Doświadczenia eksploatacyjne funkcjonowania kanalizacji podciśnieniowej i ciśnieniowej

Transkrypt

1 Dr inż. Katarzyna Miszta-Kruk Politechnika Warszwska Wydział Inżynierii Środowiska Ul. Nowowiejska Warszawa Tel: Doświadczenia eksploatacyjne funkcjonowania kanalizacji podciśnieniowej i ciśnieniowej Poza aspektem ekonomicznym jednym z problemów, na jaki napotyka się w kanalizacji jest dobór i zaprojektowanie odpowiedniego systemu odprowadzania ścieków. Wybór najprostszej w budowie i eksploatacji - kanalizacji grawitacyjnej, w niektórych przypadkach, może okazać się rozwiązaniem nieuzasadnionym. Wtedy też alternatywą stają się kanalizacje niekonwencjonalne. Wybór powinien zostać poprzedzony wnikliwą analizą ekonomiczno techniczną, a analiza ta powinna obejmować zarówno aspekty funkcjonalno - techniczne jak również eksploatacyjne. Takie porównanie może być rzetelnie przeprowadzone tylko na podstawie badań, doświadczeń i znajomości systemu pod względem jego warunków pracy. Jednak przeprowadzenie takiego procesu jest niezmiernie trudne na etapie wyboru systemu kanalizacyjnego. W ostatnich latach nastąpił istotny rozwój kanalizacji podciśnieniowej i ciśnieniowej w kierunku dostosowania proponowanych rozwiązań niekonwencjonalnych systemów do realnych warunków użytkowania i eksploatacji. Dotychczas wykonane systemy zarówno próżniowe jak i ciśnieniowe potwierdzają praktyczne wykorzystanie i potrzebę ich wdrażania szczególnie w trudnych warunkach topograficznych i gruntowych. Podstawową różnicą w systemie próżniowym i ciśnieniowym jest rozwiązanie konstrukcyjne, o których wspomniano we wcześniejszych wystąpieniach. W systemach tych, przeważnie 1 gospodarstwo domowe przypada na jedną studzienkę zbiorczą lub urządzenie zbiornikowo tłoczne (UZT) i jest to równoznaczne z przyjęciem 4-5 użytkowników na studzienkę zbiorczą lub UZT. Z drugiej jednak strony, niektórzy eksploatatorzy zauważają, że podłączenie więcej niż jednego budynku do jednej studzienki zbiorczej (lub UZT) umożliwia zapewnienie ciągłości odpływu z ustaloną regularnością, a także zapewnia samopłukanie zaworu opróżniającego i zmniejsza ryzyko blokowania odpływu ścieków ze studzienek do sieci przewodów. Oba systemy zarówno ciśnieniowy jak i podciśnieniowy, charakteryzują się wysoką szczelnością sieci przewodów, co jest podstawowym warunkiem ich poprawnej pracy, i niewątpliwie zaletą. Różnice w systemach wynikają głównie ze stosowania różnego zakresu średnic i materiałów wykorzystywanych przy budowie rurociągów oraz sposobu czy głębokości ich ułożenia. Poza tym, w zależności od przyjętego rozwiązania odmiennie stosuje się, urządzenia ułatwiające identyfikację uszkodzenia bezpośrednio na sieci przewodów. 1

2 Analiza techniczna elementów kanalizacji podciśnieniowej i ciśnieniowej W systemie kanalizacji podciśnieniowej wyróżniono następujące główne typy elementów: studzienki zbiorcze z zaworami opróżniającymi, sieć przewodów podciśnieniowych z uzbrojeniem, pompowania próżniowo tłoczna (w systemie próżniowym), układ przewodów tłocznych lub grawitacyjnych do oczyszczalni lub innego odbiornika. Wymienione wyżej ugrupowania elementów pokazano na uproszczonych schematach systemu kanalizacji podciśnieniowej (rys. 1) Rys. 1 Schemat układu systemu kanalizacji podciśnieniowej; 1 przykanalik, 2 - studzienki zbiorcze 3 układ przewodów podciśnieniowych, 4 rewizje, 5 pompownia próżniowo-tłoczna, 6 zbiornik próżniowo-ściekowy, 7 pompa próżniowa, 8 pompa ściekowa, 9 układ przewodów przesyłowych (tłocznych lub grawitacyjnych). W systemie kanalizacji ciśnieniowej wyróżniono podobne typy elementów: urządzenie zbiornikowo-tłoczne (UZT, z pompą i sterowaniem) sieć przewodów ciśnieniowych odbiornik ścieków Schemat uproszczony systemu kanalizacji ciśnieniowej zaprezentowano na (rys. 2) 2

3 Rys. 2 Schemat układu systemu kanalizacji ciśnieniowej; 1 przykanalik, 2 - urządzenia zbiornikowo-tłoczne UZT, 3 pompa tłoczna, 4 - układ przewodów ciśnieniowych, 5 oczyszczalnia ścieków, 6 układ przewodów przesyłowych (tłocznych lub grawitacyjnych) Oba te systemy poddane zostały badaniom eksperymentalnym, które obejmowały obserwacje przebiegu procesu eksploatacji i użytkowania, gromadzenie informacji o uszkodzeniach, obróbkę statystyczną danych, ilościową ocenę charakterystyk niezawodności elementów oraz identyfikację rodzajów, przyczyn i skutków uszkodzeń. Dodatkowo istotnym elementem tego typu badań były statystyczna analiza niezawodności badanych obiektów w trakcie prowadzonej eksploatacji jak i podjęta próba ustalenia stopnia zadowolenia z użytkowania tego rodzaju systemu przez użytkowników. Przeprowadzone badania eksploatacyjne, były prowadzone w naturalnych warunkach funkcjonowania i eksploatacji systemów. Uzyskane wyniki są podstawą otrzymania miarodajnych informacji do oceny niezawodności funkcjonowania elementów i systemu kanalizacji niekonwencjonalnej. Badania eksploatacyjne tworzą złożone i wieloaspektowe działania, których efektywność zależy od odpowiedniego przygotowania merytorycznego, metodycznego, organizacyjnego, technicznego i oczywiście finansowego. Doświadczenia eksploatacyjne funkcjonowania kanalizacji niekonwencjonalnej W celu dokonania wyboru odpowiednich obiektów badawczych, rozpoznano wiele systemów kanalizacji niekonwencjonalnych działających w kraju. Z założenia rozpatrywano oddzielnie systemy kanalizacji próżniowej i systemy kanalizacji ciśnieniowej. Przy wyborze kierowano się przede wszystkim możliwością objęcia badaniami obiektów charakteryzujących się w maksymalnym stopniu, podobnymi lub zbliżonymi cechami świadczącymi o ich jednorodności technologicznej i eksploatacyjnej. Równie ważnym kryterium wyboru systemów kanalizacji 3

4 niekonwencjonalnych była dostępność i kompletność danych charakteryzujących ich funkcjonowanie, warunki eksploatacji oraz uszkadzalność poszczególnych elementów. W wyniku przeprowadzonych analiz dokumentacji technicznych, wizji lokalnych, wywiadów środowiskowych i konsultacji z eksploatatorami oraz projektantami tych systemów, do badań wybrano 4 systemy kanalizacji podciśnieniowej. Kanalizacje próżniowe wykonane w technologiach Airvac (2 systemy), Roevac (Roediger) i Iseki. Natomiast w systemie ciśnieniowym wybrano 3 systemy kanalizacji wysokociśnieniowej, gdzie 2 systemy są eksploatowane przez służby własne gmin, zaś jeden przez Wodociągi Wiejskie Sp. z o.o. Jako minimalny okres badań kanalizacji przyjęto jeden rok, aby można było prześledzić proces funkcjonowania i eksploatacji systemów, w pełnym cyklu rocznym przy różnych warunkach atmosferycznych. Maksymalny czas badań wyniósł 3 lata. Wiek badanych systemów waha się pomiędzy 2 a 7 lat dla kanalizacji podciśnieniowej i 4 lata dla kanalizacji ciśnieniowej. Były to systemy już technologicznie wpracowane i funkcjonujące w normalnych warunkach eksploatacji. Analiza stanów eksploatacyjnych systemów kanalizacji ciśnieniowej Analizując stany eksploatacyjne poszczególnych systemów kanalizacji niekonwencjonalnej, otrzymano następujące zależności. W przypadku kanalizacji ciśnieniowej najczęstszym rodzajem niesprawności i jej zasadniczą przyczyną jest nieodpowiednie korzystanie z kanalizacji (czynnik ludzki/zablokowanie silnika pompy) przez mieszkańców powodowało uszkodzenie pompy (70,3% wszystkich zdarzeń). W 13% przypadków uszkodzenie w postaci braku zasilania pompy zostało spowodowane przerwaniem dostawy prądu przez zakład energetyczny. Do tego rodzaju uszkodzeń zaliczono awarie automatyki w skrzynce sterującej, jak również uszkodzenia samej skrzynki. Uszkodzenia czujników poziomu ścieków (tzw. pływaków ) zakwalifikowano do oddzielnej kategorii. Awarie tego rodzaju stanowiły od 5,6%. Należy również zwrócić uwagę na stosunkowo wysoki odsetek awarii polegających na braku zasilania w energię elektryczną, gdzie ten rodzaj uszkodzenia wynosił 13% wszystkich przypadków. Tabela 1: Rodzaje i przyczyny uszkodzeń kanalizacji ciśnieniowej Przyczyna Uszkodzenie Uszkodzenie jednego z czujników poziomu ścieków Uszkodzenie pompy Awaria sterowania Brak zasilania Suma czynnik ludzki / zablokowanie silnika pompy uszkodzenie lub zawilgocenie instalacji elektrycznej i automatyki - 70,3-70,3 5,6 11,1 16,7 brak zasilania Suma 5,6 70,3 11,

5 Analiza przedstawianych wyników pokazuje, że najmniej awaryjną częścią systemu jest sieć przewodów ciśnieniowych oraz zbiornik UZT. Odnotowano tylko po jednym takim przypadku w jednym z badanych systemów, co stanowi 0,8% wszystkich awarii. Najczęstszą przyczyną tych uszkodzeń było złe korzystanie z kanalizacji przez jej użytkowników (od 70,4% do 57,1%). Wrzucone szmaty, ręczniki, sznurki, wkładki higieniczne lub chusteczki do pielęgnacji niemowląt powodowały zablokowanie wirników. W niektórych przypadkach wystarczało odblokowanie wirnika, jednak częściej dochodziło do uszkodzenia sprzęgła, wirnika lub statora, a nawet do spalenia uzwojenia silnika. Drugą najczęstszą przyczyną awarii było uszkodzenie lub zawilgocenie instalacji elektrycznej i automatyki (16,7% oraz 14,3%). Do tej kategorii najczęściej zaliczono uszkodzenie przekaźnika kontroli faz (MKF) na skutek wyładowań atmosferycznych oraz w mniejszym stopniu uszkodzenie czujników poziomu ścieków. Awaria pływaków była również w trzech przypadkach (2,5%) spowodowana ich obklejeniem na skutek braku odpowiedniej konserwacji. W jednaj z gmin w trzynastu przypadkach (10,9%) doszło do uszkodzenia elementu pompy na skutek naturalnego zużycia w trakcie pracy. Wyłączenia zasilania przez zakład energetyczny było przyczyną 13% awarii. W tej gminie odnotowano również sześć przypadków dewastacji skrzynek sterujących lub liczników energii (5%). W trzech przypadkach przyczyną uszkodzenia było również nieprawidłowe napięcie w sieci elektrycznej (2,5%). W przypadku kanalizacji podciśnieniowej najczęstszym elementem, w którym następowało uszkodzenie były studzienki zbiorcze z zaworami opróżniającymi. Najczęściej obserwowane niesprawności studzienek zbiorczych to: nieotwarcie zaworu, niedomknięcie zaworu, uszkodzenie mechanizmu zamykającego zawór 1 oraz zalanie ściekami mechanizmu sterującego zaworem (sterownika), które w sumie stanowiły 92% wszystkich uszkodzeń. Ponad 13 % uszkodzeń dotyczyło zalania ściekami mechanizmu sterującego pracą zaworu. W każdym przypadku rozpatrywanej sieci jest to sterownik, mający za zadanie nadzór nad prawidłową praca zaworu, a przede wszystkim, utrzymywanie prawidłowego czasu jego otwarcia i zamknięcia oraz działania na bodźce zmiany podciśnienia w sieci i ciśnienia w studzience zbiorczej. 1 mechanizmem zamykającym światło zaworu, w zależności od technologii wykonania systemu, może być: grzybek lub membrana. 5

6 Tabela 1: Rodzaje i przyczyny uszkodzeń zaworów opróżniających w systemie kanalizacji podciśnieniowej Przyczyna Rodzaj Niedomknięci e zaworu Nie otwarcie zaworu Uszkodzenie mechanizmu zamykającego zawór Zalanie ściekami mechanizmu sterującego zaworem Zapchanie przewodu od strony ssącej Niewłaściwe proporcje powietrze/ściek i Zamarznięcie zaworu Złe wykonani e Wada materiału Wada elementu Zaniedbani e konserwacji Czynnik ludzki po stronie obsługi użytkownik a Uszkodzenie sprzętem mechanicznym Wada produktu 0,8 4,1 11,0 0,3 0,7 22,1 1,5 0,7 1,0 42-1,5 15,2 1,3 0,3-0,3 1,3 2,0 22-1,0 12, ,2 0,2 0,7 0,3 14-0,3 6,2 0,7 0,3 1,3-1,8 2,6 13 0, , , , ,2-0,7 0, , ,0 2 Inne 0,2 0,2 1, ,2 0,8 2 Suma Inne Suma Dominujące zdarzenia w pompowni próżniowo-tłocznej systemu próżniowego było zbyt długie działanie pomp próżniowych. Najczęściej brak energii elektrycznej powodował awarię pomp lub wstrzymanie pracy wszelkich urządzeń pompowni próżniowo tłocznej. Jako awarię w pompowni próżniowo-tłocznej sklasyfikowano również przypadki uszkodzeń układu sterującego i przepełnienia zbiornika próżniowego ściekami. Rys.3. Struktura uszkodzeń pompowni próżniowo-tłocznej w systemach kanalizacji pociśnieniowej 6

7 Przedstawione wyniki wskazują na wyraźną dominację uszkodzeń/wyłaczeń pomp próżniowych, które stanowią blisko 64% wszystkich zarejestrowanych zdarzeń. Ok. 4-krotnie mniej zaobserwowano przerw w zasilaniu energetycznym tj. 17,6%. Pozostałe uszkodzenia mają dużo mniejszy udział w strukturze awarii pompowni. Elementem, który wykazywał najmniejszą uszkadzalność była sieć przewodów podciśnieniowych. Wśród tych zdarzeń 5 przypada na zakłócenia w przesyłaniu ścieków, natomiast 3 na niedrożność przewodu. Oba przypadki najczęściej spowodowane były przez ciało stałe, które utknęło w przewodzie z winy użytkownika. Jedną z głównych przyczyn takiego stanu było nieprawidłowe użytkowanie systemu kanalizacyjnego. Wyniki badań socjologicznych użytkowników na temat oceny wybranych systemów kanalizacji niekonwencjonalnych Badania zostały zrealizowane w dwóch miejscowościach gdzie funkcjonują dwa typy systemów kanalizacji niekonwencjonalnej. System wykonany w technologii próżniowej składał się z 244 studzienek zbiorczych, z czego szacuje się, że ze studzienek tych korzysta ok użytkowników. Celem badań było ustalenie, czy użytkownicy wiedzą, jakie są zasady korzystania z kanalizacji niekonwencjonalnej oraz czy są zadowoleni z jej funkcjonowania. Dodatkowym zagadnieniem, było ustalenie poziomu zadowolenia badanych korzystających z różnych typów systemów kanalizacji niekonwencjonalnej. Z przeprowadzonych badań wynika, iż użytkownicy są raczej zadowoleni z systemu kanalizacji niekonwencjonalnej. W badaniu respondenci mieli ocenić swoją satysfakcję/zadowolenie z działania kanalizacji na skali od 1 do 5, gdzie 5 jest oceną najwyższą i było rozumiane jako: tak, jestem bardzo zadowolony/-a), 4 tak, zdecydowanie jestem zadowolony/-a, 3 tak, raczej jestem zadowolony/-a, 2 nie, raczej nie jestem zadowolony/-a i 1- najniższą, nie, zdecydowanie nie jestem niezadowolony/-a. Jest to skala podobna do ocen w szkole, więc uznano, że takie ocenianie będzie intuicyjne i proste dla badanych. System kanalizacji ma zatem ponad 50% ocen dobrych i bardzo dobrych (4 i 5), a prawie 36% użytkowników ocenia ten system na trójkę, tj. dostatecznie. Niecałe 16% badanych nisko ocenia swoje zadowolenie (2 i 1), w tym 8% respondentów stwierdziło, że są bardzo niezadowoleni (1) (rys. 4). 7

8 Rys.4. Zadowolenie respondentów z systemu kanalizacji (n=128=100%) Zapytani o pozytywne cechy kanalizacji niekonwencjonalnej, użytkownicy najczęściej wskazywali na to, że system jest ekologiczny (35%) i nie wymaga żadnego dozoru z ich strony (34%). Ponadto, w dodatkowym pytaniu podkreślali, że kanalizacja jest lepsza od grawitacyjnej; wygodna i nie wydziela przykrych zapachów. Wśród wad respondenci najczęściej wymieniali koszt utrzymania aż 43% badanych twierdzi, że ta kanalizacja jest droższa od kanalizacji grawitacyjnej. Jedna czwarta respondentów negatywnie ocenia awaryjność systemu (tab. 8.1). Tabela 2. Zalety i wady systemu kanalizacji niekonwencjonalnej (procent ważnych odpowiedzi obok każdej cechy) Zalety kanalizacji tak nie jest tańsza od kanalizacji grawitacyjnej j (98,4%) 10,9% 87,5% jest bardziej ekologiczna (98,4%) 35,2% 63,3% rzadko się psuje w stosunku do kanalizacji grawitacyjnej (98,4%) 18% 80,6% nie wymaga dozoru przez użytkownika(98,4%) 34,4% 64,1% ogranicza zużycie wody (98,4%) 13,3% 85,2% Wady kanalizacji tak nie jest bardziej awaryjna w stosunku do kanalizacji grawitacyjnej j (98,4) 24,2% 74,2% jest droższa od kanalizacji grawitacyjnej j (97,7) 43,8% 53,9% jest trudna w obsłudze (97,7) (brak informacji (instrukcji) dotyczących poprawnego korzystania) 3,1% 94,5% wpuszczanie obcych na teren posesji (97,7) 7,8% 89,8% uciążliwe odbieranie ścieków (97,7) (studzienka zajmuje dużo miejsca, głośne odbieranie ścieków) 4,7% 93,0% Blisko 60% osób podłączonych do systemu wskazało na to, że kanalizacja niekonwencjonalna nie wymaga dodatkowego dozoru. 8

9 Drugą kwestią, istotną z punktu widzenia celów badania, była znajomość zasad użytkowania kanalizacji niekonwencjonalnej. Respondenci w przeważającej większości (74%) deklarowali znajomość tych zasad. Kiedy wypowiadali się za członków gospodarstwa domowego wyniki są podobne, tj. trzy czwarte badanych wie, na czym polega użytkowanie kanalizacji (rys. 5 i 6). Rys.5. Znajomość zasad użytkowania kanalizacji (n=128 = 100%) Rys.6. Znajomość zasad korzystania z kanalizacji - pozostali użytkownicy (n=128=100%) Pomimo deklaracji użytkowników o znajomości zasad, tylko 50% badanych powiedziało krótko na czym polega korzystanie z nowej kanalizacji oraz prawidłowo odpowiedziało na pytanie, czego nie należy wrzucać do kanalizacji. Prawie 9% respondentów tłumaczyło zasady przez opisywanie działania systemu przewodów i zaworów (np.: kategoria: działa na zasadzie podciśnienia). 9

10 Rys.7 Znajomość zasad korzystania z kanalizacji konkretne opisy respondentów (n=128=100%) Wszyscy respondenci korzystający z systemu, którzy udzielili odpowiedzi na pytanie o zasady użytkowania kanalizacji wskazali, że nie należy wrzucać do systemu różnych przedmiotów (tab. 8.5). Tabela Błąd! W dokumencie nie ma tekstu o podanym stylu.1 Znajomość zasad użytkowania kanalizacji wśród użytkowników systemów niekonwencjonalnych Ogółem Zasady użytkowania kategorie % nie wrzucać rożnych rzeczy 69,89 działa na zasadzie podciśnienia 11,83 inne 18,28 Podsumowanie Z przedstawionej analizy wynika wyraźna korelacja pomiędzy analizą awaryjności poszczególnych systemów kanalizacji niekonwencjonalnej a nieznajomością użytkowania systemu. Wyniki przeprowadzonego badania pozwalają stwierdzić, że mieszkańcy korzystający z systemu kanalizacji niekonwencjonalnych generalnie są zadowoleni. Ponad 50% osób oceniło system kanalizacji jako dobry lub bardzo dobry, a prawie 36% użytkowników ocenia ten system na dostatecznie dobry. Czyli ocenę pozytywną systemy niekonwencjonalne otrzymały przez 88% osób korzystających z tego systemu. Wśród zalet kanalizacji niekonwencjonalnej użytkownicy najczęściej wskazywali na fakt, że jest to instalacja ekologiczna oraz niewymagająca dodatkowego dozoru. Najczęściej wymieniane wady to przede wszystkim wysokie koszty eksploatacji. Pomimo, że zdecydowana większość osób poddanych badaniu (75%) zadeklarowała znajomość zasad korzystania z kanalizacji podciśnieniowej, to jedynie połowa z nich była w stanie sformułować podstawowe zasady użytkowania. Wiedza na temat przyczyn awarii systemu jest również ograniczona. Wyniki badania sugerują, iż celowe byłoby podniesienie wiedzy użytkowników kanalizacji niekonwencjonalnej na temat zasad prawidłowego korzystania z systemu oraz najczęstszych przyczyn powstawania awarii. 10