BADANIA HYDRAULICZNYCH WARUNKÓW PRACY SIECI KANALIZACJI PODCIĝNIENIOWEJ

(1)

Acta Sci. Pol. Architectura 15 (2) 2016, 147–160

BADANIA HYDRAULICZNYCH WARUNKÓW PRACY SIECI KANALIZACJI PODCIĝNIENIOWEJ

Marek Kalenik, Grzegorz Dybiec

Szkoáa Gáówna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie

Streszczenie. Gáównym celem badaĔ byáo przeanalizowanie hydraulicznych warunków pracy sieci kanalizacji podciĞnieniowej, która nastrĊczaáa duĪo problemów w trakcie jej eksploatacji, i zaproponowanie dziaáaĔ naprawczych, Īeby je wyeliminowaü. Zakres badaĔ obejmowaá sieü kanalizacji podciĞnieniowej, wybudowaną w miejscowoĞci Sta- rawieĞ w pobliĪu Warszawy. W artykule przedstawiono analizĊ uzyskanych wyników ba- daĔ zmian podciĞnienia na dáugoĞci zbiorczego rurociągu podciĞnieniowego o Ğrednicy 225 mm w warunkach technicznej eksploatacji sieci kanalizacji podciĞnieniowej. Urządze- nia do pomiaru podciĞnienia rozmieszczono w szeĞciu wyznaczonych punktach (studzienkach Īelbetowych z zaworami opróĪniającymi typu ISEKI) na dáugoĞci zbiorczego rurocią- gu podciĞnieniowego. Rozmieszczone na dáugoĞci rurociągu urządzenia pomiarowe przez kilka dni mierzyáy co minutĊ, w sposób ciągáy, zmiany podciĞnienia. Zmiana podciĞnienia w sieci zaleĪy od czĊstotliwoĞci otwierania siĊ zaworów opróĪniających i podciĞnienia w zbiorniku podciĞnieniowym [Kalenik 2015]. ĩeby zawory opróĪniające mogáy siĊ otwie- raü, podciĞnienie w rurociągach kanalizacji podciĞnieniowej nie moĪe byü mniejsze niĪ –20 kPa [Kalenik 2014b]. Analiza uzyskanych wyników badaĔ pozwoliáa na okreĞlenie przyczyn nieprawidáowego dziaáania sieci kanalizacji podciĞnieniowej. Gáówną przyczyną problemów byáo niezgodne z projektem wybudowanie przejĞü zbiorczego rurociągu podci- Ğnieniowego pod drogą krajową 62. Po przebudowaniu przejĞü rurociągu pod drogą zgodnie z projektem i prawidáowym wyregulowaniu nastaw dáugoĞci czasu otwarcia zaworów opróĪniających badana sieü kanalizacji podciĞnieniowej zaczĊáa pracowaü prawidáowo.

Sáowa kluczowe: Ğcieki, system kanalizacji podciĞnieniowej, zawór opróĪniający, zbiorczy rurociąg podciĞnieniowy

www.acta.media.pl

Adres do korespondencji – Corresponding author: Marek Kalenik, Szkoáa Gáówna Gospodarstwa Wiejskiego, Wydziaá Budownictwa i InĪynierii ĝrodowiska, Katedra InĪynierii Budowlanej, Zakáad Wodociągów i Kanalizacji, ul. Nowoursynowska 159, 02-776 Warszawa,

e-mail: marek_kalenik@sggw.pl

(2)

WSTĉP

Koncepcja kanalizacji podciĞnieniowej powstaáa w latach szeĞüdziesiątych XIX wieku w Holandii [EPA/625/1-91/024 1991]. Na przeáomie XIX i XX wieku w Holandii i innych krajach europejskich dziaáaáy juĪ tego typu systemy. Jednak dopiero 60 lat póĨ- niej zaczĊto projektowaü i budowaü nowoczesne systemy kanalizacji podciĞnieniowej.

KanalizacjĊ tego typu zalicza siĊ do tak zwanych niekonwencjonalnych systemów odprowadzania Ğcieków do indywidualnych lub zbiorczych oczyszczalni bazujących na technologii osadu czynnego. Aktualnie w Polsce budowane są systemy kanalizacji pod- ciĞnieniowej w technologiach: ROEVAC, AIRVAC, REDIVAC, FLOVAC, QUO-VAC i SCHLUFFA [Kalenik 2011]. Transport Ğcieków w tego typu kanalizacji jest wymuszony przez pompy próĪniowe. MoĪe ona wspóápracowaü z systemem kanalizacji grawitacyjnej i ciĞnieniowej. MoĪna ją takĪe stosowaü w warunkach, w których kanalizacja grawi- tacyjna i ciĞnieniowa sprawia káopoty techniczne, ekonomiczne lub budzi zastrzeĪenia z punktu ochrony Ğrodowiska przyrodniczego. Za stosowaniem systemu kanalizacji pod- ciĞnieniowej na terenach wiejskich (szczególnie na terenach páaskich) przemawiają rów- nieĪ mniejsze nakáady inwestycyjne, a niekiedy i koszty eksploatacyjne niĪ w przypadku innych systemów kanalizacyjnych [Heidrich 1991, BáaĪejewski i Bykowski 1999].

W dostĊpnej literaturze naukowo-technicznej niewiele jest informacji na temat ba- daĔ hydraulicznych warunków pracy i niezawodnoĞci sieci kanalizacji podciĞnieniowej w trakcie jej eksploatacji [Kalenik i Kanclerz 2005, Miszta-Kruk i Kwietniewski 2005, Kwietniewski i Miszta-Kruk 2007]. Z dotychczas przeprowadzonych badaĔ wynika, Īe w sieci kanalizacji podciĞnieniowej najbardziej awaryjnymi elementami są zawory opróĪniające. NajczĊĞciej wystĊpującymi awariami w zaworach opróĪniających są uszkodzenia (oberwania) mechanizmów zamykających zawory i niedomkniĊcia zawo- rów [Miszta-Kruk 2006].

W artykule przedstawiono analizĊ uzyskanych wyników badaĔ zmian podciĞnienia na dáugoĞci zbiorczego rurociągu podciĞnieniowego o Ğrednicy 225 mm w warunkach technicznej eksploatacji sieci kanalizacji podciĞnieniowej. Gáównym celem badaĔ byáo przeanalizowanie hydraulicznych warunków pracy sieci, która nastrĊczaáa duĪo proble- mów w trakcie jej eksploatacji, i zaproponowanie dziaáaĔ naprawczych, jakie naleĪy przeprowadziü, Īeby je wyeliminowaü. Zakres badaĔ obejmowaá sieü kanalizacji pod- ciĞnieniowej wybudowanej w miejscowoĞci StarawieĞ, która jest poáoĪona w pobliĪu Warszawy.

OPIS OBIEKTU BADAē

Sieü kanalizacji podciĞnieniowej w miejscowoĞci StarawieĞ zostaáa wybudowana w technologii ISEKI. Posiada ona 70 zaworów opróĪniających typu ISEKI o Ğrednicy 90 mm z magnetycznym licznikiem cykli i przyciskiem do rĊcznego sterowania, które za- instalowano w studzienkach (rys. 1). Do wybudowanej sieci kanalizacji podciĞnieniowej podáączono 128 budynków.

(3)

Rys. 1. WnĊtrze studzienki Īelbetowej z zaworem opróĪniającym typu ISEKI Fig. 1. The interior of ferroconcrete well with interface valve type ISEKI

Zawór opróĪniający typu ISEKI wykonany jest z polipropylenu zbrojonego wáóknem szklanym, natomiast studzienka jest monolitem wykonanym z betonu zbrojonego o wy- miarach zewnĊtrznych 1,0 × 1,0 × 2,05 m. Kwadratowa páyta pokrywy studzienki wy- posaĪona jest w otwór zamykany okrągáą pokrywą Īeliwną z maáymi otworami. Podczas pracy zaworu opróĪniającego napowietrzanie studzienki odbywa siĊ poprzez pokrywĊ i piony kanalizacyjne podáączonych budynków.

Po otwarciu siĊ zaworu opróĪniającego Ğcieki ze studzienki zostają zassane do sieci kanalizacji podciĞnieniowej. Jednorazowo zasysana porcja Ğcieków przez zawór opróĪnia- jący to okoáo 40 dm³. Zawór opróĪniający pracuje bez uĪycia energii elektrycznej. Otwie- rany jest przez podciĞnienie panujące w sieci i zamykany za pomocą wbudowanej sprĊ- Īyny. PodciĞnienie panujące w sieci wspomaga prawidáowe domkniĊcie zaworu. Bardzo istotnym elementem zaworu opróĪniającego jest sterownik pneumatyczny, który w zaleĪ- noĞci od zawartoĞci Ğcieków w studzience otwiera go lub zamyka. Kiedy poziom Ğcieków w studzience wzroĞnie do 0,22 m H₂O, odpowiadającej objĊtoĞci okoáo 40 dm³, to wzro- Ğnie ciĞnienie powietrza w rurze sensorowej. Wzrost ciĞnienia powietrza w rurze sensorowej inicjuje otwarcie zaworu opróĪniającego poprzez przeáączenie w sterowniku pneumatycznym zaworu trójdrogowego w pozycjĊ umoĪliwiającą doprowadzenie podciĞnienia z sieci kanalizacji podciĞnieniowej do szczelnej komory z membraną gumową. Sterownik pneumatyczny utrzymuje zawór opróĪniający w pozycji otwartej przez zaáoĪoną dáugoĞü czasu. Gdy zawór opróĪniający jest otwarty, to w tym czasie ze studzienki są zasysane Ğcie- ki, a nastĊpnie zasysana jest nastawiona iloĞü powietrza, zanim zawór zostanie zamkniĊty.

DáugoĞü czasu otwarcia zaworu opróĪniającego jest regulowana zaworem igáowym w przedziale od 3 do 10 sekund. Po upáywie ustawionego czasu otwarcia zawór trójdro- gowy w sterowniku pneumatycznym zostaje ustawiony w pozycji, która odcina poáącze- nie z siecią kanalizacji podciĞnieniowej i umoĪliwia dopáyw powietrza atmosferycznego do szczelnej komory z membraną gumową. Znajdująca siĊ w komorze sprĊĪyna powoduje jego zamkniĊcie.

W sieci kanalizacji podciĞnieniowej rurociągi uáoĪono w ksztaácie zĊbatej piáy ze wzniesieniami pod kątem 45°. ZagáĊbienie rurociągów podciĞnieniowych waha siĊ Ğred- nio od 1,6 do 2,2 m. Do budowy sieci kanalizacji podciĞnieniowej zastosowano rury PE 80 SDR 13,6 PN 10 o Ğrednicach: 90 mm i áącznej dáugoĞci 1097 m, 110 mm i áącznej

(4)

dáugoĞci 2033 m, 160 mm i áącznej dáugoĞci 1177 m oraz 225 mm i áącznej dáugoĞci 2501 m. Zastosowane rury áączono przez zgrzewanie doczoáowe. Projekt sieci kanalizacji podciĞnieniowej nie przewidywaá montaĪu rewizji za wzniesieniami i w miejscach áączenia siĊ rurociągów. W rurociągach zamontowano 10 zasuw ¿ rmy AVK ARMADAN Sp. z o.o. typu 06/30 z obudową teleskopową typu 04 i skrzynką uliczną do zasuw [Pro- jekt kanalizacji… 2005].

Stacja próĪniowo-pompowa (rys. 2) skáada siĊ z trzech pomp próĪniowych typu BUSCH RA 0502B Aqua o wydajnoĞci 500 m³·h^–1 kaĪda, rozdzielacza rurociągów podciĞnienio- wych oraz z szafy sterowniczej. WyposaĪenie to umieszczono w budynku, natomiast na zewnątrz w gruncie zakopany zostaá zbiornik podciĞnieniowy o pojemnoĞci 16 m³ (rys. 3), w którym znajdują siĊ dwie zatapialne pompy typu FLYGT CP3127. Zbiornik podciĞnie- niowy o Ğrednicy 2,4 m i wysokoĞci 4 m zostaá wykonany z blachy stalowej o gruboĞci 10 mm i zabezpieczony antykorozyjnie powáokami wewnątrz oraz na zewnątrz.

Stacja próĪniowo-pompowa pracuje w peáni automatycznie. Za poĞrednictwem tablicy obsáugi ukáadu sterowania moĪna zmieniaü wszystkie nastawiane parametry. W przypadku braku dopáywu prądu elektrycznego praca wszystkich urządzeĔ w stacji próĪniowo- -pompowej zostaje wstrzymana, prócz tablicy obsáugowej, poniewaĪ jest ona zasilana z akumulatora. W trakcie braku dopáywu prądu elektrycznego na tablicy obsáugowej wskazywane są sygnaáy alarmowe i zapaáa siĊ lampka sygnalizująca ogólną awariĊ. Po przywróceniu dopáywu prądu stacja próĪniowo-pompowa uruchamia siĊ automatycznie i moĪna wtedy skasowaü poszczególne stany alarmowe i sygnalizowane zakáócenia. Pom- py próĪniowe zaáączają siĊ, gdy podciĞnienie w zbiorniku podciĞnieniowym spadnie do –65 kPa, a wyáączają, gdy wzroĞnie do –75 kPa. Zaáączanie i wyáączanie pomp kontrolo- wane jest poprzez sterownik PLC. Jedna z pomp peáni funkcjĊ podstawową, a pozostaáe pompy są pomocnicze.

Zgromadzone w zbiorniku podciĞnieniowym Ğcieki táoczone są rurociągiem táocznym o Ğrednicy 180 mm i dáugoĞci 1603 m przez naprzemiennie pracujące zatapialne pompy do oczyszczalni Ğcieków. Jedna pompa jest pompą pracującą, druga jest pompą rezerwo- wą. W zbiorniku podciĞnieniowym dla ochrony pomp poniĪej punktu wyáączania zain- Rys. 3. Zbiornik podciĞnieniowy z komorą zasuw Fig. 3. The vacuum tank with valves chamber Rys. 2. WnĊtrze stacji próĪniowo-pompowej

Fig. 2. The interior of vacuum-pump station

(5)

stalowane jest zabezpieczenie przed suchobiegiem. Natomiast powyĪej punktu zaáączania zainstalowany jest alarm wysokiego stanu, który generuje dodatkowy sygnaá zaáącza- nia, a jednoczeĞnie blokuje pracĊ pomp próĪniowych, aby te nie podnosiáy podciĞnienia w zbiorniku. Kontrola poziomu napeánienia zbiornika podciĞnieniowego odbywa siĊ za pomocą sygnalizatorów poziomu oraz sondy hydrostatycznej.

METODYKA BADAē

Na podstawie informacji uzyskanych z przeprowadzonej wizji lokalnej na nowo wybudowanej sieci kanalizacji podciĞnieniowej w miejscowoĞci StarawieĞ i od pracowni- ków zajmujących siĊ jej eksploatacją oraz mieszkaĔców, których domy zostaáy podáą- czone do sieci, rozpoznano problemy, jakie nastrĊcza w eksploatacji wybudowana sieü.

Stwierdzono bardzo nieregularną pracĊ pomp próĪniowych, które zaáączaáy siĊ i pra- cowaáy przez dáugi czas, nawet w godzinach nocnych, kiedy dopáyw Ğcieków do sieci kanalizacji podciĞnieniowej jest maáy, lub zaáączaáy siĊ i wyáączaáy w bardzo krótkich przedziaáach czasu, co kilkanaĞcie sekund. Zarówno w pierwszym, jak i w drugim przypadku pompy próĪniowe pracowaáy niezgodnie z obowiązującymi zaleceniami [PN-EN 1091:2002, ATV-DVWK-A 116:2004]. Zaobserwowano równieĪ wydáuĪający siĊ czas otwarcia zaworów opróĪniających w studzienkach albo zalewanie studzienek Ğciekami, poniewaĪ zawory nie otwieraáy siĊ lub otwieraáy rzadko i przy znacznie wyĪszym zwier- ciadle Ğcieków w studzienkach. CzĊstotliwoĞü i czas otwarcia zaworów opróĪniających znacznie odbiegaáy od ustawionych parametrów wedáug zalecenia projektanta w momencie oddania wybudowanej sieci kanalizacji podciĞnieniowej do eksploatacji. Im dalej znajdowaáy siĊ zawory opróĪniające od stacji próĪniowo-pompowej, tym wiĊcej byáo z nimi problemów. Jak siĊ okazuje, tego typu problemy eksploatacyjne czĊsto wystĊpują w wybudowanych w Polsce i Stanach Zjednoczonych Ameryki Póánocnej (USA) sieciach kanalizacji podciĞnieniowej [BáaĪejewski i Matz 2011].

W związku z tym podjĊto decyzjĊ o rozpoznaniu, jak siĊ zmienia podciĞnienie w zbiorczym rurociągu badanej sieci kanalizacji podciĞnieniowej. W tym celu w wyznaczonych studzienkach wzdáuĪ rurociągu zbiorczego o Ğrednicy 225 mm (rys. 4) zamontowano urzą- dzenia do pomiaru podciĞnienia z rejestratorami danych ¿ rmy REVAC Sp. z o.o. (rys. 5).

Miejsca, czyli studzienki z zaworami opróĪniającymi, w których zamontowano urządzenia do pomiaru podciĞnienia, wytypowano po przeprowadzeniu wizji lokalnej oraz wywiadu z obsáugą sieci kanalizacji podciĞnieniowej i mieszkaĔcami miejscowoĞci.

DziĊki moĪliwoĞci instalacji urządzeĔ do pomiaru podciĞnienia z rejestratorem danych wewnątrz studzienki z zaworem opróĪniającym pomiary mogáy byü prowadzone nieprze- rwanie przez kilka dni, a urządzenia pomiarowe z rejestratorami danych nie byáy naraĪone na uszkodzenia ani kradzieĪ, poniewaĪ byáy niewidoczne dla postronnych osób. Pomiary byáy wykonywane w trakcie normalnej pracy sieci kanalizacji podciĞnieniowej, nieprze- rwanie przez 7 dni, mierząc zmiany podciĞnienia w zbiorniku podciĞnieniowym na stacji próĪniowo-pompowej – R1 (rys. 4) i w studzienkach z zaworem opróĪniającym, podáączo- nych do rurociągu o Ğrednicy 225 mm wzdáuĪ jego dáugoĞci – R2, R3, R4, R5, R6. Wyniki pomiarów zmian podciĞnienia na poszczególnych urządzeniach do pomiaru podciĞnienia z rejestratorami danych, umieszczonych w studzienkach i na stacji próĪniowo-pompowej, byáy automatycznie rejestrowane co minutĊ, w tym samym przedziale czasowym.

(6)

SppR1

R2

R3 R4

R6 R5 d = 225 mm d = 225 mm d = 225 mm

d= 160 mm

d =110 mm d = 110mm

d =110 mm d=

110

mm d =

110mm d =110mm

d =110

mm d = 110 mm ul.Szkolna ul.W

Ċgrowska

ul.Ko Ğcielna

Droga Krajow

a 62 Droga

Krajowa 62

d=160mm

d= 160

mm

d =160 mm d =160mm d = 225 mm

d= 225 mm

d =225mm d =225

mm d =225mm

Rys. 4. Schemat sieci kanalizacji podciĞnieniowej: R1 – urządzenie do pomiaru podciĞnienia z rejestratorem danych, Spp – stacja próĪniowo-pompowa, d – Ğrednica rurociągu Fig. 4. Scheme of vacuum sewage network: R1 – device for measuring the vacuum with data

logger, Spp – vacuum-pump station, d – pipeline diameter

1 2 3

4 6 7 5

Rys. 5. Schemat podáączenia urządzenia do pomiaru podciĞnienia ¿ rmy REVAC Sp. z o.o.:

1 – urządzenie do pomiaru podciĞnienia z rejestratorem danych, 2 – wĊĪyk impulsowy, 3 – zawór opróĪniający, 4 – rurociąg podciĞnieniowy, 5 – studzienka Īelbetowa, 6 – rura sensorowa, 7 – grawitacyjny przykanalik

Fig. 5. Scheme of connecting the device to measure the vacuum of REVAC Sp. z o.o.: 1 – device for measuring the vacuum with data logger, 2 – tube impulsive 3 – interface valve, 4 – vacuum collector pipeline, 5 – ferroconcrete sump, 6 – pipe sensor, 7 – gravity the drain

(7)

Urządzenie do pomiaru podciĞnienia z rejestratorem danych poáączone byáo z zaworem opróĪniającym za pomocą wĊĪyka impulsowego (2), zgodnie ze schematem przed- stawionym na rysunku 5. Takie podáączenie pozwalaáo na ciągáy monitoring zmian pod- ciĞnienia panującego w rurociągu przed zaworem opróĪniającym i umoĪliwiaáo pomiar zmian podciĞnienia w rurociągu w momencie otwarcia siĊ danego zaworu opróĪniające- go, jak równieĪ zaworów w sąsiednich studzienkach.

WYNIKI BADAē I DYSKUSJA

Badania prowadzone na sieci kanalizacji podciĞnieniowej mogą byü obarczone wie- loma báĊdami wynikającymi z losowego zachowania siĊ systemu w danej chwili. Nie moĪna przewidzieü na przykáad liczby zaworów opróĪniających, które otworzą siĊ w danym momencie ani czasu ich otwarcia. NaleĪy pamiĊtaü, Īe ustawiony czas otwarcia zaworów opróĪniających w trakcie eksploatacji sieci kanalizacji podciĞnieniowej ulega rozregulowaniu. Nie ma równieĪ moĪliwoĞci dokáadnego okreĞlenia iloĞci powietrza, jakie jest zasysane do sieci podczas pracy zaworu opróĪniającego.

W systemie kanalizacji podciĞnieniowej zawory opróĪniające otwierają siĊ losowo, w zaleĪnoĞci od napeánienia siĊ Ğciekami studzienki z zaworem opróĪniającym. Podczas prawidáowej pracy sieci kanalizacji podciĞnieniowej pomierzone na dáugoĞci rurociągu zmiany podciĞnienia w zbiorczych rurociągach powinny byü zbliĪone do sinusoidy i o 1–2 minuty przesuniĊte w czasie wzglĊdem siebie [Kalenik i Kanclerz 2005].

W rurociągu podciĞnieniowym gwaátowną zmianĊ podciĞnienia powoduje otwarcie siĊ zaworu opróĪniającego. RóĪnica ciĞnienia miĊdzy rurociągiem podciĞnieniowym a atmosferą powoduje napáyw Ğcieków i powietrza do rurociągu. DuĪe skoki podci- Ğnienia w rurociągu wskazują na otwarcie siĊ zaworów opróĪniających w studzienkach znajdujących siĊ w bezpoĞrednim sąsiedztwie urządzenia pomiarowego, a mniejsze skoki – na otwarcie siĊ zaworów opróĪniających znajdujących siĊ w dalej poáoĪonych studzienkach.

Podczas prawidáowej pracy sieci kanalizacji podciĞnieniowej po zamkniĊciu siĊ zaworu opróĪniającego w bardzo krótkim czasie (okoáo 30 sekund) nastĊpuje wyrównanie podciĞnienia w zbiorczym rurociągu podciĞnieniowym. Natomiast gdy zawory opróĪnia- jące otwierają siĊ czĊsto, to czas wyrównania podciĞnienia w rurociągu jest minimalnie dáuĪszy (okoáo 40 sekund) [Kalenik i Kanclerz 2005].

Z badaĔ przeprowadzonych na prawidáowo pracującej sieci kanalizacji podciĞnieniowej wynika, Īe w zbiorczych rurociągach podciĞnieniowych o Ğrednicy powyĪej 200 mm otwarcie siĊ zaworu opróĪniającego w bardzo maáym stopniu wpáywa na zmianĊ podciĞnienia w rurociągu [Kalenik i Kanclerz 2005]. Wskazuje to, Īe czym wiĊksza jest Ğrednica ruro- ciągu w systemie kanalizacji podciĞnieniowej, tym otwarcie siĊ zaworu opróĪniającego w mniejszym stopniu zakáóca hydrauliczne warunki przepáywu medium, a panujące w nim podciĞnienie jest bardziej stabilne.

Z przeprowadzonych badaĔ wynika, Īe w prawidáowo pracującej sieci kanalizacji podciĞnieniowej róĪnica podciĞnienia miĊdzy początkiem a koĔcem rurociągu o Ğrednicy powyĪej 200 mm w maáym stopniu zaleĪy od jego Ğrednicy i dáugoĞci (pomijając otwarcie siĊ zaworu opróĪniającego). ĝrednie wartoĞci róĪnicy podciĞnienia w zbiorczych ru-

(8)

rociągach podciĞnieniowych o Ğrednicy powyĪej 200 mm nie przekraczaáy –2 kPa [Ka- lenik i Kanclerz 2005].

Przeprowadzone badania w instalacji eksperymentalnej kanalizacji podciĞnieniowej wybudowanej w laboratorium w skali 1:1 pokazują, Īe aby zawory opróĪniające mo- gáy siĊ otwieraü, podciĞnienie w rurociągach kanalizacji podciĞnieniowej nie moĪe byü mniejsze niĪ –20 kPa [Kalenik 2014a]. W trakcie badaĔ zawory opróĪniające przy pod- ciĞnieniu mniejszym niĪ –20 kPa nie otwieraáy siĊ, poniewaĪ aby pokonaü naprĊĪenie sprĊĪyny zamykającej zawór opróĪniający, w rurociągu podciĞnieniowym musi panowaü podciĞnienie minimum –20 kPa.

W systemach kanalizacji podciĞnieniowej stosuje siĊ od dwóch do czterech pomp próĪniowych, w tym jedną rezerwową. Aby zapewniü równomierne zuĪywanie siĊ pomp próĪniowych, muszą one pracowaü w systemie rotacyjnym, z jedną pozostającą w spoczynku. Kolejno raz na tydzieĔ jedna z pomp jest wyáączana z pracy, jest wtedy pompą rezerwową. W przypadku kiedy podciĞnienie w zbiorniku podciĞnieniowym spada do –30 kPa, zaáącza siĊ automatycznie pompa próĪniowa pozostająca w spoczynku, która w tym momencie wspomaga pracĊ pozostaáych trzech pomp. Pompy próĪniowe z reguáy pracują w zakresie podciĞnienia od –55 kPa do –70 kPa [Kalenik 2011].

W badanej sieci kanalizacji podciĞnieniowej (rys. 4) Ğrednice zbiorczych rurociągów podciĞnieniowych, pompy próĪniowe zamontowane w stacja próĪniowo-pompowej, pompy zatapialne zamontowane w zbiorniku podciĞnieniowym i rurociąg táoczny zostaáy dobrane na docelowy przepáyw Ğcieków z uwzglĊdnieniem perspektywicznej zabudowy miejscowoĞci zgodnie z planem przestrzennego zagospodarowania gminy [Projekt kanalizacji… 2005].

Na rysunkach od 6 do 9 przedstawiono wyniki pomiarów i zmian podciĞnienia w zbiorczym rurociągu o Ğrednicy 225 mm podczas pracy badanej sieci kanalizacji pod- ciĞnieniowej (rys. 4). Symbolami od R1 do R6 oznaczono, zgodnie z rysunkiem 4, zmiany podciĞnienia, jakie rejestrowaáy rozmieszczone na dáugoĞci rurociągu poszczególne urzą- dzenia pomiarowe. W zbiorniku podciĞnieniowym zmiany podciĞnienia rejestrowaáo urzą- dzenie pomiarowe oznaczone symbolem R1 – linia Īóáta. Natomiast pozostaáe urządzenia pomiarowe oznaczono odpowiednio: R2 – linia czerwona, R3 – linia zielona, 4 – linia niebieska, R5 – linia róĪowa, R6 – linia czarna. Na wykresach (rys. 6–9) na osiach rzĊdnych zaznaczono zmiany podciĞnienia (Pp [kPa]), a na osiach odciĊtych czas (t [min]).

Analizując na wykresach (rys. 6–9) pracĊ pomp próĪniowych (R1 – linia Īóáta) w badanej sieci kanalizacji podciĞnieniowej, moĪna stwierdziü, Īe zaáączają siĊ i wyáą- czają zgodnie z wytycznymi podanymi w projekcie: gdy podciĞnienie w zbiorniku podci- Ğnieniowym spadnie do –65 kPa, to zaáączają siĊ, a gdy wzroĞnie do –75 kPa, wyáączają siĊ [Projekt kanalizacji… 2005]. Niestety nastawy zaáączania siĊ i wyáączania pomp próĪnio- wych są znacznie wiĊksze, niĪ zalecają to wytyczne projektowania [ATV-DVWK-A 116:

2004, PN-EN 1091:2002]. W związku z tym energocháonnoĞü pomp próĪniowych bĊdzie bardzo duĪa. Pompy próĪniowe w ciągu doby pracują bardzo nieregularnie. Natomiast w godzinach nocnych, kiedy dopáyw Ğcieków jest maáy, zaáączają siĊ zbyt czĊsto.

Natomiast analizując na wykresach (rys. 6–9) zmiany podciĞnienia w poszczególnych punktach pomiarowych, wyraĨnie wydaü gwaátowne krótkotrwaáe spadki podciĞnienia, które powstają w wyniku otwierania siĊ zaworów opróĪniających w pobliĪu punktów pomiarowych. Na wykresach zaznaczono je jako zawór otwarty.

(9)

t [min]

-80 -75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5 0

0:00 0:30 1:00 1:30 2:00 2:30 3:00 3:30 4:00 4:30 5:00 5:30 6:00 6:30 7:00 7:30 8:00 8:30 9:00 9:30 10:00 10:30 11:00 11:30 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00 17:30 18:00 18:30 19:00 19:30 20:00 20:30 21:00 21:30 22:00 22:30 23:00 23:30

Pp [kPa]

R 1 R 2 R 3R 4 R 5 R 6 zawór otwarty

valve open

Rys. 6. Zestawienie wyników badaĔ zmian podciĞnienia w zbiorczym rurociągu podciĞnienio- wym o Ğrednicy 225 mm w pierwszej dobie

Fig. 6. Statement of researches results change vacuum in the vacuum collector pipeline with a diameter of 225 mm on the ¿ rst day

t [min]

-80 -75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5

0 0:00 0:30 1:00 1:30 2:00 2:30 3:00 3:30 4:00 4:30 5:00 5:30 6:00 6:30 7:00 7:30 8:00 8:30 9:00 9:30 10:00 10:30 11:00 3011: 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00 3017: 18:00 18:30 19:00 19:30 20:00 3020: 21:00 21:30 22:00 22:30 23:00 23:30

Pp [bar]

R 1R 2 R 3R 4 R 5 R 6 zawór otwarty

valve open

Rys. 7. Zestawienie wyników badaĔ zmian podciĞnienia w zbiorczym rurociągu podciĞnienio- wym o Ğrednicy 225 mm w drugiej dobie

Fig. 7. Statement of researches results change vacuum in the vacuum collector pipeline with a diameter of 225 mm on the second day

(10)

t [min]

-80 -75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5

0 0:00 0:30 1:00 1:30 2:00 2:30 3:00 3:30 4:00 4:30 5:00 5:30 6:00 6:30 7:00 7:30 8:00 8:30 9:00 9:30 10:00 10:30 11:00 3011: 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00 3017: 18:00 18:30 19:00 19:30 20:00 3020: 21:00 21:30 22:00 22:30 23:00 23:30

Pp [kPa]

R 1R 2 R 3 R 4R 5 R 6 zawór otwarty

valve open

Rys. 8. Zestawienie wyników badaĔ zmian podciĞnienia w zbiorczym rurociągu podciĞnienio- wym o Ğrednicy 225 mm w trzeciej dobie

Fig. 8. Statement of researches results change vacuum in the vacuum collector pipeline with a diameter of 225 mm on the third day

t [min]

-80 -75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -40 -35 -30 -25 -20 -15 -10 -5

0 0:00 0:30 1:00 1:30 2:00 2:30 3:00 3:30 4:00 4:30 5:00 5:30 6:00 6:30 7:00 7:30 8:00 8:30 9:00 9:30 10:00 10:30 11:00 3011: 12:00 12:30 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 15:30 16:00 16:30 17:00 3017: 18:00 18:30 19:00 19:30 20:00 3020: 21:00 21:30 22:00 22:30 23:00 23:30

Pp [kPa]

R 1 R 2 R 3R 4 R 5R 6 zawór otwarty

valve open

Rys. 9. Zestawienie wyników badaĔ zmian podciĞnienia w zbiorczym rurociągu podciĞnienio- wym o Ğrednicy 225 mm w czwartej dobie

Fig. 9. Statement of researches results change vacuum in the vacuum collector pipeline with a diameter of 225 mm on the fourth day

(11)

W punkcie pomiarowym R2 i R3 wyraĨnie widaü granice zmiany podciĞnienia w rurociągu w momencie wyáączenia siĊ pomp próĪniowych, a nastĊpnie ich zaáączenia.

W tym czasie, kiedy nastĊpuje wyáączanie siĊ i zaáączanie pomp próĪniowych, wartoĞci podciĞnienia w punkcie pomiarowym R2 wahają siĊ Ğrednio od –65 do –55 kPa, a w punkcie pomiarowym R3 – od –65 do –52 kPa i zgodnie z zaáoĪeniami projektowymi róĪnica wahaĔ podciĞnienia w rurociągu w trakcie prowadzonych badaĔ ani razu nie przekro- czyáa –20 kPa [Projekt kanalizacji... 2005]. Pomierzone wiĊksze wartoĞci podciĞnienia odpowiadają momentowi wyáączania siĊ pomp próĪniowych, a mniejsze – momentowi zaáączania siĊ pomp próĪniowych, które w zbiorniku podciĞnieniowym wytwarzają pod- ciĞnienie. Pomierzone w punkcie R2 i R3 zmiany podciĞnienia są zbliĪone do sinusoidy i o kilka minut przesuniĊte w czasie wzglĊdem siebie, korelując wyraĨnie ze zmianami podciĞnienia w zbiorniku podciĞnieniowym (punkt pomiarowy R1). W związku z tym moĪna uznaü, Īe analizowana sieü kanalizacji podciĞnieniowej na odcinku od punktu pomiarowego R1 do R3 pracuje prawidáowo (rys. 4).

Natomiast od punktu pomiarowego R4 sieü kanalizacji podciĞnieniowej pracuje nie- prawidáowo. W punkcie tym jeszcze widaü granice zmiany podciĞnienia w rurociągu w momencie wyáączenia siĊ pomp próĪniowych, a nastĊpnie ich zaáączenia siĊ, ale juĪ w punktach R5 i R6 granice te nie są widoczne. W tym czasie, kiedy nastĊpuje wyáącza- nie siĊ i zaáączanie pomp próĪniowych, wartoĞci podciĞnienia w punkcie pomiarowym R4 wahają siĊ Ğrednio od 65 do –45 kPa, ale róĪnica wahaĔ podciĞnienia w rurociągu w trakcie prowadzonych badaĔ kilkanaĞcie razy przekroczyáa –20 kPa, nie speániając zaáoĪeĔ projektowych [Projekt kanalizacji... 2005]. Z kolei w punktach pomiarowym R5 i R6 wystĊpowaá bardzo duĪy spadek wartoĞci podciĞnienia w rurociągu, nawet poniĪej minimalnego wymaganego podciĞnienia, które nie moĪe byü mniejsze niĪ –20 kPa, gdyĪ wtedy zawory opróĪniające przestają siĊ otwieraü (w rurociągu wystĊpuje za maáe pod- ciĞnienie). Gdy w rurociągu podciĞnieniowym nastĊpuje nagáy duĪy spadek podciĞnienia w dáuĪszym okresie, a póĨniej jego wzrost i znowu spadek i tak naprzemiennie (rys. 6–9, punkt pomiarowy R5 i R6), wskazuje to na zalewanie odcinków rurociągu Ğciekami.

MoĪe to byü spowodowane nieprawidáowym uáoĪeniem rurociągu podciĞnieniowego, czyli z przeciwnym spadkiem lub w postaci syfonu. W związku z tym podjĊto decyzjĊ o odkopaniu rurociągu podciĞnieniowego przed i za przejĞciami pod drogą krajową 62.

Po wykonaniu odkrywek rurociągu podciĞnieniowego przed i za przejĞciami pod dro- gą krajową 62 okazaáo siĊ, Īe wykonawca wybudowaá przejĞcia w sposób odbiegający od zaproponowanego w projekcie, który przewidywaá przejĞcie pod drogą prostoliniową rurą ochronną i dopiero wtedy umieszczenie w niej rurociągu podciĞnieniowego (rys. 10a). Na- tomiast wykonawca wykonaá te przejĞcia metodą przewiertu sterowanego wiertnicą HDD.

W metodzie tej wprowadzanie rury pod powierzchniĊ gruntu odbywa siĊ z powierzchni terenu, a trasa przewiertu nie jest prostoliniowa tylko krzywoliniowa, w postaci áuku.

Po poáączeniu koĔców rurociągu powstaje syfon (rys. 10b), który powoduje duĪe opory hydrauliczne. Wtedy podczas pracy sieci kanalizacji podciĞnieniowej w rurociągu wystĊ- pują duĪe spadki podciĞnienia, nawet poniĪej wymaganego minimalnego podciĞnienia –20 kPa (rys. 6–9).

(12)

a

b

Rys. 10. Schematy przejĞü rurociągu podciĞnieniowego pod drogą: a – przejĞcie prawidáowe, b – przejĞcie nieprawidáowe

Fig. 10. Schemes passages vacuum collector pipeline under the road: a – correct passage, b – in- correct passage

Wedáug informacji uzyskanej od kierownika obiektu, po przebudowaniu przejĞü zbiorczego rurociągu podciĞnieniowego pod drogą zgodnie z projektem i prawidáowym wyregulowaniu nastaw dáugoĞci czasu otwarcia zaworów opróĪniających, badana sieü kanalizacji podciĞnieniowej zaczĊáa pracowaü prawidáowo.

PODSUMOWANIE

W ostatnich latach nastąpiá bardzo szybki rozwój technologiczny systemu kanalizacji podciĞnieniowej. System ten stanowi alternatywne rozwiązanie dla kanalizacji grawitacyjnej i ciĞnieniowej, gdy spadki terenu i warunki hydrogeologiczne są niekorzystne do ich zastosowania. Szczególnie zaleca siĊ go stosowaü do zbierania Ğcieków bytowych na obszarach wiejskich o páaskiej topogra¿ i terenu [PN-EN 1091:2002].

System kanalizacji podciĞnieniowej, mimo Īe jest coraz czĊĞciej spotykany na terenie naszego kraju, to jednak nadal jest systemem niekonwencjonalnym i wymaga wykwali¿ - kowanej kadry do jego budowy i eksploatacji. W związku z tym niezbĊdne jest doksztaá- canie siĊ pracowników, którzy zajmują siĊ jego budową i eksploatacją.

W Ğwietle przeprowadzonych badaĔ (rys. 6–9) eksploatowany system kanalizacji podciĞnieniowej pracowaá nieprawidáowo. Gáówną przyczyną nieprawidáowej pracy sieci kanalizacji podciĞnieniowej byáo niezgodnie z projektem wybudowanie przejĞü zbiorczego rurociągu podciĞnieniowego pod drogą krajową 62. W związku z tym jakiekolwiek odstĊpstwa od projektu bądĨ zaprojektowanego sposobu wykonania poszczególnych elementów sieci kanalizacji podciĞnieniowej muszą byü bezwzglĊdnie skonsultowane z projektantem i muszą uzyskaü jego peáną akceptacjĊ na piĞmie. Natomiast pracownicy zajmujący siĊ eksploatacją sieci kanalizacji podciĞnieniowej muszą znaü nastawy czasu otwarcia poszczególnych zaworów opróĪniających, Īeby móc je skorygowaü, gdy siĊ rozregulują. Pracownicy powinni przynajmniej dwa razy w ciągu roku (wczesną wiosną i póĨną jesienią) przejĞü wzdáuĪ sieci i przeprowadziü regulacjĊ czasu otwarcia zaworów

(13)

opróĪniających. NaleĪy stosowaü zasadĊ, Īe zawory znajdujące siĊ dalej powinny byü otwarte dáuĪej niĪ zawory usytuowane bliĪej stacji próĪniowo-pompowej. Pracownicy ci powinni równieĪ prowadziü ksiąĪkĊ eksploatacji i konserwacji obiektu, w której muszą byü notowane wszystkie zaistniaáe awarie i przyczyny ich powstania oraz sposoby ich usuniĊcia.

PIĝMIENNICTWO

ATV-DVWK-A 116 (2004). Part 1. Vacuum drainage outside of buildings. April.

BáaĪejewski, R., Bykowski, J. (1999). Analiza techniczno-ekonomiczna sieci kanalizacyjnych na terenach niezurbanizowanych. II Ogólnopolska Konferencja Naukowo-Techniczna „Sie- ci kanalizacyjne i pompownie Ğcieków na terenach niezurbanizowanych”. Wisáa, 6–8 wrzeĞnia. Wydawnictwo Abrys, PoznaĔ, 19–40.

BáaĪejewski, R., Matz, R. (2011). Problemy eksploatacyjne systemów kanalizacji podciĞnieniowej.

Gaz, Woda i Technika Sanitarna, 7–8, 289–292.

EPA/625/1-91/024 (1991). Alternative Wastewater Collection Systems. Manual. United States Environmental Protection Agency, Washington.

Heidrich, Z. (1991). Analiza porównawcza róĪnych systemów odprowadzania Ğcieków z jednostek osadniczych. Gaz, Woda i Technika Sanitarna, 7, 155–159.

Kalenik, M. (2011). Niekonwencjonalne systemy kanalizacji. Wydawnictwo SGGW, Warszawa.

Kalenik, M. (2014a). Eksperymental investigations of interface valve À ow capacity in the RoeVac type vacuum sewage system. Environment Protection Engineering, 40, 3, 127–138.

Kalenik, M. (2014b). Hydrauliczne warunki przepáywu w rurociągach kanalizacji podciĞnieniowej.

Rozprawy Naukowe i Monogra¿ e. Wydawnictwo SGGW, Warszawa.

Kalenik, M. (2015). Empirical formulas for calculation of negative pressure difference in vacuum pipelines. Water, 7, 10, 5284–5304.

Kalenik, M., Kanclerz, A. (2005). Badania systemu kanalizacji podciĞnieniowej w warunkach technicznej eksploatacji. WiadomoĞci Melioracyjne i àąkarskie, 1, 31–34.

Kwietniewski, M., Miszta-Kruk, K. (2007). Distributions of pump work times in an operating vacuum sewerage system. In: Environmental Engineering. Taylor & Francis Group, London, Singapore, 145–150.

Miszta-Kruk, K. (2006). Analiza niezawodnoĞci kanalizacji podciĞnieniowej na podstawie badaĔ eksploatacyjnych wybranych systemów. Praca doktorska. Maszynopis. Politechnika War- szawska, Warszawa.

Miszta-Kruk, K., Kwietniewski, M., (2005). Ocena niezawodnoĞci systemu kanalizacji podciĞnie- niowej. Monogra¿ e Komitetu InĪynierii ĝrodowiska PAN, Lublin. 32, 453–465.

PN-EN 1091:2002. ZewnĊtrzne systemy kanalizacji podciĞnieniowej.

Projekt kanalizacji podciĞnieniowej w miejscowoĞci StarawieĞ, Gmina Liw (2005). Lublin.

INVESTIGATIONS OF HYDRAULIC FLOW CONDITIONS OF A VACUUM SEWAGE SYSTEM

Abstract. The main aim of the investigations was to analyze hydraulic À ow conditions of a vacuum sewage system making a lot of problems during its exploitation and to propose corrective action which should be taken to eliminate these problems. The scope of the investigations encompassed a vacuum sewage system built in a village StarawieĞ nearby Warsaw. The paper presents the analysis of the obtained results of the investigations of negative pressure changes along the length of the vacuum collector pipeline with diameter

(14)

of 225 mm, in conditions of technical exploitation of the vacuum sewage system. Negative pressure measuring devices were distributed in six determined points (ferroconcrete wells with ISEKI interface valves) along the length of the vacuum collector pipeline. The measuring devices measured pressure changes every minute, by 24 hours per day, for several days.

Changes of the negative pressure in vacuum sewage systems depend on the frequency of opening of interface valves and on the negative pressure in a vacuum container. In order to let the interface valves open, the negative pressure in vacuum sewage pipelines cannot be lower than –20 kPa. The analysis of the obtained results of the investigations allowed to de¿ ne the causes of malfunctioning of the vacuum sewage system. The main cause of the problems was that the passages of the vacuum collector pipeline under the national road No. 62 were built contrary to the design. After reconstruction of the aforementioned passages according to the design and after proper adjustment of opening times of the emptying valves, the tested vacuum sewage system operated properly.

Key words: sewage, vacuum sewage system, interface valve, vacuum collector pipeline

Zaakceptowano do druku – Accepted for print: 12.06.2016

Cytowanie: Kalenik M., Dybiec G. (2016). Badania hydraulicznych warunków pracy sieci kanalizacji podciĞnieniowej. Acta Sci. Pol. Architectura, 15 (2), 147–160.