HYDRAULICZNA ANALIZA WSPÓŁDZIAŁANIA STACJI ZLEWNEJ Z OCZYSZCZALNIĄ ŚCIEKÓW

Transkrypt

1 POLITECHNIKA CZĘSTOCHOWSKA WYDZIAŁ INŻYNIERII I OCHRONY ŚRODOWISKA INSTYTUT INŻYNIERII ŚRODOWISKA mgr inż. JAKUB KISIEL HYDRAULICZNA ANALIZA WSPÓŁDZIAŁANIA STACJI ZLEWNEJ Z OCZYSZCZALNIĄ ŚCIEKÓW ROZPRAWA DOKTORSKA (STRECZSZENIE) Promotor pracy: prof. zw. dr hab. inż. JANUARY BIEŃ Częstochowa 2006

2 I. WSTĘP Przeróbka fekaliów w procesie biologicznego ich oczyszczania wymaga uporządkowanego i kontrolowanego ich przyjmowania przez oczyszczalnię. Zabezpieczać to powinno oczyszczalnię przed nadmiernym obciążeniem ładunkiem, mogącym doprowadzać do zahamowania przebiegu procesów biologicznego oczyszczania. Stacja zlewna, powinna zatem posiadać odpowiednie zabezpieczenia zapewniające prawidłowe działanie oczyszczalni ścieków. Powinna ona również mieć możliwość prowadzenia pełnej kontroli ilościowej i jakościowej oraz rejestrację tych wyników, które dotyczą parametrów dowożonych ścieków takich jak: objętość, odczyn ph, zasolenie i temperaturę. Płynne nieczystości dowożone do stacji pojazdem asenizacyjnym nie mogą stanowić mieszaniny fekaliów bytowych z przemysłowymi. Znaczenie zatem posiada rejestracja źródła pochodzenia tych cieków. Są dwa podstawowe sposoby rozwiązania problemu unieszkodliwiania ścieków pochodzących z indywidualnych gospodarstw. Pierwszy sposób polega na gromadzeniu ścieków w zbiornikach bezodpływowych, tzw. szambach, zaś drugi zakłada ich unieszkodliwianie w małych przydomowych oczyszczalniach dla indywidualnych gospodarstw lub większych oczyszczalniach zbiorowych, np. w ramach kilku domków lub nawet całego osiedla. Oczyszczalnie przydomowe wymagają jednak dużej działki, pozwalającej na właściwe ułożenie drenażu oraz stosownych warunków gruntowo-wodnych. Konieczne także jest wykonanie badań gruntowo-wodnych, które będą rzutowały na wybór rodzaju oczyszczalni lub jej odrzucenie. Wielu inwestorów ma zbyt małą działkę na wykonanie oczyszczalni przydomowej, a niektórzy rezygnują z tego rozwiązania i wybierają szambo jako rozwiązanie tańsze. Szambo wymaga jednak częstego wywożenia ścieków, czasem nawet co dwa tygonie. Wykonane szambo musi zapewniać całkowitą szczelność, by nie zanieczyścić środowi-ska. Wybór szamba ma również sens, gdy na danym terenie w bliskiej przyszłości, np. kilku lat, planowana jest budowa sieci kanalizacyjnej. Warto też wiedzieć, że niektóre szamba, np. trzykomorowe, można w przyszłości adaptować na prostą oczyszczalnię. W alternatywnym do przydomowych oczyszczalni rozwiązaniu problemu unieszkodliwiania ścieków jest ich okresowe przetrzymanie w zamkniętych zbiornikach zwanych szambami. Ścieki odprowadzane są wówczas instalacją kanalizacyjną spływają do zbiorników bezodpływowych. Następnie są okresowo wywożone do oczyszczalni ścieków za pośrednictwem wozów asenizacyjnych. Ten typ kanalizacji stosowany jest na terenach o rozproszonej zabudowie oraz w miejscach, gdzie z punktu ekonomicznego inny rodzaj kanalizacji jest nieopłacalny, a także, gdy warunki wodno-gruntowe i powierzchnia działki uniemożliwia budowę małej oczyszczalni. II. NIEKTÓRE ROZWIĄZANIA STACJI ZLEWNYCH STOSOWANE W POLSCE STACJA ZLEWNA typ SZM Z PIASKOWNIKIEM WIROWYM typ PW Jedną z częściej stosowanych stacji zlewnych jest stacja zlewna z piaskownikiem wirowym (Fot. I), który służy do oddzielania skratek i piasku od ścieków dopływających do oczyszczalni lub dowożonych wozami asenizacyjnymi. W piaskowniku wirowym możliwe jest również napowietrzanie ścieków i odbiór osadu pływającego (tłuszczy). Ścieki wpływają do komory bezpośrednio z sieci zewnętrznej lub z wozów asenizacyjnych przez punkt zlewny i przepływają przez sito do komory sedymentacji. Skratki zatrzymane na sicie są przepłukiwane oraz transportowane ślimakiem, prasowane i wyrzucane na zewnątrz do pojemnika. Piasek, który osadza się na dnie komory sedymentacji jest odbierany

3 przez separator piasku, który odsącza piasek ze ścieków i wyrzuca go na zewnątrz do pojemnika. Instalacja napowietrzania przeciwdziała osadzaniu się zawiesiny w piasku wspomaga wydzielanie się osadu pływającego (tłuszczy), które mogą być odbierane przez instalację za pomocą pompy lub grawitacyjnie. STACJA ZLEWNA FEKO Fot. I. Stacja zlewna typu SZM Dobrze znana w praktyce inżynierskiej jest również stacja zlewna typu FEKO. Stacja zlewna FEKO jest bezobsługowym urządzeniem do przyjmowania ścieków z wozów asenizacyjnych. Stosowane jest tu kontrolowane przyjęcie ścieków tylko od uprawnionych przewoźników. Rejestracja danych dotyczących dostawy takich jak: identyfikacja przewoźnika, data i godzina zrzutu ilość i jakość przywiezionych ścieków prowadzona jest przez system identyfikacji dostawców. Stosowana jest regulacja czasu pracy stacji dla każdego dnia oddzielnie, z możliwością stosowania drugiej taryfy (dla godzin, w których np. oczyszczalnia jest niedociążona). Posiada ona 5 przedziałów taryfowych uzależnionych od jakości ścieków oraz możliwość stosowania kontyngentów dla niezdyscyplinowanych przewoźników. Oprogramowanie FEKO dla komputera PC, które umożliwia sczytywanie danych o dostawach i dostawcach, ustawianie i zmiany parametrów stacji, dodawanie lub usuwanie klientów, drukowanie raportów dotyczących dostaw, wprowadzanie kontyngentów oraz administrowanie czasem pracy stacji. Zapewniona jest komunikacja poprzez połączenie kablowe z komputerem umieszczonym w dyspozytorni, co stwarza możliwość generowania raportów za wybrany czasokres np. dla danego przewoźnika względnie ogólne oraz szczegółowe, drukowanie kwitów informacyjnych dla przewoźników po każdym zrzucie ścieków. Zapewnia automatyczne zamykanie zasuwy przy przekroczeniu zadanych granic ph, przewodnictwa (opcja) i uruchamia automatyczne płukanie ciągu spustowego po każdym zamknięciu zasuwy. Posiada ona przepustowość ok. 100 m 3 /h; gwarantuje obsługę do 250 przewoźników oraz możliwość przyjęcia bez potrzeby sczytania danych do dostaw. Tego typu stacje zlewne znalazły zastosowanie między innymi w Otwocku (Fot.II) i w Przeciszowie (Fot.III).

4 Fot.II. Oczyszczalnia Ścieków w Otwocku Fot.III. Oczyszczalnia Ścieków w Przeciszowie STACJA ZLEWNA POL-EKO-SERVICE SPÓŁKA z o.o. Odbiór ścieków z wozów asenizacyjnych, umożliwia wstępne ich oczyszczenie z części stałych, pomiar odpowiednich parametrów oraz rejestrację pochodzenia ścieków, należy traktować jako jeden z możliwych wariantów rozwiązania tego problemu. W innych przypadkach dowożone ścieki do punktu zlewnego rejestrowane mają jedynie ich parametry i przesyłane są odpowiednią instalacją do oczyszczalni, gdzie wprowadzane są pod zwierciadło ścieków przed punktem mechanicznego oczyszczania. Rozwiązanie takie zrealizowane zostało między innymi w oczyszczalni ścieków w Radomsku. Rozwiązanie to zakłada budowę jednej lub dwóch komór zbiornika, którego rolą będzie przyjmowanie i dokonywanie stosowanych pomiarów parametrów ścieków, a także retencyjna ich akumulacja przy równoczesnym sterowanym natężeniem odpływu ze zbiornika na oczyszczalnię. Sterowanie odpływem ścieków ze zbiornika polega na otwieraniu lub zamykaniu zaworu sterowanego napędem regulacyjnym. Pomiar objętości ścieków wypływających ze zbiornika kontrolowany jest przez czujnik (Nivosonar), który steruje napędem regulacyjnym zasuwy. W rozwiązaniu dwukomorowym zbiornika retencyjnego odbioru ścieków następuje naprzemian napełnianie jednej komory przy równoczesnym opróżnianiu komory drugiej (rys. 1).

5 Rys.1. Schemat działania jedno - i dwuzbiornikowej stacji zlewnej Pol-Eko-Service Ogólnie stacje zlewne (zlewcze) można również sklasyfikować z uwagi na sposób przeróbki osadów fekalnych. Zgodnie ze schematem poglądowym pokazanym na rysunku 2. wyróżnione zostały trzy podstawowe sposoby przeróbki osadów fekalnych: Stacja zlewna, zbiornik retencyjny, stacja pobierania, zbiornik gnilny lub ciąg osadowy. Stacja zlewna z piaskownikiem, zbiornik retencyjny, panel sterowania, stacja pobierania do oczyszczalni ścieków. Stacja zlewna z piaskownikiem i separatorem piasku, zbiornik retencyjny, panel sterowania, stacja pobierania, częściowo do kanału ściekowego i częściowo do osadowego. Rys.2. Warianty przeróbki osadów feralnych

6 III. TEZY PRACY, PRZYJĘTY JEJ ZAKRES ORAZ METODY BADAWCZE Prezentowany pracy retencyjny zbiornik przeznaczony dla stacji zlewnych, do których ścieki, głównie fekalia z przydomowych szamb dowożone są wozami asenizacyjnymi powinien spełniać określone wymogi, dzięki którym zapewniona będzie efektywność działania oczyszczalni a także gwarantowany będzie odbiór tych ścieków od każdej jednostki je dowożącej. Na podstawie wstępnego rozpoznania technicznych możliwości realizacyjnych a także z przeprowadzonej teoretycznej analizy działania wielokomorowego zbiornika retencyjnego o działaniu grawitacyjno-podciśnieniowym dla potrzeb stacji zlewnych, formułowano następujące tezy: 1. Rekomendowany retencyjny zbiornik stacji zlewnej dzięki podciśnieniowemu sposobowi opróżniania z cieczy swych komór akumulacyjnych zapewni odprowadzanie ścieków do oczyszczalni w sposób ciągły oraz umożliwi płynną regulację zmian ich natężenia odpływu, łącznie z natychmiastowym jego zatrzymaniem. 2. Grawitacyjne napełnianie zamkniętych i odciętych od atmosfery komór akumulacyjnych zbiornika umożliwione będzie przez zanurzenie w cieczy wylotów przewodów odpowietrzających względnie, co bardziej efektywne przez wprowadzenie ich we wznoszącą się część syfonu, którym zakończona będzie wówczas rura odpływu z każdej z komór 3. Komory akumulacyjne zbiornika w każdej fazie eksploatacyjnego przypadku działania tego zbiornika zapewnią przyjęcie dodatkowej określonej objętości ścieków dowiezionych wozami asenizacyjnymi. 4. Sposób działania zamknięć (zasuw) za pośrednictwem, których przy ich całkowitym otwarciu lub zamknięciu dana komora akumulacyjna znajduje się w fazie napełniania względnie opróżniania, zagwarantuje stabilny odpływ ścieków do oczyszczalni a dokonywany w sposób ciągły pomiar ich natężenia odpływu cechować się będzie wówczas dużą wiarygodnością. 5. Podciśnieniowy sposób opróżniania komór akumulacyjnych oraz przyjęte jednolite działanie zamknięć przewodów rurowych zbiornika zapewnią pełną kontrolę oraz niezawodne płynne sterowanie wartością natężenia odpływu ścieków do oczyszczali w zależności od przyjętego sposobu ich dozowania (odpływ o stałej wartości natężenia lub proporcjonalny do zmiennych czasowych podstawowych dopływów ścieków do oczyszczalni). Praca w świetle tak sformułowanych tez w swym zakresie obejmować będzie zagadnienia ściśle związane z działaniem zbiornika w aspekcie uzyskania określonych walorów jego efektywnego i niezawodnego działania. Określona zostanie konstrukcja zbiornika i jego hydrauliczne działania w procesach jego napełniania i opróżniania. Opracowanie opisu matematycznego jego działania jako modelu teoretycznego umożliwi obliczanie niektórych parametrów zbiornika niezbędnych dla ostatecznego jego zwymiarowania w procesie jego projektowania.

7 IV. BUDOWA RETENCYJNEGO ZBIORNIKA STACJI ZLEWNEJ ORAZ HYDRAULICZNY SPOSÓB JEGO DZIAŁANIA Rys.3. Schemat działania retencyjnego zbiornika stacji zlewnej typu PERFEKTUS przy ciśnieniowym odpływie (rurociągiem) ścieków do oczyszczalni Przedstawiony zbiornik retencyjny typu PERFEKTUS (Rys.3) i (Fot.IV), posiada dwie komory akumulacyjne (1a) i (1b), z których gdy jedna jest napełniana grawitacyjnie (3) za pośrednictwem komory trzeciej (2) jako studni rozdziału ścieków, druga opróżniana jest podciśnieniowo. Komory akumulacyjne zbiornika i studia rozdziału połączone są układem rurociągów wyposażonym w cztery zasuwy (5), które umożliwiają odpowiednie kierowanie strumieniem ścieków. Komory zbiornika, z uwagi na ich podciśnieniowe opróżnianie muszą zachować warunek szczelności (7b),(8b), aby zapewnić precyzyjne sterowanie natężeniem odpływu. Podczas procesu napełniania jednej z komór by umożliwić odpływ powietrza z jej zamkniętej objętości, instalowany jest odpowiedni przewód (8a) o zatopionym wylocie (7a). Instalacja ta zapewnia samoczynne odprowadzanie powietrza z objętości komory, którą wypełniają płynne nieczystości. Po całkowitym napełnieniu komory następuje równoczesne otwarcie i zamknięcie odpowiedniej pary zasuw, co powoduje, że pozostająca w tej komorze ciecz znajdzie się w warunkach podciśnienia. Proces opróżniania komory retencyjnej zbiornika sterowany jest przez odpowiednie doprowadzanie powietrza w jej podstropową strefę (4a),(4b). W celu zapewnienia całkowitego wypełnienia przewodu rurociągu cieczą na całej jego długości (także w przypadku, gdy nie następuje przepływ) wylot rurociągu musi być zatopiony w cieczy, co osiągnięte zostaje przez zastosowanie przelewu w studzience zrzutowej (6). Tak skonstruowany zbiornik retencyjny stacji zlewnej stanowi podstawowe jego rozwiązanie, które przedstawia hydrauliczne podstawy i uwarunkowania jego działania. Naprzemienny sposób działania komór retencyjnych zbiornika, które napełniane są grawitacyjnie a opróżniane podciśnieniowo stanowi podstawową ideę tego rozwiązania.

8 Fot. IV. Zrealizowany model zbiornika retencyjnego typu PERFEKTUS w podstawowej wersji jego rozwiązania V. HYDRAULICZNE DZIAŁANIE ZBIORNIKA W PROCESIE NAPEŁNIANIA I OPRÓŻNIANIA JEGO KOMÓR RETENCYJNYCH W rozwiązaniu zbiornika przyjęto pośredni sposób grawitacyjnego napełniania jego komór retencyjnych to znaczy poprzez studnię rozdziału ścieków, która połączona jest z aktualnie napełnianą komorą retencyjną przewodem rurowym dzięki otwarciu odpowiedniej zasuwy. Dowiezione taborem asenizacyjnym do stacji zlewnej ścieki, zrzucane są do studni rozdziału gdzie równocześnie dokonywany jest każdorazowo pomiar ich jakości i objętości. Zainstalowane rejestratory dokonują wszystkich niezbędnych pomiarów dowożonych ścieków a także dokumentują przewoźników w sposób analogiczny jak to ma miejsce na stacjach zlewnych realizowanych w praktyce. Jest również możliwe wykorzystanie tego zbiornika retencyjnego za znanymi i sprawdzonymi w działaniu urządzeniami stacji zlewnych jak na przykład: Sz - stacja zlewna PWP Katowice, stacja zlewna FEKO względnie stacja zlewna typ SZM z piaskownikiem wirowym typ PW. W takim przypadku całkowity monitoring ścieków dowożonych do stacji oraz ich wstępne przepuszczenie przez sita jak również piaskownik przejmowałyby wymienione urządzenia stacji zlewnych, natomiast omawiany zbiornik pełniłby rolę niezbędnej pojemności retencyjnej a także zapewniałby odpowiednie sterowanie ich ilościowym odprowadzaniem do oczyszczalni. Komory retencyjne zbiornika są szczelnymi rezerwuarami odciętymi od atmosfery. Jedyne połączenie ich z atmosferą stanowi przewód napowietrzający, który doprowadza do ich wnętrza odpowiednią ilość powietrza, która zapewnia odpowiednie natężenie odpływu ścieków z tej komory w procesie jej opróżniania. Grawitacyjne jej napełnianie realizowane jest poprzez wlot rurociągu zlokalizowany w jej przydennej strefie. Sprężane powietrze nad zwierciadłem ścieków w napełnianej komorze retencyjnej odprowadzane jest do atmosfery za pośrednictwem przewodu odpowietrzającego, którego wylot zanurzony jest na odpowiednią głębokość w cieczy.

9 Rys.4. Schemat działania retencyjnego zbiornika stacji zlewnej typu PERFEKTUS przy bezciśnieniowym odpływie (kolektorem) ścieków do oczyszczalni W rozwiązaniu podstawowym końcówki przewodów odpowietrzających zanurzone są w cieczy w odpowiednich pojemnikach w ten sposób, że po zmianie cyklu działania komory z napełniania na opróżnianie przewód zasysa wówczas taką ilość cieczy z pojemnika by wyrównane zostały położenie wysokościowe zwierciadeł cieczy w komorze i w przewodzie odpowietrzającym. W trakcie podciśnieniowego procesu opróżniania komory, które realizowane jest dzięki doprowadzanemu do jej wnętrza powietrza z atmosfery poziomy zwierciadeł cieczy w komorze i przewodzie odpowietrzającym obniżają się identycznie. Fot. V. Zrealizowany model zbiornika retencyjnego typu PERFEKTUS w wersji bezciśnieniowego odpływu ścieków do oczyszczalni W rozwiązaniu będącym efektem przeprowadzanych doświadczeń na fizycznym modelu zbiornika, przewody odpowietrzające zostały wprowadzone we wznoszącą się cześć syfonowego zakończenia przewodu rurowego (Rys. 4.), którego zadaniem jest odprowadzanie ścieków do oczyszczalni. Zastosowanie syfonowych zakończeń rurowych przewodów wylotowych z komór retencyjnych zbiornika zmieniło charakter transportu ścieków do oczysz-

10 czalni z ciśnieniowego (jak w rozwiązaniu podstawowym) na grawitacyjne (Fot. V.). W obu rozwiązaniach założone zostało na przemienne działanie komór zbiornika, co oznacza, że podczas napełnianie pierwszej opróżniana jest druga i na odwrót. W szczególnych przypadkach, gdy nastąpiłoby całkowite wypełnienie jednej z komór przy niedokończonym procesie opróżniania drugiej, możliwe jest chwilowe zatrzymanie odpływu fekaliów z opróżnianej komory, przez zamkniecie odpowiedniej zasuwy. Dzięki otwarciu drugiej z kolei przyporządkowanej zasuwy umożliwić można szybkie wyrównanie stanów napełnienia w obu komorach akumulacyjnych zbiornika. Dzięki temu zabiegowi uzyskiwana jest dodatkowa wolna objętość w aktualnie napełnianej komorze. Prostszym sposobem w takim przypadku opracowanym podczas eksperymentalnych badań na fizycznym modelu zbiornika jest celowa zmiana cyklu działania komór. Jest to sposób natychmiastowy, opróżniania całkowicie wypełnionej komory, zaś komora, która była opróżniana i jest częściowo jeszcze napełniona, przejmuje zadanie przyjmowania ścieków dowożonych do stacji zlewnej. VI. MODEL MATEMATYCZNY DZIAŁANIA ZBIORNIKA RETENCYJNEGO STACJI ZLEWNEJ Rys.5. Schemat obliczeniowy do wyznaczenia objętościowej wydajności napływu powietrza z atmosfery do opróżnianej komory zbiornika Do opracowania modelu matematycznego działania komór retencyjnych zbiornika stacji zlewnej przyjęto następujące założenia: 1) w procesie podciśnieniowego opróżniania komory retencyjnej zbiornika rozprężanie powietrza nad zwierciadłem ścieków następuje zgodnie z prawem izotermicznym Boyle- Mariotte a, 2) w procesie podciśnieniowego opróżniania komory zbiornika przepływ powietrza w instalacjach napowietrzania komory będzie przepływem poddziwiękowym, 3) w procesie podciśnieniowego opróżniania komory pomija się wpływ parowania ścieków, 4) w procesie grawitacyjnego opróżniania komór zbiornika końcowa faza, w której głębokości napełnień komór oraz natężenia przepływów są niewielkie, mimo że, postać wzoru

11 Q f 2gh wyrażająca ciśnieniowy wypływ cieczy ze zbiornika i nie znajduje ugasadnienia hydraulicznego, to jest on stosowany do całkowitego opróżnienia zbiornika. Stosownie do przyjętych złożeń wstępnych oraz schematu obliczeniowego pokazanego na rysunku 5 określone zostały parametry, którymi są: wartość chwilowego ciśnienia powietrza nad zwierciadłem ścieków w opróżnianej komorze zbiornika: at ZPi p h H p h z czego wnika, że: h p (hh ) p 0 ZPi a także: p p h H h at at ZPi masa powietrza znajdująca się w opróżnianej komorze nad zwierciadłem ścieków w dowolnej chwili czasu: mp VZC 1 V Zh gdzie: p 0 p jak dla przypadku przemiany izotermicznej. at natężenie wypływu cieczy QZPi opróżnianej komory zbiornika w dowolnej chwili czasu t : Q f 2g h ZPi 0 0 ZPi dla: h p H h p 0 ZPi at Opróżnianie komory z cieczy będącej w podciśnieniu na skutek stosownego doprowadzania do jej wnętrza powietrza z atmosfery, opisane jest za pośrednictwem równań różniczkowych wyrażających procesy, którymi są: wartość objętości dv odpływu cieczy z komory zbiornika w czasie ( dt ): Q dt F dh ZPi Zh napływ masy powietrza dmp QNi 0 dt dt 0 dt zmiana ciśnienia p i masy powietrza w opróżnianej komorze: dm z atmosfery do opróżnianej komory w czasie ( dt ): P m w chwili dt nad zwierciadłem cieczy dm dp dv dh dp dt V 1 p V dt P 0 Zh ZC Zh dt p at dt dh dt dt a po uporządkowaniu: dmp V 0 ZC 1 VZh FZh dh ZPi QZPi 1 p dt pat FZh QZPi dt dt

12 dla: dh vzi dt, Q oraz ZPi vzi FZh Q dv dt Zh ZPi dh F dt Związek między wartością objętościowego napływu powietrza z atmosfery Q Ni do opróżnianej komory a natężeniem odpływu ścieków Q ZPi z tej komory. Dla przekształconego równania do postaci: p VZC 1 VZh FZh dh ZPi QNi QZPi 1 pat FZh pat QZPi dt i po uwzględnieniu, że: Zh dh Q Q d Q 2 ZPi d ZPi ZPi ZPi dt dt 2g f g f dt dla: 0 0 ponieważ 0 1,0 a 0 00, oraz: at p p hh h ZPi a także: h Zi otrzymano: Q 2 ZP i 2 2 2g f 2 Q ZP i hh 2 2 2g f V ZC 1 V Zh F Zh dq ZP i QNi QZPi p at / FZh p at / g f dt dqzpi dhzi Dla praktycznego założenia, że QZP i const, otrzymujemy 0 i dt dt przyjmuje postać: 0, związek 2 Q ZP i hh 2g 2 f 2 VZC 1 V QNi QZPi 1 p at / FZP p at / Przyjmując ponadto, że wymiar h ZP i Zh w odniesieniu do pozostałych liniowych wielkości jest wartością zaniedbywanie małą (kilka milimetrów) i tym samym nie mając znaczącego wpływu na wynik rozwiązania równania, można go pominąć w obliczeniach. Wówczas otrzymamy: h H VZC 1 V QNi QZPi 1 p at / FZh p at / Zh Dla chwili t0 0, co oznacza początek procesu podciśnieniowego opróżniania całkowicie wypełnionej komory zbiornika otrzymujemy: VZh VZC, FZh F ZH, h HZ

13 Q V H H F A0 1 Q F N P ZC Z ZH Zp P ZH p at Dla czasu t0 T, którym następuje zakończenie procesu podciśnieniowego opróżniania komory zbiornika, otrzymujemy z kolei: V 0, F F, h 0 Zh Zh Z 0 Q V 1 H F A0 1 Q F N K ZC Z 0 ZP K Z 0 p at Rys.6. Prostopadłościenna komora retencyjna zbiornika Z obliczeń wynika, że wartość objętościowego dopływu powietrza komory dla zapewnienia odpływu o natężeniu z obniżanym napełnieniem komory h. Q Z Q N do prostopadłościennej jest funkcją liniowo, która rośnie wraz Rys.7. Komora retencyjna zbiornika, w której ściana tylna jest pochylona

14 1,2 A0 1,1 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 h 0,4 0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2 2,25 2,5 2,75 3 Rys.8. Wykres zmiany parametru A 0 = Q Ni / Q Z i od napełnienia (h) w nieprostopadłościennej komorze retencyjnej podczas jej opróżniania w podciśnieniowych warunkach Natomiast dla przykładu nieprostopadłościennej komory retencyjnej zbiornika (rys. 7) QN zmiana parametru A0 od napełnienia komory h przedstawia wykres na rys. 8. Q ZP VII. WYRÓWNANIE POZIOMÓW CIECZY W KOMORACH ZBIORNIKA RETENCYJNEGO STACJI ZLEWNEJ Opracowanie matematycznego opisu wyrównywania poziomów cieczy w trzech komorach poprzedziły kompleksowe badania analityczne dotyczące opróżniania szeregowo połączonych dwóch i więcej komór zbiornika. Badania te umożliwiły opracowanie przybliżonych schematów obliczeniowych na podstawie których z wystarczającą dokładnością opisywane są procesy ich opróżniana z uwzględnieniem ich przebiegu w czasie. Wynikające z nich wzory przybliżone z powodzeniem znalazły zastosowanie w matematycznym opisie przebiegu procesu wyrównywania poziomów cieczy w trzech komorach zbiornika. W rozważanym przypadku dotyczącym komór prezentowego zbiornika retencyjnego stacji zlewnej uwzględniony został również przypadek, w którym napełniana komora jest w warunkach podciśnienia powietrza w niej zamkniętego. 1 W chwili początkowej procesu wyrównywania napełnień (rys.9), komory i 0 są wypełnione całkowicie, zaś w komorze2 napełnionej do głębokości h 21, zamknięte powietrze jest w stanie obniżonego ciśnienia p1 p at. Proces wyrównania napełnień w zbiorniku 2. następować będzie przy otwartych do atmosfery komorach 1 i Wartość tego podciśnienia w komorze 2 określona jest wzorem: p p H h 1 at 21 i odnosi się do objętości zamkniętego w niej powietrza, oznaczonej jako V 1.

15 Rys.9. Stan początkowy procesu wyrównywania napełnień w komorach zbiornika retencyjnego Objętość cieczy, która po wypełnieniu komory 2 spowodowałaby tylko maksymalne sprężenie zamkniętego w niej powietrza, bez możliwości wyrzucenia jego na zewnątrz do atmosfery, wynosi: V dla: V 1 1 H h h p / h 21 0 at 0 V V H V h 1 Z 0 Z 21 przy czym wartość ciśnienia sprężonego powietrza będzie wówczas równa: pk pat h0 Jeżeli w komorze, która jest napełniana w procesie wyrównywania stanów napełnienia, ciśnienie powietrza nad zwierciadłem cieczy jest mniejsze od atmosferycznego p p at i w trakcie napełniania tej komory będzie sprężane do określonej stałej wartości, to chwilowe natężenie dopływu do niej cieczy wyniesie: pat p pat p Q0i 0 f0 2gx z 0 f0 2gxz gdzie: x - z - napełnienie komory, w której ciśnienie powietrza jest mniejsze od atmosferyczne- napełnienie otwartej do atmosfery komory 0, z której następuje dopływ cieczy do aktualnie napełnianej komory 2, 2 go, p p at

16 p at p - wysokość ciśnienia atmosferycznego, - wysokość chwilowej wartości ciśnienia powietrza w napełnianej komorze, które zgodnie z przemianą izotermiczną gazu w zbiorniku prostopadłościennym wynosi: p p1 V1 p1 H0 V F zh H h z dla: p p 1 at H h 21 Natężenie dopływu może być obecnie zapisane następująco: pat pat H 0 Q0i 0 f0 2gxz H h21 H0 h21 z pat Oznaczając: H h21 H0 A i H0 h21 B wzór przyjmie postać: Q f 2gx z p at 0i 0 0 A B z Zgodnie z procedurą obliczeniową wyrównywania napełnień w dwóch komorach równanie różniczkowe, opisujące taki proces w rozważanym przypadku, posiadać będzie następującą postać: Q0i dt F0 dx F2 dz F0 Po oznaczeniu xz h otrzymamy dx dz dh oraz dz F F t1 hk F F 0 2 dt 0 h dh 0 2 dh, otrzymamy : F0 F2 0 f0 2g p P at A h B z H0 W przypadku gdy xp HK a w przedziale od hp H0 h 21 do h K x P h 21 h 2P, H0 względnie gdy xp HK a w przedziale od hp H0 h 21 do h K H K h 21 h 2S, przepływ z komory do komory 2 zostanie uśredniony w następujący sposób: 0 pat psr pat 0,5 p1 p 2 Q0i 0 f0 2gh 0 f0 2gh a po oznaczeniu: p 0,5 p p at C otrzymano wzór na uśredniony przepływ postaci:

17 Q f 2g h C 0i Czas zmiany stanów napełnień w dwóch komorach zbiornika obliczony zostanie wzorem: 2F0 F2 t1 hp C12 F F f 2g h C K 12 W przypadku gdy w wypełnianej komorze 2 wysokość ciśnienia zostanie ustalona do stałej wartości p p h K at 0, to natężenie przepływu określać będzie wzór: p p Q f 2g xz f 2g h h at K 0i Natomiast czas zmiany stanów napełnień w dwóch komorach zbiornika obliczony zostanie wzorem: 2F F t h h P 0 F0 F2 0 f0 2g h h K 0 Dla prostopadłościennej względnie cylindrycznej komory zbiornika objętość zam-niętego w niej powietrza w chwili początkowej wynosi: V F H h V 1 Przepływ objętości cieczy V h F H F z komory 0 do komory 2 2P 2 0P w pierwszym etapie procesu uproszczonego schematu obliczeń, w którym: H0 H0P H0 xp, czyli że xp HK a 2 H 0 F1 0 f 0 dla: xp, gdzie z kolei a 1 a F1 F0 1 f1 może spowodować dwa przypadki, w których: Dla: V2 h2p F2 H0P F0 V 1 wzrost ciśnienia w sprężonym powietrzu w komorze 2 na skutek wypełnienia jej objętością cieczy V2 będzie taki, że p2 pk i wyniesie: V V p p p H h at 21 V1 V2 V1 F2 h 2P 0 Ciśnienie p 2 można również wyrazić w następujący sposób: H h p p H at H0 h21 h 2P lub równoznacznie: V V H h h H h h p p p p h h K K at 0 V1 V2 H0 h21 h2p H0 h21 h2p 2

18 V1 dla: h h h h F S 2 Dla V, 2 V1 co stanowi przypadek raczej wyjątkowy w praktyce, ciśnienie powietrza najpierw wzrośnie do wartości p2 pk, a odpowiadająca objętość przyjęta przez komorę 2 będzie równa V1. Dalszy napływ objętości cieczy V2 V1 następować będzie przy stałym ciśnieniu p K i będzie on powodować wyprowadzanie powietrza z wnę- 2 do atmosfery. trza komory Czas trwania pierwszego etapu (rys.10) w przyjętym uproszczonym schemacie obliczeń dla przypadku, gdy V2 V 1, wyniesie: 2F0 F2 t1 hp C12 F F f 2g h C K 12 dla początkowej różnicy wysokości ciśnień w komorze 0 i 2, która wynosi: h C H h P p 0,5 p p at 1 2 oraz jej wartości końcowej równej: h C H H h h C H H h C K P 21 2P P F 0 H0 H0P 1 h21 F2 p 0,5 p p at 1 2 Rys. 10. Napełnienie komór zbiornika retencyjnego w chwili zakończenia pierwszego etapu zgodne z przyjętym uproszczonym schematem obliczeń zostanie podzielony na dwa przedzia- Czas trwania drugiego etapu (rys. 11) dla V2 ły: V 1

19 W przedziale pierwszym komora 2 p K dopełniona zostanie cieczą do stanu, przy którym ciśnienie powietrza osiągnie wartość. W tym przedziale nadal wykorzystana będzie uśredniona wartość natężenia przepływu. Wypełnienie dodatkowej objętości będzie wynosiło: H h h V V V V H F P p at / h0 Dopływ do komory objętości V spowoduje podwyższenie stanu jej napełnienia do wartości: 2 0 V V V h h h h h h h S 21 2 P 22 F2 F2 F2 oraz obniżenie stanu napełnienia w komorze zastępczej o powierzchni poziomego przekroju wynoszącej F F F F o wartość równą: H 0D Z 1 0 V0 V0 V0 FZ F1 F0 F F1 H 0/ xp F 0 Wówczas różnica wysokości ciśnień w komorach - początkowa h C H H h h K 2K 0 0P 21 2P p 0,5 p p at 2 K 0 F Z i F 2 wyniesie: - końcowa h C H H H h KK 2 K 0 0 P 0 D 23 p 0,5 p p at 2 K Rys.11. Wyrównywanie napełnień w komorach zbiornika w etapie drugim uproszczonego schematu obliczeń

20 Czas trwania drugiego etapu wyrównywania napełnień w komorach zbiornika w przedziale pierwszym jest zatem równy: t 21 2F F F K h C h C W K 2K KK 2K F F K F f 2g 1 0 0W dla: 3 2 F f K W W F F 1 0 f 1 1 H0 1 oraz: W H ah 0 K Czas trwania drugiego etapu wyrównywania napełnień w komorach zbiornika w przedziale drugim wyniesie: FZ i F2 t 22 2F F F K h h W KK 0 F F K F f 2g 1 0 0W h H H H h dla: KK 0 0 P 0 D 23 Czas trwania pierwszego etapu w przypadku, gdy V2 V1 zostanie podzielony na dwa przedziały. 2 W przedziale pierwszym komora dopełniona zostanie taką objętością cieczy, przy której ciśnienie powietrza wewnątrz komory osiągnie wartość p K. Oznacza to, że w pierwszym przedziale czasowym do komory 2 wpłynie tylko objętość V1 HPS F0 h2sf 2. Czas trwania pierwszego etapu wyrównywania napełnień w komorach zbiornika w przedziale pierwszym jest zatem równy: 2F F t h C h C P 1K KS 1K F0 F20 f0 2g gdzie: pat 0,5 p1 pk hp C1K H0 h21 V1 V p 1 at 0,5 p1 pk hks C1K H0 h21 F F 0 2 p 0,5 p p p 0,5 p p H H h h H H h at 1 K at 1 K 0 PS 21 2S 0 PS 23 Czas trwania pierwszego etapu wyrównywania napełnień w komorach zbiornika w przedziale drugim wynosi: 2F F t h h h h K 0 0 K 0 F0 F20 f0 2g dla: V V h H h H H h 1 1 K PS 23 F0 F2

21 V V h H h H H h h2p 2 2 K P 21 F0 F2 Czas trwania drugiego etapu w przypadku, gdy V2 V1 wyznaczony zostanie dla zastępczej jednej komoryf F F F i komory 2 z równania: t 2 2F F F K h h W K 0 F F K F f 2g 1 0 0W Z 1 0 Wyrównanie napełnień w komorach retencyjnego zbiornika ustali głębokości w komorach i, natomiast w komorze H h, co wynika głębokość z zanurzenia h 0 przewodu odpowietrzającego w cieczy (rys. 12). K 0 H K Rys. 12. Końcowy efekt procesu wyrównywania stanów napełnień w komorach zbiornika stacji zlewnej H0 Jeżeli jednak wyliczona wartość xp H K, co z reguły dotyczyć będzie studni Rozdziału przepływów w retencyjnym zbiorniku stacji zlewnej jako komory 0, należy posłużyć a się uproszczonym schematem w wersji dla takiego przypadku. Przepływ objętości cieczy V h F H H F0 z komory do komory 2 2K 2 0 K w pierwszym etapie procesu uproszczonego schematu obliczeń, w którym: H0K H0 HK może spowodować także dwa przypadki: 0 2

22 Dla: V2 h2k F2 H0K F0 V 1 jak poprzednio wzrost ciśnienia w sprężonym powietrzu w komorze2 na skutek wypełnienia jej objętością cieczy V2 będzie taki, że p p i wyniesie: 2 K V V p p p H at V1 V2 V1 F2 h 2K h 21 ciśnienie p 2 można wyrazić również w następujący sposób: H h p p H at H0 h21 h 2K h 21 Czas trwania pierwszego etapu w przyjętym uproszczonym schemacie obliczeń dla przypadku, gdy V2 V1, wyniesie: 2F0 F2 t1 hp C12 hk C12 F F f 2g dla początkowej różnicy wysokości ciśnień w komorze 0 i 2, która wynosi: h C H h P p 0,5 p p at 1 2 oraz jej wartości końcowej równej: h C H H h h C H h K K 21 2K 12 K 22 p 0,5 p p at 1 2 Czas trwania drugiego etapu dla V2 V 1 podzielony zostanie również na dwa przedziały: W przedziale pierwszym komora dopełniona zostanie objętością V cieczy do stanu, 2 0 przy którym ciśnienie powietrza osiągnie wartość. W tym przedziale nadal wykorzystana będzie uśredniona wartość natężenia przepływu. Dodatkowa objętość cieczy będzie zatem równa: H h h V V V V H F K p at / h0 Dopływ do komory objętości V spowoduje podwyższenie stanu jej napełnienia do wartości: V h h h h S F2 2 0 oraz obniżenie stanu w komorze o wartość równą: p K 0 1 H0R F1 Wówczas różnica poziomów w komorach 1 i 2 wyniesie: - początkowa h C H h C H h P1 2K K końcowa p 0,5 p p 0 at 2 K V

23 h C H H h K1 2K 0 0R 23 p 0,5 p p at 2 K Czas trwania drugiego etapu wyrównywania napełnień w komorach zbiornika w przedziale pierwszym jest zatem równy: 2F F 1 f / f t h C F F f 2g P1 2K hk1 C2K Czas trwania drugiego etapu wyrównywania napełnień w komorach zbiornika w przedziale drugim wyniesie: t 2F F 1 f / f hk 1 h0 F F f 2g h H H h dla: K1 0 0R 23 2 Czas trwania pierwszego etapu w przypadku, gdy V2 V1 podzielony zostanie również na dwa przedziały. W przedziale pierwszym komora dopełniona zostanie cieczą do stanu, przy którym ciśnienie powietrza osiągnie wartość wartość natężenia przepływu. 2 p K. W tym przedziale wykorzystana będzie uśredniona Czas trwania pierwszego etapu wyrównywania napełnień w komorach zbiornika w przedziale pierwszym jest zatem równy: 2F F t h C F F f 2g P 1K K 1K gdzie: i h C H h P 1K 0 21 h p 0,5 p p 1 1 K 1K 0 21 F0 F2 at 1 K V V h C H h oraz: V H F H H F0 2 0K 0 0 K C p 0,5 p p at 1 K Czas trwania pierwszego etapu wyrównywania napełnień w komorach zbiornika w przedziale drugim wynosi: 2F F t h h F F f 2g K 0 K h h V1 V1 V2 V2 dla: hk H0 h21 i hk0 H0 h3 F F F F Czas trwania drugiego etapu w przypadku, gdy V2 V1 wyznaczony zostanie z równania:

24 t 2F F 1 f / f hk 0 h0 F F f 2g K Wyrównanie napełnień w komorach retencyjnego zbiornika ustali jak poprzednio głębokość H w komorach i, zaś w komorze H h, co wynika z zanurzenia h głębokość przewodu odpowietrzającego w cieczy. K 0 VII. PRZEPROWADZONE BADANIA MODELOWE ORAZ UZYSKANE Z NICH WYNIKI Model retencyjnego zbiornika stacji zlewnej został zbudowany, zgodnie ze schematem jego działania, z materiału przeźroczystego (plexiglasu). Model został wyposażony we własny zamknięty obieg wody oraz w te niezbędne elementy, które umożliwiały sterowanie procesami napełniania i opróżniania komór zbiornika. Przeniesienie do naturalnej skali i odwrotnie wartości fizycznych (hydraulicznych) wielkości oraz geometrii zbiornika dokonywane może być zgodnie z hydrodynamicznym kryterium Froude a. Fot.VI. Model zbiornika retencyjnego stacji zlewnej w wersji ciśnieniowego odprowadzania ścieków z jego komór akumulacyjnych Liczne eksperymenty potwierdziły pogląd, że uzyskanie takiej dodatkowej pojemności można osiągnąć, powodując chwilowy proces wyrównania poziomów napełnień w obu komorach zbiornika, lecz sposobem rekomendowanym będzie zmiana trwającego procesu działania komór na proces przeciwny. Oznacza to, że w chwili kiedy komora będąca w procesie napełniania wypełniona całkowicie i nadal występuje potrzeba odbioru ścieków, a komora druga, będąca z kolei w procesie podciśnieniowego opróżniania, jest z reguły jeszcze częściowo na-

25 pełniona, za pośrednictwem zasuw dokonane zostaje odwrócenie procesów działania w obu komorach. Obecnie przyjmować będzie dowożone ścieki komora dotychczas opróżniana, zaś w całkowicie wypełnionej komorze zapoczątkowany zostanie proces jej opróżniania. Kolejne badania zostały ukierunkowane na możliwość zastąpienia ciśnieniowego transportu ścieków do oczyszczalni rurociągiem na bezciśnieniową linię przesyłową kolektorem. Efekt taki osiągnięto po zastosowaniu syfonowych zakończeń na obu przewodach rurowych, które odprowadzają ścieki z retencyjnych komór zbiornika. Wymagało to odpowiedniej przebudowy modelu zbiornika w zakresie zmiany systemu odprowadzania ścieków z poszczególnych komór retencyjnych zbiornika. Rozdzielone zostały zatem oba rurociągi zrzutowe komór zaopatrzone w syfonowe zakończenia wprowadzone zostały do studzienki, począwszy od której odpływ ścieków do oczyszczalni realizowany będzie o swobodnym zwierciadle cieczy za pośrednictwem kolektora. Syfony miały spełnić drugą rolę, polegającą na zastąpieniu pojemników z cieczą, w które zanurzone są przewody odpowietrzające komory retencyjne w procesie ich napełniania. W rozwiązaniu tego problemu przyjęto, że przewody odpowietrzające zostaną wprowadzone we wznoszącą się część syfonu na kierunku odpływu, w której pozostaje ciecz po ustaniu przepływu. Każdy przewód odpowietrzający daną komorę retencyjną wprowadzony został syfon przyporządkowany we właściwy przewód odpływowy. Aby zapewnić ciągłe napełnienie każdego syfonu gwarantujące odcięcie komory retencyjnej od atmosfery, a także możliwość odpowiedniego podniesienia zwierciadła cieczy w przewodzie odpowietrzającym w chwili zmiany procesu napełniania na opróżnianie w danej komorze, obydwa syfony połączone zostały w swych najniższych punktach króćcem rurowym. Fot.VII. Model zbiornika retencyjnego stacji zlewnej w wersji bezciśnieniowego odprowadzania ścieków z jego komór akumulacyjnych Działanie króćca rurowego łączącego obydwa syfony w ich najniższych punktach zapewnia w każdej chwili naprzemiennego działania retencyjnych komór zbiornika zatopienie w cieczy wylotu przewodu odpowietrzającego komorę retencyjną. W procesie jej napełniania

26 umożliwione jest przez to odprowadzanie sprężanego powietrza z jej wnętrza do atmosfery bez możliwości zmiany kierunku przepływu tego powietrza. Z kolei w procesie podciśnieniowego opróżniania komory zanurzony w cieczy wylot przewodu odpowietrzającego zasysa do swego wnętrza ciecz do poziomu napełnienia, jakie aktualnie występuje w opróżnianej komorze, uniemożliwiając w tym przypadku napływ powietrza z atmosfery do jej wnętrza. Druga wersja rozwiązania zbiornika retencyjnego stacji zlewnej zrealizowana na modelu potwierdziła przyjętą nową koncepcję niezawodnego odprowadzania powietrza do atmosfery w procesie napełniania komór. Podciśnieniowy sposób sterowania natężeniem odpływu ścieków z opróżnianej komory zbiornika retencyjnego sprawdzony został doświadczalnie dla różnych wariantów zmian wartości odpływu do natychmiastowego jego zatrzymania i ponownego uruchomienia dla dowolnej wartości odpływu. Sterowanie podciśnieniowe odpływem okazało się bardzo elastyczne i niezawodne. Poduszka powietrzna w komorze zbiornika doskonale amortyzowała mogące powstawać uderzenia hydrauliczne przy nagłych zmianach natężenia odpływu czy uruchomieniach przepływów. Dokonywanie tak różnych zmian w zakresie natężeń odpływów realizowane było niezmiernie prosto za pośrednictwem regulacji dopływem powietrza z atmosfery do podstropowej strefy opróżnianej komory zbiornika. Podstawowe badania prowadzone były w aspekcie weryfikacji założonych procesów hydraulicznych, których spełnienie było niezbędnym warunkiem prawidłowego funkcjonowania zbiornika. W prowadzonych badaniach sprawdzane były sytuacje ekstremalne działania zbiornika, mogące prowadzić do zakłócenia przemiennego cyklu pracy jego komór. Efektem tych zabiegów była potrzeba uzyskania pozornej rezerwy pojemnościowej w celu zapewnienia ciągłego odbioru ścieków dowożonych wozami asenizacyjnymi. Badania na modelu fizycznym zbiornika umożliwiły również sprawdzenie wersji zbiornika, w którym odprowadzenie ścieków z komór retencyjnych do oczyszczalni realizowane może być grawitacyjnie za pośrednictwem kolektora. Pierwsza wersja transportu ścieków ze stacji zlewnej do oczyszczalni zakładała ich odprowadzenie przewodem ciśnieniowym, którego zatopiony wylot musiałby być w punkcie odbioru. Warunek zatopienia wylotu rurociągu pod mało wahliwym zwierciadłem cieczy w punkcie odbioru ścieków w oczyszczalni stanowił warunek konieczny dla precyzyjnego podciśnieniowego sterowania natężeniem dopływu tych ścieków. W wersji z grawitacyjnym transportem ścieków na oczyszczalnię utrzymanie stałych warunków dla podciśnieniowego ich zrzutu z opróżnianej komory, gwarantują blisko usytuowane od komór syfonowe ukształtowania wylotów ich rurociągów odpływowych. Syfonowe zakończenia ruro-ciągów odpływowych z poszczególnych komór zbiornika wprowadzone są do studzienki, z której kolektorem ścieki są transportowane do oczyszczalni. Ukształtowanie wylotów ruro-ciągów odpływowych komór w kształcie syfonów zabezpiecza procesy ich opróżniania przed niekontrolowanym napływem powietrza z atmosfery do ich wnętrza. Można zatem stwierdzić, że przeprowadzone prace doświadczalne na modelach fizycznych zbiornika pozytywnie zweryfikowały dwa rozwiązania sposoby odprowadzania strumienia fekaliów do oczyszczalni ścieków. W przypadku pierwszym ciecz nieczystości odprowadzona jest ciśnieniowym rurociągiem o dowolnie dobranej średnicy, albowiem o przepływie decyduje ilość powietrza doprowadzonego do opróżnianej komory. W przypadku drugim nieczystości płynne są odprowadzane do oczyszczalni ścieków kolektorem, tzn. strumieniem o swobodnym zwierciadle. W rozwiązaniu tym przewody rurociągów wyprowadzone z poszczególnych komór zbiornika mają ukształtowane zakończenia w postaci syfonów, które w najniższym punkcie połączone są króćcem rurowym. W strefie zatrzymywanej cieczy w syfonach wprowadzone są końcówki rurek odprowadzających powietrze z wypełnianych komór zbiornika. Połączenie dolnych części syfonów króćcem rurowym zabezpiecza opróżnianą podciśnieniową komorę przed niekontrolowanym napływem do jej wnętrza powietrza z atmosfery. Szczególne znaczenie ma to w zabezpieczeniach początkowego momentu uruchomienia odpływu podciśnieniowego z danej komory, ponieważ przewód odpowietrzający zasysa do swego wnętrza ciecz z syfonu aż do poziomu

27 zgodnego z rzędną wypełnienia komory. Wyloty z syfonów umiejscowione są w odpowiedniej studzience począwszy, od której ścieki grawitacyjnie odprowadzone są kolektorem do oczyszczalni. VIII. UWAGI KOŃCOWE I WNIOSKI Zagadnienia związane z odbiorem ścieków dowożonych taborem asenizacyjnym do stacji zlewnych są wciąż bardzo istotne w działaniu na rzecz skutecznego realizowania procesu ich oczyszczania. Dowożenie ścieków do stacji z podmiejskich nie skanalizowanych obszarów jest zatem działaniem uzasadnionym niezbędną koniecznością ich oczyszczania. W polskich warunkach taki sposób postępowania pozostaje nadal aktualny. Całkowite skanalizowanie obszarów pozamiejskich jest ciągle niemożliwe, zwłaszcza z powodu braku rzeczowego uzasadnienia ekonomicznego tego typu inwestycji. Dotyczy to przede wszystkim obszarów górzystych lub obszarów o rozproszonej zabudowie. Obecne rozwiązania w tym zakresie przewidują przede wszystkim realizację małych przydomowych oczyszczalni ścieków lub, gdy jest to uniemożliwione technicznie lub nieuzasadnione ekonomicznie zastosowanie zbiornika typu szambo, z którego ścieki sanitarne wywożone będą taborem asenizacyjnym do stacji zlewnych, skąd ostatecznie odprowadzone zostaną na kraty oczyszczalni. Dotychczasowe rozwiązania stacji zlewnych wyróżniają się mało efektywnymi sposobami sterowania natężeniem odpływu tych ścieków do oczyszczalni, bo-wiem realizują to one przez odpowiednie otwarcie zasuw. Ścieki dowożone wozami asenizacyjnymi do punku ich zrzutu, jakim jest stacja zlewna, wymagają dokonania szybkiej oceny ich ładunku po to, by można było ustalić właściwą proporcję ich zmieszania z dopływającymi ściekami do oczyszczalni. Uelastycznienie wszelkich możliwości sprzyjających wprowadzaniu odpowiednio przygotowanych ścieków sanitarnych do procesu ich oczyszczania, przy równoczesnym uniezależnieniu od częstości ich dostawy do stacji zlewnej, stanowi problem techniczny oczekujący wciąż na coraz to lepsze rozwiązania. Realizacja zatem takiego zbiornika retencyjnego stacji zlewnej, któryby: zapewniał przyjmowanie dowożonych ścieków w sposób ciągły, umożliwiał ich ewentualne, niekiedy niezbędne rozcieńczenie, gwarantował niezawodną i pełną regulację natężenia odpływu ścieków do oczyszczalni, a także pozwalał na właściwą rejestrację niezbędnych parametrów jakościowoilościowych tych ścieków, stanowiłoby spełnienie oczekiwań z tym związanych, również w zakresie utrzymania optymalnych warunków działania ciągu technologicznego oczyszczania ścieków. Prezentowany dwukomorowy zbiornik retencyjny typu PERFETKUS, przeznaczony jest do przyjmowania nieczystości płynnych dowożonych przez wozy asenizacyjne do stacji zlewnej. Zapewnia on kontrolowany odpływ strumienia ścieków do oczyszczalni i może być w praktyce realizowany w dowolnym układzie wzajemnego ułożenia przestrzennego komór względem siebie. Komory zbiornika mogą przylegać do siebie posiadając w ten sposób jedną wspólną ścianę, zaś studnia rozdziału ścieków stanowiąca jedną z komór zbiornika, zlokalizowana wówczas może być w osi wspólnej przegrody, przypadku innym komory zbiornika mogą być wzajemnie oddzielone od siebie i wówczas studnia rozdziału może znajdować się w środku między komorami. Przeprowadzone liczne przykłady obliczeniowe dotyczące określenia czasu przebiegu procesu wyrównywania poziomów napełnień cieczą w komorach retencyjnych zbiornika wykazały, że jest on na tyle nie długi, i dlatego można w praktyce dokonywać takiego zabiegu w celu uzyskania dodatkowej wolnej pojemności zbiornika retencyjnego stacji zlewnej.

28 Wyprowadzone uproszczone metody obliczań czasu opróżniania trzech i większej liczby szeregowo połączonych komór zbiornika, na podstawie wcześniej opracowanego i publikowanego sposobu przybliżonego czasu opróżniania dla dwóch szeregowo połączonych komór, wykazują dużą wiarygodność w uzyskiwanych wynikach. Taka teza może być postawiona, bowiem przyjęte uproszczenia w tej metodzie wynikają z fizycznych podstaw przebiegu takiego procesu. Uzyskanie potwierdzenia na drodze rozwiązań numerycznych równań różniczkowych opisujących taki proces, musi obejmować znaną liczbę przykładów, aby na drodze wysokiego prawdopodobieństwa móc stwierdzić na ile obie metody będą zbieżne w uzyskiwanych wynikach obliczeń. Dlatego problem ten musi znaleźć odpowiedź w terminie późniejszym, stanowiąc tym samym kontynuację podjętych zagadnień w niniejszej rozprawie. Analogicznie można i należy potraktować problematykę związaną z przybliżonym rozwiązaniem procesu wyrównywania poziomów napełnień cieczy w komorach zbiornika. Obliczanie czasu opróżniania warstwy cieczy względnie jej dopływu do komory, w której ciśnie-nie powietrza jest różne od atmosferycznego powodując tym samym jego rozprężenie lub sprężenie może być obliczane posługując się jego wartością średnią wyznaczoną jako średnia arytmetyczna z wartości ciśnienia na początku i końcu zmiany napełnienia czy opróżnienia komory o zadaną warstwę cieczy. Ponieważ średnia całkowa (ważona) jest nieznacznie różna od średniej arytmetycznej uznano, że ta jako wygodniejsza do wyznaczenia zalecona zostanie do obliczeń praktycznych. Uznano również że obliczanie czasu zmiany napełnienia w komorze zbiornika dla uśrednionej wartości ciśnienia jest poprawne i wystarczająco dokładne jeżeli w prostopadłościennej komorze przyjmowane warstwy zmiany napełnienia cieczą będą nie większe od 0,2m. Przeprowadzone badania teoretyczne oraz eksperymentalne retencyjnego zbiornika typu PER- FETKUS przeznaczonego dla stacji zlewnych potwierdzając postawione na wstępie tezy niezbicie wykazały, że: rekomendowane rozwiązanie retencyjnego zbiornika dla stacji zlewnej dzięki podciśnieniowemu opróżnianiu jego komór akumulacyjnych umożliwia odprowadzenie ścieków do oczyszczalni w sposób ciągły z możliwością dokonywania odpowiednich zmian wartości natężenia odpływu, łącznie z natychmiastowym jego zatrzymaniem, grawitacyjne napełnianie zamkniętych i odciętych od atmosfery komór akumulacyjnych zbiornika zapewnione jest przez zanurzenie w cieczy wylotów przewodów odpowietrzających względnie, co bardziej efektywne ich wprowadzenie we wznoszącą się części przewodu syfonu, którym zakończona jest wówczas rura odpływu z każdej ko-mory. komory akumulacyjne zbiornika w każdej fazie eksploatacyjnej jego działania zapewniają przyjęcie dodatkowych objętości ścieków dowiezionych wozami asenizacyjnymi dzięki zamianie aktualnie realizowanych procesów napełniania i opróżniania na przeciwne. sposób działania zamknięć (zasuw) za pośrednictwem, których przy ich całkowitym otwarciu lub zamknięciu dana komora akumulacyjna znajduje się w fazie napełniania względnie opróżniania, gwarantuje stabilny odpływ, który podlegając ciągłemu pomiarowi jego natężenia posiada wówczas dużą wiarygodność. pełna kontrola oraz płynne i niezawodne sterowanie wartością natężenia odpływu ścieków do oczyszczali w zależności od przyjętego sposobu ich dozowania (odpływ o stałej wartości natężenia lub proporcjonalny do zmiennych czasowych podstawowych dopływów ścieków do oczyszczalni) uzyskiwane jest dzięki podciśnieniowemu sposobowi opróżniania komór akumulacyjnych a także za przyczyną przyjętego jednolitego działania zamknięć przewodów rurowych zbiornika.

29 SERWIS FOTOGRAFICZNY Z BADAŃ EKSPERYMENTALNYCH NA MODELU FIZYCZNYM ZBIORNIKA RETENCYJNEGO STACJI ZLEWNEJ A. WERSJA ZBIORNIKA, W KTÓRYM ODPŁYW ŚCIEKÓW Z KOMÓR RETENCYJNYCH DO STUDZIENKI ZRZUTOWEJ PRZY OCZYSZCZALNI REALIZOWANY JEST RUROCIĄGIEM CIŚNIENIOWYM Fot. 1. Widok ogólny modelu zbiornika retencyjnego ścieków dowożonych do stacji zlewnej Fot. 2. Wersja modelu zbiornika retencyjnego stacji zlewnej, w której ścieki z komór retencyjnych odprowadzane są przewodem ciśnieniowym

30 Fot. 3. Wypełnianie cieczą pierwszej komory retencyjnej początkujące proces działania zbiornika Fot. 4. Końcowa faza napełniania pierwszej komory retencyjnej zbiornika

31 Fot. 5. Zagwarantowanie odcięcia komór retencyjnych od atmosfery przez zatopienie końca przewodu odprowadzającego ścieki w cieczy oraz minimalizacja wahań stanu zwierciadła cieczy w studzience zrzutowej dzięki zainstalowaniu tu przelewu Fot. 6. Urządzenia zabezpieczające komory zbiornika w procesie ich opróżniania przed niekontrolowanym połączeniem z atmosferą

32 Fot. 7. Odprowadzanie powietrza z wypełnianej ściekami komory retencyjnej zbiornika za pośrednictwem przewodu odpowietrzającego, którego wylot zatopiony jest w cieczy Fot. 8. Studzienka zrzutowa wraz z zainstalowanym w niej przelewem w wersji odprowadzania ścieków przewodem ciśnieniowym z komór retencyjnych zbiornika stacji zlewnej

33 Fot. 9. Zapoczątkowanie procesu napełniania drugiej komory retencyjnej zbiornika z równoczesnym opróżnianiem komory drugiej Fot. 10. Opróżnianie komory pierwszej i napełnianie komory drugiej przez odpowiednie otwarcie par zasuw przyporządkowanej każdej z jego komór

34 Fot. 11. Zbiornik retencyjny stacji zlewnej w trakcie naprzemiennego działania jego komór retencyjnych Fot. 12. Sposób Instalacji przewodów rurowych komór retencyjnych zbiornika retencyjnego stacji zlewnej

35 Fot. 13. Zasada otwierania i zamykania zasuw w celu zapewnienia opróżniania jednej i napełniania drugiej komory zbiornika Fot. 14. Widok ogólny prowadzonego doświadczenia na modelu zbiornika retencyjnego stacji zlewnej

36 Fot. 15. Widok czołowo - boczny na model zbiornika retencyjnego stacji zlewnej

37 B. WERSJA ZBIORNIKA, W KTÓRYM ODPŁYW ŚCIEKÓW Z KOMÓR RETENCYJNYCH DO STUDZIENKI ZRZUTOWEJ PRZY STACJI ZLEWNEJ REALIZOWANY JEST RUROCIĄGAMI ZAKOŃCZONYMI ELEMENTAMI W KSZTAŁCIE SYFONÓW Fot. 16. Wersja zbiornika retencyjnego stacji zlewnej, w której ścieki ze studzienki zrzutowej odprowadzane są do oczyszczalni grawitacyjnie za pośrednictwem kolektora Fot. 17. Końcowy stan opróżniania komory drugiej i dopełnianie komory pierwszej

38 Fot. 18. Zmiana rodzajów procesów działania komór zbiornika, w wyniku której opróżniana jest teraz komora pierwsza, zaś napełniana druga Fot. 19. Swobodny wypływ cieczy z syfonu komory pierwszej przy równoczesnym wypływie powietrza syfonem z napełnianej komory drugiej

39 Fot. 20. Grawitacyjny odpływ cieczy ze studzienki zrzutowej, do której doprowadzane są ścieki z komór retencyjnych Fot. 21. Widoczne podniesienie cieczy w giętkim przewodzie odpowietrzającym komorę podczas podciśnieniowego procesu jej opróżniania

40 Fot. 22. Odprowadzanie cieczy z drugiej komory retencyjnej przez syfonowe zakończenie rurociągu, który przyporządkowany jest każdej z komór Fot. 23. Swobodny dopływ cieczy z opróżnianej komory do studzienki zrzutowej (obniżonej w celu zwiększenia efektu wizualizacji)

41 Fot. 24. Widok z góry uzyskanego efektu swobodnego napływu cieczy ze studzienki zrzutowej Fot. 25. Widok z boku odpływu cieczy syfonowym zakończeniem rurociągu odprowadzającego ścieki z komory retencyjnej do studzienki zrzutowej

42 C. WERSJA ZBIORNIKA, W KTÓRYM ODPŁYW ŚCIEKÓW Z KOMÓR RETENCYJNYCH DO STUDZIENKI ZRZUTOWEJ PRZY STACJI ZLEWNEJ REALIZOWANY JEST RUROCIĄGAMI ZAKOŃCZONYMI ELE- MENTAMI W KSZTAŁCIE SYFONÓW WARIANT MODELU PO MODERNIZACJI Fot. 26. Zrzut ścieków z wozu asenizacyjnego do studni ich rozdziału na poszczególne komory retencyjne zbiornika stacji zlewnej Fot. 27. Napełnianie pierwszej komory retencyjnej zbiornika przy równoczesnym odprowadzaniu cieczy z komory drugiej

43 Fot. 28. Widok ogólny działania modelu retencyjnego zbiornika stacji zlewnej po jego modernizacji Fot. 29. Studzienka zrzutowa, począwszy od której ścieki w warunkach naturalnych odprowadzane będą grawitacyjnie za pośrednictwem kolektora do oczyszczalni

44 Fot. 30. Zlokalizowane w studzience zrzutowej syfonowe zakończenia rurociągów zrzutowych komór retencyjnych - widok ze strony lewej Fot. 31. Szczegół syfonowego ukształtowania wylotów rurociągów zrzutowych komór retencyjnych z widocznym króćcem łączącym oba syfony w ich najniższych punktach oraz sposobem wprowadzenia końcówek przewodów odpowietrzających komory - widok ze strony lewej

45 Fot. 32. Zlokalizowane w studzience zrzutowej syfonowe zakończenia rurociągów zrzutowych komór retencyjnych - widok ze strony prawej Fot. 33. Szczegół syfonowego ukształtowania wylotów rurociągów zrzutowych komór retencyjnych z widocznym króćcem łączącym oba syfony w ich najniższych punktach oraz sposobem wprowadzenia końcówek przewodów odpowietrzających komory - widok ze strony prawej

46 Fot. 34. Układ rurociągów zrzutowych retencyjnych komór zbiornika wyposażonych po dwie zasuwy przyporządkowane do każdej z komór Fot. 35. Widok z góry układu rurociągów zrzutowych retencyjnych komór zbiornika

47 Fot. 36. Widok z góry studzienki zrzutowej, do której wprowadzone są syfony rurociągów odprowadzających ścieki z komór retencyjnych zbiornika Fot. 37. Widok boczny studzienki zrzutowej, której przewidywana lokalizacja zalecana jest w pobliżu zbiornika stacji zlewnej

48 Fot. 38. Przewód odpowietrzający komorę retencyjną zbiornika podczas procesu jej napełniania oraz przewód drugi włączony w ten sam wlot do wnętrza komory, którym doprowadzany jest dozowany napływ powietrza z atmosfery w trakcie podciśnieniowego jej opróżniania Fot. 39. Zassanie cieczy (ścieków) do przewodu odpowietrzającego komorę retencyjną zbiornika podczas procesu jej podciśnieniowego opróżniania.

49 Fot. 40. Widok czołowy na model zbiornika stacji zlewnej po jego modernizacji

50 Fot. 41. Widok czołowo - boczny na model zbiornika stacji zlewnej po jego modernizacji