Joanna BĄK
Instytut Zaopatrzenia w WodĊ i Ochrony ĝrodowiska, Politechnika Krakowska
ALTERNATYWNE METODY POMIARU NATĉĩENIA PRZEPàYWU ĝCIEKÓW OCZYSZCZONYCH
ALTERNATIVE METHODS OF MEASURING THE FLOW RATE OF TREATED SEWAGE
Quantity as well as quality of treated sewage discharged into rivers is very important due to water protection. The article proposes two alternative ways of measuring the flow rate of treated sewage at sewage treatment plants: the method using rising air bubbles technique (RABT) and the method using California pipe. These methods allow rapid measurement at low cost, and can serve as a preliminary measurement or verification of the used methods. Currently, research on the adaptation of these methods for use in the sewer system are carried out in Cracow University of Technology. Also studies to in- crease the accuracy of these methods are conducted.
1. Wprowadzenie
Pomiary strumieni objĊtoĞci i masy páynów oraz iloĞci przepáywających páynów sta- nowią waĪną czĊĞü metrologii. Wyniki dokonywanych pomiarów powinny byü wiary- godne i dokáadne. Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady Europy 2004/22/WE z dnia 31 marca 2004 roku w sprawie przyrządów pomiarowych [1] (nazywana Dyrekty- wą MID od skrótu angielskiej nazwy Measurement Instruments Directive) zawiera wymagania szczególne dla przyrządów pomiarowych (m.in. dla wodomierzy oraz systemów pomiarowych dla ciągáych i dynamicznych pomiarów objĊtoĞci lub masy cieczy innych niĪ woda).
Istnieje wiele podziaáów urządzeĔ do pomiaru w/w strumieni. UwzglĊdniając fizycz- ne zasady dziaáania przepáywomierze moĪna podzieliü nastĊpująco [2]:
- spiĊtrzające przepáyw - páywakowe
- turbinowe
- elektromagnetyczne - ultradĨwiĊkowe - komorowe - siáowe (Coriolisa)
- cieplne - wirowe
- inne (w tym optyczne, korelacyjne).
Niektóre z w/w przepáywomierzy znajdują zastosowanie w inĪynierii sanitarnej [3].
W dziedzinie inĪynierii Ğrodowiska w zakresie gospodarki wodno – Ğciekowej pomiar strumieni objĊtoĞci páynów (wody/Ğcieków) oraz ich iloĞci jest równieĪ niezmiernie istotny.
2. Przyczyny pomiarów natĊĪenia przepáywu i iloĞci Ğcieków
KoniecznoĞü dokonywania pomiarów natĊĪenia przepáywu i iloĞci Ğcieków wynika miĊdzy innymi z licznych aktualnie obowiązujących aktów prawnych. NaleĪą do nich poĞród innych:
- Ustawa z dnia 18 lipca 2001 r. Prawo wodne [4]
- Ustawa z dnia 27 kwietnia 2001 r. Prawo ochrony Ğrodowiska [5]
- Ustawa z dnia 7 czerwca 2001 r. o zbiorowym zaopatrzeniu w wodĊ i zbiorowym odprowadzaniu Ğcieków [6]
- Obwieszczenia Ministra ĝrodowiska w sprawie wysokoĞci stawek opáat za korzy- stanie ze Ğrodowiska.
Ustawa Prawo wodne w artykule 46 punkt 1 nakáada obowiązek pomiaru iloĞci Ğcie- ków na zakáady przeznaczające Ğcieki do rolniczego wykorzystania. Prawo ochrony Ğrodowiska w artykule 287 zobowiązuje podmioty korzystające ze Ğrodowiska do zbie- rania informacji miĊdzy innymi o iloĞci Ğcieków wprowadzanych do wód lub do ziemi, a Ustawa z dnia 7 czerwca 2001 r. o zbiorowym zaopatrzeniu w wodĊ i zbiorowym odprowadzaniu Ğcieków obliguje dostawców Ğcieków przemysáowych wprowadzanych do urządzeĔ kanalizacyjnych do zainstalowania urządzeĔ pomiarowych sáuĪących do okreĞlania miĊdzy innymi iloĞci Ğcieków.
3. Metody i techniki pomiarowe
Wybór metody i techniki pomiaru natĊĪenia przepáywu i iloĞci páynu uzaleĪniony jest od rodzaju medium i miejsca pomiaru. Inne są metody pomiaru w korytach otwartych i systemach zamkniĊtych, ale z czĊĞciowym napeánieniem, a inne w przewodach pracują- cych pod ciĞnieniem.
W przypadku Ğcieków wybór metody pomiaru i zastosowanego przepáywomierza powinien byü poprzedzony analizą rodzaju i jakoĞci Ğcieków, których pomiar ma dotyczyü. Inne metody pomiaru mogą byü stosowane dla Ğcieków sanitarnych, deszczo- wych, przemysáowych, miejskich, surowych, oczyszczonych. Decyduje o tym przede wszystkim obecnoĞü zanieczyszczeĔ zawieszonych w Ğciekach.
Na oczyszczalniach Ğcieków do pomiaru natĊĪenia przepáywu Ğcieków oczyszczo- nych stosuje siĊ koryta pomiarowe[3] i przelewy miernicze.
3.1. Przelewy
Przelewy o ostrej krawĊdzi stosowane są jako przelewy pomiarowe [7]. Do pomiaru natĊĪenia przepáywu najczĊĞciej stosuje siĊ przelewy o prostych ksztaátach geometrycz- nych o charakterystykach przepáywu opisanych funkcją potĊgową [8].
W metodzie pomiaru natĊĪenia przepáywu z zastosowaniem przelewów miarą natĊ- Īenia przepáywu jest wysokoĞü poziomu cieczy w pewnej odlegáoĞci przed przelewem [2] mierzona od korony przelewu.
Związek pomiĊdzy wydatkiem przelewu Q a spiĊtrzeniem cieczy nad jego krawĊdzią h w ogólnej postaci przedstawiony jest poniĪej, a nazywany jest charakterystyka przelewu [9]:
Q = F(h), (1)
gdzie:
h –spiĊtrzenie cieczy ponad krawĊdzią przelewu.
Poziom cieczy moĪna wyznaczaü nastĊpującymi metodami [2]:
- ultradĨwiĊkową - hydrostatyczną
- przy uĪyciu ukáadu pomiarowego z páywakiem.
W pracy [8] zaprezentowano opracowanie podstaw teoretycznych wyznaczania ksztaátu przelewów o róĪnych wáaĞciwoĞciach mierniczych, których charakterystyka przepáywu jest opisana funkcjami – potĊgową, logarytmiczna i wykáadnicza.
3.2. ZwĊĪkowe kanaáy miernicze
Zastosowanie zwĊĪkowych kanaáów mierniczych jest sposobem zbliĪonym do po- miaru przy uĪyciu przelewu mierniczego, a miarą strumienia objĊtoĞci jest poziom spiĊtrzonej cieczy przed kanaáem [2].
WyróĪnia siĊ nastĊpujące zwĊĪkowe kanaáy miernicze [3]:
- koryto Venturiego - kanaá Venturiego - koryto Parshalla - koryto Khafagi
- koryto pomiarowe Palmera – Bowlusa - koryto Hasslinga
- koryto odpáywowe rurowe - koryto Badgera.
4. Alternatywne metody pomiaru natĊĪenia przepáywu Ğcieków oczyszczonych
Aktualnie prowadzone są badania w Politechnice Krakowskiej nad zastosowaniem innych tanich sposobów pomiaru natĊĪenia przepáywu Ğcieków w systemie kanalizacyj- nym. NaleĪą do nich: metoda rury kalifornijskiej oraz metoda pomiaru z zastosowaniem wznoszących siĊ pĊcherzyków powietrza, nazywana takĪe metodą z zastosowaniem techniki RABT (Raising Air Bubble Technique) [10]. Proponuje siĊ zastosowanie
w/w metod do pomiaru natĊĪenia przepáywu Ğcieków oczyszczonych na wylocie z oczyszczalni Ğcieków jako sposobów na szybki wstĊpny pomiar bądĨ weryfikacjĊ aktualnie stosowanych metod.
4.1. Metoda rury kalifornijskiej
Alternatywnym sposobem pomiaru natĊĪenia przepáywu cieczy do obecnie stosowa- nych jest opracowana przez Vanleera [11, 12, 13] metoda, nazywana równieĪ metodą rury kalifornijskiej [12]. Metoda ta jest róĪnie klasyfikowana w literaturze - niektóre Ĩródáa zaliczają ją do grupy pomiarów przy uĪyciu przelewu [12], inne klasyfikują ją jako metodĊ trajektorii (metody trajektorii – polegają na pomiarze wspóárzĊdnych poziomych i pionowych punktu strugi wypáywającej z rury) [13], a jeszcze inne jako osobną metodĊ [14].
Metoda ta sáuĪy do pomiaru swobodnego wypáywu z czĊĞciowo napeánionej pozio- mej rury bądĨ pomiaru natĊĪenia przepáywu w kanaáach otwartych w których istnieje moĪliwoĞü przeprowadzenia przepáywu przez poziomą czĊĞciowo napeánioną rurĊ ze swobodnym wypáywem [13]. Z tego wzglĊdu proponuje siĊ rozwaĪenie zastosowania tej metody do pomiaru natĊĪenia przepáywu Ğcieków oczyszczonych na wylocie z oczysz- czalni Ğcieków. W Politechnice Krakowskiej trwają badania nad przystosowaniem metody rury kalifornijskiej dla rur uáoĪonych w spadku.
NatĊĪenie przepáywu po pomiarze parametru a (wzglĊdnie napeánienia h) przy znanej Ğrednicy wewnĊtrznej d moĪna obliczaü przy wykorzystaniu nastĊpującego wzoru [12, 13]:
48 , 2 88 ,
)1
1
( d
d K a
Q
(2) a po przeksztaáceniu i uproszczeniu:
88 , 1 6 ,
0
h
d K
Q
(3)gdzie:
Q – natĊĪenie przepáywu (jednostki zaleĪne od staáej K)
K – staáa zaleĪna od jednostek ( K = 4680 dla Q wyraĪonego w l/s [12]) d – Ğrednica rury (wewnĊtrzna)
a – odlegáoĞü pomiĊdzy górną wewnĊtrzną páaszczyzną rury a zwierciadáem cieczy mierzona na koĔcu rury
h – napeánienie.
BáĊdy o wartoĞci +/- 10% lub wiĊcej są typowe dla tej metody [12].
Przy pomiarze natĊĪenia przepáywu metodą rury kalifornijskiej powinny byü speánione nastĊpujące wymagania[12, 13]:
- rura odpáywowa musi byü wypoziomowana
- rura musi byü czĊĞciowo napeániona, a napeánienie powinno byü mniejsze od 55%
(wzglĊdnie od 50%)
- musi byü zapewniony swobodny wypáyw z rury
- dáugoĞü rury odpáywowej powinna byü co najmniej równa bądĨ wiĊksza wartoĞci 6 Ğrednic.
Wzór (2) powstaá na podstawie badaĔ rur o Ğrednicach z zakresu 75 – 250 mm, ale byá stosowany z sukcesem dla rur o Ğrednicy do 900 mm [12]. WartoĞci napeánienia w zakresie 50 – 55% wymagają dalszych badaĔ pod wzglĊdem moĪliwoĞci stosowania wzoru Vanleera [15].
Rys.1. Rura kalifornijska – schemat z oznaczeniem do wzoru
Fig. 1. California pipe – scheme and symbol for equation
4.2. Metoda z zastosowaniem techniki RABT
Inną metodą jest pomiar natĊĪenia przepáywu z zastosowaniem wznoszących siĊ pĊ- cherzyków powietrza. Prosta analiza teoretyczna wykazuje istnienie zaleĪnoĞci liniowej pomiĊdzy odpáywem lokalnym w kanale q (w odniesieniu do jednostki szerokoĞci) a dáugoĞcią wzniosu pĊcherzyków powietrza L wytwarzanych i wypuszczanych na dnie kanaáu, gdzie dáugoĞü L jest to miara poziomego przesuniĊcia pĊcherzyków powietrza pomiĊdzy przekrojem w którym bąbelki powietrza bĊdą wypuszczane a przekrojem gdzie pojawią siĊ na powierzchni [16].
Wraz z wzniosem pĊcherzyków powietrza w wodzie zwiĊksza siĊ ich Ğrednica, jed- nak dla wody o gáĊbokoĞci mniejszej niĪ 3,5 m wzrost ten jest mniejszy niĪ 10%
[17 za 16]. Z tego wzglĊdu uznano [16], iĪ Ğrednica moĪe byü rozpatrywana jako staáa, a dla okreĞlonej Ğrednicy oblicza siĊ prĊdkoĞü koĔcową/graniczną pĊcherzyka powietrza.
Miejscowy lokalny odpáyw moĪe byü obliczany na podstawie nastĊpującego wzoru [16]:
L w a
q
f
(4)gdzie:
q – odpáyw w odniesieniu do jednostki szerokoĞci kanaáu
L – dáugoĞü wzniosu pĊcherzyka powietrze mierzona jako poziome przesuniĊcie pomiĊ- dzy przekrojem w którym pĊcherzyk jest wypuszczany a przekrojem gdzie pojawia siĊ na powierzchni
a – wspóáczynnik wyznaczany eksperymentalnie
w - prĊdkoĞü koĔcowa/graniczna pĊcherzyka powietrza w odniesieniu do Ğrednicy d.
Próby zastosowania tej metody prowadzone byáy m.in. przez [18] - na kilku rzekach i kanaáach w Wielkiej Brytanii (m.in. rzeka Bela i Lune), a takĪe na wylocie z oczysz- czalni Ğcieków, gdzie uzyskano dobrą zgodnoĞü wyników z miernikiem elektromagne- tycznym [18]. Aktualnie prowadzone są badania nad zastosowaniem tej metody na wylocie Ğcieków oczyszczonych z jednej z maáopolskich oczyszczalni Ğcieków. Nie- pewnoĞü w pojedynczym pomiarze tą metodą okreĞlona przez [18] mieĞci siĊ w zakresie +/- 6,5 ÷ 8 %.
Badania nad tą metodą prowadzone byáy lub są przez zespoáy badawcze m.in. z Wielkiej Brytanii [18], Grecji [16], Holandii [10] oraz Polski (Politechnika Krakowska).
Rys.2. Konfiguracja wzniosu pĊcherzyków powietrza w pionowej páaszczyĨnie kanaáu otwartego (opracowano na podstawie [16])
Fig. 2. Configuration of air bubble rise in vertical plane of open channel (based on [16])
dopáyw powietrza L
5. Podsumowanie i wnioski
W ochronie wód niezwykle istotna oprócz jakoĞci odprowadzanych do rzek Ğcieków oczyszczonych z oczyszczalni Ğcieków jest takĪe ich iloĞü. W artykule zaproponowano dwa alternatywne sposoby pomiaru natĊĪenia Ğcieków oczyszczonych na wylocie z oczyszczalni Ğcieków: metodĊ z zastosowaniem wznoszących siĊ pĊcherzyków powie- trza oraz metodĊ z zastosowaniem rury kalifornijskiej. Są to metody umoĪliwiające szybki pomiar przy niskich kosztach, a mogą sáuĪyü jako pomiary wstĊpne bądĨ weryfi- kacja stosowanych metod. Aktualnie trwają prace badawcze w Politechnice Krakow- skiej nad dostosowaniem tych metod do wykorzystania w systemie kanalizacyjnym, a takĪe nad zwiĊkszeniem dokáadnoĞci tych metod.
Artykuá powstaá w ramach realizacji projektu badawczego nr 5633/B/T02/2010/38.
Bibliografia
[1] Dyrektywa 2004/22/EC Parlamentu Europejskiego i Rady Europy z dnia 31 marca 2004 r. w sprawie przyrządów pomiarowych Directive 2004/22/EC on Measuring Instruments (MID)
[2] Pospolita J. „Pomiary strumieni páynów” Oficyna Wydawnicza Politechnika Opolska Opole 2004
[3]
Erb H.G. „Technika pomiarów przepáywu wody i Ğcieków” Wydawnictwo Seidel – Przywecki 1999
[4] Ustawa z dnia 18 lipca 2001 r. Prawo wodne
[5] Ustawa z dnia 27 kwietnia 2001 r. Prawo ochrony Ğrodowiska
[6] Ustawa z dnia 7 czerwca 2001 r. o zbiorowym zaopatrzeniu w wodĊ i zbiorowym odprowadzaniu Ğcieków
[7] Lewandowski J.B. „Mechanika páynów” Wydawnictwo Akademii Rolniczej im. Augusta Cieszkowskiego w Poznaniu PoznaĔ 2006
[8] Majcherek H. „Podstawy hydromechaniki w inĪynierii oczyszczania wody”
Wydawnictwo Politechniki PoznaĔskiej PoznaĔ 2006
[9] Sawicki J.M. Mechanika przepáywów Wydawnictwo Politechniki GdaĔskiej GdaĔsk 2009
[10] Hilgersom K., Luxemburg W. „The rising air bubble technique for streamflow measurement”
[11] Vanleer B.R. „The California Pipe Method of Water Measurement” Engineering News Record, August 3, 1922, and August 21, 1924
[12] Walkowiak D.K. – editor „Isco Open Chanel Flow Measurement Handbook” Sixth Edition
[13] „Water Measurement Manual” a water resources technical publication A guide to effective water measurement practices for better water management U.S.
Department of the Interior Bureau of Reclamation
[14] Dąbrowski W. „Oddziaáywanie sieci kanalizacyjnych na Ğrodowisko”
Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej Kraków 2004
[15] Dąbrowski W., Bąk J. „MoĪliwoĞci alternatywnych pomiarów natĊĪenia przepáywu w kanalizacji sposobem na obniĪenie kosztów monitoringu systemów odprowadzania Ğcieków” – maszynopis
[16] Yannopoulos P.C., Demetracopoulos A.C., Hadjitheodorou Ch. „Quick method for open – Chanel discharge measurements rising air bubbles” Journal Of Hydraulic Engineering ASCE June 2008
[17] Yannopoulos P.C., Demetracopoulos A.C., Hadjitheodorou Ch. “ River discharge measurements with rising air bubbles” Proc., 4th Conf. Environmental Science and Technology, vol.B, Th.Lekas,ed., Molybos Lesbos, Greece, Univ. of the Aegean, Dept. of Environmental Studies, Mytilini, Lesvos, Greece, 389 – 398
[18] Sargent D.M. „The rising air float technique for the measurement of stream discharge” Advances in Hydrometry, Proceedings of the Exeter Symposium, July 1982, IAHS Publ. no 134.
