Rola retencyjnych zbiorników kanalizacyjnych w procesie zabezpieczania zurbanizowanych zlewni przed podtopieniami

Transkrypt

1 OŻNI: ADAM JÓZEF KISIEL Politechnika Częstochowska Instytut Inżynierii Środowiska Rola retencyjnych zbiorników kanalizacyjnych w procesie zabezpieczania zurbanizowanych zlewni przed podtopieniami Część II Przedstawiono retencyjne zbiorniki grawitacyjno-podciśnieniowe, które stanowią rozwiązania o wysokiej efektywności hydraulicznej i - z uwagi na uwarunkowania terenowe - mogą być w sposób prawie nieograniczony stosowane w praktyce. Zaprezentowano energooszczędne rozwiązania w wariancie z pompami próżniowymi oraz ssąco-tłoczącymi. Wielokomorowe zbiorniki z dynczą pompą próżniową Zbiornik typu COMMODUS-S Kanalizacyjne zbiorniki retencyjne o działaniu grawitacyjno-podciśnieniowym wspomagane energią elektryczną poje- Zbiornik typu COMMODUS-S [2, 3] ma grawitacyjną komorę przepływową i podciśnieniową komorę retencyjną (rys. 1), Podciśnieniowa akumulacja ścieków następuje za pośrednictwem elektrycznej pompy próżniowej przy współdziałaniu regulatora, który koryguje prędkość podnoszenia się i opadania zwierciadła ścieków w komorze podciśnieniowej. Zbiornik ma zdolność wyrównania odpływu ścieków zarówno w trakcie trwania procesu napełniania komory podciśnieniowej, jak i w czasie jej opróżniania. Wyrównuje on również odpływ ścieków ze zbiornika w tych przedziałach czasowych, podczas których natężenie dopływu do zbiornika osiąga war- Rys. 1. Schemat działania dwukomorowego zbiornika typu COMMODUS-S [1] tości mniejsze od natężenia zredukowanego odpływu. Możliwe jest tu również uzyskanie maksymalnego spłycenia ułożenia kolektora odpływowego, a także maksymalnego zmniejszenia powierzchni zajętej pod realizację tego zbiornika w odniesieniu do każdego rozwiązania wielokomorowego zbiornika o działaniu grawitacyjnym. Retencyjna komora podciśnieniowa zbiornika typu COMMODUS-S może osiągać głębokość napełniania do 5 m, co oznacza, że często będzie usytuowana w nasypie. Zbiornik typu MIRUS-S Trzykomorowy zbiornik typu MIRUS- -S [4] (rys. 2) jest szczególnym połączeniem zbiornika typu COMMODUS-S ze zbiornikiem typu CONTRACT. Może on działać w dwóch wariantach: w pierwszym wypełniana jest retencyjna komora podciśnieniowa, a po jej całkowitym napełnieniu retencyjna komora grawitacyjna; w drugim obie komory retencyjne wypełniane są jednocześnie. Ma identyczną właściwość wyrównywania odpływu ścieków ze zbiornika co zbiornik typu COMMODUS-S, pod warunkiem że w komorze podciśnieniowej znajdują się akumulowane ścieki. Zbiornik typu CONSES-S Trzykomorowy zbiornik typu CON- SES-S [1] różni się od zbiornika typu MIRUS-S tym, że wypełnianie ściekami retencyjnej komory podciśnieniowej następuje pionowym przewodem z retencyjnej komory grawitacyjnej (rys. 3). Gospodarka Wodna nr 8/

2 Zbiornik typu PARKUS-S Byś. 2. Schemat działania trzykomorowego zbiornika typu MIRUS-S [4] Uzyskuje założoną sprawność i efektywność tylko przy całkowicie wypełnionych obu komorach retencyjnych: grawitacyjnej i podciśnieniowej. Jego stosowanie w praktyce będzie zatem uzasadnione tylko w tych wypadkach, kiedy zagwarantowane jest jego całkowite napełnianie. Trzykomorowy zbiornik typu PAR- KUS-S [5] stanowi również połączenie zbiornika typu COMMODUS-S ze zbiornikiem typu CONTRACT z tą różnicą, że retencyjna komora podciśnieniowa nie jest rozdzielona -jak w wypadku zbiornika typu MIRUS-S -stropem od retencyjnej komory grawitacyjnej (rys. 4). Zbiornik typu PARKUS-S napełniany jest, analogicznie jak zbiorniktypu CON- TRACT, aż do całkowitego wypełnienia retencyjnej komory grawitacyjnej. Przy konieczności dalszego retencjonowania ścieków włącza się pompa próżniowa i ścieki są akumulowane podciśnieniowe w zamkniętej przestrzeni nad retencyjną komorą grawitacyjną. Rozwiązanie to nie wymaga rozdzielenia obu komór retencyjnych stropem i dlatego jest uważane za oszczędne w konstrukcji. Dzięki temu jest możliwe proste adaptowanie istniejących zbiorników do podciśnieniowej akumulacji. Energooszczędne zbiorniki retencyjne o działaniu grawitacyjno-podciśnieniowym wspomagane energią elektryczną Wielokomorowe zbiorniki z układem pomp próżniowych Zbiornik typu MIRUS-ES Byś. 3. Schemat działania trzykomorowych zbiorników typu CONSES-S [1] Trzykomorowy energooszczędny zbiornik typu MIRUS-ES [6] ma identyczną konstrukcję jak zbiornik typu Ml- RUS. Zbiornik ten jest wyposażony w pompę podciśnieniowąo małej wydajności objętościowej lub wbudowaną strumienicową pompę powietrza [8], (rys. 5). Zasadnicza pompa próżniowa, o wydajności objętościowej jak w zbiorniku typu MIRUS, jest i w tym wypadku włączana tylko po całkowitym wypełnieniu ściekami grawitacyjnej komory retencyjnej i częściowym komory podciśnieniowej (jeżeli zachodzi konieczność kontynuowania akumulacji ścieków w zbiorniku). Pojemność komory podciśnieniowej jest ściśle uzależniona od instalowanej pompy podciśnieniowej o małej wydajności objętościowej i na odwrót. Na ogół po dopływie ścieków do zbiornika następuje niecałkowite wypełnienie jego pojemności retencyjnej, a więc włączanie pompy o dużej wydajności objętościowej jest zbyteczne. Zbiornik typu CONSES-ES Byś. 4. Schemat działania trzykomorowego zbiornika typu PARKUS-S [1] Trzykomorowy energooszczędny zbiornik typu CONSES-ES [7] ma z kolei identyczną konstrukcję jak zbiornik typu CONSES. Różni się jednak hydraulicznym sposobem działania oraz tym, że 332 Gospodarka Wodna nr 8/2005

3 jest wyposażony w pompę podciśnieniową o małej wydajności, lub ma wbudowaną w otwór odpływowy strumienicową pompę podciśnieniową powietrza [8], (rys. 6). Podczas wypełniania grawitacyjnej komory retencyjnej zbiornika typu CONSES-ES następuje jednoczesna akumulacja ścieków w retencyjnej komorze podciśnieniowej, za przyczyną działania pompy próżniowej, o małej wydajności objętościowej. Całkowite wypełnienie retencyjnej komory grawitacyjnej i częściowe komory podciśnieniowej w większości wypadków eksploatacyjnych kończy proces wypełniania zbiornika. O ile zachodzi konieczność dalszej akumulacji ścieków, włącza się pompę próżniową o większej wydajności objętościowej i komora podciśnieniowa zostaje dopełniona ściekami. Podobnie jak w zbiorniku typu MIRUS-ES istnieje relacja między instalowaną wydajnością mniejszej pompy próżniowej a pojemnością komory podciśnieniowej. Byś. 5. Schemat działania trzykomorowego zbiornika typu MIRUS-ES [6] Wielokomorowe zbiorniki z układem pomp ssąco-tłoczących Zbiornik typu COMMODUS-EP Zbiornik dwukomorowy typu COM- MODUS-EP (rys. 7) ma identyczny układ komór co zbiornik typu COMMO- DUS (rys. 1). Oba różnią się jednak zasadniczo co do sposobu napełniania komory podciśnieniowej. W tym wypadku komora podciśnieniowa jest napełniana za pośrednictwem układu pomp, uruchamianych kolejno czujnikami w miarę wzrostu dopływu ścieków do zbiornika. Powietrze z wypełnianej komory podciśnieniowej jest odprowadzane do atmosfery przez regulator, który steruje procesem jej opróżniania, po wyłączeniu pomp i otwarciu zamknięcia przewodu spustowego. Opróżnianie retencyjnej komory podciśnieniowej następuje tylko w wypadku całkowitego wypełnienia zbiornika lub zaniku dopływu do niego. Sposób napełniania - w większości eksploatacyjnych dopływów do tego zbiornika-wnosi wymierne oszczędności w zużyciu energii elektrycznej w porównaniu z identycznym procesem w zbiorniku typu COMMO- DUS. Rys. 6. Schemat działania trzykomorowego zbiornika typu CONSES-ES [7] Zbiornik typu MIRUS-EP Zbiornik ten (rys. 8) ma trzy komory identycznie usytuowane jak w typie Ml- RUS. Komora podciśnieniowa jest napełniana za pośrednictwem systemu pomp ssąco-tłoczących, których działanie jest sterowane czujnikami stanów napełnień w komorach zbiornika. Z wypełnianej ściekami komory podciśnieniowej powietrze jest odprowadzane do Rys. 7. Schemat działania dwukomorowego zbiornika typu COMMODUS-EP [11] Gospodarka Wodna nr 8/

4 natomiast wyłączenie pomp powoduje jednoczesne otwarcie tego zamknięcia i rozpoczęcie procesu opróżniania komory podciśnieniowej. Zbiornik typu MI- RUS-EP może być napełniany na dwa sposoby. W pierwszym komora podciśnieniowa jest napełniana dopiero po całkowitym wypełnieniu komory grawitacyjnej, zaś w drugim napełnianie obu komór następuje jednocześnie, przy czym komorę podciśnieniową napełnia pompa ssąco-tłocząca o niewielkiej wydajności. Dobór pompy o małej wydajności jest tu również związany z pojemnościąakumulacyjną komory podciśnieniowej, a zasada działania jest identyczna jak zbiornika typu MIRUS-ES. Zbiornik typu CONSES-EP Byś. 8. Schemat działania trzykomorowego zbiornika typu MIRUS-EP [11] atmosfery przez przewód regulatora, który z kolei w trakcie procesu opróżniania steruje natężeniem odpływu ścieków z tej komory. W trakcie napełniania komory podciśnieniowej zamknięcie przewodu spustowego jest zamknięte, Zbiornik energooszczędny typu CON- SES-EP (rys. 9) ma trzy komory o konstrukcji i rozmieszczeniu przypominającym zbiornik typu MIRUS. Jego działanie jest jednak typowe dla typu CON- SES, ponieważ napełnianie i opróżnianie komory podciśnieniowej jest dokonywane za pośrednictwem retencyjnej komory grawitacyjnej. Działanie systemu pomp ssąco-tłoczących sterowane jest tu również czujnikami stanu napełnień komór w zbiorniku. Wlot do regulatora jest zlokalizowany w strefie stropowej retencyjnej komory grawitacyjnej, natomiast jego wylot w strefie stropowej podciśnieniowej komory retencyjnej. Zbiornik ten może być wypełniany również na dwa identyczne sposoby co zbiornik typu MIRUS-EP. Wielokomorowe zbiorniki retencyjne specjalnego przeznaczenia Przerzutowe zbiorniki retencyjne wspomagane energią elektryczną HHHHBHHHBNHBKHHHHHBHH^HIHHHHIH Rys. 9. Schemat działania trzykomorowego zbiornika typu CONSES-EP [11] Rys. 10. Schemat działania przerzutowego zbiornika typu PLUVIUS [9] Zbiornik typu PLUVIUS z układem pomp ssąco-tłoczących Zbiornik przerzutowy typu PLUVIUS [13] ma dwie komory: retencyjną ścieków oczyszczonych, względnie pochodzących z opadów atmosferycznych, oraz komorę wieżową połączoną przewodem odpływowym z odbiornikiem, który z reguły stanowi ciek wodny (rys. 10). Zbiornik przerzutowy jest zlokalizowany przy wale przeciwpowodziowym rzeki od strony chronionego terenu. Komora wieżowa podczas wezbrań jest wypełniana na zasadzie naczyń połączonych do aktualnego poziomu napełnieniaw rzece. Komora retencyjna jest połączona z komorą, wieżową za pośrednictwem zamknięcia klapowego otwieranego tylko dla kierunku przepływu w stronę odbiornika. Umożliwiony 334 Gospodarka Wodna nr 8/2005

5 jest zatem grawitacyjny przepływ cieczy przez zbiornik w czasie, gdy stany napełnień w odbiorniku nie są wyższe od możliwego maksymalnego napełnienia w retencyjnej komorze zbiornika. W wypadku stanów wysokich w odbiorniku, wskutek całkowitego wypełnienia komory retencyjnej zbiornika, włączana jest pompa ssąco-tłocząca, której działanie jest sterowane czujnikami stanów napełnienia komory retencyjnej zbiornika [14]. Zbiornik o działaniu grawitacyjno- -pneumatycznym typu GEMINUS z układem sprężarek Zbiornik przerzutowy typu GEMINUS (rys. 11) w swej wersji podstawowej ma pięć komór: dwie komory zbiorcze, które retencjonują ścieki oczyszczone względnie pochodzące z opadów atmosferycznych, dwie komory rozdzielające dopływ cieczy do odpowiednich komór zbiorczych, które stanowią komory przepływowa i przelewowa, oraz komorę wieżową, której rola jest identyczna jak w zbiorniku typu PLUVIUS. Podobnie jak w zbiorniku typu PLU- VIUS i dla tych samych uwarunkowań związanych ze stanami napełnień w rzece zbiornik typu GEMINUS umożliwia grawitacyjny przepływ cieczy do odbiornika. Przy wysokich stanach w rzece komory zbiorcze, działając naprzemiennie za pośrednictwem sprężanego powietrza, odprowadzają przechwyconą w swej pojemności retencyjnej ciecz przez odpowiednią parę zamknięć klapowych do komory wieżowej (rys. 12). Sterowanie działaniem sprężarek wyklucza przypadki, w których niemożliwy byłby odbiór dopływającej cieczy przez zbiornik [13]. W energooszczędnej wersji działania tego zbiornika umożliwia się wykorzystanie sprężonej objętości powietrza w jednej komorze zbiorczej do częściowego opróżnienia komory zbiorczej drugiej. W czasie tego zabiegu dopływająca ciecz do zbiornika jest gromadzona w specjalnie przygotowanej pojemności retencyjnej przy lub na zbiorniku przerzutowym [18]. a) KZ2 KP2 PR KD KP1 KZ1 b) Q KD SP1 KW KP1/ KL1/KZ1/ /KL3 Rys. 11. Schemat działania przerzutowego zbiornika typu GEMINUS [10]: KD - rów (kolektor) dopływowy; SP1, SP2 - sprężarki; KW - komora wieżowa; KP1 - komora przepływowa; KP2 - komora przelewowa; KL1-KL4 - zawory klapowe; KZ1, KZ2 - komory zbiorcze; KO - kolektor odpływowy; PR - przegroda przelewowa, KT - przewód tłoczący; ZO, Z1, Z1a, Z2a - zawory odcinające i podciśnieniowym ich odprowadzaniu do oczyszczalni, oraz komorę rozdziału ścieków (2), nazwanąstudniąrozdziału. Napełnianie komór retencyjnych jest umożliwione przez odpowiednie całkowite otwarcie lub zamknięcie odpowiedniej pary zasuw, które mogą być zastąpione pojedynczym zaworem o odpowiednio zmodyfikowanym działaniu. A-A : ODP Wypełniana komora retencyjna, którą stanowi zamknięty i szczelny zbiornik, odprowadza powietrze zamknięte w swym wnętrzu do atmosfery za pośrednictwem przewodu, którego wylot zanurzony jest w cieczy. Przy grawitacyjnym odprowadzaniu ścieków do oczyszczalni sugerowane jest wprowadzenie wylotu przewodu odpowietrzają- Grawitacyjno-podciśnieniowy zbiornik retencyjny stacji zlewnej Retencyjny zbiornik stacji zlewnej jest przeznaczony do gwarantowanego, ciągłego odbioru ścieków dowożonych przez tabor asenizacyjny i sterowanego odprowadzania tych ścieków do oczyszczalni. Ma trzy komory, które stanowią: dwie grawitacyjno-podciśnieniowe komory retencyjne (1a) i (1b) o naprzemiennym działaniu w procesach grawitacyjnej akumulacji w nich ścieków Rys. 12. Schemat ideowy działania zbiornika pneumatycznego przerzutowego typu GEMINUS Gospodarka Wodna nr 8/

6 Rys. 14. Przykład wprowadzenia wylotu przewodu odpowietrzającego do syfonu przewodu odpływowego: 1 - syfonowy kształt zakończenia rurociągu odpływowego komory retencyjnej zbiornika; 2 - przewód odpowietrzający napełnianą komorę retencyjną zbiornika; 3 - króciec rurowy łączący oba syfony rurociągów odpływowych Rys. 13. Schemat działania retencyjnego zbiornika stacji zlewnej [17] cego, we wznoszącą się, syfonowego ukształtowania, część przewodu odpływowego komory retencyjnej (rys. 14). Opróżnianie komór retencyjnych zbiornika jest sterowane dopływem do niej powietrza [15]. M Uwagi końcowe Wielokomorowegrawitacyjno-podciśnieniowe zbiorniki retencyjne stanowią nową generację wysoko efektywnych obiektów kanalizacyjnych w zakresie regulowania odpływu ścieków ze zlewni. Ich odmienny i sprawny układ hydrauliczny, który optymalnie wykorzystuje przepustowość kanału odprowadzającego, pozwala na zmniejszenie niezbędnej pojemności retencyjnej każdego ze zbiorników. W konsekwencji tego umożliwione jest również kształtowanie bryły zbiornika oraz spłycenie poziomu ułożenia kolektora odpływowego. Znaczące korzyści ekonomiczne wynikające z eksploatacji tych zbiorników w decydujący sposób wpływają na szeroki zakres ich możliwych zastosowań. Ostatnie rozwiązania wielokomorowych zbiorników kanalizacyjnych wyraźnie wskazują, że poszukiwane są rozwiązania proste, takie jak konstrukcje rurowe zbiorników o działaniu grawitacyjnym (typy: CANALIS, LONGUS, PROXIMUS l MANGUS), względnie rozwiązania energooszczędne o działaniu grawitacyjno-podciśnieniowym (typy: MIRUS-ES, MIRUS-EP, CONSES-ES i CONSES-EP). Rozwiązania te mają być również zachętą dla projektantów do stosowania tego typu rozwiązań w praktyce. Przewidywane, w poszczególnych rozwiązaniach, stosowanie pomp próżniowych, a także sprężarek powietrza, należy traktować nieco inaczej niżby to wynikało z potocznie rozumianego i dostępnego na rynku asortymentu tych urządzeń. W wypadku omówionych zbiorników urządzenia te bardziej można by nazwać turbinami o znacznej wydajności objętościowej i małym stopniu wytwarzanego podciśnienia czy sprężania powietrza na przykład do 0,5 at. W praktyce umożliwi to wystarczające podniesienie cieczy do 5 m. Zbiorniki retencyjne o specjalnym przeznaczeniu są rozwiązaniami, które z uwagi na ich liczne zalety znajdą praktyczne zastosowanie. LITERATURA 1. A. KISIEL: Hydrauliczna analiza działania grawitacyjno-podciśnieniowych zbiorników retencyjnych. Monografia habilitacyjna nr 238. Politechnika Krakowska, Kraków, A. KISIEL: Zbiornik retencyjny cieczy typu COMMODUS. UP RP , Warszawa A. KISIEL: Zbiornik retencyjny cieczy (dotyczy UNIWERSALNEGO REGULATORA). UP RP , Warszawa 10-VII A. KISIEL, J. DZIOPAK: Trzykomorowy grawitacyjno-podciśnieniowy zbiornik retencyjny typu MIRUS. UP RP , Warszawa 05-IX A. KISIEL, J. DZIOPAK: Trzykomorowy grawitacyjno-podciśnieniowy zbiornik retencyjny typu PARKUS. Patent UP RP Nr , Warszawa, 14-XII A. KISIEL: Podciśnieniowo-grawitacyjny zbiornik retencyjny cieczy typu MIRUS-ES. W Warszawa A. KISIEL: Grawitacyjno-podciśnieniowy zbiornik retencyjny cieczy typu CONSES-ES. Biuletyn Urzędu Patentowego UP RP P , Warszawa, 26-V A. KISIEL: Zespół strumienicowej pompy podciśnieniowej gazu włączonej w komorę podciśnieniową zbiornika retencyjnego ścieków komunalnych. Patent UP RP Nr , Warszawa A. KISIEL: Zbiornik przerzutowy ścieków opadowych. Biuletyn Urzędu Patentowego P , Warszawa 8-X A. KISIEL: Zbiornik przerzutowy ścieków opadowych. Biuletyn Urzędu Patentowego P , Warszawa A. KISIEL: Kanalizacyjne zbiorniki retencyjne z komorą podciśnieniową napełnianą układem pomp ssąco-tłoczących. XIV Konferencja Naukowo-Techniczna - Aktualne Problemy Gospodarki Wodno-Ściekowej, września 2004, Ustroń, str A. KISIEL, M. BODZIONY: Budowa i zasada działania grawitacyjno-podciśnieniowego zbiornika retencyjnego ścieków typu MIRUS-ES. Gosp. Wodn. 8/2002; str A. KISIEL, R. MALMUR: Nowoczesne systemy przerzutu ścieków opadowych do odbiorników wodnych - zbiorniki przerzutowe. Inżynieria Środowiska, Zeszyty Naukowe Politechniki Białostockiej, zeszyt nr 16/2003, tom II, str A. KISIEL, R. MALMUR: Nowoczesne systemy przerzutu ścieków opadowych do odbiorników wodnych - Zbiorniki przerzutowe Cz. l - Budowa i zasada działania zbiorników przerzutowych typu Pluvius i Geminus. XIV Konferencja Naukowo-Techniczna - Aktualne Problemy Gospodarki Wodno-Ściekowej, września 2004, Ustroń, str A. KISIEL, R. MALMUR, J. KISIEL: Badanie efektywności hydraulicznego działania zbiorników przerzutowych ścieków opadowych oraz podciśnieniowych zbiorników zrzutu ścieków dowożonych do oczyszczalni. Raport Końcowy Projektu Badawczego Komitetu Badań Naukowych Nr 7 T09D zrealizowanego w Instytucie Inżynierii Środowiska Politechniki Częstochowskiej, A. KISIEL, M. MROWIEĆ: Zbiornik przerzutowy ścieków deszczowych. Gospod, Wodn. 12/2001; str A. KISIEL, J. KISIEL: Zbiorniki retencyjne płynnych nieczystości rekomendowane dla stacji zlewnych. Inżynieria Środowiska, Zeszyty Naukowe Politechniki Białostockiej, zeszyt nr 16/2003, tom II, str R. MALMUR: Nowoczesne systemy przerzutu ścieków opadowych do odbiorów wodnych - Zbiorniki przerzutowe Cz. II - Energooszczędne efekty wyrównywania ciśnień w komorach zbiorczych zbiornika przerzutowego typu Geminus. XIV Konferencja Naukowo-Techniczna -Aktualne Problemy Gospodarki Wodno- -Ściekowej, września 2004, Ustroń, str D 336 Gospodarka Wodna nr 8/2005