Вид РИД
Изобретение
Изобретение относится к области грунтоведения при инженерных изысканиях в строительстве, в частности к способам и устройствам для определения влияния различных веществ на газообразующую способность грунтов в лабораторных и полевых условиях, и позволяет в короткий срок подобрать реагенты, устраняющие газообразование в грунтах.
С инженерно-геологической точки зрения газообразование в грунтах - негативный процесс, ведущий к изменению физико-механических свойств грунтов [Радина В.В. Роль микроорганизмов в формировании свойств грунтов и их напряженного состояния // Гидротехническое строительство. 1973. №9. С. 22-24], поэтому определение газообразующей способности грунтов, а особенно прогнозирование ее изменения под воздействием внешних факторов (например, подтопление грунтов водами, содержащими различные химические соединения) является важной задачей при инженерных изысканиях в строительстве.
Способность грунтов к газообразованию определяется жизнедеятельностью микроорганизмов, населяющих грунт.
Микроорганизмы, распространенные в грунтах практически повсеместно [Кузнецов и др., 1962; Материалы межд. симп. по подземной микробиологии 1989-2011 гг.], способны трансформировать как химические вещества самого грунта, так и поступающие в него с фильтрующимися водами. При этом поступающие в грунты в результате аварийных событий или плановых мероприятий различные химические соединения, метаболизируемые микроорганизмами, способны вызвать в грунтах повышение газообразования, что скажется на изменении напряженного состояния грунтов и, соответственно, на безопасности возведенных или строящихся на них инженерных сооружений.
В патентной литературе имеются изобретения, описывающие способы определения различных характеристик свойств грунтов и почвогрунтов (RU 2054501 C1, 15.07.1993; RU 2192006 C2, 14.12.1999; RU 2366944 C1, 11.03.2008), однако ни один из них не позволяет определить газообразующую способность грунтов.
В настоящее время существуют методы для определения наличия в грунтах газообразующих микроорганизмов, которые при наличии определенной приборной базы, соответствующей квалификации персонала и значительных временных и материальных затратах позволяют определить скорость процессов газообразования в грунтах [Практикум …, 1976; Беляев, Иванов, 1975; Moffett et al., 2000], однако отсутствует способ (малозатратного и экспрессного) определения влияния различных химических соединений и смесей на газообразующую способность грунтов, который позволял бы подобрать соединения, оказывающие отрицательное воздействие на газообразование, а также выбрать их оптимальные концентрации.
Методика (см. Беляев С.С., Иванов М.В. Радиоизотопный метод определения интенсивности бактериального метанобразования // Микробиология. 1975. Т. 44. Вып. 1. С. 166-168) основана на применении веществ, содержащих радиоактивные изотопы углерода (C14) или серы (S34) или др. элементов. Требует допуска к работе с радиоактивными веществами. Специально обученный персонал. Дорогостояща: специальное оборудование и специальное помещение для работы с радиоактивными веществами.
Методика (см. Моффетт Б.Ф., Уолш К.А., Я.А. Харрис, T.C.J. Хилл. Анализ структуры бактериальных сообществ с использованием анализа 16S рДНК / / анаэробными. 2000. V. 6. №2. Р. 129-131) основана на выделении из исследуемого объекта бактериальной ДНК, обработке ее специальными ферментами для фрагментирования, разделении фрагментов ДНК с помощью электрофореза (или другими способами, например, центрифугированием), определении по полученному "профилю ДНК" видовой принадлежности микроорганизмов (в том числе и их способности к газообразованию) с помощью существующей электронной базы. Очень квалифицированный персонал. Дорогое оборудование и расходные материалы. Работа в стерильных условиях. Трудозатратно и дорогостояще.
Методика (см. Практикум по микробиологии. - Под ред. Н.С. Егорова. М.: Изд-во МГУ, 1976) основана на выделении микроорганизмов из окружающей среды в чистую культуру, а затем культивировании их на специальных микробиологических средах. Данный способ взят за прототип. Недостатки прототипа - длительность, трудоемкость. Требует специально обученный персонал. Требует соблюдения стерильности: специальное стерилизационное оборудование, оборудование для культивирования (термостаты и проч.), специальное отдельное помещение для проведения стерильных работ.
Задачей создания изобретения является разработка способа отбора веществ ингибиторов газообразования в почвогрунтах, свободного от недостатков прототипа.
Поставленная задача решается с помощью признаков, указанных в формуле изобретения, а именно способ отбора веществ ингибиторов газообразования в почвогрунтах, включающий отбор образцов грунта, которые помещают в колбы с газоотводящей трубкой, подключенной к манометру, добавляют в колбу с контрольным образцом дистиллированную воду, в другую - с дистиллированной водой и раствор испытуемого вещества и/или его смесь с другим веществом, встряхивают до распада комочков грунта, затем в ходе испытания через каждые 15-20 минут считывают показания манометров, сравнивают объем газа, выделившегося из контрольного образца грунта, обработанного дистиллированной водой с дистиллированной водой с объемом газа, выделившегося из опытного образца грунта, обработанного дистиллированной водой с испытуемым веществом и/или его смесью, при 15% превышении объема газа, выделившегося из опытного образца грунта, в сравнении с контрольным выбирают вещества и/или их смеси, устраняющие газообразование и обеспечивающие безопасность инженерных сооружений.
Такие признаки изобретения, как «в ходе испытания через каждые 15-20 минут считывают показания манометров» и «при 15% превышении объема газа, выделившегося из опытного образца грунта, в сравнении с контрольным», позволяют получить за небольшой срок достоверные результаты способа.
Вышеперечисленная совокупность существенных признаков позволяет получить следующий технический результат - упрощение процесса, ускорение определения влияния различных химических веществ и их смесей на газообразующую способность грунтов. Создание способа, который позволял бы подобрать соединения, оказывающие отрицательное воздействие на газообразование, а также выбрать их оптимальные концентрации.
Способ основан на сравнении объема газа, выделяющегося из опытного образца грунта, т.е. подвергнутого обработке химическими веществами или их смесями, с объемом газа, выделяющегося из контрольного образца грунта, т.е. того же самого грунта, но обработанного дистиллированной водой. Более чем 15%-ное превышение объема газа, выделившегося из опытного грунта, над объемом газа, выделившегося из контрольного грунта, является показателем того, что попадание данного химического соединения или смеси в исследуемый грунт нежелательно с точки зрения безопасности инженерных сооружений. Напротив, снижение объема газа, выделившегося из опытного грунта, по сравнению с объемом газа, выделившегося из контрольного грунта, вплоть до полного прекращения газовыделения является показателем того, что данное химическое соединение или смесь могут быть использованы для обработки исследуемого грунта с целью предотвращения в нем процессов газообразования. Серия испытаний, проведенная с внесением разных количеств таких веществ, позволяет подобрать их минимальную действующую концентрацию для снижения воздействия на окружающую среду.
Способ осуществим с помощью нижеописанных устройств на Фиг. 1 и Фиг. 2. Устройство представляет собой плоскодонную коническую колбу объемом 250 мл, герметично закрытую пробкой с газоотводящей трубкой, которая с помощью резинового шланга соединена с U-образным стеклянным манометром, показания которого считывают в ходе испытания.
Фиг. 1. Схема устройства, где
1 - коническая плоскодонная колба объемом 250 мл
2 - пробка
3 - газоотводящая трубка
4 - U-образный стеклянный манометр
U-образный стеклянный манометр может быть заменен S-образно изогнутой резиновой трубкой, закрепленной на проволочном каркасе для удержания формы, верхний конец которой подсоединяют к газоотводящей трубке пробки, закрывающей колбу, к нижнему концу подсоединяют стеклянную химическую пипетку с делениями общим объемом 1 мл, а в нижнее колено трубки заливают дистиллированную воду, подкрашенную для удобства наблюдения.
Фиг. 2. Схема модифицированного устройства, где
1 - коническая плоскодонная колба объемом 250 мл
2 - пробка
3 - S-образно изогнутая резиновая газоотводящая трубка
4 - проволочный каркас для трубки
5 - крепление трубки к каркасу
6 - стеклянная пипетка объемом 1 мл
Изменение объема газа в устройстве отмечают по изменению высоты подъема жидкости в манометре или пипетке.
Ход испытания. Навеску грунта массой 50 г помещают в колбу устройства, добавляют 100 мл дистиллированной воды, а в случае опытного измерения еще и навеску испытуемого химического соединения или смеси. Колбу встряхивают в течение 1-2 мин до полного распада комочков грунта, а затем герметично закрывают пробкой с газоотводной трубкой, подсоединенной к U-образному стеклянному манометру. Через определенные интервалы времени (например, 15-20 мин) считывают показания манометра. Общее время испытания не более 4 час.
Пример 1. Определение влияния глюкозы на газообразование в грунтах.
Испытания проводили на суглинке тяжелом пылеватом мягкопластичном, отобранном бурением с глубины 11 м (Фиг. 3), и глине тяжелой мягкопластичной, отобранной бурением с глубины 7,5 м (Фиг. 4). В опытных испытаниях использовали 0,01%-ный раствор глюкозы, которая является достаточно распространенным в природе веществом - продуктом разложения целлюлозы [Humphreys et al., 1997].
Из приведенных графиков видно, что поступление в испытуемые грунты с фильтрующимися с поверхности водами глюкозы вызывает повышенное в них газообразование и, следовательно, является нежелательным. Также видно, что процесс газообразования в суглинке (Фиг. 3) идет интенсивнее, чем в глине (Фиг. 4).
Пример 2. Определение влияния смеси веществ на газообразование в грунте.
Испытания проводили на суглинке тяжелом пылеватом мягкопластичном, отобранном бурением с глубины 11-м - том же грунте, что и в примере 1. В опытных испытаниях использовали раствор, содержащий смесь 0,01% глюкозы и 0,1% нитрата калия (Фиг. 5). Нитрат калия был использован потому, что нитрат-ионы - наиболее миграционноспособная форма азота и их присутствие в водных объектах обычно обусловлено антропогенным загрязнением. Нитрат калия (KNO3) мог использоваться микроорганизмами как дополнительный источник азота и как дополнительный акцептор электронов при окислении глюкозы факультативно-анаэробными денитрифицирующими бактериями, образующими из нитрат-ионов газообразные продукты (N2O, NO, N2). Сравнение между собой графиков на Фиг. 3 и 5 показывает, что одновременное добавление в испытуемый фунт глюкозы и нитрата калия вызывает более сильное газообразование в грунте, чем добавление одной глюкозы. На основании графика на Фиг. 5 можно сделать вывод, что особенно нежелательно подтопление испытуемого грунта хозяйственно-бытовыми стоками.
Пример 3. Влияние на газообразование в грунте вещества, устраняющего данный процесс, и подбор его минимальной действующей концентрации.
Испытания проводили на суглинке тяжелом пылеватом мягкопластичном, отобранном бурением с глубины 11-м - том же грунте, что и в примерах 1 и 2. В опытных испытаниях использовали 1%, 0,75% и 0,5%-ный растворы фенола, т.к. известно, что раствор фенола препятствует развитию микроорганизмов, которые добавляли в грунт вместе со смесью 0,01% глюкозы и 0,1% нитрата калия.
На Фиг. 6 показано влияние смеси 1% фенола, 0,01% глюкозы и 0,1% нитрата калия.
Из Фиг. 6 видно, что добавление 1% фенола к смеси, вызывавшей в грунте газообразование (см. Фиг. 5), полностью подавляло данный процесс. Таким образом, фенол может быть использован в качестве вещества-ингибитора газообразования в грунтах. Поскольку фенол является токсичным соединением, то для снижения воздействия на окружающую среду в случае его применения в качестве ингибитора газообразования необходимо использовать как можно меньшую его концентрацию. Аналогичные графики были получены и в случаях использования 0,75% и 0,5% фенола и поэтому здесь не приводятся, однако из них следует, что для ингибирования газообразования в исследуемом грунте можно использовать и вдвое меньшую концентрацию фенола - 0,5%.
Предлагаемый способ позволяет подобрать и другие вещества-ингибиторы газообразования в грунтах и их минимальные концентрации, которые могут оказаться более «дружественными» к окружающей среде, а не ограничиваться только фенолом.
Предлагаемый способ позволяет определить изменение способности грунтов к газообразованию при воздействии на них различных химических соединений и их смесей, а также выбрать из них те соединения или смеси, которые подавляют газообразование в грунтах, а также подобрать их оптимальные концентрации.
Способ отбора веществ ингибиторов газообразования в почвогрунтах, включающий отбор образцов грунта, которые помещают в колбы с газоотводящей трубкой, подключенной к манометру, добавляют в колбу с контрольным образцом дистиллированную воду, в другую - с дистиллированной водой и раствор испытуемого вещества и/или его смесь с другим веществом, встряхивают до распада комочков грунта, затем в ходе испытания через каждые 15-20 минут считывают показания манометров, сравнивают объем газа, выделившегося из контрольного образца грунта, обработанного дистиллированной водой, с объемом газа, выделившегося из опытного образца грунта, обработанного дистиллированной водой с испытуемым веществом и/или его смесью, при 15% превышении объема газа, выделившегося из опытного образца грунта, в сравнении с контрольным выбирают вещества и/или их смеси, устраняющие газообразование и обеспечивающие безопасность инженерных сооружений.