Kanalizacja podciśnieniowa – cz. I

Kanalizacja ciśnieniowa jest opłacalna tam, gdzie obok względów topograficznych liczba domów jest mała, tzn. koszt studzienki z pompą jest mniejszy niż koszt zaworu odsysającego wraz z częścią kosztu stacji próżniowo-pompowej przypadającej na ten zawór.

Od kilkunastu lat w Polsce wprowadzany jest system kanalizacji podciśnieniowej. System ten wydaje się być szczególnie przydatny w kanalizowaniu obszarów wiejskich czy podmiejskich, wszędzie tam gdzie kanalizacja grawitacyjna byłaby w wykonaniu i eksploatacji bardzo droga. Kanalizacji podciśnieniowej sprzyja również charakter polskiego osadnictwa, nad miarę rozproszonego.

Na wsi kanalizacja ciśnieniowa konkuruje z kanalizacją podciśnieniową. Przy porównywaniu obu systemów kryterium podstawowym jest zakres kanalizacji. Kanalizacja podciśnieniowa budowana jest tam, gdzie obok względów topograficznych liczba studzienek, jaka podłączona jest do stacji próżniowo-pompowej, jest stosunkowo duża. O opłacalności inwestycji decydować będzie bowiem wspólny koszt studzienek z zaworami odsysającymi (tańszych niż studzienki z pompą w kanalizacji ciśnieniowej) i stosunkowo wysoki koszt stacji próżniowo-pompowej. Kanalizacja ciśnieniowa wygrywa tam, gdzie obok względów topograficznych liczba domów jest relatywnie mała, tzn. koszt studzienki z pompą okaże się mniejszy niż koszt zaworu odsysającego z częścią kosztu stacji próżniowo-pompowej przypadającej na ten zawór.

 

Fot. 1. Studzienka systemu Roedigera

 

Rys. 1. Studzienka systemu Airvac:1 – przewód napowietrzający, 2 – zawór ssący, 3 – do rurociągu podciśnieniowego, 4 – przykanalik, 5 – rura czujnika stanu ścieków, 6 – rura zasysająca, 7 – mocowanie (opcjonalne), 8 – układ sterujący

 

Kanalizacja podciśnieniowa ma już ponad 100 lat. W 1892 r. na północ od Paryża 500 działek zostało przyłączonych do kanalizacji podciśnieniowej. Dopiero w 1959 r. system kanalizacji podciśnieniowej rozwinął dalej Szwed Joel Liljehdal. W Niemczech skanalizowano podciśnieniowo wiele gmin, jednak wkrótce po uruchomieniu tych instalacji system okazał się podatny na zakłócenia. Kłopoty z eksploatacją istniejących systemów zmusiły Ministerstwo Badań i Technologii w Niemczech do zlecenia programu badawczego, który miał na celu stworzenie dobrego systemu kanalizacji podciśnieniowej, i ten właśnie system będzie bliżej przedstawiony. W wyniku badań powstał system Schluffa [5, 6].

Dzisiaj jest to powszechny system zbierania ścieków z toalet w samolotach, statkach  i pociągach nowej generacji. Topografia Polski sprawia, że kanalizacja podciśnieniowa będzie zajmować należne jej miejsce w skanalizowaniu dużych obszarów Polski. W Polsce przez kilka lat dominującym systemem była hybryda takiej kanalizacji w postaci kanalizacji podciśnieniowo-lewarowej. Sam pomysł był bardzo atrakcyjny, lecz na skutek braków zarówno w teorii wymiarowania, jak i w wykonaniu zaworów układ ten przysparza użytkownikom bardzo dużo problemów.

 

Fot. 2. Studzienka systemu Schluffa

 

Rys. 2. Studzienka systemu Iseki

 

Rys. 3. Studzienka systemu Schluffa

 

Elementy składowe systemu kanalizacji podciśnieniowej [4]

Podstawowymi elementami składowymi kanalizacji podciśnieniowej są zawory, studzienki z tymi zaworami, stacje próżniowo-pompowe oraz rurociągi i te elementy zostaną omówione w pierwszej kolejności.

 

Zawory

Po latach doświadczeń eksploatacyjnych w technologii kanalizacji podciśnieniowej można wyróżnić cztery podstawowe rodzaje zaworów:

– membranowy z przewężeniem prześwitu (system Roedigera, występujący również pod nazwą Roevac);

– zawór systemu Iseki z przewężeniem prześwitu oraz zamknięciem w kształcie płytki (występujący również pod nazwą Redivac, Flovac);

– zawór  systemu Airvac z rozszerzeniem prześwitu oraz zamknięciem w kształcie dzwonu – takie zamknięcie zmniejsza ryzyko zatkania (występujący również pod nazwą VAB, a nawet Preussag). Zamknięcie w formie dzwonu oraz kształt prześwitu różnią podstawowy zawór Airvac od podstawowego zaworu Iseki. W oferowanej ostatnio kanalizacji Flovac efekt dzwonu uzyskano gumową nakładką, o kształcie dzwonu, na popychaczu zamknięcia;

– wolnoprzelotowy (system Schluffa), zamykany klinem uruchamianym mechanicznie z rozszerzeniem równoosiowym prześwitu.

 

Nie stosuje się obecnie zaworów kulowych, klapowych czy pływakowych, mimo że pojawiają się w podręcznikach i co gorsza w  Polskiej Normie, opartej na Normie Europejskiej [7].

Wszelkie przewężenia lub zmiany nierównoosiowe prześwitu w zaworach prowadzą do nieuchronnych zakłóceń przepływu.

Po latach eksploatacji przekonano się, że zawór powinien zasysać pewną ilość powietrza równocześnie ze ściekami. Poza zaworem Schluffa, gdzie proporcje ilości zasysanego powietrza ustalono w wyniku badań zleconych  przez niemieckie ministerstwo w ramach programu rządowego 02-WA8732. W wyniku tych badań stworzono zawór wolnoprzelotowy z zaworem powietrznym gwarantującym zassanie odpowiedniej ilości powietrza równocześnie ze ściekami.

 

Rys. 4. Stacje z pompowaniem hydraulicznym

 

 

Rys. 5. Stacje pompowo-próżniowe z pneumatycznym pompowaniem ścieków – system  Schluffa

 

Studzienki z zaworami

W normie prPN-EN 1091  przewód do zasysania powietrza do studzienki  nazwany jest przewodem wentylacyjnym, co może być mylące.

 

Zmiana ciśnienia w stacji próżniowo–pompowej w granicach pomiędzy 0,40–0,60 bara jest warunkiem pracy całego systemu w wypadku włączeń równoczesnych. Tłumaczy to fakt zmian, jakie dokonały się w pojemności użytkowej zaworu. Otóż im mniejsza pojemność, tym lepiej. W studzience Schluffa pojemność zeszła do  10–60 dm³. W systemie Roedigera jest równie mała – rzędu 15 dm³, w studzienkach Airvac czy Iseki wynosi 30 dm³. Przy takiej pojemności czas opróżniania zaworu spada do kilku czy kilkunastu sekund, co jest dla systemu korzystne. 

Projekt normy prPN-EN 1091 podaje jeszcze wiele innych typów zaworów wraz ze studzienkami, które jednak się nie sprawdziły i od lat nie są stosowane. Na domiar złego nie podaje, jakiego typu zawory są przedstawiane na schematach!

 

Stacje podciśnieniowo-tłoczne

Projekt normy prPN-EN 1091 podaje dużo rodzajów  stacji podciśnieniowo-tłocznych, które jednak się nie sprawdziły i również od lat nie są stosowane. Dominujące obecnie są dwa rodzaje stacji podciśnieniowo–tłocznych.

Przed stacją próżniowo-pompową powinny się znajdować pod powierzchnią  dwa zbiorniki na ścieki o pojemności 10–12 m3. W nich instaluje się pompy do pompowania ścieków pracujące w tzw. technologii mokrej (pompy zanurzone). Na powierzchni instaluje się pompy próżniowe, najczęściej zblokowane w kontenerze. Często stawia się część naziemną nad podziemną. Manometryczna wysokość pompowania wynosi około 30,0 m słupa wody.

Stacja ta składa się z dwóch części ułożonych jedna nad drugą. W dolnej części (podziemnej) znajdują się co najmniej dwa zbiorniki na ścieki, które pracują przemiennie – raz jako podciśnieniowe, a raz jako ciśnieniowe. W górnej części (naziemnej) znajdują się pompy próżniowe i kompresory do pneumatycznego przepompowywania ścieków.

Pompa próżniowa wytwarza w zbiorniku ściekowym podciśnienie od 0,3 do 0,7 bara w stosunku do ciśnienia atmosferycznego. Do zbiornika ścieki zasysane są z sieci kanalizacji pod-ciśnieniowej. Po wypełnieniu takiego zbiornika ściekami automatycznie zostaje zamknięty rurociąg podciśnieniowy, a otwarty zostaje rurociąg odprowadzający ścieki do oczyszczalni. Ścieki ze zbiornika tłoczone są pneumatycznie powietrzem wtłaczanym do tego zbiornika przez kompresor. Obok samego przesyłu ścieków zbiornik jest opróżniany. Podczas przetłaczania ścieków nie ma żadnych przerw w działaniu kanalizacji pod-ciśnieniowej, ponieważ działa wówczas w trybie zasysającym drugi zbiornik. Możliwa manometryczna wysokość pompowania wynosi w tym systemie około 120 m, co pozwala na przesył ścieków na większe odległości aniżeli w systemie transportu hydraulicznego. Ten rodzaj transportu ścieków w kanalizacji podciśnieniowej jest patentem Schluffa.

W stacjach stosuje się pompy próżniowe dwóch typów –  z pierścieniem wodnym  i olejowe. Jedne i drugie mają swoje wady i  zalety.  Pompy z pierścieniem wodnym nie wymagają smarowania i konserwacji, ich wadą jest podatność na  odkładanie się kamienia i hałas. Firma Schluff preferuje ten rodzaj pomp próżniowych.

 

Rys. 6. Formy ułożenia  rurociągów w płaszczyźnie pionowej: a) kierunek przepływu, b) minimalny spadek 0,2%

 

Rys. 7. Najnowszy, poprawiony, proponowany przez ATV A-116 [2], kształt ułożenia rurociągu

 

 

Rys. 8. Rury rewizyjne do szukania nieszczelności i zatorów w sieci

 

Ułożenie rurociągów

Forma, w jakiej układa się rurociągi, ma bardzo istotny wpływ na pracę sieci kanalizacji podciśnieniowej. Projekt  normy prPN-EN 1091 [7] podaje wiele form ułożenia rurociągów w płaszczyźnie pionowej.

Forma pilasta o równych długościach części wznoszącej i opadającej  jest najlepsza. Jest to patent Schluffa. Próbuje się go omijać, nieznacznie zmieniając proporcje, lecz wyniki badań wskazują jednak na tę formę ułożenia jako preferowaną.

Jest rzeczą zaskakującą, że najnowsze wytyczne niemieckiego zrzeszenia inżynierów i techników sanitarnych [4] podają jedynie formę A, czyli o długiej części opadającej i krótkiej części wznoszącej, podczas gdy wytyczne z 1992 r. podawały formy takie jak na rys. 6.

Układ C, o równych częściach wznoszącej i opadającej, jest patentem Reinholda Schluffa.

Eksploatacja systemu z membranami lub zamknięciami dzwonowymi skośnymi wymaga zainstalowania rur rewizyjnych co 50 m na sieci zarówno w celu usuwania ewentualnych zatorów w sieci, jak też – przede wszystkim – szukania nieszczelności. Rury te zaopatrzone są w korek gumowy, który przy poszukiwaniu nieszczelności  się wyjmuje, następnie wprowadza balonik zatykający rurę poziomą i sprawdza się, czy ciśnienie w stacji próżniowej nadal spada. Rury rewizyjne są  powszechnie stosowane w systemie Roedigera. W rozległych sieciach tych rur rewizyjnych może być bardzo dużo. I tak w sieci, która z definicji powinna być szczelna, robi się dziesiątki lub setki dziur, które zatyka się specjalnym  korkiem gumowym. Nie da się znaleźć nieszczelności metodą ciśnieniową ze względu na konstrukcje zaworów.

 

W polskiej wersji normy prPN-EN 1091 rury te nazywane są punktami inspekcyjnymi ścieków,  co jest mylące.

 

Tab. Porównanie systemów kanalizacji podciśnieniowej (dane z 2005 r.)

	ROEDIGER	ISEKI	AIRVAC	SCHLUFF
Sterowanie zaworem
Elektroniczne				X
Mechaniczno/pneumatyczne	X	X	X
Prześwit zaworu
Prześwit swobodny				X
Prześwit zmieniony	X	X	X
Sposób zasysania ścieków i powietrza
2-stopniowy: 1. stopień – ścieki; 2. stopień – powietrze	X	X	X
1-stopniowy – zasysana jest mieszanina ścieków i powietrza				X
Pomiar ilości ścieków				X*
Elektroniczne sterowanie przez komputer (PC)				X
Otwarcie zaworu				X
Ustawienie czasu otwarcia zaworu				X
Ustawienie interwału automatycznych otwarć (przepłukiwanie powietrzem)				X
Kontrola i archiwizacja danych				X
Liczba otwarć zaworu		X	X	X
Ilość odsysanych ścieków				X
Ilość odessanych ścieków		X**	X**	X
Podciśnienie w zaworze				X***
Kontrola zakłóceń				X
Automatyczne sterowanie (programowalne)				X
Powtarzanie otwarć zaworu przy zbyt małym podciśnieniu				X
Usuwanie zakłócenia związanego ze spadkiem podciśnienia				X
Automatyczne zgłaszanie zakłóceń (PC i faks) Rodzaj zakłócenia – czas i miejsce				X
Zawór się nie zamknął				X
Zator (zatkanie)				X
Brak podciśnienia				X
* czas otwarcia stały, ustawiany elektronicznie  **   liczba otwarć razy pojemność retencyjna studzienki  ***  opcjonalne, może być zainstalowana w każdej studzience lub w newralgicznych studzienkach

 

System kanalizacji podciśnieniowej Reinholda Schluffa

Jedyny znany autorowi system, który równocześnie nie ma zaworów membranowych oraz nie potrzebuje rewizji na sieci, czy to do kontroli szczelności, czy napowietrzania, oraz nie musi posiadać stacji napowietrzających,  gdyż napowietrzany jest już w momencie otwarcia zaworu, to system Schluffa (patrz www.schluff.com), a to za sprawą zupełnie odmiennego typu zaworów.  Niestety system ten w Polsce jest jeszcze mało znany (jedna instalacja).

System Schluffa ma również wyrafinowany układ sterowania i zdalnego nadzoru (można sterować i kontrolować pracę z laptopa  przez sieć telefonii komórkowej, dokładnie tak jak z klawiatury przy komputerze w stacji pomp), który dobrze  mieć, ale nie jest on warunkiem działania tego systemu. Nieszczelności w systemie szuka się ciśnieniowo, a nie podciśnieniowo, co umożliwiają zawory w studzienkach tego systemu. Próba szczelności przeprowadzana jest przy ciśnieniu 3,0 barów. Poszukiwanie nieszczelności w innych systemach jest trudne [5].

W systemie Schluffa: 

– Połączenia rur są elektrooporowe (na mufę) – żadnych połączeń doczołowych.

– Wszystkie rurociągi powinny po ułożeniu posiadać przykrycie w wysokości 1,0 m.

– Zasuwy należy zainstalować co 400 m na rurociągach głównych i przy każdym odgałęzieniu.

Cała sieć wraz z przyłączami domowymi z zaworami odsysającymi powinna być poddana próbie ciśnieniowej przy ciśnieniu 3,0 barów. Ciśnienie musi pozostać niezmienne przez 24 godziny. Przy spadku ciśnienia o 10% należy próbę powtórzyć.

– Stacja pompowo-próżniowa pracuje w układzie pneumatycznego transportu ścieków, tzn. ścieki będą zbierane podciśnieniowo oraz przetłaczane pneumatycznie (ciśnieniowo) do oczyszczalni ścieków. W godzinach nocnych przewód ciśnieniowy transportu pneumatycznego ścieków musi być przedmuchany automatycznie na sygnał odpowiednio ustawionego programu komputerowego.

 

Studzienki przyłączy domowych z zaworami odsysającymi

Studzienki przyłączy domowych z zaworami odsysającymi są sterowane komputerowo. Przy domach czasowo niezamieszkanych zawór odsysający musi być w odpowiednio ustawionych odstępach czasu otwierany, co zapobiegnie zagniwaniu ścieków. Ustawienie otwarć odbywa się ze stacji pomp poprzez kabel transmisji danych. Należy zapewnić, że przy otwarciu zaworu odsysającego odgałęzienie prowadzące od zaworu do kolektora głównego zostanie opróżnione ze ścieków i przedmuchane strumieniem powietrza.

Zawór odsysający

Zawór odsysający z elementem zamykającym spełnia następujące wymagania:

1) przy otwarciu (podniesieniu) elementu zamykającego  przez zawór przepływa mieszanina powietrza i wody, tak aby utrzymana była odpowiednia proporcja wody i powietrza. Proporcja wody i powietrza musi zawierać się pomiędzy 1:7 a 1:10;

2) w pozycji otwartej zawór odsysający ma wolny (niezwężony) przelot o średnicy  65 mm;

3) otwarcie i zamknięcie zaworu jest niezależne od ciśnienia lub podciśnienia, jest sterowane elektronicznie. Przy wypadzie prądu zawór zamyka się mechanicznie;

4) zawór odsysający odpowiada PN 10, próba ciśnienia może się odbyć dla całego systemu wraz z zaworami, a nie tylko dla rur;

5) zawór jest zaopatrzony w system kontroli, sterowania i zgłaszania zakłóceń. Część elektroniczna jest w zabudowanej szczelnie skrzynce.

W wypadku włączenia się zaworu podczas pracy innego otwarcie jest blokowane na kilka sekund, aby zawór pracujący zamknął się po wypompowaniu ścieków.

 

Centralne sterowanie, kontrola i zgłaszanie zakłóceń

U inwestora oraz w pompowni  instaluje się układ kontroli, sterowania i zgłaszania zakłóceń, który  podłączony jest do kabla transmisji danych.

Z pompowni przesyłane są komunikaty dotyczące pracy pomp, kompresorów oraz zakłóceń.

Ze studzienki z zaworem odsysającym przekazywane są komunikaty: kontroli, sterowania i zgłaszania zakłóceń.

Spotykane w Polsce układy monitoringu sieci i stacji pompowo-próżniowej, choć z roku na rok wzbogacane, mają jednak mniejszy zakres sterowania i nadzoru aniżeli system Schluffa. Sterowanie dotyczy głównie stacji pompowo-próżniowej

Bardzo ciekawym elementem sterowania w systemie Schluffa jest podłączanie studzienek z zaworami, w wypadku posesji leżących naprzeciw siebie, wprost do czwórnika (inne systemy wymagają zachowania w takim wypadku odległości kilku metrów pomiędzy włączeniem jednej posesji a drugiej). Gdy w chwili maksymalnych zrzutów ścieków chciałyby zadziałać oba zawory leżące naprzeciw siebie, to mogłoby dojść do zbyt dużego zassania powietrza i chwilowego zbyt znacznego spadku podciśnienia. W systemie Schluffa układ monitoringu i sterowania w takim wypadku blokuje otwarcie jednego zaworu i czeka na  opróżnienie włączonego wcześniej. Następnie odczekuje jeszcze kilka sekund, aby podciśnienie wzrosło i dopiero wówczas sterowanie komputerowe otwiera zatrzymany zawór.

Drugim ważnym elementem sterowania w systemie Schluffa jest automatycznie podejmowana próba usunięcia zatkania zaworu. Na przykład zawór się nie zamknął – coś uwięzło w zamknięciu – wówczas system automatycznie kilkakrotnie otwiera zawór i zamyka, co w przeważających przypadkach wystarcza na usunięcie elementu zatykającego zawór. Gdyby to było np. opakowanie szklane jakiegoś lekarstwa, to mechaniczne zamknięcie go zmiażdży.

Porównanie omawianych systemów przedstawiono w tabeli.

 

dr inż. Jacek MYCZKA

Uniwersytet Rolniczy w Krakowie

 

 

 

Bibliografia

1. Entwurf eines Arbeitspapiers: Unterdruckentwässerung – Planungs-, Bau-und Betriebsgrundsätze – ATV, „Korrespondez Abwasser” 2/85.

2. Besondere Enwässerungsverfahren Unterdruckentwässerung – Druckentwässerung, Regelwert Abwasser-Abfall DK 628.2:628.143.2-98, Arbaitsblatt A116, 1992 oraz 2004.

3. J. Jedlitschka, Vakuumentwässerung, Documentation I – European Water Pollution  Control Association, 1987.

4. Katalogi firm Roevac, Iseki, Airvac i Schluff.

5.  R. Schluff, Bemessung und Konstruktion der Unterdruckentwässerung – Enwässerungstechnik im Umbruch, Stuttgarter Berichte zur Siedlungswasserwirtschaft Band 140/1997.

6. R. Schluff, Entwicklung eines Schmutzwasserkanasationssystems zur Förderung eines Schmutzwasser-Luft-Gemisches über grössere Enfermumgen und Höhen für die Abwasserbeseitigung im ländlichen Raum,  02-WA8732, 1989.

7. prPN-EN 1091:1996 Zewnętrzne systemy kanalizacji podciśnieniowej.