WYBRANE ZAGADNIENIA Z KANALIZACJI

POLITECHNIKA WROCŁAWSKA WYDZIAŁ INŻYNIERII ŚRODOWISKA

INSTYTUT INŻYNIERII OCHRONY ŚRODOWISKA ZAKŁAD NAUKOWY USUWANIA ŚCIEKÓW

WYBRANE ZAGADNIENIA Z KANALIZACJI

Część I – Systemy kanalizacyjne Przewodnik do wykładów 1 ÷ 9

LITERATURA PODSTAWOWA:

1. Heidrich Z., Kalenik M., Podedworna J., Stańko G.: Sanitacja wsi. Wyd. Seidel- Przywecki, Warszawa 2008 [65],

2. Kaźmierczak B., Kotowski A.: Weryfikacja przepustowości kanalizacji deszczowej w modelowaniu hydrodynamicznym. Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2012 [77],

3. Kotowski A.: Podstawy bezpiecznego wymiarowania odwodnień terenów. Wyd. Seidel- Przywecki, Warszawa 2011 [102],

4. Kotowski A., Kaźmierczak B., Dancewicz A.: Modelowanie opadów do wymiarowania kanalizacji. Wyd. Komitet Inż. Lądowej i Wodnej PAN, Warszawa 2010 [106].

LITERATURA UZUPEŁNIAJĄCA:

1. Bień J., Cholewińska M.: Kanalizacja podciśnieniowa i ciśnieniowa. Wyd. Politechniki Częstochowskiej. Częstochowa 1995.

2. Błaszczyk W., Roman M., Stamatello H.: Kanalizacja. Tom I. Wyd. Arkady, Warszawa 1974.

3. Błaszczyk W., Stamatello H., Błaszczyk P.: Kanalizacja. Sieci i pompownie. Wyd.

Arkady, Warszawa 1983.

4. Edel R.: Odwadnianie dróg. Wyd. Komunikacji i Łączności, Warszawa 2009.

5. Geiger W., Dreiseitl H.: Nowe sposoby odprowadzania wód deszczowych. Oficyna Wydawnicza Projprzem EKO, Bydgoszcz 1999.

6. Mielcarzewicz E. W., Wartalski J.: Systemy zaopatrzenia w wodę i usuwania ścieków - wybrane zagadnienia. Wyd. Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 1990.

7. Wytyczna ATV-A116: Specjalne systemy kanalizacji; Kanalizacja podciśnieniowa i ciśnieniowa. DVWK, Hennef 1992.

Wrocław, 2013 r.

TREŚCI PROGRAMOWE – studia dzienne II stopnia (mgr)

Forma zajęć - wykład Liczba godzin

Wy1 Program wykładów. Wprowadzenie 2

Wy2 Charakterystyka konwencjonalnych i niekonwencjonalnych systemów

usuwania ścieków 2

Wy3 Zasady projektowania ciśnieniowej kanalizacji bytowo-gospodarczej i

przemysłowej 2

Wy4 Zasady projektowania podciśnieniowej kanalizacji bytowo-

gospodarczej i przemysłowej 2

Wy5 Zasady bezpiecznego projektowania konwencjonalnych systemów

odwodnień terenów 2

Wy6 Podstawy modelowania opadów do wymiarowania kanalizacji 2 Wy7 Zasady modelowania systemów odwodnień terenów zurbanizowanych 2 Wy8 Weryfikacja przepustowości kanalizacji w modelowaniu SWMM 2 Wy9 Wpływ zmian klimatu na działanie kanalizacji w przyszłości 2 Wy10 Metody projektowania i modernizacji przelewów burzowych 2 Wy11 Podstawy wymiarowania udoskonalonych przelewów burzowych 2 Wy12 Zasady wymiarowania udoskonalonych separatorów objętości 2 Wy13 Zasady projektowania i wymiarowania zbiorników retencyjnych 2 Wy14 Podstawy projektowania i doboru regulatorów hydrodynamicznych 2 Wy15 Zasady doboru separatorów sedymentacyjno-flotacyjnych 2

Suma godzin 30

TREŚCI PROGRAMOWE – studia dzienne II stopnia (mgr)

Forma zajęć - projekt Liczba godzin

Pr1

Program ćwiczenia projektowego z kanalizacji niekonwencjonalnej (ciśnieniowej lub podciśnieniowej): wydanie tematu, omówienie treści i zakresu projektu, określenie wymagań

2 Pr2 Sporządzenie bilansu odpływu ścieków komunalnych 2 Pr3 Sporządzenie grafu obliczeniowego sieci kanalizacyjnej (z

wariantowaniem tras przepływu ścieków) 2

Pr4

Wstępny dobór średnic przewodów i wariantowe obliczenia

hydrauliczne sieci kanalizacyjnej (podczas normalnego działania, z ewentualną korektą średnic)

6 Pr5 Wariantowe obliczenia hydrauliczne sieci kanalizacyjnej (podczas

płukania, z ewentualną korektą średnic) 4

Pr6 Wykonanie profilu podłużnego głównego przewodu (z liniami

ciśnienia podczas normalnego działania i podczas płukania systemu) 2 Pr7 Sporządzenie planu sieci kanalizacji niekonwencjonalnej z obiektami 2 Pr8 Obliczenia hydrauliczno-techniczne wybranego urządzenia

zbiornikowo-tłocznego ścieków (z doborem urządzeń i armatury) 3 Pr9 Projekt wybranego urządzenia zbiornikowo-tłocznego ścieków 5

Pr10 Sporządzenie opisu technicznego projektu 2

Suma godzin 30

TREŚCI PROGRAMOWE – studia zaoczne II stopnia (mgr)

Forma zajęć - wykład Liczba godzin

Wy1 Program wykładów. Wprowadzenie. 2

Wy2 Charakterystyka niekonwencjonalnych systemów usuwania ścieków 2 Wy3 Zasady projektowania ciśnieniowej kanalizacji bytowo-gospodarczej i

przemysłowej 2

Wy4 Zasady projektowania podciśnieniowej kanalizacji bytowo-

gospodarczej i przemysłowej 1

Wy5 Zasady bezpiecznego projektowania konwencjonalnych systemów

odwodnień terenów 2

Wy6 Podstawy modelowania opadów do wymiarowania kanalizacji 2 Wy7 Zasady modelowania systemów odwodnień terenów zurbanizowanych 2 Wy8 Weryfikacja przepustowości kanalizacji w modelowaniu SWMM 2 Wy9 Wpływ zmian klimatu na działanie kanalizacji w przyszłości 2 Wy10 Metody projektowania i modernizacji przelewów burzowych 1 Wy11 Podstawy wymiarowania udoskonalonych przelewów burzowych 1 Wy12 Zasady wymiarowania udoskonalonych separatorów objętości 1 Wy13 Metody projektowania i wymiarowania zbiorników retencyjnych 2 Wy14 Zasady projektowania i doboru regulatorów hydrodynamicznych 1 Wy15 Zasady doboru separatorów sedymentacyjno-flotacyjnych 1

Suma godzin 24

TREŚCI PROGRAMOWE – studia zaoczne II stopnia (mgr)

Forma zajęć - projekt Liczba godzin

Pr1

Program ćwiczenia projektowego z kanalizacji niekonwencjonalnej:

wydanie tematu, omówienie treści i zakresu projektu, określenie wymagań

2 Pr2 Sporządzenie bilansu odpływu ścieków komunalnych 1 Pr3 Sporządzenie grafu obliczeniowego sieci kanalizacyjnej z

wariantowaniem tras przepływu ścieków 1

Pr4

Wstępny dobór średnic przewodów ciśnieniowych i wariantowe obliczenia hydrauliczne sieci kanalizacyjnej (podczas normalnego działania, z ewentualną korektą średnic)

2

Pr5 Wariantowe obliczenia hydrauliczne sieci kanalizacyjnej (podczas

płukania, z ewentualną korektą średnic) 1

Pr6

Wykonanie profilu podłużnego głównego przewodu kanalizacji (z liniami ciśnienia podczas normalnego działania i podczas płukania systemu)

1 Pr7 Sporządzenie planu sieci kanalizacyjnej z obiektami 1 Pr8 Obliczenia hydrauliczno-techniczne wybranego urządzenia

zbiornikowo-tłocznego ścieków (z doborem urządzeń i armatury) 1 Pr9 Projekt koncepcyjny wybranego urządzenia zbiornikowo-tłocznego

ścieków 1

Pr10 Sporządzenie opisu technicznego projektu 1

Suma godzin 12

1. WPROWADZENIE

„KANALIZACJA” oznacza historycznie dwa pojęcia:

 zespół budowli inżynierskich do spełniania określonych celów,

 nauka stosowana o projektowaniu, budowie i eksploatacji sieci i obiektów systemu do odprowadzania oraz unieszkodliwiania ścieków, tj. wód zużytych i opadowych.

Współcześnie, kanalizacja rozumiana jako system powierzchniowego odwadniania terenów zurbanizowanych - mieszcząca się w pojęciu hydrologii miejskiej, jest często wspomagana melioracjami terenów, jako systemem służącym do regulacji poziomów wód podziemnych - mieszczącym się z kolei w pojęciu hydrogeologii miejskiej.

Cele kanalizacji na terenach zurbanizowanych to:

1) utrzymanie warunków higienicznych (sanitarnych) przez zbieranie i odprowadzanie ścieków do oczyszczalni, gdzie następuje ich unieszkodliwienie;

2) zapobieganie szkodom związanym z zalewaniem bądź podmakaniem terenów i obiektów, 3) utrzymanie powierzchni komunikacyjnych: jezdni, przejść pieszych, w tym podziemnych,

w stanie używalności - woda co najwyżej do poziomu krawężników (fot. 1).

Fot. 1. Wylanie z kanału deszczowego pod przejazdem

STAN PRAWNY PROJEKTOWANIA KANALIZACJI

Zgodnie z Ustawą o normalizacji z 2002 r. stosowanie Polskich Norm - PN jest dobrowolne, podobnie też Norm Europejskich - EN, w tym tzw. Norm zharmonizowanych - PN-EN, a także Norm Międzynarodowych - ISO. Normy nie są więc obecnie aktami prawnymi. Rangę prawną mają natomiast np. ustawy czy rozporządzenia do ustaw. Ustawa z 2002 r. dostosowała krajową normalizację do reguł europejskiego systemu prawnego [102].

Dla projektantów, wykonawców czy eksploatatorów obiektów budowlanych branży sanitarnej (i nie tylko), od lat przyzwyczajonych do obowiązkowego stosowania polskich norm (w tym branżowych - BN), jest to istotna zmiana. Nie oznacza to jednak, że nie należy stosować norm, a zwłaszcza zaleceń wynikających z treści („ducha”) norm, jako źródła przepisów pozaprawnych, podobnie jak i aktualnych wytycznych technicznych projektowania (WTP) czy też publikowanych wyników z prac badawczych (odnośnie np. metod wymiarowania kanalizacji, sposobów oznaczania wskaźników zanieczyszczeń czy technologii budowy sieci i instalacji, itp.).

Obecny stan prawny nakłada więc na projektantów i wykonawców obiektów budowlanych większą odpowiedzialność i obowiązek starannego, w tym bezpiecznego projektowania i wykonywania obiektów – zgodnie ze sztuką budowlaną, wynikającą z najlepszej dostępnej wiedzy technicznej (BAT – best available techniques).

Idea ta znajduje zastosowanie w niniejszym wykładzie m.in. w odniesieniu do zasad projektowania i wymiarowania systemów kanalizacyjnych – m.in. wg zaleceń najnowszej normy PN-EN 752:2008. Uwzględniono przy tym branżowe propozycje Niemieckiego Stowarzyszenia Gospodarki Wodnej, Ściekowej i Odpadowej (Deutsche Vereinigung für Wasserwirtschaft, Abwasser und Abfall e. V.) - DWA-A 118:2006 oraz postulat Europejskiego Komitetu Normalizacji (CEN) - osiągnięcia w państwach UE ujednolicenia poziomu wymagań co do ochrony terenów zurbanizowanych przed wylewami z systemów kanalizacyjnych. Uwzględniono także najnowsze doniesienia literaturowe o wzroście intensywności opadów w przyszłości (do 2100 r.).

Do projektowania kanalizacji bytowo-gospodarczej i przemysłowej oraz deszczowej bądź ogólnospławnej, stosowane są różne metody obliczeniowe do określania miarodajnego odpływu ścieków. W zależności od zastosowanej metody uzyskuje się różniące się wyniki.

Konsekwencją doboru niewłaściwej metody obliczeniowej (np. bilansu ścieków, modelu

opadów czy algorytmu wymiarowania kanałów) jest więc możliwość zaprojektowania kanałów przewymiarowanych, co byłoby ekonomicznie nieuzasadnione, bądź też częściej kanałów o niedostatecznej przepustowości, co powoduje przeciążenie sieci i stwarza niebezpieczeństwo zalania ulic, piwnic i podtopień terenów.

Bezpieczne projektowanie i wymiarowanie systemów kanalizacyjnych ma na celu zapewnienie odpowiedniego standardu odwodnienia terenu, który definiuje się jako przystosowanie systemu do przyjęcia maksymalnych (prognozowanych) strumieni wód opadowych z częstością równą dopuszczalnej (akceptowalnej społecznie) częstości wystąpienia wylania na powierzchnię terenu (tab. 1.1).

Tab. 1.1. Zalecane częstości projektowe deszczu obliczeniowego i dopuszczalne częstości wystąpienia wylania wg PN-EN 752:2008 [102]

Częstość deszczu obliczeniowego [1 raz na C lat]

Rodzaj zagospodarowania terenu Częstość wystąpienia wylania [1 raz na C lat]

1 na 1 I. Tereny pozamiejskie 1 na 10

1 na 2 II. Tereny mieszkaniowe 1 na 20

1 na 5 III. Centra miast, tereny usług i przemysłu 1 na 30 1 na 10 IV. Podziemne obiekty komunikacyjne,

przejścia i przejazdy pod ulicami, itp.

1 na 50

Co nas czeka w przyszłości - kilka faktów:

Zaobserwowany w XX wieku wzrost średniej rocznej temperatury globu wywołuje zwiększoną cyrkulację wody w cyklu hydrologicznym oraz nasilenie się ekstremalnych zjawisk pogodowych - susze, powodzie, trąby powietrzne.

1. Według prognoz opartych na globalnym modelu klimatu IPCC:2007, w bieżącym stuleciu temperatura globu może się podnieść od 1,7^oC do 4,4^oC, a na każdy stopień wzrostu temperatury szacuje się ok. 7% wzrost intensywności opadów - wg [*].

[*] Landerink G., Meijgaard E.V.: Increase in hourly precipitation extremes beyond expectations from temperature changes. Nature Geosci., 2008.

2. Z powodu ocieplenia klimatu zmieniać się będzie wysokość i intensywność opadów regionalnych i lokalnych w Polsce - w projekcji do 2100 roku - wg [**].

[**] Pińskwar I.: Projekcje zmian w ekstremach opadowych w Polsce. Monografia Kom.Gosp.Wod. PAN, 2010.

3. Na podstawie badań podjętych na PWr., na przestrzeni ostatnich 50 lat (1960-2009) nastąpił we Wrocławiu wzrost intensywności opadów o około 13% - wg [***].

[***] Kaźmierczak B., Kotowski A.: Trendy zmian wysokości i intensywności opadów maksymalnych do modelowania kanalizacji we Wrocławiu. Gaz, Woda i Technika Sanitarna nr 5, 2013.

Nasilające się w ostatnich latach ekstremalne zjawiska przyrodnicze, takie jak gwałtowne bądź długotrwałe opady i związane z nimi powodzie, czy wylewy z kanalizacji, powodują znaczne straty gospodarcze. Zmuszać to nas powinno do ciągłego doskonalenia zasad projektowania i wymiarowania systemów kanalizacyjnych - na perspektywę do 100 lat.

Wymiarowanie kanalizacji deszczowej czy modernizacja ogólnospławnej w Polsce napotyka na podstawową trudność, wynikającą z braku wiarygodnego modelu opadów do określania miarodajnego natężenia deszczu. Stosowany dotychczas wzór Błaszczyka, oparty na deszczach zarejestrowanych 100 lat temu, zaniża bowiem wyniki obliczeń strumieni deszczy o rząd 40%, co wykazano m.in. na przykładzie opadów zmierzonych na stacji meteorologicznej IMGW we Wrocławiu z okresu 50 lat (1960-2009) [77, 102, 106].

Ma to swoje konsekwencje przy wymiarowaniu odwodnień terenów wg zaleceń europejskiej normy PN-EN 752:2008 - dostosowanej do dyrektywy Europejskiego Komitetu Normalizacji (CEN) odnośnie ujednolicenia do 2050 r. wymagań w zakresie ochrony terenów przed wylewami z kanalizacji w państwach członkowskich Unii Europejskiej, wpływając bezpośrednio na większą częstość występowania tych niekorzystnych zjawisk w Polsce.

Pilna stała się potrzeba zastąpienia modelu opadów Błaszczyka w wymiarowaniu systemów odwodnień terenów w Polsce, dokładniejszymi modelami - o zasięgu lokalnym, na podstawie których możliwe będzie w przyszłości opracowanie atlasu opadów maksymalnych w Polsce - na wzór atlasu KOSTRA (z 1997 r.) w Niemczech. Zastosowanie mają tutaj współczesne modele fizykalne i probabilistyczne opadów maksymalnych.

Dla przykładu, dane o opadach dla polskich miast przygranicznych, takich jak Szczecin, Gubin czy Zgorzelec, mieszczących się w zasięgu atlasu KOSTRA, czy też zmierzone we Wrocławiu, wskazują na znacznie wyższe natężenia deszczy niż obliczane z wzoru Błaszczyka.

Zjawisko opad-odpływ w zlewni zurbanizowanej jest zagadnieniem niezmiernie złożonym i trudnym do uogólnienia. Obliczanie miarodajnego do wymiarowania systemów (sieci i obiektów) kanalizacji deszczowej bądź ogólnospławnej strumienia ścieków deszczowych- tzw. metodami czasu przepływu (zwanymi też stacjonarnymi) - opiera się z konieczności na założeniach upraszczających. Mianowicie zakłada się, że

 zlewnia zasilana jest deszczem o stałym natężeniu (opad blokowy), a

 rozdział powierzchniowy opadu jest równomierny (zlewnia homogeniczna),

wówczas uzyskuje się największy strumień odpływu wód deszczowych, przy czasie trwania deszczu równym czasowi spływu wód.

Dotychczas stosowana w Polsce, metoda granicznych natężeń (MGN) – z wzorem Błaszczyka zaniża wyniki obliczeń strumieni spływu wód opadowych nawet o 100%, co skutkuje zaniżeniem średnic kanałów rzędu 30% - w porównaniu do innych metod czasu przepływu, stosowanych w Europie (np. MWO, MZWS).

Ma to negatywne skutki przy weryfikacji dopuszczanych normą PN-EN 752:2008 częstości wylewów z kanałów w Polsce, co wykazano m.in. w pracach [77, 102].

Do wymiarowania systemów kanalizacji deszczowej w Polsce zalecana jest obecnie metoda maksymalnych natężeń (MMN) - z polskimi modelami opadów maksymalnych z okresów pomiarowych 1960-1990-2009 [102].

W Europie odchodzi się obecnie od idei pełnego odwodnienia terenów zurbanizowanych, tj. odprowadzania do kanalizacji deszczowej bądź ogólnospławnej wszystkich wód opadowych.

Prawidłowa gospodarka wodna w zlewniach rzek powinna polegać na pozostawianiu na miejscu jak największej ilości „czystych” wód deszczowych, tak aby:

 opóźnić spływ powierzchniowy wód opadowych do odbiorników,

 zapobiec trwałemu obniżaniu się poziomów wód podziemnych w miastach.

Stosuje się w tym celu odpowiednie kształtowanie (plantowanie) powierzchni terenu, w tym zbiorniki retencyjno-infiltracyjne, oczka wodne czy ostatnio lansowane „zielone dachy”.

Unikać też należy nadmiernego uszczelniania powierzchni terenu.

Przyczyni się to do lepszej ochrony przeciwpowodziowej miast - mniejsze maksymalne stany i przepływy wody w rzekach.

W Polsce, wg Rozporządzenia MŚ z 2006 r. odnośnie ścieków opadowych i roztopowych pochodzących z zanieczyszczonych powierzchni szczelnych: terenów przemysłowych i składowych, baz transportowych, portów, lotnisk, budowli kolejowych, miast, dróg (w tym autostrad), parkingów (o powierzchni powyżej 0,1 ha), obowiązujący jest wymóg ich podczyszczania dla strumienia odpływu, który powstaje z deszczu o natężeniu jednostkowym co najmniej q = 15 dm³/s ha, do wartości stężenia maksymalnie:

 100 mg/dm³ zawiesiny ogólnej, oraz

 15 mg/dm³ substancji ropopochodnych.

2. CHARAKTERYSTYKA KONWENCJONALNYCH

I NIEKONWENCJONALNYCH SYSTEMÓW USUWANIA ŚCIEKÓW

2.1. RODZAJE ŚCIEKÓW

Definicje podstawowych pojęć - wg Ustawy z dnia 18 lipca 2001 r. Prawo Wodne (Dz.

U. RP z dnia 11 października 2001 r., Nr 115, poz. 1229):

 ścieki bytowe – rozumie się przez to ścieki z budynków przeznaczonych na pobyt ludzi, z osiedli mieszkaniowych oraz terenów usługowych, powstające w

szczególności w wyniku ludzkiego metabolizmu oraz funkcjonowania gospodarstw domowych (w żargonie inżynierskim tzw. „sanitarne”);

 ścieki komunalne – rozumie się przez to ścieki bytowe lub mieszaninę ścieków bytowych ze ściekami przemysłowymi albo wodami opadowymi lub roztopowymi (tzw. „ogólnospławne”);

 ścieki przemysłowe – rozumie się przez to ścieki odprowadzane z terenów, na których prowadzi się działalność handlową lub przemysłową albo składową, niebędące ściekami bytowymi lub wodami opadowymi;

 ścieki opadowe lub roztopowe – rozumie się przez to wody opadowe lub roztopowe ujęte w systemy kanalizacyjne, pochodzące z powierzchni zanieczyszczonych, w tym z centrów miast, terenów przemysłowych i składowych, baz transportowych oraz dróg i parkingów o trwałej nawierzchni (tzw. „deszczowe”).

2.2. KLASYFIKACJA SYSTEMÓW USUWANIA ŚCIEKÓW

Kanalizacja to zespół urządzeń (czyli system) do zbierania i odprowadzania ścieków (wód zużytych) i wód opadowych (deszczowych i roztopowych) z terenów zurbanizowanych i przemysłowych do oczyszczalni ścieków, gdzie następuje ich unieszkodliwienie.

Elementy składowe systemu kanalizacyjnego jako całości to:

 kanalizacja wewnętrzna (instalacje wewnętrzne) - w budynkach z przyborami sanitarnymi (WC, wanny, umywalki, natryski, wpusty podłogowe, itp.);

 kanalizacja zewnętrzna:

o sieć osiedlowa lub zakładowa (komunalna, wspólnotowa, prywatna), o sieć zbiorcza miejska (komunalna),

o obiekty sieciowe (pompowanie, zbiorniki retencyjne, przelewy burzowe, separatory, regulatory, syfony, wpusty uliczne, studzienki rewizyjne, …),

 oczyszczalnie ścieków.

Budowane obecnie systemy usuwania ścieków można ogólnie podzielić na (rys. 2.2):

 konwencjonalne - o grawitacyjnym przepływie ścieków,

 niekonwencjonalne - o przepływie wymuszonym pod- bądź nadciśnieniem.

Rys. 2.2.

Rys. 2.1. Generalny podział systemów kanalizacyjnych ze względu na przepływ ścieków

2.3. KANALIZACJA KONWENCJONALNA

Kanalizacja grawitacyjna, tj. działająca pod wpływem siły ciążenia, stosowana jest powszechnie od zarania rozwoju inżynierii sanitarnej (- szczegółowo omówiona na I stopniu wg [102]).

Rys. 2.2. Podział kanalizacji konwencjonalnej

Grawitacyjne systemy kanalizacyjne:

1. System ogólnospławny (jednoprzewodowy) - obecnie nie budowany,

2. System rozdzielczy (dwu lub więcej przewodowy) - składający się z kanałów bytowo- gospodarczych i przemysłowych oraz deszczowych,

3. System półrozdzielczy (dwu lub więcej przewodowy) - składający się z kanałów bytowo- gospodarczych i przemysłowych oraz deszczowych z separatorami strumieni ścieków.

Kanalizacja Konwencjonalna (tradycyjna)

Niekonwencjonalna (specjalna)

Mieszana

oparta na grawitacyjnym

przepływie ścieków - ze swobodną powierzchnią przy ciśnieniu barometrycznym

oparta na wymuszonym przepływie ścieków - podciśnieniem bądź nadciśnieniem

fragmentami kanalizacja

konwencjonalna i fragmentami niekonwencjonalna

Kanalizacja konwencjonalna

Grawitacyjna Grawitacyjno- pompowa

Rodzaje kanałów ściekowych:

 kanał bytowo-gospodarczy i/lub przemysłowy - w żargonie inżynierskim „sanitarny”,

 kanał deszczowy - na ścieki opadowe (deszczowe i roztopowe),

 kanał ogólnospławny - na wszystkie rodzaje ścieków komunalnych.

Ad 1. System ogólnospławny

Rys. 2.3. Schemat funkcjonalny kanalizacji ogólnospławnej

P.b. - przelew burzowy; zb.r. - zbiornik retencyjny; O.Ś.- oczyszczalnia ścieków

Do odciążenia hydraulicznego sieci i oczyszczalni ścieków (podczas trwania opadów deszczu) stosowane są przelewy burzowe i zbiorniki retencyjne:

Przelew burzowy:

Zbiorniki retencyjne:

 na boczniku

 na kolektorze

odpływ awaryjny

Rys. 2.4. Schematy ideowe sposobów odciążeń kanalizacji ogólnospławnej

Ad 2. System rozdzielczy

Rys. 2.5. Schemat funkcjonalny kanalizacji rozdzielczej

Ad 3. System półrozdzielczy

Rys. 2.6. Schemat funkcjonalny kanalizacji półrozdzielczej (s. – separator)

System kanalizacji półrozdzielczej - stosowany jest przy modernizacjach istniejących systemów rozdzielczych bądź przebudowywanych ogólnospławnych.

Zawiera kanały deszczowe i kanały ściekowe (bytowo-gospodarcze i przemysłowe), połączone separatorami. Separatory - instalowane na kanałach deszczowych, służą do kierowania zanieczyszczeń spłukiwanych ze zlewni (zwłaszcza po okresie suchej pogody) do kanałów ściekowych i do oczyszczalni ścieków.

2.4. KANALIZACJA NIEKONWENCJONALNA

Już na początku XX wieku, w oparciu o nowe możliwości techniczne, zaczęły pojawiać się różnego rodzaju koncepcje konstruowania sieci kanalizacyjnych o przepływie wymuszonym - w przewodach zamkniętych, z wykorzystaniem nad- lub podciśnienia, jako czynników do transportu ścieków.

Rys. 2.7. Podział niekonwencjonalnych systemów kanalizacyjnych

Możliwość stosowania kanalizacji ciśnieniowej bądź podciśnieniowej (tzw.

próżniowej) zaistniała dopiero z końcem lat sześćdziesiątych, dzięki opracowaniu na zachodzie Europy i w USA konstrukcji małych i niezawodnych urządzeń do usuwania ścieków łącznie z zawartymi w nich ciałami stałymi.

Urządzenia te, instalowane na poszczególnych posesjach, usuwają okresowo, zbierane w zbiornikach ścieki do przewodu kanalizacyjnego, ułożonego na niewielkiej głębokości.

Dostępność tych urządzeń powoduje, że kanalizacja niekonwencjonalna staje się coraz częściej rozwiązaniem alternatywnym do układów konwencjonalnych (grawitacyjnych).

Zastosowanie kanalizacji niekonwencjonalnej uzasadnione jest zwłaszcza, gdy występuje:

 pasmowa zabudowa terenu - o małej gęstości zaludnienia,

 mały - niekorzystny spadek terenu,

 wysoki poziom wód podziemnych,

 podłoże skaliste - trudne warunki fundamentowe,

 sezonowy odpływ ścieków (np. z kempingów, zajazdów, obozowisk).

Kanalizacja niekonwencjonalna

(Nad)ciśnieniowa (tłoczna)

Podciśnieniowa (próżniowa)

Pneuma- tyczna

Hydrauliczna (pompowa)

Dwu przewo-

dowa Jedno przewo-

dowa

Kanalizacja niekonwencjonalna ma następujące zalety – generalnie tańsza w budowie w porównaniu do tradycyjnego - grawitacyjnego sposobu odprowadzania ścieków:

 możliwe jest płytkie układanie przewodów ściekowych - „równolegle” do powierzchni terenu (na głębokościach porównywalnych z przewodami wodociągowymi), co przyczynia się do skrócenia czasu i kosztów realizacji inwestycji (zmniejszanie objętości robót ziemnych, eliminacja odwodnienia wykopów, itp.);

 uzyskuje się istotne zmniejszenie średnic przewodów ściekowych wskutek większych prędkości przepływu (pełnym przekrojem), co przyczynia się do zmniejszenia kosztów budowy sieci;

 łatwe jest rozwiązywanie kolizji z innymi instalacjami uzbrojenia podziemnego terenu (analogicznie jak w przypadku sieci wodociągowej);

 lepiej spełnia warunki ochrony środowiska - ze względu na wymaganą szczelność przewodów kanalizacyjnych. Ograniczona jest zarówno eksfiltracja ścieków do gruntu jak i infiltracja wód podziemnych do kanałów, co prowadzi do zmniejszenia wymiarów i kosztów oczyszczalni ścieków.

Strumień ścieków może być mniejszy w stosunku do kanalizacji konwencjonalnej nawet do 50%, wskutek m.in. braku infiltracji wód podziemnych oraz wód deszczowych z błędnych podłączeń czy też dopływających przez otwory wentylacyjne we włazach studzienek !.

Kanalizacja niekonwencjonalna posiada jednak istotne wady – generalnie droższa w eksploatacji, ze względu na:

 konieczność ciągłego i niezawodnego dostarczania zmiennego w czasie strumienia energii elektrycznej (coraz droższa!);

 konieczność dokonywania regularnych przeglądów i konserwacji urządzeń przez wykwalifikowanych pracowników;

 większą zawodność działania - możliwość awarii elementów mechanicznych i elektrycznych, w tym automatyki, mogących prowadzić do skażenia środowiska.

Ponadto, kanalizacja niekonwencjonalna ma ograniczony zasięg działania, limitowany:

 wysokością ciśnienia w sieci – w praktyce do 0,4 MPa (4 Bary), co ogranicza zastosowanie do ok. 15000 Mk,

 wysokością podciśnienia w sieci – w praktyce do 0,06 MPa (0,6 Bara), co ogranicza zasięg działania do ok. 2 km wokół centralnej stacji próżniowej (CSP) i liczbę mieszkańców do ok. 1500 Mk.

O wyborze systemu odprowadzania ścieków powinna decydować każdorazowo analiza techniczno - ekonomiczna opłacalności inwestycji, tj. łącznie kosztów budowy i eksploatacji systemu.

3. KANALIZACJA CIŚNIENIOWA

3.1. ZASADY PROJEKTOWANIA KANALIZACJI CIŚNIENIOWEJ

Kanalizacja nadciśnieniowa, zwana potocznie ciśnieniową, składa się z:

1. Wewnętrznych instalacji kanalizacyjnych (w budynkach, obiektach),

2. Urządzeń zbiornikowo-tłocznych (typu: pneumatycznego bądź hydraulicznego), 3. Ciśnieniowych przyłączy domowych i przewodów sieci zewnętrznych,

4. Pneumatycznych stacji do płukania i przewietrzania przewodów (PSP), 5. Oczyszczalni ścieków.

Rys. 3.1. Schematy ideowe kanalizacji ciśnieniowej z urządzeniami zbiornikowo-tłocznymi typu:

hydraulicznego - pompowego (po lewej) i pneumatycznego (po prawej) a) sytuacje terenowe; b) profile podłużne

Ad 1. Wewnętrzne instalacje kanalizacyjne budowane są analogicznie jak w przypadku konwencjonalnej kanalizacji grawitacyjnej (piony i poziomy, podłączenia instalacji: wpusty podłogowe, natryski, wanny, w-c, umywalki, zlewozmywaki, …).

Elementem dodatkowym jest czasami osobny przewód wentylacyjny, wyprowadzony ponad połać dachową, służący do na- i odpowietrzania urządzenia zbiornikowo-tłocznego zlokalizowanego np. w piwnicy;

Ad 2. Urządzenia zbiornikowo-tłoczne pełnią funkcję małych pompowni ścieków, co umożliwia ich stosowanie w pojedynczych obiektach – np. budynkach jednorodzinnych.

Produkowane obecnie zblokowane urządzenia zbiornikowo-tłoczne mają rozmaite rozwiązania konstrukcyjne, spośród których można wyróżnić dwa zasadnicze typy:

 pneumatyczne - oparte na zasadzie wytłaczania ścieków sprężonym powietrzem z ciśnieniowego zbiornika zamkniętego - najwcześniej wprowadzone do użytku w Europie zachodniej (w latach 70-tych XX wieku);

 hydrauliczne (pompowe) - wyposażone w pompę śrubową, sprzęgniętą wspólnym wałem z rozdrabniarką, umieszczone w zbiorniku bezciśnieniowym - zastosowane po raz pierwszy w USA (w latach 80-tych XX wieku).

Niezależnie od konstrukcji, urządzenia zbiornikowo-tłoczne umieszcza się poniżej wylotu kanału z wewnętrznych instalacji dla umożliwienia ich grawitacyjnego napełniania się.

Mogą być instalowane zarówno w piwnicach budynków, jak i na zewnątrz obiektów.

Urządzenia te działają okresowo, a czynnikiem sterującym jest poziom ścieków w zbiorniku wyrównawczym.

Rys. 3.2. Schemat urządzenia zbiornikowo-tłocznego typu pneumatycznego (zastosowanego w kanalizacji Olsztyna).

Rys. 3.3. Schemat urządzenia zbiornikowo-tłocznego typu hydraulicznego

Małe pompownie ścieków - budowane według klasycznych schematów - wyposażone są w pompy zatopione w ściekach o konstrukcji odpornej na zapychanie się (wirniki odpowiedniego kształtu, kraty bądź kosze na zanieczyszczenia na dopływie) bądź też pompy wyposażone w rozdrabniarki.

Ostatnio zaleca się do stosowania tzw. tłocznie ścieków, tj. pompownie ścieków zblokowane z urządzeniami do separacji ciał stałych (dawniej znane jako pompownie sitowe).

Rys. 3.4. Przykładowa tłocznia ścieków - z pompą zamontowaną na „mokro”

(1 - pompa; 2 – złącze; 3 – prowadnice montażowe pompy; 4 - krata; 5 – dopływ ścieków; 6 - zawór zwrotny kulowy; 7 – osadnik; 8 – kolano rewizyjne; 9 – przewód tłoczny; 10 – klapa zwrotna)

Działanie przykładowej tłoczni (wg rys. 3.4): do wlotów pomp (1) dopływają tylko

„podczyszczone ścieki”, a tłoczone ścieki przepływają przez osadnik (7) i płuczą go z odłożonych tam zanieczyszczeń grubo dyspersyjnych - włóknistych (brak zagniwania ścieków w zbiorniku retencyjnym). Strumieniem ścieków steruje kulowy zawór zwrotny (6).

Rys. 3.5. Przykładowa tłocznia ścieków - z pompami zamontowanymi na „sucho”

Studnie zbiorcze pompowni czy też tłoczni ścieków powinny mieć odpowiednią objętość retencyjną:

 użytkową (Vu) do sterowania pracą pomp - cykle włączeń i wyłączeń,

 buforową (Vb) na wypadek zaniku zasilania elektrycznego czy awarii pomp.

Wg wytycznych ATV A-116 pojemność buforowa wynosić powinna co najmniej 30 dm³ na dobę i mieszkańca.

Przykłady pompowni ścieków różnych producentów

W obiektach pompowni wymagana jest sygnalizacja awarii: akustyczna i optyczna - z powiadomieniem służb eksploatacyjnych.

Zawory zwrotne - jako klapy zwrotne lub kulowe zawory zwrotne lokalizować się powinno na pionowych przewodach tłocznych - większa pewność działania.

Ad 3. Ciśnieniowe przyłącza domowe i przewody sieci zewnętrznych

Zasadą jest prowadzenie przewodów ciśnieniowych poniżej granicy przemarzania gruntów, z zapewnieniem możliwości ich odwodnienia i odpowietrzenia.

Uzbrojenie sieci stanowią:

 zawory zwrotne i odcinające - na przyłączach domowych,

 zasuwy działowe, odwodnienia i odpowietrzenia w węzłach sieci zewnętrznej,

 rewizje do płukania sieci - umieszczone na końcówkach sieci i na trasie przewodów w odległościach do 300 m.

Sieci kanalizacyjne systemu ciśnieniowego są zawsze rozgałęźne. Na schematach upodobniają się często do układów „obwodowych - pierścieniowych” - umożliwiając jedynie okresową zmianę kierunku przepływu ścieków. Takie pseudo „pierścieniowe” układy zwiększają niezawodność działania systemu.

Zmiany kierunku przepływu ścieków w przewodach odbywają się okresowo w punktach węzłowych, poprzez zamykanie i otwieranie odpowiednich zasuw działowych. Tak więc z pozoru sieć „pierścieniowa” jest tutaj nadal siecią rozgałęźną - sterowaną.

Z dotychczasowych doświadczeń w zakresie projektowania, budowy i eksploatacji kanalizacji ciśnieniowej wynika, że kanalizacja niskiego ciśnienia - do 2,5 Bara (0,25 MPa czyli ok. 25 m H₂O) zasilana przez pompy zanurzone w ściekach jest tańsza, od kanalizacji wysokiego ciśnienia - do 4 Barów (ok. 40 m H2O) zasilanej przez urządzenia pneumatyczne, zarówno ze względu na koszt samych urządzeń jak i na zużycie energii.

Zewnętrzne przewody kanalizacji ciśnieniowej buduje się zwykle z ciśnieniowych rur tworzywowych (tj. podobnie jak przewodów wodociągowych):

o PCV-U – o ciśnieniu nominalnym do 16 Barów (PN16), o PE-HD – do 10 Barów (PN10),

o GPR (żywice poliestrowe wzmacniane włóknem szklanym) – do 6 Barów (PN6),

projektowanych na żywotność ok. 50 lat eksploatacji. Jednakże, ze względu na podwyższoną temperaturę ścieków - do +35ºC, w stosunku do wody +20ºC, najczęściej stosuje się armaturę i rurociągi tworzywowe (z PCV-U lub PE-HD) o ciśnieniu nominalnym PN10 - przy

Średnice nominalne ciśnieniowych przyłączy domowych - z pompowni do sieci zewnętrznych należy przyjmować:

 co najmniej 80 mm (Qmin = 4,0 dm³/s) dla pomp bez rozdrabniarek ścieków,

 65 mm (Q_min = 2,5 dm³/s) dla pomp z rozdrabniarkami.

Gwarantuje to samooczyszczanie się – płukanie przewodów tłocznych pomp (υ ≥ 0,7 m/s).

Średnice nominalne przewodów ulicznych – najczęściej nie mniejsze niż 100 mm, tylko wyjątkowo 80 mm - na końcówkach sieci rozgałęźnych (maksymalnie do 300 m), gdyż mniejsze przekroje są podatne na zapychanie się.

Hydranty płuczące z zasuwami odcinającymi rozmieszcza się w węzłach sieci i na odcinkach o długości do 300 m.

Rys. 3.6. Schemat rozmieszczenia hydrantów (do płukania sieci) z zasuwami odcinającymi

Ad. 4. Pneumatyczne stacje płuczące (PSP).

Doświadczenia eksploatacyjne wskazują na celowość instalowania na końcówkach sieci (bądź w tzw. węzłach newralgicznych) urządzeń płuczących – zwykle przedmuchujących sieć sprężonym powietrzem - kilka razy w ciągu doby (szczególnie w godzinach nocnych – przy małych strumieniach przepływu ścieków).

Przedmuchiwanie, które trwa zwykle od 5 do 10 minut, poza tym, że usuwa odłożone osady oraz skraca czas przebywania ścieków w sieci, natlenia je i usuwa H₂S i siarczki.

PSP wyposażone są w sprężarki (kompresory) ze zbiornikami powietrza. Lokalizuje się je pod ziemią bądź w budynkach wolnostojących.

Dopuszczalna wartość imisji hałasu wynosi 36 dB - dla terenów mieszkaniowych w UE.

3.2. ZASADY WYMIAROWANIA KANALIZACJI CIŚNIENIOWEJ

Kanalizacja ciśnieniowa może być stosowana do transportu ścieków bytowo- gospodarczych i/lub przemysłowych. Uwarunkowania techniczno-ekonomiczne wykluczają najczęściej jej zastosowanie do transportu ścieków deszczowych czy ogólnospławnych.

Wymiarowanie kanalizacji ciśnieniowej odbiega w zasadniczy sposób od schematów przyjętych przy obliczaniu sieci grawitacyjnej i jest o wiele bardziej skomplikowane.

Kanalizacja ciśnieniowa działa w skutek samoczynnie uruchamiających się pojedynczych urządzeń zbiornikowo-tłocznych (pompowni).

Momenty włączania poszczególnych urządzeń zbiornikowo-tłocznych nie zależą od siebie, gdyż są zależne wyłącznie od intensywności dopływu ścieków do tych urządzeń.

Dobór i rozmieszczenie urządzeń zbiornikowo - tłocznych należy dokonywać na podstawie szczegółowych planów zagospodarowania przestrzennego terenu, w oparciu o analizę techniczno-ekonomiczną różnych wariantów ich liczby i rozmieszczenia.

W pewnych przypadkach zabudowy bardziej uzasadnione może okazać się zainstalowanie jednego urządzenia do obsługi kilku nieruchomości (pompownia sieciowa), niż oddzielnych dla każdego budynku.

Dobór podstawowych parametrów sieciowych urządzeń zbiornikowo – tłocznych, takich jak: wydajność pomp (Q) i objętość użytkowa (V_u) zbiornika wyrównawczego, można wykonać w oparciu o analogiczne zasady jak przy obliczaniu urządzeń hydroforowych.

Przyjmując za podstawę częstotliwość (i) włączeń pomp na godzinę, równą liczbie cykli pracy (najczęściej i = 4 ÷ 10), objętość użytkową zbiornika określa wzór:

i

V_u QT (3.1)

gdzie:

V_u - objętość użytkowa zbiornika - do sterowania działania pompy, dm³, Q - wydajność pompy ściekowej, dm³/s,

T - cykl działania pompy, s:

T = t_r + t_p , (3.2) przy czym czas ruchu tr:

sr u

r Q Q

t V

  , (3.3) a czas postoju tp:

sr u

p Q

t  V (3.4)

gdzie:

i - częstotliwość włączeń urządzenia na godzinę: dla T = 900 ÷ 360 s (tj. T = 15÷6 min) wówczas i = 4 ÷ 10 włączeń na godzinę.

Wydajność (Q) urządzenia zbiornikowo-tłocznego dobiera się zwykle z nadmiarem w stosunku do maksymalnego dopływu ścieków (w czasie trwania jednego cyklu pracy urządzenia), obliczanego z wzoru:

^{Q1,2Qść 1,2K}



qść - obliczeniowy odpływ ścieków z obiektu (Qść ≥ AWsmax = 1,2÷2,5 dm³/s), dm³/s;

K - charakterystyczny współczynnik jednoczesności odpływu ścieków z obiektu, dm³/s:

K = 0,5 - dla budynków mieszkalnych, w tym restauracji, biur;

K = 0,7 - dla dużych obiektów typu szkoły, szpitale, hotele, zakłady gastronomiczne;

AWs - równoważnik odpływu ścieków z urządzenia:

AWs = 1,2÷2,5 - dla miski ustępowej (o zbiornikach na wodę 4÷9 dm³);

AWs = 0,8÷1,3 - dla wanny, zlewozmywaka, AW_s = 0,5÷0,8 - dla pralki automatycznej, AW_s = 0,3÷0,8 - dla pisuaru;

AWs = 0,2÷0,8 - dla zmywarki do naczyń;

AWs = 0,3÷0,5 - dla natrysku, umywalki, bidetu, itd.

Zwykle przyjmuje się, aby przy minimalnym dopływie ścieków do zbiornika, pompa ściekowa włączała się raz na 15 minut (T = 900 s), wówczas niezbędna objętość użyteczna zbiornika Vu (w dm³) wyniesie:

900 ( )

min min

d d

u Q Q

Q

V Q 

 (3.6) gdzie:

Q - wydajność pompy ściekowej, dm³/s,

Qd min - minimalny dobowy dopływ ścieków, dm³/s:

Q_dmin= 0,5 Q_dśr (3.7) tj. przyjmuje się, że Q_dminwynosi 50% średniego dobowego dopływu ścieków Qd śr (w dm³/s):

86400 LM q t

Q_dśr V^{ść jd} 



 (3.8)

gdzie:

Vśc - dobowa objętość ścieków, dm³,

qjd - jednostkowy dobowy strumień ścieków od mieszkańca, dla miast qjd =150 dm³/d∙Mk, LM - liczba mieszkańców.

W przypadku małych pompowni (np. dla pojedynczych budynków jednorodzinnych), wydajności dobieranych pomp ściekowych (Q) wynikają z minimalnych dopuszczalnych średnic przewodów tłocznych ścieków - gwarantujących samooczyszczanie (υ ≥ 0,7 m/s):

 Qmin = 4,0 dm³/s - dla pomp bez rozdrabniarek i przewodów o średnicy 80 mm,

 Qmin = 2,5 dm³/s - dla pomp z rozdrabniarkami i przewodów o średnicy 65 mm.

Wówczas objętość zbiornika wyrównawczego projektowana jest na czas przetrzymania ścieków – nawet do 1 doby.

Najbardziej złożonym zagadnieniem jest kwestia racjonalnego doboru średnic ciśnieniowych przewodów kanalizacyjnych. Kryteriami są tutaj:

 minimalna prędkość przepływu ścieków,

 maksymalna wysokość ciśnienia.

Kryterium minimalnej prędkości (υ min) ma na celu zapewnienie transportu cząstek stałych zawieszonych w ściekach lub wleczonych przy dnie, tak by nie dopuścić do ich osadzania się.

Kryterium maksymalnej wysokości ciśnienia (H_max) ma z kolei gwarantować, że w każdym punkcie sieci ciśnienie nie powinno przekroczyć wartości granicznej - wynikającej z charakterystyki (H, Q) urządzenia tłocznego zainstalowanego w tym punkcie. Takie

„zablokowane" urządzenie mogłoby bowiem doprowadzić do przepełnienia jego zbiornika (objętości użytkowej i buforowej).

Tak więc projektowana sieć powinna spełniać dwa warunki:

 w każdym odcinku sieci powinna być okresowo osiągana prędkość samooczyszczenia (niezbędna do rozmycia i transportu odłożonych osadów):

υ  υmin

 maksymalne ciśnienie, w najbardziej niekorzystnie położonych punktach sieci, nie powinno przekroczyć wartości granicznej (dla zapewnienia minimalnej żądanej wydajności urządzenia):

H H_max

Jak łatwo zauważyć, oba warunki są przeciwstawne sobie - odnośnie wymaganych średnic przewodów (d):

o mniejsze średnice to większe prędkości przepływu (υ) ścieków, o większe średnice to mniejsze straty ciśnienia (∆h),

wynika to z analizy wzoru Weisbacha:

g d h l

2

2





 (3.9)

Współczynnik liniowych oporów tarcia (λ) należy obliczać w oparciu o (znany z wodociągów) wzór Colebrooka-White’a [102]:

) 71 , 3

/ Re

51 , lg( 2

1 2 k d



 (3.10)

lub wzór Zigranga-Sylwestra, który jest nieuwikłaną postacią wzoru Colebrooka-White’a (3.9) o wysokiej zgodności (do 0,1%):

)]}

Re 13 7 , 3 lg( / Re

02 , 5 7 , 3 lg[ / Re

02 , 5 7 , 3 lg{ / 1 2









 k d k d k d

 (3.11)

dla k ≥ 0,25 mm - dla tworzyw sztucznych - wg ATV-A110.

Liczba (k) pracujących jednocześnie urządzeń, z pośród ich liczby (n) w całym systemie, ulega znacznym zmianom. Skutkiem tego występują duże wahania ciśnienia w sieci. W konsekwencji różne są też czasy działania poszczególnych urządzeń, zależnie od aktualnego ciśnienia w sieci, jak i kształtu charakterystyki dobranego urządzenia tłocznego.

Przykładowo, z nomogramu (na rys. 3.7) dla założonego stosunku tr / tp = 0,016 można określić liczbę k jednocześnie pracujących urządzeń przy globalnej ich liczbie n - na założonym poziomie prawdopodobieństwa Pn(k), a mianowicie:

 Pn(k) = 0,1% - odnośnie nie przekraczania maksymalnego ciśnienia: H_rzecz  H_max ,

 Pn(k) = 10% - odnośnie osiągania prędkości samooczyszczenia: Vmin  0,7 m/s.

Rys. 3.7. Nomogram do obliczania prawdopodobieństwa Pn(k) jednoczesnej pracy k spośród n urządzeń w systemie, przy stosunku tr/tp = 0,016.

Określenie położenia w sieci pracujących urządzeń nie jest jednak możliwe. Można jedynie określić, dla jakich zakresów wartości n, tj. dla jakiej liczby urządzeń zainstalowanych powyżej, przepływ w danym odcinku sieci jest funkcją pracy k urządzeń.

Przykładowo, przy Pn(k) = 0,1%:

 dla n[1; 3] urządzeń, strumień przepływu jest funkcją pracy k = l urządzeń;

 dla n[4; 12] - k = 2, a

 dla n[13; 28] - k = 3 itd.,

przy czym w każdym przypadku każde rozmieszczenie pracujących urządzeń jest jednakowo prawdopodobne (w zakresie od l do n).

Przyjmując zatem prawdopodobieństwo wystąpienia przepływów i prędkości maksymalnych na poziomie P_n(k) = 0,1% - z warunku H_rzecz  H_max oraz prawdopodobieństwo wystąpienia prędkości samooczyszczenia na poziomie P_n(k) = 10% - z warunku Vrzecz  Vmin, ustalić można dwa różne strumienie obliczeniowe „miarodajne” dla zwymiarowania danego odcinka sieci.

Ideę linearnego modelu obliczeniowego kanalizacji ciśnieniowej, dla n [1; 100]

urządzeń przy tr/t_p = 0,016, zobrazowano na rysunku 3.8.

Rys. 3.8. Idea obliczeń dla linearnego modelu kanalizacji ciśnieniowej (n [1; 100] oraz tr/tp = 0,016) Jak widać liczba pracujących jednocześnie urządzeń, spośród n = 100 urządzeń, z prawdopodobieństwem Pn(k) = 0,1% wynosi k = 7, a z prawdopodobieństwem P_n(k) = 10%

wynosi k = 3.

Ekstremalne wartości ciśnienia wystąpią dla przypadku lokalizacji k urządzeń na początku danego odcinka obliczeniowego li - o przyjętej średnicy di(ki).

Kierując się minimalizacją kosztów eksploatacji (zużywanej energii), średnicę danego odcinka d_i(k_i) dobierać należy jako największą z możliwych – przy zapewnieniu prędkości samooczyszczania (PSP).

Zabezpieczeniem przed przepełnianiem się zbiorników pomp jest pojemność buforowa.

Podstawą doboru średnic przewodów ciśnieniowych nie jest wartość maksymalnego godzinowego przepływu ścieków (jak to ma miejsce przy wymiarowaniu grawitacyjnej kanalizacji bytowo-gospodarczej) lecz parametry pracy (H, Q) urządzeń zbiornikowo- tłocznych (pomp) - w mniejszym interwale czasu.

Wg DWA-A 118, maksymalny godzinowy strumień ścieków bytowo-gospodarczych z terenów mieszkaniowych wynosi:

Q_bg = 0,005 dm³/s·Mk

Do wymiarowania sieci kanalizacji ciśnieniowej, wg wytycznej ATV-A116, przyjmuje się wskaźnik scalony odpływu szczytowego (qs) w wysokości:

q_s = 1,5 x 0,005 = 0,0075 dm³/s·Mk,

gdzie mnożnik „1,5” uwzględnia przeciążenie systemu - występujące w mniejszym niż godzinowy interwale czasu (kilkuminutowym).

Stąd maksymalny - szczytowy Qs (w dm³/s) strumień odpływu ścieków oblicza się z wzoru:

Qs = qs ∙ LM = 0,0075 ∙ LM (3.12)

Obliczenia wysokości strat ciśnienia przeprowadza się przy założeniu ustalonego odpływu ścieków przy szczytowym obciążeniu całego systemu. W wymiarowanym systemie należy wariantowo wyznaczyć najbardziej niekorzystną drogę przepływu ścieków – dla której wystąpią najwyższe straty ciśnienia przy transporcie ścieków od najdalszego budynku do wylotu na oczyszczalnię.

Najczęściej, za minimalny przepływ obliczeniowy na najdalszym - początkowym odcinku sieci, przyjmuje się Qmin = 4,0 dm³/s, jako odpływ z najdalszej pompowni przy minimalnej średnicy przyłącza d = 80 mm. Wówczas w przewodzie miejskim o np. dmin = 100 mm prędkość przepływu wyniesie υ0,5 m/s < 0,7 m/s – skąd wynika konieczność płukania tego odcinka.

W najdalszym (początkowym) odcinku sieci rozgałęźnej dopuszcza się wyjątkowo średnicę przewodu miejskiego d = 80 mm na długości do 300 m. Wówczas przy Qmin = 4,0 dm³/s  υ0,8 m/s.

Przykład obliczeniowy kanalizacji ciśnieniowej (z ATV A-116)

Dla schematu kanalizacji tłocznej (rys. 3.7) miasta o LM = 3520 Mk należy dobrać średnice przewodów. Szczytowe obciążenie całego systemu: Qs = 0,0075 ∙ 3520 = 26,4 dm³/s.

Rys. 3.7. Schemat obliczeniowy przykładowej kanalizacji ciśnieniowej

W pierwszej kolejności należy przyporządkować liczbę mieszkańców do poszczególnych (10) przewodów - na podstawie planu zagospodarowania przestrzennego (LM_7-6 = 700 Mk; LM_6-3

= 500 Mk; LM_6-5 = 400 Mk; LM_6-4 = 300 Mk; LM_4-3 = 200 Mk LM_3-5 = 200 Mk; LM_3-2 = 300 Mk; LM_4-2 = 360 Mk;

LM_5-2 = 360 Mk; LM_2-1 = 200 Mk).

Wstępny dobór średnic rur (np. PCV-U PN10) należy dokonać dla 7 wariantów - możliwych tras przepływu ścieków, przy podwariantach włączeń pozostałych odcinków (wg rys. 3.7):

1. wariant: 7-6-4-2-1 2. wariant: 7-6-4-3-2-1 3. wariant: 7-6-3-4-2-1 4. wariant: 7-6-3-2-1 5. wariant: 7-6-3-5-2-1 6. wariant: 7-6-5-3-1 7. wariant: 7-6-5-2-1

Liczbę mieszkańców sumujemy - wg założonej trasy przepływu - od początku sieci (PSP).

Miarodajny do doboru średnicy pierwszego i kolejnego odcinka sieci jest strumień ścieków obliczony w połowie jego długości.

Rys. 3.8. Linia ciśnienia w najmniej korzystnej trasie przepływu ścieków (7-6-3-5-2-1) - najbardziej niekorzystna trasa

(największa wysokość podnoszenia w węźle 7.

przy zaznaczonych zamkniętych zasuwach

„ ”)

Różnica wysokości węzła 7. względem węzła 1. (tzw. deniweleta) wynosi np. – 4.0 m.

Ponieważ na kilku początkowych odcinkach trasy 7-6-3-5-2-1, dla dobranych średnic nie uzyskuje się prędkości samooczyszczania się rurociągów (υ < 0,7 m/s), należy przewidzieć stację płuczącą (PSP).

Pneumatyczną stację płuczącą (PSP) - sprężonym powietrzem - wymiaruje się również dla najmniej korzystnej drogi przepływu ścieków w systemie (np. 7-6-3-5-2-1). Wówczas największa wysokość tłoczenia przy płukaniu wystąpi w punkcie początkowym systemu, tj. w węźle 7 (z PSP).

Ciśnienie płukania należy dobrać tak, aby osiągnąć prędkość υ = 0,7 m/s w rurociągu o największej średnicy - 225 mm (o powierzchni czynnego przekroju F225/203,4 0,0325 m²).

W początkowym rurociągu 160 mm (o F160/144,6 0,0164 m²) będzie wtedy prędkość znacznie większa - ok. 2 razy (tj. 1,39 m/s), ponieważ pole przekroju jest około 2 razy mniejsze.

Oznacza to, że musi być zapewniony strumień płuczący:

Qpł = F225/203,4 ∙ υ = 0,0325 ∙ 0,7 = 0,02275 m³/s = 22,75 dm³/s.

Dla tego strumienia wyznacza się straty ciśnienia, idąc od węzła 1. aż do węzła 7.

Uzyskuje się dla danych przykładowych: H7 pł = 30,5 m - czyli ok. 3,1 bara (< 6 bara - jako dopuszczalne przy płukaniu).

Uwaga

Efektywne jest stosowanie w PSP zbiornika sprężonego powietrza (mniejsze wymagane sprężarki i o mniejszej mocy). Czas płukania przyjmuje się z zakresu: tpł = 5÷10 min.

Zbiornik sprężonego powietrza projektuje się najczęściej na czas płukania wynoszący 10 minut, co przy przykładowej prędkości płukania rurociągu 160/144,6 mm wynoszącej 1,39 m/s da zasięg początkowe odcinki (rurociągi na trasie 7-6-3) na długości 834 m:

t

l

  lt 1,39m/s600sek834m.

Do obliczeń zapotrzebowania powietrza należy więc rozpatrywać początkowe odcinki systemu, tj. na trasie 7-6-3. Objętość rurociągów wyniesie:

834 4

1446 , 0 14 , 3 4

2

2    

 _pł

rur d l

V 

= 13,7 m³

Przyjmując maksymalne ciśnienie w zbiorniku sprężonego powietrza Pmax = 10 bar, przy ciśnieniu barometrycznym P_b = 1 bar i wymaganym cienieniu płukania Ppł = 3,1 bara (przyjęto 3,5 bara –łącznieze stratami w instalacji sprężarki), pojemność zbiornika wyniesie:

5,6

0 , 1 0 , 10

0 , 1 5 , 7 3 , 13

max

. 



 



 

b b pł rur pł

zb P P

P V P

V m³

Przyjęto np.: V_zb.pł  6 m³ i sprężarkę o wydajności 12 m³/h, z mocą zainstalowaną 2,2 kW.

4. KANALIZACJA PODCIŚNIENIOWA

4.1. ZASADY PROJEKTOWANIA KANALIZACJI PODCIŚNIENIOWEJ

Podział kanalizacji podciśnieniowej:

Rys. 4.1. Podział kanalizacji podciśnieniowej

W kanalizacji komunalnej miast i wsi, bardziej praktycznym sposobem odprowadzanie ścieków jest obecnie jednoprzewodowy układ kanalizacji podciśnieniowej (rys. 4.2).

Rys. 4.2. Schemat kanalizacji podciśnieniowej osiedla mieszkaniowego (centralna stacja próżniowa - CSP)

Kanalizacja podciśnieniowa (próżniowa)

Dwuprzewodowa Jednoprzewodowa

oparta na wymuszonym

podciśnieniem przepływie ścieków

Rys. 4.3. Schemat ideowy kanalizacji podciśnieniowej (jednoprzewodowej)

Idee daleko posuniętej oszczędności zużycia wody a także minimalizacji kosztów oczyszczania ścieków (np. na statkach dalekomorskich, stacjach kosmicznych) doprowadziły do powstania kanalizacji podciśnieniowej - dwuprzewodowej.

Oddzielnymi przewodami odprowadzane są ścieki:

 fekalne z WC oraz

 pozostałe ścieki z wanien, natrysków, zlewów, wpustów posadzkowych, itp.

Podstawową zasadą układu dwuprzewodowego jest więc podział ścieków na:

 silnie zanieczyszczone ścieki fekalne (z ciałami stałymi),

 mało stężone pozostałe ścieki, i oddzielne ich oczyszczanie.

Zaletą powyższego systemu jest duża oszczędność wody - głównie na spłukiwanie misek ustępowych. Klasyczna miska ustępowa „zużywa” od 5 do 10 litrów wody na jedno zadziałanie zbiornika spłuczki. Miska ustępowa wyposażona w zawór opróżniający - sterowany podciśnieniem, zużywa tylko ok. 1.5 litra wody i do 100 litrów powietrza na zassanie zawartości miski. Pozwala to na zaoszczędzenie wody (3 do 6 razy).

Taki układ kanalizacji jest zwłaszcza celowy do zastosowania tam, gdzie stosowany jest podwójny (dwuprzewodowy) system wodociągowy, rozprowadzający wodę o zróżnicowanej jakości. Np. woda, powstała po uproszczonym oczyszczeniu ścieków (tzw.

szara) - poza fekalnymi, używana jest ponownie do spłukiwania misek ustępowych.

W kanalizacji podciśnieniowej ścieki są zasysane do zbiorników próżniowych (wodno- powietrznych) w centralnej stacji próżniowej (CSP), skąd następnie odprowadzane są do oczyszczalni ścieków.

System ten ma ograniczony zasięg (zwykle do 2 km wokół CSP, oraz do 1500 mieszkańców). Obszary większe czy o większej liczbie ludności należy dzielić na rejony, każdy z odrębną stacją próżniową.

Elementy tworzące kanalizację podciśnieniową:

Rys. 4.4. Elementy składowe systemu kanalizacji podciśnieniowej

1. Grawitacyjny odpływ ścieków z budynku - przykanalik z pionem wentylacyjnym 2. Studzienka zbiorcza z zaworem opróżniającym

3. Przewód podciśnieniowy 4. Rewizja

5. Budynek centralnej stacji próżniowej (CSP)

6. Zbiornik wodno-powietrzny (próżniowy) do gromadzenia ścieków 7. Pompa próżniowa

8. Pompa ściekowa tłocząca ścieki do oczyszczalni (w układzie hydraulicznym)

Wewnętrzne instalacje kanalizacyjne rozwiązywane są tak samo, jak w typowych układach grawitacyjnych:

 piony kanalizacyjne, z wentylacją wyprowadzaną pod dach,

 przewody poziome - przykanaliki, odprowadzają ścieki do studzienki zbiorczej z zaworem opróżniającym.

W latach 70-tych były podejmowane próby modyfikacji instalacji wewnętrznych poprzez umieszczanie zaworów opróżniających na pionach bądź poziomach, czyli z pominięciem studzienek zbiorczych. Były to próby całkowicie nieudane, ze względu na:

 brak całkowitej szczelności wewnętrznych instalacji,

 panujący hałas przy pracy opróżniającej,

 wysysanie ścieków z zamknięć wodnych – syfonów wannowych, ustępowych, itp.

 znaczne koszty inwestycyjne i eksploatacyjne.

Rys. 4.5. Lokalizacja zaworu opróżniającego na przykanaliku bądź na poziomych odcinkach wewnątrz budynku - praktycznie brak retencji ścieków

Najlepszym więc rozwiązaniem jest więc budowa studzienki zbiorczej z retencją ścieków, do której w grawitacyjny sposób dostają się ścieki, i w niej umiejscowienie zaworu opróżniającego.

Studzienki zbiorcze z zaworami opróżniającymi służą do gromadzenia ścieków dopływających z wewnętrznych instalacji (grawitacyjnych), skąd są okresowo usuwane poprzez otwieranie się zaworu opróżniającego - sterowanego poziomami ścieków.

Studzienki zbiorcze muszą być szczelne, tak aby:

 nie dostawały się tam wody podziemne - infiltracyjne (zasysane w momencie obniżania się zwierciadła ścieków - opróżniania studzienki), które przyczyniają się do zwiększenia strumienia - rozcieńczonych ścieków,

 nie wydostawały się ścieki ze studzienki do otoczenia - eksfiltracja ścieków do gruntu - skażenie środowiska (przy niskich stanach wody podziemnej).

W studzience zbiorczej musi być odpowiednia przestrzeń retencyjna – użytkowa oraz buforowa (min. 30 dm³ na jednego mieszkańca wg ATV A-116).

Rys. 4.6. Klasyczna lokalizacja zaworu opróżniającego - w studzience zbiorczej (retencyjnej)

Zawór opróżniający czerpie ścieki z dna studzienki przewodem o minimalnej średnicy 40 mm. Przewody podciśnieniowe łączące zawór opróżniający z siecią miejską powinny mieć średnicę nominalną minimum 65 mm.

Przewody ściekowe, z rur ciśnieniowych PN10 (10 barów), układa się ze spadkiem w kierunku przewodu zbiorczego, aby zapobiec gromadzeniu się ścieków przy zaworze opróżniającym w fazie spoczynku. Połączenie od góry pod kątem 45º do kierunku przepływu.

Podciśnienie w studzience zbiorczej (na poziomie zaworu opróżniającego) nie może być mniejsze niż 25 kPa (2,5 m H2O), a wysokość podnoszenia ścieków w studzience nie powinna być większa niż 1,5 m.

Przykładowe rozwiązania zaworów opróżniających:

a) zawór pływakowy,

b) zawór o pulsacyjnym działaniu - klapowy, c) zawór dwupołożeniowy (firmy E-VAC).

Rys. 4.7. Przykłady rozwiązań zaworów opróżniających:

l - studzienka zbiorcza. 2 - przykanalik dopływowy, 3 - separator, 4 - pływak otwarty, 5 - grzybek, 6 - wlot ścieków, 7 - gniazdo, 8 - przewód podciśnieniowy. 9 - pływak, 10 - zawór klapowy, 11 - dźwignia, 12 - zawór trójdrogowy, 13 - zawór opróżniający, 14 - przewody impulsowe podciśnienia

Sieć przewodów podciśnieniowych.

Podstawowym wymogiem funkcjonowania systemu jest szczelność przewodów podciśnieniowych. Zwykle, próbę szczelności sieci uważa się z pozytywną, gdy podciśnienie 0,7 bara w ciągu 1 godziny nie zmniejszy się więcej niż 10%.

Stosuje się tutaj najczęściej materiały tworzywowe, jak:

 utwardzony polichlorek winylu PCV-U (PN 10),

 gęsty polietylen PE-HD (PN 10).

Jako złącza rur PCV-U stosuje się złącza kielichowe z uszczelkami z elastomeru lub złącza klejone. Rury PE-HD łączy się zgrzewami doczołowymi lub przy pomocy muf elektrooporowych.

Rys. 4.8. Sposoby połączeń rurociągów z PEHD:

zgrzew doczołowy i mufa elektrooporowa