таблица 9. Внутренние параметры загрязнения материалами БТЭК Таблица 10. Величина загрязнения. Сценарий 1. Вода насыщена. Есть напор. Таблица 11. Величина загрязнения. Сценарий 2. Вода насыщена. Вода стоячая. Таблица 12. Величина загрязнения. Сценарий 3. Вода не насыщена. Есть напор. Таблица 13. Величина загрязнения. Сценарий 4. Вода не насыщена. Стоячая вода Список рисунков Рисунок 1. Вещества БТЭК в составе бензина Рисунок 2. Диаграмма измерения количества веществ БТЭК Рисунок 3. Регрессионная модель. Фактор коррекции загрязнения по отношению к толщине стенки трубы Рисунок 4. Линейная регрессия коэффициента диффузии. Бензол и температура. Рисунок 5. Линейная регрессия коэффициента диффузии. Толуол и температура. Рисунок 6. Линейная регрессия коэффициента диффузии. Этилбензол и температура. Рисунок 7. Линейная регрессия коэффициента диффузии. Ксилол и температура. Введение Водная индустрия в Европе использовала трубы ПНД в системе питьевой воды и водораспределения в течение многих десятилетий. В США и Канаде использование этих труб в муниципальных системах продолжает расти с каждым годом. По сравнению с другими материалами, такими как сталь, чугун, ПВХ и бетон, полиэтиленовые трубы имеют ряд преимуществ, таких как гибкость, стойкость к коррозии, биологическому разрушению, стойкость по отношению к сейсмической активности, возможность разных соединений. Плавкие, а также механические соединения обеспечивают низкий порог цен на такую продукцию. Как сказано в стандартах (таких как C110, C200, C905, C906, and etc) американской ассоциации водных сооружений (ААВС), подземные водопроводы могут быть заражены различными химическими органическими соединениями в течение срока службы. Загрязнение гидрокарбоном происходит из источников, находящихся на поверхности вокруг системы водопровода. Следовательно, загрязняющие вещества проникают в воду через материалы трубы и места соединения диффузным способом. Стандарты ААВС включают в себя простые требования по профилактике загрязнения для труб, а также уплотнительного материала и советуют прибегать к помощи производителя перед тем, как выбрать продукцию для использования в определенном регионе. Поэтому Институт пластиковых Труб совместно с Пердью Контакт Инжиниринг выполнили этот отчет. БТЭК это акроним для четырех веществ: бензола, толуола, этилбензола и ксилена. Вещества БТЭК известны как летучие органические соединения и являются главным источником загрязнения почвы, вызванного попаданием продуктов распада нефти из подземных нефтяных хранилищ отработанных материалов. Из-за небольшого размера молекул и высокой растворяющей способности вещества БТЭК могут проникать в материалы труб и уплотнительные материалы при определенных условиях, о которых будет сказано дальше в данном отчете. Загрязнение гидрокарбонами происходит через полимерные уплотнительные прокладки, а также через другие пластиковые материалы. Качество воды подвергается опасности, когда постоянное загрязнение превышает предельно допустимую концентрацию опасных веществ. Исследования были направлены на выявление диффузионного коэффициента, а также коэффициента проникновения опасных веществ в материалы ПЭ труб. Исследование материала трубы на проникновение БТЭК был опубликовано исследовательским фондом ААВС в 2008 году. Это исследование выявило диффузионные коэффициенты, а также степень повреждения трубы ПНД величиной в 1 дюйм в различных лабораторных условиях от материалов БТЭК (2008). Как бы то ни было, тесты проводились только на материале трубы величиной в 1 дюйм. Подобная труба используется при вспомогательных соединениях в различных водопроводах. Распределительные водопроводные трубы, а также трубы транспортных магистралей имеют большие размеры. Поэтому, использование данных по загрязнению 1-дюймовой трубы может преувеличить реальный уровень загрязнения, что исказит данные о трубах большего диаметра. Более того, предыдущие исследования были ограничены тестами 1-дюймовой трубы, тесты труб ПНД большего диаметра, которые используется в системах водораспределения, не проводились, также как и труб разной степени износа. Для многих инженеров это и стало поводом для исследования. Практическое применение результатов предыдущего исследования требует большого количества исходных данных и объемного понимания о химическом загрязнении, а также о механизмах проникновения БТЭК в материалы трубопровода перед тем, как выбирать трубы ПНД в качестве материала для прокладки водопровода в почве, зараженной материалами БТЭК. Данное исследование предусматривает пошаговую методологическую оценку загрязнения и предоставляет рекомендации для правильного выбора места прокладки трубопровода, а также инженерно-геологические сведения, включая концентрацию БТЭК в почве, температуру грунта, насыщенность грунтовой воды, скорость потока, эффект стагнации воды в трубе, толщину стенки трубы и характеристику грунта. Методология данного отчета может быть использована для выполнения расчетов, основанных на существующих обязательных ограничениях и в обычной инженерной практике. 2.0. Определение и свойства БТЭК Углеводородные (органические) соединения являются главными источниками заражения сточных вод в окружающей среде. БТЭК является акронимом для группы углеводородных органических веществ и включает в себя такие вещества как бензол, этилбензол, толуол и три изомера ксилола. БТЭК определяется как «Летучие, моноцикличные ароматические соединения, присутствующие в каменноугольной смоле, нефтепродуктах, а также в различных органических химических примесях». (Cohen and Mercer, 1993) и « наиболее растворимые из всех основных бензоловых составляющих и поэтому являются продуктами распада бензина и общими показателями загрязнения» (Wilson and Moore, 1998). Как правило, бензин состоит из БТЭК (примерно 18 процентов от общей массы) и других углеродов (примерно 82 процента от общей массы). Рисунок 1 показывает процентное соотношение массы каждого компонента БТЭК из 18 процентов от общей массы бензина. (Christensen and Elton, 1996). Рисунок 1. Вещества БТЭК в составе бензина (Christensen and Elton, 1996) Когда БТЭК проникает в почву, он смешивается с грунтовой водой. Смешивание веществ БТЭК с грунтовой водой проходит по-разному, так как каждое вещество имеет разную растворимость. Недавний отчет исследовательского фонда ААВС (Ong et al. 2008) показал уровень растворимости и его измерение. 350 мл топлива было смешано с 4 литрами деоинизованной воды, магнитное перемешивающее устройство перемешивало жидкость в течение 48 часов для получения образцов БТЭК. Таблица 1 показывает водосодержащие растворы топлива, приготовленные Ong et al. (2008). Три разбавленных образца различных концентраций, представленных в таблице 1, были получены при помощи разбавления 100% концентрации БТЭК в деионизированной воде в пропорциях строго 1:1, 1:9, 1:99. Данные растворы используются как объемная концентрация (Cоб.), чтобы оценить уровень загрязнения веществами БТЭК. Концентрация веществ БТЭК в загрязненных подземных водах может существенно различаться по сравнению с процентом от общей массы топлива, показанной в Снимке 1. Таблица 1 показывает, что бензол имеет большую растворимость по сравнению с другими веществами. Другими словами, бензол растворяется в воде в большей степени по сравнению с другими органическими соединениями, это вещество может проникать в почву при движении грунтовой воды. Таблица 1 Объемная концентрация загрязняющего вещества в грунтовой воде (подземная внутрипоровая вода) (Cоб.), Заметка: Сведения из Ong et al (2008). Таблица 2 показывает химические и физические свойства БТЭК. Молекулярная масса измеряется нахождением массы атомов каждого элемента в химической формуле, после чего массы складываются вместе. KOC является соотношением массы химического вещества, включая БТЭК, попавший в почву в балансе с концентрацией раствора. Согласно основному правилу, чем ниже коэффициент распределения, тем быстрее вещество проникнает через грунтовую воду в почву. Тип грунта и его качества также должны приниматься в расчет для определения скорости проницаемости БТЭК. (Yang et al. 1995). Поглощение продуктов БТЭК на разных участках почвы определяется отличительными особенностями почвы: типом, а также свойствами. Как бы то ни было, в практике инженеров коэффициент распределения БТЭК в разных видах почвы не исследовался. Давление пара это давление газа в сравнении с жидким или твердым состоянием при данной температуре. БТЭК является опасным летучим органическим соединением. Поэтому, такое соединение склонно к более быстрому испарению в атмосферу, чем другие углеводороды. Другими словами, чем выше давление пара, тем сильнее проходит испарение вещества из зараженной почвы. Таблица 2. Химические и физические свойства БТЭК. Обратите внимание: Сведения взяты из Weast et al. (1990), Carey and Sundberg (1990), and Fetter (1998). a: Среднее значение; b: При данной температуре (T), давление пара (P)=exp(-0.05223 a/T +b). 3.0 Влияние на здоровье человека Управление по охране окружающей среды США установило Национальные базовые нормы использования питьевой воды (НБНИПВ), которые определяют предельно допустимую концентрацию широкого круга микроорганизмов, дезинфицирующего средства, продуктов дезинфекции, органических и неорганических соединений, а также радионуклидов в национальной водопроводной сети (EPA 2009). НБНИПВ применимо к примерно 170 000 публичных водопроводов, включая 54 000 внутренних и 89 000 магистральных водопроводных сетей в Соединенных Штатах. Повторное заражение водопроводной системы может нанести вред здоровью человека, если подобное загрязнение превышает предельно допустимую концентрацию БТЭК на протяжении года. Отдельные группы могут быть особенно чувствительны к воздействию некоторых химикатов (Quevauviller and Thompson 2006). Таблица 3 показывает новейшие национальные базовые нормы для БТЭК. Бензол – единственное вещество из всего БТЭК, которое классифицируется как генотоксичное и канцерогенное. Другие вещества БТЭК не являются канцерогенными или генотоксичными в Канаде или других странах Евросоюза, как показано в таблице 4. Задачи по оздоровлению по отношению к нормам ПДК прописаны в местных органах по здравоохранению, но в настоящее время на федеральном уровне она не предусмотрена. Потенциальное влияние на здоровье человека, при употреблении воды с превышенной максимальной концентрацией вещества в течение долгого срока представлено в таблице 3. Канада и Европейский Союз никак не регулируют использование этилбензола, толуола и ксилола в своих стандартах о питьевой воде. В большинстве инстанций отчеты о загрязнении питьевой воды были выполнены обычными потребителями, которые обнаружили различие во вкусовых качествах, а также почувствовали разницу в запахе. (USEPA 2002). Таблица 5 показывает вкусовые и обонятельные параметры компонентов БТЭК. Содержание этилбензола и ксилола в питьевой воде можно легко определить по сильному запаху. Содержание в воде бензола в пропорции меньше чем 0.5 мг/литр обычному человеку определить практически невозможно. Бензол определен как канцероген, когда толуол, ксилол и этилбензол не показаны в таблице 4. Поэтому, загрязнение бензолом считается темой более важной, чем загрязнение тремя остальными летучими органическими соединениями. Таблица 3. Национальные нормы для питьевой воды. Таблица 4 Сравнение национальных стандартов относительно качества питьевой воды. Таблица 5. Ощущения на вкус и запах веществ БТЭК в питьевой воде 4.0 Механизмы распространение БТЭК Как обсуждалось ранее, БТЭК является одним из главных источников заражения воды, согласно нескольким причинам, которые включат в себя: 1) широкое использование нефтяных продуктов, таких как бензин, 2) БТЭК составляет значительную часть из всех нефтяных продуктов, 3) БТЭК обладает высокой растворимостью в грунтовой воде. Существуют четыре главных механизма попадания и распространения БТЭК в почву: 1) испарение, 2) растворение, 3) сорбция (поглощение) и 4) биохимическое разложение. (Christensen and Elton,1996). При работе этих механизмов, уровень концентрации БТЭК в почве будет уменьшаться с течением времени. 4.1 Испарение БТЭК это группа органических соединений, которые испаряются в атмосферу, как только они попадают на поверхность земли. Свойства парового давления показаны в таблице 2 и получены из реальных компонентов БТЭК. Большее паровое давление показывает, что молекулы БТЭК быстро выпарятся из зараженной грунтовой воды или почвы. Испарение можно ограничить в искусственно созданной среде, используя специальную непроницаемую пленку, которая препятствует испарению веществ в атмосферу. В добавление ко всему, непроницаемая поверхность не дает БТЭК проливаться и впитываться в землю. Зелень на поверхности может усилить испарение. 4.2 Растворение БТЭК имеет довольно сильную растворимость при смешивании с водой. Каждый компонент БТЭК имеет разную растворимость. Растворенная концентрация БТЭК выражена в виде процента водного насыщения и показана в таблице 1. Бензол показывает самую высокую растворимость в грунтовой воде среди всех веществ БТЭК. Согласно Янгу (1995), БТЭК проникает в грунтовые воды под влиянием природного гидравлического градиента, проникая через плотные слои грунта и растворясь в грунтовых водах. Ong et al (2008) говорит, что срок проникновение БТЭК через трубы строго зависит от объемной концентрации вещества вокруг трубы. Объемные растворы различных концентраций БТЭК были выполнены как и показано в таблице 1. Степень водного насыщения грунтовых вод вокруг вкопанной в грунт трубы из полиэтилена является значительным фактором для оценки степени загрязнения трубы веществами БТЭК. Степень загрязнения бензолом вырастает, как только грунт полностью насыщается, что представляет опасность для водной трубы, которая становится полностью подверженной влиянию веществ БТЭК растворенных в грунтовой воде. Насыщение грунтовых вод, зона воздействия, а также время могут быть значимыми факторами. Опять же, только два из этих факторов относятся к месту расположения водопровода и могут быть приняты в расчет только в реальных условиях. 4.3 Поглощение Поглощение определяется как взаимодействие органических загрязнителей и почвы или матрицы (Christensen and Elton, 1996). С точки зрения геоинженерии, процесс поглощения происходит в том случае, когда почва не насыщена. Ненасыщенная зона почвы это слои почвы, которые расположены между поверхностью и уровнем грунтовых вод. Поглощение удерживает БТЭК в слоях почвы и тормозит их проникновение в глубь. Процесс поглощения зависит от многих факторов, к примеру, он зависит от свойств загрязняющих веществ и почвы. Чем выше полярность и растворимость, тем больше образуется загрязняющих веществ, например, бензола, который легко поглощается почвой и сокращает расстояние между матрицей земли и вредными веществами (Zytner 1994 and Ong et al. 2008). Когда количество БТЭК недостаточно, чтобы достичь трубы ПНД или грунтовые воды не пропитаны БТЭК, поглощение задерживает органические загрязнители и тормозит движение грунтовых вод. Большинство сетей распределения, а также соединительные части обычно прокладываются в незараженной зоне почвы на глубине примерно 10 футов(3 метра) от поверхности. Эта ненасыщенная зона почвы имеет сильное негативное поглощение вредных веществ и увеличивает содержание воды близко к уровню грунтовых вод. (Fredlund and Rahardijo 1993). Уровень грунтовых вод колеблется из-за осадков, просачивания, особенностей рельефа, а также свойств самой почвы, таких как гидравлическая проводимость и размеры частиц почвы. Уровень насыщенности грунтовых вод является важнейшим фактором при попадании или растворении БТЭК в воде. Отчет исследовательского фонда ААВС (Ong et al. 2008) включает в себя информацию о сухой почве и 100% водяные растворы для экспериментов по проникновению вредных веществ. 4.4 Биологическое разложение Многие органические компоненты могут быть разрушены под действием микробов. Микробное разрушение (биологическое разложение) веществ БТЭК является доминирующим механизмом процесса естественного восстановления. Согласно Kim et al. (2003), возможности веществ БТЭК во время биологического разложения часто ограничены из-за поглощения и задержки в слоях почвы. Zang and Bouwer (1997) протестировали процесс разложения бензола и толуола. Они выяснили, что уровень разложения понизился при повышении гидрофобности, пропорции воды и почвы, частиц почвы, а также уровня содержания органического углерода. Сам эффект разложения довольно несостоятелен и подвержен влиянию концентрации количества микробов, а также количества веществ БТЭК (Kim et al. 2003). Процесс биологического разложения естественным образом снижает уровень загрязнения почвы и грунтовых вод веществами БТЭК. Этот комплексный биохимический процесс, который обобщает процесс анализа заражений. Факторами, играющими большую роль в процессе биохимического разложения, являются присутствие кислорода, вид бактерий, существование перекиси водорода, а также свойства почвы (Kim et al. 2006). 4.5 Краткое изложение Все четыре механизма считаются естественными пассивными восстановительными процессами. Испарение, поглощение и биохимическое разложение могут стать причиной уменьшения уровня загрязнения БТЭК. Все же, эти три механизма сложно контролировать, как независимые факторы формулы оценки загрязнения из-за осложненного взаимодействия всех существующих природных условия, а также особенностей выбранной местности. Во время оценки степени загрязнения трубы ПНД продуктами БТЭК, необходимо иметь в виду, что долгосрочный процесс восстановления проходит естественно. Долгий процесс восстановления уменьшает уровень объемной концентрации загрязнителей. Уровень объемной концентрации является самым главным фактором при измерении при измерении уровня загрязнения БТЭК, которое представлено в исследовании ниже. 5.0 Методика вычисления уровня загрязнения БТЭК 5.1 Уравнение для вычисления среднего значения загрязнения Законы Фика о диффузии показывают теорию снижения диффузионного потока с высокой концентрации до малой. Законы Фика управляют движением массы на молекулярном уровне, используя коэффициент диффузии (Yahya 2006). Ong et al. (2008) сделал обзор литературы и провел несколько тестов, чтобы измерить коэффициент диффузии на разных уровнях концентрации БТЭК. Для тестов они использовали трубу ПНД диаметром 1 дюйм (IPS и DR9), которая имеет среднюю толщину стенки 0.146 дюйма. Коэффициенты диффузии подтвердились и были аналогичными со сведениями предыдущих изучений Вонка(1985) и Joo et al (2004). Уровни загрязнения (Pm) были выявлены через исследования кумулятивного диффузионного потока и показали, что уровни загрязнения находятся в сильной зависимости от объемной концентрации загрязнителей, как показано в уравнении. В уравнении 1 показана формула концентрации загрязнителей, которые проникли в трубу ПНД. Уравнение 1 показывает, что загрязнители проникают в трубу в стабильном состоянии и распространяются по всей трубе, как только попадают внутрь. Таблица 2 демонстрирует функциональную диаграмму для измерения уровня загрязнения БТЭК при 6 различных условиях. Уравнение 1. V = объем воды в трубе (см3), Pm = постоянный уровень загрязнения (μg/см2/день), ID = внутренний диаметр трубы (см), OD = Внешний диаметр трубы (см). Рисунок 2. Диаграмма измерения количества вещества БТЕК. 5.2 Различные условия – насыщенная и ненасыщенная грунтовая вода. Согласно Ong et al. (2008), степень насыщенности грунтовых вод является важнейшим фактором для контроля уровня проникновения вредных веществ из-за высокой растворимости вещества БТЭК в насыщенной грунтовой воде. Например, если разбавленная концентрация БТЭК полностью растворятся в грунтовой воде и вся поверхность трубы подвергнется этому раствору, то загрязнение бензолом будет максимальным. В отчете исследовательского фонда ААВС тестировалась труба диаметром 1 дюйм, теоретически в ужасном состоянии при наличии воды с разными уровнями концентрации БТЭК. Бензол и Толуол были обнаружены в воде внутри трубе. Этилбензол и ксилол были обнаружены в незначительном количестве. Такие результаты могут быть объяснены высокой растворимостью бензола в воде и большой массовой долей ксилола, как показано в Таблице 1. Ong et al. (2008) дает свои данные по проницаемости бензола и толуола в насыщенную водную среду, как показано в уравнении 2,3. Хотя этилбензол и ксилол практически не проникли внутрь трубы, их проницаемость составила 10 % от проницаемости бензола. Для инженеров эта информация может помочь предотвратить потенциальное проникновение данных веществ в трубопровод в будущем. Уравнения 2-5 Заметка: Этилбензол и Ксилол, включая м-Ксилол, а также о+р Ксилол не были обнаружены в воде внутри трубы. Пористость почвы и содержание влаги имеют влияние на распространение веществ БТЭК внутрь структуры почвы. Поэтому пористость и содержание влаги значительно влияют на проникновение БТЭК внутрь водопроводных труб. Бензол проникает в трубы ПНД в значительно меньшем количестве когда вода не является насыщенной, по сравнению со 100% насыщенной водой, как было описано выше. Уровень проницаемости в условиях ненасыщенной грунтовой воды меняется как только меняется уровень воды и количество вещества БТЭК из-за разного уровня поглощения почвы, а также парообразования. Ong et al. (2008) также предоставляет данные о проницаемости этилбензола и ксилола в условиях ненасыщенной грунтовой воды, как показано в уравнениях 7 и 9. Тесты выполнялись, чтобы добавить уровень объемной концентрации в нерастворенной грунтовой воде и в сухой почве. Ong et al. (2008) не приводит данные по бензолу и этилбензолу из-за низкого уровня проницаемости. Хотя проницаемость бензола и этилбензола в трубы была незначительна, их проницаемость составила 10% от проницаемости толуола. Это точно такой же эксперимент, который проводился по отношению к этилбензолу и ксилолу в 100% растворенном виде. Ong et al. (2008) Уравнения 5-9: . Объемная концентрация загрязняющих веществ выражается по-разному в случаях с насыщенной и ненасыщенной грунтовой водой. В случае с насыщенной грунтовой водой труба ПНД была погружена в раствор с разбавленным бензином. (Cоб) выражается в миллиграммах на литр мг/литр. Ненасыщенная внутрипоровая вода говорит о том, что труба расположена в зараженной зоне. Объемная концентрация измеряется в мг/кг в сухой почве. Не стоит полагаться на уровень грунтовых вод, чтобы определить уровень предельной концентрации загрязнения. Сведения по загрязнению представлены в таблице 6. Таблица 6 Загрязнение в условиях насыщенной и ненасыщенной грунтовой воды. 5.3. Различные условия – эффект стагнации в грунтовых водах. В системах распределения воды выделяют два вида водопроводных сетей. Первый вид это кольцевой водопровод, второй же вид – тупиковый. В случае с тупиковым водопроводом, вода может отстаиваться намного дольше, чем в кольцевой системе из-за плохой циркуляции. Другое место, где вода может отстаиваться это в рабочей магистрали в местах соединения водопровода и прибора учета воды, в случае если вода в течение долгого время не используется потребителем. Застой в трубе негативно влияет на качество воды, из-за долгого времени пребывания в трубе, а также влияния веществ БТЭК. Уравнение 10 показывает уровень концентрации БТЭК в трубе, так как задача показателя Cоб состоит в подсчете уровня загрязнения БТЭК после определенного времени застоя воды в зараженной БТЭК веществами зоне. Это уравнение использует показатель застоя, как и показано в Уравнении 11. Ong et al. (2008) в отчете исследовательского фонда ААВС приводятся эти данные на основе сведений из зоны с 100% насыщенной грунтовой водой. Эти данные могут также быть использованы относительно ненасыщенной воды. Фактор застоя не должен использоваться для нулевого порога, так как нулевой порог (t=0) в Уравнении 11 превращает показатель уровня загрязнителя в 0. Нулевой показатель стагнации показывает, что вода протекает в трубе. Влияние застоя и внутреннего потока воды, описанные в следующем разделе, не должны одновременно быть включены в процесс вычисления количества загрязнения, потому что застой и поток не могут сосуществовать вместе в одной трубе в течение одного и того же периода времени. Другими словами, производители расчетов могут полагаться или на показатели эффекта застоя или на показатели внутреннего потока воды. Поэтому долговременное исследование уровня загрязнения может потребовать множественных и сложных измерений, чтобы проанализировать разные условия нахождения воды в трубе. Уравнения 10-11: (μg/cм3), M = полная масса загрязнителя, проникнувшего внутрь (μg), V = объем воды в трубе (cм3), Pm = постоянный уровень проникновения загрязнителя (μg/см2/дни); Pm показано как функция. t = период простоя (дни), Lc = длина пораженного участка трубы (см), LT = полная длина трубы (см), ID = внутренний диаметр трубы (см), and OD = внешний диаметр трубы (см). 5.4 Различные условия – Влияние внутреннего потока в зараженной почве. Уровень внутреннего потока в трубе влияет на концентрацию загрязняющих веществ. Скорость потока является изменчивым фактором для измерения уровня загрязнения в определенное время и на определенном участке. Скорость потока колеблется из-за объемов водопотребления и давления внутри системы распределения. Скорость потока в трубе повышается, как только повышается давление из-за большего водопотребления в трубе одинакового размера. Период максимального потребления воды – наивысшая отметка потребления воды в день, поэтому концентрация загрязнителей меняется в зависимости от уровня потребления. Согласно отчету исследовательского фонда ААВС (2000), минимальный односторонний напор воды, чтобы избавиться от биопленки составляет 1,5 м/сек, и 3,6 м/сек, чтобы убрать песок из сифона. Лаборатория JANA (2012) опубликовала результаты исследований, которые показали, что средняя максимальная скорость для нормального водопровода составляет 2,01 м/сек, в то время как при расходе воды на тушения пожара необходим напор величиной в 3,4 м/сек. Таким образом, скорость потока в 1,5 м/сек выбрана в качестве оптимальной для проведения расчетов по загрязнению воды. Если принимать во внимание что поток в трубе движется непрерывно, то скорость потока является стабильной в течение всего периода времени(t) в уравнении 12. Уравнение 12 выведено из преобразования уравнения 13 в уравнение 1. Величина потока см/день. Скорость потока обычно выражается в метрах в секунду или футах в секунду. Конверсия используется для того, чтобы получить из фут/сек см/день, например, 3-5 фут/сек равняется соответственно 7,900,416 – 13,167,360 см/день. Показатели потока воды и показатели застоя воды должны использоваться только в разных вычислениях, как показано на рисунке 2. 5.5 Различные условия – Малая толщина стенки ПЭ трубы в зараженной почве Уровни загрязнения – результат эмпирических тестов, которые проводились на трубах IPS, SDR 9 диаметром размером 1 дюйм, стандартным размером для трубы ПНД, которая используется в системах водораспределения. Трубы меньшего размера более подвержены разрушающему действию загрязнителей. Таблица 7 показывает поправочные коэффициенты для толщины стенок трубы из отчета ААВС (Ong et al. 2008). Трубы толщиной в 1 дюйм IPS и SDR 9 имеют поправочный коэффициент 1, который является основным для других коэффициентов. Минимальная толщина стенки для 1 дюймовой трубы составляет 0.146 дюйма(0, 37 см) и это намного меньше, чем любой трубы, выполненной из чугуна таких же размеров для использования в системе распределения. Например, 8 дюймовая труба из чугуна DR17 имеет минимальную толщину стенки равную 0.532 дюйма(1, 35 см). Трубы ПНД, которые используются для водных магистралей больше и тоньше, чем большинство труб распределительных магистралей и соединительных линий. Трубы ПНД большого диаметра с толщиной стенки в несколько дюймов обычно используется в системе водных магистралей, например трубы ПНД DIPS DR11 24 дюймов, имеют минимальную толщину стенки в 2,345 дюйма (5,95 см). Трубы ПНД, которые используются в водных магистралях всегда больше и толще, чем большинство труб из распределительных магистралей или вспомогательных водных соединений. Трубы ПНД больших диаметров с толщиной стенки в несколько дюймов обычно используются в системах водоснабжения, например труба DIPS DR11 имеет толщину стенки 2,345 дюйма(5,95 см). Такая толщина стенки позволяет проникать только 5% от всего загрязнения трубы величиной 1 дюйм IPS DR9. Как показано в таблице 7. Уравнение 14 используется для применения фактора толщины стенки для процесса загрязнения. Рисунок 3 показывает регрессирующую модель, основанную на различной толщине трубы, а также факторы для корректировки, изображенные в зависимости от сведений Ong’s. Фактор коррекции толщины стенки в примере 15 получен из регрессирующей модели, показанной на рисунке 3. Таблица 7: Фактор коррекции толщины стенки трубы Рисунок 3: Регрессионная модель. Фактор коррекции загрязнения по отношению к толщине стенки трубы. 5.6 Различные условия – разная температура почвы. Коэффициент диффузии стремится к увеличению, как только температура повышается. Все тесты, показанные в отчете исследовательского фонда ААВС, выполнены при нормальной комнатной температуре 23 °C (73.4 °F) (Ong et al. 2008). Температура почвы зависит от многих факторов, включая свойства почвы, такие как теплопроводность, степень насыщенности грунтовой воды, присутствие геотермального источника, а также атмосферной температуры. Трубы системы распределения обычно находятся на глубине, согласно стандартам, которые для них предусмотрены. Хотя температура грунта более-менее стабильна, в отличие от атмосферной температуры, она все же влияет на количество загрязняющих веществ. Согласно исследованиям температуры воды в Соединенных штатах, средняя температура воды в системах распределения в США составляет 14 °C (57 °F), а средний интервал температур составляет от 3°C (39 °F) до 29 °C (84 °F) (Jana Lab 2010). В том отчете нет сведений по поводу изменения уровня БТЭК веществ относительно изменению температуры грунта. Очевидно, что размеры загрязнения могут быть большими, при условии, что температура грунта ниже основной величины в 23 °C. Joo et al. (2004) рекомендует учитывать показатели температуры при подсчете уровня загрязнения. SEPA (2011) приводит веб-приложение для оценивания месторасположения водопровода, используя методы Хайдука и Лоди (методы для определения степени загрязнения воды БТЭК, как показано в уравнении 16). Где: DBW = Диффузный коэффициент вещества В в воде (cm2/s), nw= вязкость воды в зависимости от температуры, и VB = молярный объем Ля Бас. Коэффициенты проницаемости при различных температурах, как показано в таблице 8, получены из веб-приложения и используют температуру от 5 до 30 °C. Показатели проницаемости всякий раз понемногу возрастает при подъеме температуры. Первый закон Фика для органических веществ предполагает пропорцию между коэффициентом проницаемости и концентрацией вредных веществ. Количество загрязняющих веществ напрямую зависит от коэффициента проницаемости. Поэтому уровень веществ может снизиться на 25 % при температуре в 15 °C, по сравнению с температурой в 25°C. Процесс подсчета в разделе 6 использует данные по температуре из регрессионной модели БТЭК на рисунках 4,5,6 и 7. Регрессионная модель основана на Таблице 8 и показывает процентное соотношение диффузионный коэффициентов при температуре 25 °C. Таблица 8. Диффузионный коэффициент при изменении температуры в воде. Рисунок 5. Линейная регрессия коэффициента диффузии толуола и температура. 5.7 Различные условия – тип грунта Как показано в отчете исследовательского фонда ААВС, вещества БТЭК быстро проникают через участки грунта. Органическая почва и мелкозернистый грунт показывают сильное поглощение, при этом довольно большое количество веществ быстро испаряется сразу после утечки. Знание свойств почвы, таких как коэффициент проницаемости, также известный как гидравлическая проводимость, очень важно для оценки скорости проникновения веществ БТЭК в грунтовые воды или подземные почвенные структуры. Базовое значение для показателей загрязнения чистого гравия составляет в миллион раз больше, чем показатели глинозема (Das 1985). Концепция загрязнения грунтовых вод построена на воде со 100% насыщением при работе в среде с пористым грунтом (ваакум между частями почвы заполнен грунтовой водой). Уровни загрязнения показаны на уравнениях 2, 3, 4 и 5 получены при 100% насыщенности грунтовой воды. Уровень загрязнения в местах с ненасыщенной грунтовой водой значительно различается в зависимости от типа почвы. Различные слои почвы в местах загрязнения веществами БТЭК будут обладать разным уровнем поглощения и капиллярной силы: 1. кремнистый песок, 2. слои почвы с песков в верхних слоях, 3. органическая почва верхнего горизонта. Обычная инженерная практика использует стандартную классификацию слоев почвы, согласно ААВС, а также ААСАД (американская ассоциация служащих автомобильных дорог). Уровень загрязнения веществами ЮТЭК должен быть вычислен согласно стандартной классификации почвы, которая является единой системой классификации почвы и используется как универсальный источник классификации. Исследовательский центр ААВС в своем отчете показывает 4-х кратную массу содержания веществ БТЭК между кремнеземом и органическим слоем почвы. Содержание органических веществ в кремнеземе равно 0%, в то время как в органическом слое почвы это число достигает 5%. Труба ПНД, вкопанная в почве в органически богатом грунте имеет меньшую степень загрязнения. Фактор почвы учитывается в следующем разделе отчета. Автор рекомендует рассматривать фактор грунта как значимый в меньшей степени, при условии содержания в нем органических веществ. 6.0 Измерение количества веществ БТЭК Таблица 2 показывает последовательный график измерения количества проникающих веществ через трубу ПНД. В данной таблице существует два момента принятия решения. 1. Находятся ли грунтовые воды над уровнем трубы? 2. Течет ли по трубе вода? Поэтому для проникновения веществ БТЭК сценарий может развернуться следующим образом: 1. Труба находится под уровнем грунтовых вод, как и в случае с насыщенной водой, вода течет внутри трубы. См. таблицу 10. 2. Труба находится над уровнем грунтовых вод в сухой, ненасыщенной почве, как в случае с ненасыщенной грунтовой водой. Вода течет внутри трубы. См. результаты в таблице 11. 3. Труба находится ниже уровня грунтовых вод и вода отстаивается внутри трубы. См. результаты в таблице 11. 4. Труба находится над уровнем грунтовых вод и вода отстаивается внутри трубы. См. таблицу 13 Образец вычисления уровня загрязнение материалами БТЭК дан после каждого из возможных сценариев загрязнения. Таблица 9 показывает интенсивность входящего потока для каждого из 4 случаев. Объемная концентрация для загрязняющих веществ БТЭК выбраны произвольно 50% водные растворы, которые идентичны с 50% объемной концентрации, растворенные в насыщенной воде. Иные параметры, такие как 100% объемная концентрация, могут быть смоделированы при использовании такого же варианта вычисления уровня БТЭК, которые показаны на рисунках 8 и 9. Концентрация БТЭК в сухой почве основана на местном регулирующем руководстве по поверхностным слоям грунта. Государственные агентства по окружающей среде в США имеют разные параметры для измерения уровня загрязняющих веществ. Jennings (2009) провел статистический анализ сведений для местных руководств. Пятьдесят (50%) процентов вероятности использовано для уровня концентрации в таблице 9. Другие данные для измерения веществ включают в себя период застоя воды (таблицы 11 и 13), скорость потока (таблицы 10 и 12) длину участка зараженной трубы, а также длину всей трубы, размеры трубы, как показано в таблице 9. Таблицы 10, 11,12 и 13 показывают результаты измерения уровня загрязнения. Таблица результатов показывает один из вариантов, зависящих от вычисленного количества БТЭК в водопроводной воде. Четыре вида в таблице результатов: 1. «Незначительное загрязнение». Уровень загрязнения менее чем 20% 2. «Допустимое загрязнение». Уровень загрязнения варьируется от 20 до 100 процентов. 3. «Ищите иные варианты». Загрязнение превышает 100%. 4. «Неверное вычисление». Используйте иные параметры. Таблица 9. Внутренние параметры загрязнения материалами БТЭК Таблица 10. Величина загрязнения. Сценарий 1. Грунтовая вода насыщена. Есть напор. Таблица 11. Величина загрязнения. Сценарий 2. Грунтовая вода насыщена. Вода стоячая. Таблица 12. Величина загрязнения. Сценарий 3. Грунтовая вода не насыщена. Есть напор. Таблица 13. Величина загрязнения. Сценарий 3. Грунтовая вода не насыщена. Стоячая вода. 7.0 Исследования будущего Методика вычисления уровня загрязнения веществами БТЭК представлена в данном отчете. Будущие исследования, тесты могут потребовать испытаний при смоделированных реальных условиях. Эксперименты ограниченного размера, которые используют трубу величиной в 1 дюйм, показанные в итоговом отчете ААВС, показывают полноценный процесс загрязнения в реальных условиях. Тест в реальных условиях с трубами 6 и 8 дюймов был бы очень полезным. Другой теоретический подход, который использует подобный геологический концепт может усилить идею, основанную на законе Фика. Геологическое исследование может включать в себя движение грунтовых вод, проницаемость почвы, давление воды, а также условия окружающей среды в отрытых или зарытых каналах для труб. Проблема установки труб может включать в себя выбор вида трубопровода, например, системах распределительных магистралей, различные вспомогательные соединения, а также системы переноса воды. Некоторые руководства поддерживают металлические материалы для труб, так как они считаются непроницаемыми для материалов БТЭК. (Indy Water 2009, Hartlepool Water 2011, and WRAS 2002). Как бы то ни было, специализированные руководства по устройству трубопроводов не включают в себя информацию по поводу уровня загрязнения, а также эффективных действий против этого. Исследования методики для определения критической границы зараженной зоны смогут улучшить уже существующие способы определения количества загрязняющих веществ, которые представлены в данном отчете. 8.0 Выводы При воздействии загрязнённой бензином воды или загрязнённых бензином ненасыщенных почв через трубы ПНД быстро проникали загрязняющие вещества. Ароматические углеводороды, проникшие в воду, находящуюся в трубах, зарытых в кварцевый песок, насыщенный загрязнённой бензином водой, почти полностью состояли из бензола и толуола. Основными соединениями, обнаруженными в воде, находящейся в трубах, уложенных в загрязнённые бензином ненасыщенные почвы, были толуол и ксилолы. Коэффициенты диффузии ароматических углеводородов, определённые с помощью метода временного запаздывания, составили от ~2 до ~9 × 10-9 см2/с. Коэффициенты диффузии зависели от концентрации и на их значения мог оказывать влияние синергетический эффект смесей органических соединений. Темпы устойчивого проникновения бензола и толуола через трубы ПНД логарифмически зависели от объёмной концентрации. Прогнозы, составленные с помощью эмпирических уравнений, указывают на то, что трубы малого диаметра больше подвержены проникновению, чем трубы большого диаметра, а трубы, в которых имеют место периоды застоя воды, представляют собой значительно больший риск превышения ПДК бензола по сравнению с трубами, в которых вода течёт постоянно. Если стало известно о разливе бензина или органических растворителей вблизи водопровода, изготовленного из труб ПНД, необходимо принять срочные меры по ликвидации последствий. Трубы ПНД, уложенные в почвы с высоким содержанием органических веществ, в меньшей степени подвергались проникновению загрязняющих веществ по сравнению с трубами, уложенными в почвы с низким содержанием органических веществ. Это объясняется поглощением органических соединений органическим веществом почвы, что приводит к уменьшению их концентрации во внутрипоровой воде по сравнению с почвами с низким содержанием органических веществ. Однако нельзя рассчитывать на то, что высокое содержание органических веществ в почве защитит трубы от проникновения загрязняющих веществ, потому что такие почвы в условиях эксплуатации рано или поздно достигнут максимума своих адсорбционных способностей. Данный отчет содержит в себе инженерную методику определения уровня загрязнения веществами БТЭК в трубе ПНД. Этот отчет также включает в себя различные аспекты движения веществ БТЭК, влияние на здоровье, а также свойства БТЭК, которые связаны с процессом загрязнения. Итоговый отчет исследовательского центра ААВС показывает методику вычисления уровня БТЭК, которая основана на лабораторных экспериментах. Хотя этот отчет работает внутри существующих методик вычисления, он усиливает множество различных инженерных аспектов, которые связаны с проникновением материалов БТЭК в трубы ПНД, поэтому представленная в отчете методика может быть использована в инженерной практике. Этот отчет также показывает, что результаты тестов, проведенных над 1дюймовой трубой ПНД, могут быть несовместимы с результатами для труб большего диаметра, из-за толщины стенки трубы в процессе распада повреждающего материала. Например, трубы ПНД DR 11 24 дюйма имеет минимальную толщину стенки 2.345(5, 95 см) дюйма. Для такой трубы критический уровень загрязнения для 1 дюймовой трубы является одной двадцатой частью критического загрязнения. Разбавление веществ БТЭК в трубе может быть существенным фактором изза значительного снижения уровня веществ. Методика измерения загрязнения веществами БТЭК показана, используя убедительные вводные параметры в таблицах 8,9,10 и 11, чтобы сделать точным процесс подсчета. Количество в примерах сконвертировано, чтобы избежать ошибок. Расчет представлен в числовом и словесном вариантах. Словесные варианты помогают человеку понять масштабы проникновения веществ в трубу. Методика исчисления БТЭК распространяется по всему отчету. Расчеты показывают, что присутствие веществ БТЭК в грунте рядом с трубой, совершенно не означает, что концентрация в воде будет превышать нормативные пределы. Данный отчет сможет помочь инженерам и другим работникам найти правильное решение для расположения своего водопровода, а также выбора материалов, из которого он состоит.