Биогаз, образующийся в канализационных коллекторах, газ сточных вод, канализационный газ. Плотность. Состав. Опасность.

Биогаз, образующийся в канализационных коллекторах, газ сточных вод, канализационный газ. Плотность. Состав. Опасность.

Физические свойства биогаза. Плотности.

Биогаз это совокупное обозначение газов и летучих компонентов которые выделяются в канализации и природных процессах, связанных с брожением и разложением органических веществ и материалов. Основные компоненты: азот (N₂), сероводород (H₂S), углекислый газ (CO₂), метан (CH₄), аммиак (NH₃), биологические организмы, водяные пары, и прочие вещества. Состав и концентрация этих компонентов сильно зависит от времени, состава смеси канализации или биомассы, температуры и PH. 

• Азот  составляет около 78% атмосферы земли и, в общем, обычно не возникает в результате биологических реакций разложения, но его концентрация резко возрастает в биогазе из-за активного потребления кислорода воздуха в процессе.
• Сероводород формируется биологическими и химическими процессами в биомассе и поступает в объем над жидкостью; его концентрация в биогазе зависит от его концентрации в жидкой фазе и условий равновесия системы. При нетоксичных концентрациях H₂S  имеет хорошо знакомый всем запах тухлых яиц. В опасных концентрациях H₂S быстро парализует способность человека ощущать этот резкий запах и затем приводит жертву в беспомощное состояние. H₂S  взрывоопасен в концентрациях, которые намного выше уровня токсичности (Минимум взрывоопасной концентрации 4.35%, Максимум взрывоопасной концентрации 46%).
• Углекислый газ и метан практически не имеют запаха и имеют плотности: в 1.5 раза большую, чем воздух (CO₂)  и 0.6 от воздуха (метан), Относительные плотности этих газов могут вызывать существенное расслоение газов в условиях застоя. Поскольку оба газа активно вырабатываются в биомассе, то на поверхности жидкость/воздух концентрация их может быть значительно выше средней по объему.
• Метан чрезвычайно горюч, имеет очень широкий диапазон взрывоопасности и низкую температуру вспышки. Метан может также вступить в реакцию с некоторыми окислителями абсолютно случайно, но с грустными последствиями. Другие горючие газы в составе биогаза появляюстя, как результат испарения случайно попавших в канализацию горючих веществ.
• Аммиак  имеет резкий сильный запах нашатыря, который хорошо предупреждает о возможном достижении токсичных уровней. Начиная с определенного уровня аммиак может повредить слизистую оболочку глаз и вызвать ожог глаз. Достижение токсичных концентраций в обычных условиях биореакторов и канализации маловероятно.

Все вышеприведенные газы не имеют цвета (бесцветны) в концентрациях характерных для биогаза.

Максимально ожидаемые концентрации компонентов в составе биогаза таковы:

• Метан 40-70 %;
• Углекислый газ 30-60 %;
• Сероводород 0-3 %;
• Водород 0-1 процент;
• Другие газы, в т.ч. аммиак 1-5 процентов.

Природные, в т.ч. патогенные микроорганизмы могут попадать в воздух при взбалтывании биомассы, но обычно время жизни их вне биомассы невелико.

Выводы:
Вещества, которые могут существовать в такого рода местах, как канализация, могут быть и токсичны и взрыво- и огнеопасны, при этом могут не иметь запаха, цвета и т.д.

Возможный вред здоровью: Основые риски таковы:

1. Отравление H₂S, удушение из-за отсутствия кислорода
2. Снижение концентрации и внимания, усталость из-за пониженного уровня кислорода (от CO₂ и CH₄),
3. Биологическое заражение
4. Пожары и взрывы от метана, H₂S и пр. горючих газов

• Сероводород является основной причиной внезапной смерти на рабочем месте при работе с биогазом. При концентрациях в воздухе примерно около 300 ppm, H₂S вызывает немедленную смерть. В основном проникает в организм через легкие, но ограниченное количество может проникать через кожу и роговицу глаза. Не установлено хронических повреждений из-за неоднократного воздействия. Основные симптомы - раздражение глаз, усталость, головная боль и головокружение.
• Углекислый газ является только лишь удушающим агентом (заменяет кислород) и также раздражителем дыхательной системы. Концентрация 5% может вызывать головную боль и нехватку дыхания. Фоновое содержание в атмосфере: 300-400 ppm (0,3-0,4%).
• Метан является только лишь удушающим агентом (заменяет кислород) но сам по себе заметно на организм не влияет.

Таблица 1 - Некоторые свойства канализационного газа (биогаза)

Таблица 2 - Некоторые основные заболевания и вирусы живущие в канализации

Выводы:
Существенные уровни наличия биогаза могут представлять опасность из-за токсичности, снижения общего уровня кислорода и потенциальной взрыво- пожароопасности.  Некоторые компоненты биогаза имеют различимый запах, который, однако, не позволяет однозначно оценить уровень опасности. Биологические материалы и организмы могут вполне успешно существовать в частицах биомассы над  поверхностью жидкости (воздушно-капельные взвеси).

Химические свойства / образование биогаза

• Сероводород образуется из сульфатов, содержащихся в воде; в процессе разложения органики, содержащей серу в отсутствии кислорода (анаэробные процессы разложения), а также в реакциях сульфидов металлов и сильных кислот. Сероводород не будет образовываться при наличии достаточного количества растворенного кислорода. Существует вероятность доокисления сероводорода до слабых концентраций серной кислоты (H₂SO₄) и образования сульфида железа (FeS) - при наличии железа - в виде твердого черного осадка.
• Углекислый газ естественный продукт дыхания, в т.ч. микроорганизмов и его вред определяется замещением свободного кислорода воздуха (а также потреблением свободного кислорода на образование CO₂).  При определенных параметрах этот газ образуется в реакциях некоторых кислот и бетона сооружений - но в ограниченных количествах. Существуют также типы почвенных минеральных вод которые содержат этот газ в растворенном виде и выделяют его при снижении давления.
• Метан  в канализации и сходных системах вырабатывается в биологических и химических реакциях. Обычно, его концентрация ниже взрывоопасного уровня (но, бывает, и перданет :!). Метан может дополняться парами других легковоспламеняющихся и взрывоопасных веществ, сбрасываемых в систему. Наличие повышенных уровней азота и углекислого газа может немного изменить обычные пределы воспламеняемости метана в воздухе.

Образование этих и прочих газов сильно зависит от состава смеси, изменений в температуре pH. Процесс сильно вличет на конечный состав газа.

Выводы:
 Существует множество процессов, определяющих кинетику химических реакций и процессы массопереноса в процессах идущих в канализации и биомассе и т.о. состав биогаза.

1. J.B. Barsky et al., "Simultaneous Multi-Instrumental Monitoring of Vapors in Sewer Headspaces by Several Direct-Reading Instruments," Environmental Research v. 39 #2 (April 1986): 307-320.
2. "Characteristics of Common Gases Found in Sewers," in Operation of Wastewater Treatment Plants, Manual of Practice No. 11. Alexandria, VA, Water Pollution Control Federation, 1976, Table 27-1.
3. R. Garrison and M. Erig, "Ventilation to Eliminate Oxygen Deficiency in Confined Space - Part III: Heavier-than-Air Characteristics," Applied Occupational and Environmental Hygiene v. 6 #2 (February 1991): 131-140.
4. "Criteria for a Recommended Standard - Occupational Exposure to Hydrogen Sulfide," DHEW Pub. No. 77-158; NTIS PB 274-196. Cincinnati, National Institute for Occupational Safety and Health, 1977.
5. Permissible Exposure Limit (29 CFR 1910.1000 Tables Z-1 and Z-2).
6. Short-Term Exposure Limit (29 CFR 1910.1000 Table Z-2).
7. Biological Hazards at Wastewater Treatment Facilities. Alexandria, VA, Water Pollution Contol Federation, 1991.
8. J. Chwirka and T. Satchell, "A 1990 Guide for Treating HydrogenSulfide in Sewers," Water Engineering and Management v. 137 #1 (January 1990): 32-35.
9. John Holum, Fundamentals of General, Organic and Biological Chemistry. New York, John Wiley & Sons, 1978, p. 215.
10. J. Chwirka and T. Satchell, "1990 Guide for Treating Hydrogen Sulfide" in Sewers, Water Engineering and Management v. 137 #1 (January 1990): 32.
11. V. Snoeyink and D. Jenkins, Water Chemistry. New York, John Wiley & Sons, 1980, p. 156.
12. M. Zabetakis, "Biological Formation of Flammable Atmospheres," US. Bureau of Mines Report #6127, 1962.