NOWOCZESNE METODY HYDRAULICZNEGO WYPŁUKIWANIA OSADÓW GROMADZONYCH NA DNIE KOMÓR ZBIORNIKÓW KANALIZACYJNYCH

Transkrypt

1 Robert MALMUR Adam KISIEL Maciej MROWIEC Instytut inżynierii Środowiska Zakład Wodociągów i Kanalizacji Ul. Brzeźnicka 60a, Częstochowa NOWOCZESNE METODY HYDRAULICZNEGO WYPŁUKIWANIA OSADÓW GROMADZONYCH NA DNIE KOMÓR ZBIORNIKÓW KANALIZACYJNYCH MODERN HYDRAULIC METHODS OF FLUSHING OUT SLUDGE SETTLING AT THE BOTTOM OF RETENTION CHAMBERS IN SEWAGE RESERVOIRS Abstract Long lasting rain falls and thaw periods supply stormwater reservoirs with large quantities of mud and solids, therefore it s important to work out effective and reliable cleaning system which operate after each emptying avoids that solids settle at the walls and on the bottom of the reservoir. This paper presents principles of operation and structure of innovative cleaning devices. Presented devices are patented and their main adnvantage is operation without any external power or tap water supply and require no complicated controls. Prevent settlement processes is basic activity in operation of retention reservoirs but is still a problem poorly described in professional literature, so development of subject matter is currently crucial and justified. Key words: sewage reservoirs, drainage system, retention, flushing out sludge Streszczenie Intensywne opady deszczu, a takżre roztopy śniegowe powodują dopływ do kanalizacyjnych zbiorników retencyjnych dużej ilości zanieczyszczeń, dlatego istotnym jest opracowanie efektywnego i niezawodnego systemu czyszczącego, który będzie powodował płukanie zbiornika po każdym jego opróżnieniu. W artykule przedstawiono propozycje nowych rozwiązań, których istotą jest polepszenie samoczynnego i niezawodnego ich działania oraz uzyskanie maksymalnej efektywności płukania. Zaprezentowano konstrukcje komór płuczących i różne sposoby hydraulicznego sterowania procesem płukania dna komór zbiorników retencyjnych. Sugerowane metody płukania dna komór retencyjnych zbiorników kanalizacyjnych nie stanowią rozwiązań ostatecznych, albowiem opracowywane są nadal modyfikacje dotychczasowych, najlepszych rozwiązań w celu uzyskania coraz lepszych ich wariantów. Słowa kluczowe: zbiorniki retencyjne, kanalizacja, retencja, wypłukiwanie osadów. WPROWADZENIE Zbiorniki retencyjne stosowane w systemach kanalizacyjnych mają za zadanie zredukowanie odpływu wód, pochodzących ze spływu powierzchniowego podczas nawalnych opadów deszczowych bądź też z intensywnych roztopów śnieżnych. Normalna eksploatacja systemu kanalizacyjnego nie zakłada takich parametrów technicznych, by mogły być przeprowadzane znaczne, choć krótkotrwałe objętości przepływów, dlatego też zachodzi potrzeba, a raczej konieczność stosowania zbiorników retencyjnych wynikająca z ekonomicznie uzasadnionych przesłanek [1, 2, 3]. Zbiorniki retencyjne zatrzymując wymaganą objętość wody, opróżniane są w taki sposób, by zredukowany odpływ odpowiadał zdolności przepustowej głównego kolektora odpływowego. Przetrzymywana w zbiorniku retencyjnym woda zawiera z reguły znaczną ilość zanieczyszczeń w postaci zawiesin części stałych. Zanieczyszczenia takie mają czas i możliwość,

2 by w formie osadów pozostać na dnie zbiornika po jego opróżnieniu. Po wyschnięciu mogą one tworzyć na tyle twardą skorupę, by kolejne napełniania zbiornika nie były zdolne przywrócić jej do stanu zawiesiny i odprowadzić na zewnątrz. W zbiorniku natomiast, ze względu na sprzyjające warunki będą powstawać kolejne warstwy osadów [4]. Przy braku odpowiedniego przeciwdziałania, po pewnym okresie eksploatacji, proces taki wymusi na użytkowniku konieczność mechanicznego oczyszczania zbiorników retencyjnych z nagromadzonych osadów. Ilość nagromadzonych osadów w zbiorniku retencyjnym będzie uzależniony od uwarunkowań terenowych zlewni, które sprzyjają unoszeniu cząstek stałych zanieczyszczeń oraz od częstości wypełniania zbiornika. Projektując zbiornik retencyjny należy zapewnić taką możliwość, by bezpośrednio po każdym opróżnieniu zbiornika następowało spłukiwanie dna z jednoczesnym odprowadzeniem popłuczyn na zewnątrz. Zabieg taki jest ze wszech stron pożądany i tym bardziej uzasadniony, jeżeli płukanie dokonywane by było samoczynnie bez bezpośredniej czy pośredniej ingerencji człowieka. KONSTRUKCJA ZBIORNIKA PŁUCZĄCEGO Pojemność zbiornika płuczącego została wydzielona z pojemności zbiornika retencyjnego. Zbiornik płuczący umiejscowiony jest zawsze po przeciwległej stronie w odniesieniu do kolektora odpływowego. Zbiornik ten jest podciśnieniowy, a jego napełnienie następuje poprzez denny otwór syfonowy, przy jednoczesnym odprowadzeniu nadmiaru powietrza rurą odpowietrzającą umieszczoną w jego stropie (rys. 1) [5, 6]. Proces płukania zbiornika, a tym samym wypływ wody ze zbiornika płuczącego następuje w chwili, kiedy zostanie dokonane całkowite opróżnienie zbiornika retencyjnego i za pośrednictwem rury napowietrzającej wyrówna się podciśnienie powietrza nad zwierciadłem wody w zbiorniku płuczącym do ciśnienia atmosferycznego. Końcówka rury odpowietrzającej jest instalowana w takim punkcie strumienia odpływowego, gdzie występują największe wartości podciśnień (rys. 2). Rozwiązanie takie sprzyja szybszemu wznoszeniu się zwierciadła wody w zbiorniku płuczącym niż w zbiorniku retencyjnym. Rura odpowietrzająca powinna stanowić oddzielną instalację z rurą napowietrzającą, aby zapobiec zadziałaniu jej jako lewara w trakcie opróżniania zbiornika retencyjnego. Podczas napełniania zbiornika retencyjnego i płuczącego w oddzielnej instalacji napowietrzającej następuje sprężenie powietrza, a to skutecznie zapobiega przed wypełnieniem jej wodą. Zasadę działania systemu przepływu powietrza przedstawiają rysunki 4 i 5.

3 PRZEWÓD NAPOWIETRZAJĄCY PRZEWÓD ODPOWIETRZAJĄCY B C-C A A-A ZBIORNIK PŁUCZĄCY ZBIORNIK RETENCYJNY WIDOK CZOŁOWY B A B-B C WNĘTRZE CZOŁOWE ZBIORNIKA PŁUCZĄCEGO p < t RURA STALOWA LUB KANAŁ BETONOWY p = t RURA STALOWA LUB KANAŁ BETONOWY NAPOWIETRZAJĄCY Rys. 1. Schemat ideowy konstrukcji zbiornika płuczącego C RURA ODPOWIETRZAJĄCA p < t Rys. 2. Szczegół zainstalowania końcówki rury odpowietrzającej przy swobodnym wypływie

4 ODPŁYW CIŚNIENIOWY RURA ODPOWIETRZAJĄCA ODPŁYW CIŚNIENIOWY RURA ODPOWIETRZAJĄCA Rys. 3. Szczegół zainstalowania końcówki rury odpowietrzającej przy ciśnieniowym opróżnianiu klasycznego zbiornika retencyjnego ODPOWIETRZENIE NAPOWIETRZENIE DOPŁYW KOLEKTORA ZBIORNIK PŁUCZĄCY ZBIORNIK RETENCYJNY ODPŁYW CIŚNIENIOWY Rys. 4. Schemat działania systemu przepływu powietrza w klasycznych zbiornikach retencyjnych

5 ODPOWIETRZENIE NAPOWIETRZENIE DOPŁYW KOLEKTORA ZBIORNIK PŁUCZĄCY ZBIORNIK RETENCYJNY KOMORA PRZEPŁYWOWA ODPŁYW KOLEKTOREM Rys. 5 Schemat działania systemu przepływu powietrza w zbiorniku typu Contrakt z odpływem bezciśnieniowym ZASADA DZIAŁANIA ZBIORNIKA PŁUCZĄCEGO Zasadę działania podciśnieniowego zbiornika płuczącego na przykładzie wersji podstawowej przedstawiają poniższe rysunki 6 a, b, c, d [5, 6]. Zbiornik retencyjny składający się z dwóch komór grawitacyjnych, przy czym jedną z nich stanowi komora przepływowa o niewielkiej objętości w odniesieniu do komory drugiej retencyjnej, posiada zbiornik płuczący wydzielony z części komory retencyjnej. Napełnianie komory płuczącej odbywa się na zasadzie naczyń połączonych przez wnękę znajdującą się w dnie pomiędzy komorami: płuczącą a retencyjną. W tej podstawowej wersji zbiornika rura odpowietrzająca i napowietrzająca są elementami wspólnego układu odpowietrzająco napowietrzającego. Rozwiązanie takie jest mniej efektywne od proponowanego, za to jest modelowe w prezentacji istoty działania tego rodzaju urządzeń. Wlot do układu odpowietrzająco napowietrzającego znajduje się w stropie komory płuczącej. Natomiast końcówka rury napowietrzającej oraz odpowietrzającej zainstalowane są kolejno: w pobliżu dna komory retencyjnej i w studzience (w stojącej wodzie) za otworem spustowym. W sytuacji, gdy dopływ ścieków do komory przepływowej jest większy niż odpływ, następuje jej napełnianie. We wszystkich trzech komorach zbiornika panuje ciśnienie atmosferyczne (rys. 6a). Po napełnieniu komory przepływowej ścieki przelewają się przez krawędź przelewową do komory retencyjnej, a stąd z kolei przez wspomnianą wnękę do komory płuczącej. Zwierciadła ścieków w podtopionej rurze napowietrzającej i komorze płuczącej znajdują się na tym samym poziomie (jest to spowodowane jednakowym ciśnieniem, wyższym od atmosferycznego, panującym w komorze płuczącej i w układzie odpowietrzająco napowietrzającym), niższym od zwierciadła ścieków w komorze retencyjnej. Różnica (h x ) równa jest głębokości zanurzenia wylotu rury odpowietrzającej (rys. 6b). Komora retencyjna napełnia się do momentu wyrównania zwierciadeł ścieków w komorach przepływowej i retencyjnej (rys. 6c), wówczas samoczynnie, różnicą ciśnień hydrostatycznych, otwiera się zawór klapowy zainstalowany w przydennej części przegrody przelewowej dzielącej

6 obie komory zbiornika. Umożliwia on przepływ ścieków jedynie w kierunku z komory retencyjnej do komory przepływowej. W trakcie opróżniania zbiornika poziom ścieków w komorze płuczącej nieco się obniża (rys. 6d), a powstałe w niej podciśnienie zasysa ścieki do rury odpowietrzającej. Po całkowitym opróżnieniu komory retencyjnej następuje zrzucenie ścieków z rury napowietrzającej, a tym samym rozpoczyna się proces płukania. a). b). p x p x hx hx A Rys. 6 a, b. Idea pracy zbiornika płuczącego

7 c). hx hx p x p x * V x A hx d). p 1 * V 1 p 1 A Rys. 6 c, d. Idea pracy zbiornika płuczącego UKŁAD NAPOWIETRZAJĄCO ODPOWIETRZAJĄCY Z MECHANIZMEM PRZECIWWAGI Kolejnym rozwiązaniem mającym usuwać przerywanie płukania jest zastosowanie specjalnie ukształtowanego przewodu rurowego w komorze płuczącej. Poniższy rysunek, w ujęciu schematycznym, przedstawia to rozwiązanie (rys. 7) [5, 6].

8 1 ZO 3 4 ZO 2 hmax 5 hw ŻRÓDŁO PODCIŚNIENIA; 2 - KOMORA PŁUCZĄCA; 3 - PRZEWÓD RUROWY; 4 - KOMORA RETENCYJNA; 5 - KANAŁ WLOTOWY; 6 - KOMORA PRZEPŁYWOWA; 7 - KANAŁ WYLOTOWY; 8 - ZAWÓR KLAPOWY; 9 - RURA IMPULSOWA; 10 - RURA NAPOWIETRZAJĄCA; 11 - OTWORY WYLOTOWE; 12 - WNĘKA; ZO - ZESPÓŁ ODCIĄŻAJĄCY Rys. 7. Instalacja hydraulicznego systemu sterowania opróżnianiem komory płuczącej w zbiorniku o działaniu grawitacyjnym typu Contrakt. Komora przepływowa oddzielona jest od komory retencyjnej przegrodą przelewową wyposażoną w otwór spustowy przysłonięty samoczynnym, jednokierunkowym zaworem klapowym. Zawór otwierany jest wyłącznie w kierunku do komory przepływowej różnicą ciśnień hydrostatycznych. Komora płucząca przylega do ściany oddzielającej komorę retencyjną. Przez tą ścianę, wzdłuż krawędzi z dnem komory retencyjnej, wyprowadzone są poprzez układ syfonowy otwory wylotowe. W strefie podstropowej komora płucząca połączona jest ze źródłem podciśnienia, którego działanie sterowane jest sygnałami czujników poziomu ścieków. Układ opróżniający komory płuczącej zaopatrzony jest w zamocowany pod stropem przewód rurowy. Przewód jednym końcem wprowadzony jest do komory płuczącej a drugim, w pobliże przegrody przelewowej w komorze retencyjnej. Do przewodu rurowego przyłączone są dwa pionowe, skierowane w dół odgałęzienia. Jedno z odgałęzień usytuowane jest tuż przy ścianie oddzielającej komorę płuczącą od retencyjnej i stanowi rurę napowietrzającą. Drugie z kolei, znajdujące się przy przegrodzie przelewowej ma charakter rury impulsowej. Koniec rury impulsowej doprowadzony jest w strefę poziomu dna komory retencyjnej po stronie otworu spustowego zbiornika. Układ syfonowy otworów wylotowych z komory płuczącej ma wnękę wyprowadzoną na powierzchnię dna komory retencyjnej. W przestrzeń wnęki wprowadzony jest koniec rury napowietrzającej. Obie rury napowietrzająca i impulsowa połączone są szczelnie z przewodem rurowym za pośrednictwem teleskopowych zespołów odciążających (rys.8).

9 Δhw 1 - PRZEWÓD RUROWY; 2 - RURA FALISTA; 3 - ODCIĄŻNIK; 4 - RURA NAPOWIETRZAJĄCA 5 - OGRANICZNIK Rys. 8. Schemat działania zespołu odciążającego: przed spłukiwaniem i w trakcie spłukiwania Zespół odciążający posiada elastyczną rurę falistą i odciążnik. Odciążnik zawieszony jest na dźwigni dwuramiennej, połączonej na drugim końcu przez przegub z rurą odciążaną. Zespół odciążający zachowując swoją funkcję może być również wykonany jako uszczelniony układ teleskopowy z odciążeniem sprężynowym. Długość rury napowietrzającej jest tak dobrana, że w stanie napełnionej komory płuczącej koniec rury wnika w przestrzeń wnęki. Przy wypełnionej komorze płuczącej ciężar rury napowietrzającej powiększony jest o ciężar wypełniającej ją cieczy. Kiedy zwierciadło ścieków w komorze retencyjnej opadnie do poziomu końca rury impulsowej, opróżnia się ona umożliwiając dopływ powietrza atmosferycznego do komory płuczącej. Po zrzuceniu wody rura impulsowa staje się lżejsza i zostaje uniesiona przez odciążnik o skok Δh w wyznaczony ogranicznikiem górnym. Z niewielkim opóźnieniem unosi się rura napowietrzająca. Następuje spłukiwanie dna komory retencyjnej, które nie jest przerywane, ponieważ oba końce rur są uniesione. Zatrzymanie procesu płukania może nastąpić tylko w sytuacji, gdy zatopione zostaną wloty do przewodu rurowego (wloty rury napowietrzającej i impulsowej). Poziom ponownego zatopienia wlotów rur jest narzucony przez projektanta w zależności od potrzeby spowodowania wielokrotnego cyklu płukania. Wydaje się, iż na dzień dzisiejszy to rozwiązanie jest najlepsze. Zwiększa skuteczność i niezawodność spłukiwania pozwalając na stosowanie komór płuczących o mniejszej pojemności, czego efektem jest obniżenie energochłonności procesu. PODSUMOWANIE Nowe rozwiązania dotyczące sposobów płukania dna komory retencyjnej spełniają oczekiwane wymogi co do efektywnego usuwania osadów gromadzonych w procesie retencjonowania ścieków w zbiornikach kanalizacyjnych. Dalsze prace związane z tymi

10 zagadnieniami zmierzają do zwiększenia efektywności czyszczenia komór retencyjnych z równoczesnym wprowadzeniem możliwie jak najbardziej niezawodnych, samoczynnych działań elementów składających się na całość procesu płukania. Warto nadmienić, że problem dotyczący czyszczenia ścian pionowych zbiornika nadal nie posiada rozwiązań, które mogłyby zasługiwać na rekomendacje do zastosowania w praktyce. Problematyka czyszczenia zbiorników kanalizacyjnych zawiera również aspekt sanitarny i wiąże się z bezpieczeństwem epidemiologicznym. Kontynuacja prac dotyczących zagadnień czyszczenia zbiorników kanalizacyjnych jest zatem ważna i uzasadniona. Przedstawione systemy płuczące komory retencyjne zbiorników kanalizacyjnych prezentują jedynie podstawową ideę, nie stanowią natomiast propozycji technicznych rozwiązań tego problemu. W każdym przypadku konstrukcja urządzenia płuczącego będzie stanowić zatem indywidualne rozwiązanie, przy czym zasady i cel jego pracy pozostają takie same. Zwiększenie skuteczności płukania można uzyskać przez niezawodne sterowanie parametrami hydraulicznymi strumienia oddziałującego dynamicznie na zanieczyszczenia zalegające na dnie zbiornika. Projektując zbiornik retencyjny można dobrać takie parametry konstrukcyjne komory płuczącej w odniesieniu do komory retencyjnej, aby uzyskać efekt dwukrotnego lub wielokrotnego płukania. Uzyskanie efektu kilkukrotnego płukania sterowane będzie przez przyjęcie głębokości zanurzenia końcówki rury napowietrzającej w zbiorniku płuczącym. Analizując działanie zbiorników płuczących można stwierdzić, że najbardziej skutecznym i niezawodnym rozwiązaniem jest układ napowietrzająco odpowietrzający z mechanizmem przeciwwagi, dzięki któremu można w prosty sposób sterować płukaniem komory retencyjnej. LITERATURA 1. Tabernacki J.; Deszczowe zbiorniki retencyjne w kanalizacji, Nowa Technika w Inżynierii Sanitarnej, Arkady, Warszawa Dziopak J.; Wybrane problemy projektowania zbiorników retencyjnych, Gaz, Woda i Technika Sanitarna, nr 2-3/1990, str Dziopak J.; Efektywne sposoby retencjonowania ścieków w kanalizacji, Ochrona Środowiska, nr 3-4/1988, Wrocław, str Kuliczkowski A., Staszewski G.; Sposoby rozwiązywania problemu przeciążeń sieci kanalizacyjnych, Gaz, Woda i Technika Sanitarna, nr 10/1998, str Kisiel A.; Urządzenie do spłukiwania dna zbiornika retencyjnego cieczy, zwłaszcza ścieków kanalizacji deszczowej i ogólnospławnej, patent RP nr P ( r.) 6. Kisiel A.; Samoczynne urządzenie do płukania kanalizacyjnych zbiorników retencyjnych, Gospodarka Wodna 11/94, str Praca naukowa finansowana w ramach badań własnych nr BW /05