Kanalizacja ciśnieniowa – zasady projektowania

Wymiarowanie kanalizacji ciśnieniowej sprowadza się do zaprojektowania sieci zbiorczych rurociągów ciśnieniowych oraz przydomowych i strefowych pompowni ścieków. Kanalizacja ciśnieniowa służy do odprowadzania ścieków bytowych i przemysłowych z wyłączeniem ścieków opadowych do grupowych oczyszczalni ścieków. Transport ścieków w kanalizacji ciśnieniowej jest wymuszony przez zatapialne pompy ściekowe z urządzeniem rozdrabniającym zanieczyszczenia stałe. 

Kanalizacja ciśnieniowa może współpracować z kanalizacją grawitacyjną i podciśnieniową. W miejscu połączenia kanalizacji ciśnieniowej z innym systemem kanalizacji należy zastosować studzienkę rozprężną z odpowiednią wentylacją, aby zapobiec wydostawaniu się odorów na zewnątrz studzienki. Sieć zbiorczych rurociągów w kanalizacji ciśnieniowej może być projektowana w postaci rozgałęzionej lub pierścieniowej, chociaż ta ostatnia nie jest zalecana z uwagi na zagniwanie i tworzenie osadów na odcinkach o małych przepływach (tzw. punkty zerowe) [4].

W warunkach polskich najczęściej do pojedynczej przydomowej pompowni ścieków podłącza się jeden budynek mieszkalny. Ze względu na hydrauliczne warunki transportu ścieków w systemie kanalizacji ciśnieniowej korzystniej jest, gdy do pojedynczej przydomowej pompowni ścieków podłączonych jest kilka budynków mieszkalnych. Do jednej przydomowej pompowni ścieków dopuszcza się podłączenie maks. pięciu budynków mieszkalnych.

W celu wyeliminowania zakłócania pracy zatapialnej pompy ściekowej wskutek zapowietrzenia podłączeniowy rurociąg ciśnieniowy powinien się wznosić w kierunku zbiorczego rurociągu ciśnieniowego. Jeżeli ułożenie podłączeniowego rurociągu ciśnieniowego ze wzniosem jest niemożliwe, należy zapewnić jego odpowietrzanie poprzez zawór odpowietrzający. 

Sieć rurociągów ciśnieniowych projektuje się z rur PVC lub PE i zaleca minimalną wytrzymałość materiału na ciśnienie 600 kPa (6 barów) [6]. Jednak zasadniczo sieć rurociągów ciśnieniowych projektuje się z materiału o wytrzymałości 1,0 MPa. Zaleca się stosowanie rur o minimalnej średnicy wewnętrznej 50 mm, gdy stosowane są pompy z urządzeniem rozdrabniającym, a kiedy brak tych urządzeń – rur o minimalnej średnicy wewnętrznej 80 mm [6].

Wszystkie odgałęzienia rurociągów ciśnieniowych zaleca się projektować pod kątem 90° [6]. Przy projektowaniu kanalizacji ciśnieniowej należy zaprojektować odgałęzienia do wszystkich posesji, także jeszcze niezabudowanych działek. Zbiornik przydomowej pompowni ścieków musi mieć awaryjną objętość równą przynajmniej 25% całkowitego średniego dopływu dobowego i powinna ona się znajdować powyżej normalnego poziomu załączania pomp ściekowych [6]. Pompy zatapialne z urządzeniem rozdrabniającym stosowane w kanalizacji ciśnieniowej powinny się charakteryzować stromą charakterystyką przepływu, czyli dużą wysokością podnoszenia, małą wydajnością przepływu i jak największą sprawnością.

Zasady projektowania przydomowych pompowni ścieków 

Do projektowania kanalizacji ciśnieniowej wykorzystuje się metodę graficzną amerykańskiego inżyniera J.R. Freemana. Metoda ta ma szerokie możliwości zastosowania i dużą przydatność do prowadzenia analizy pracy kanalizacji ciśnieniowej w różnych warunkach eksploatacyjnych [3]. Wymiarowanie kanalizacji ciśnieniowej należy rozpocząć od wrysowania na mapę sytuacyjno-wysokościową sieci rurociągów ciśnieniowych (rys. 1a) i obliczenia średniego dobowego dopływu ścieków do poszczególnych przydomowych pompowni ścieków, a następnie obliczenia maksymalnego godzinowego dopływu ścieków i użytecznej objętości zbiornika.

Średni dobowy dopływ ścieków oblicza się ze wzoru [4]:

                 (1)

gdzie: 
Q_dśr – średni dobowy dopływ ścieków, m³ · d^–1;
q – jednostkowy dopływ ścieków, m³ · d^–1 · M^–1;
LM – liczba mieszkańców korzystających z przydomowej pompowni ścieków, M.

Maksymalny godzinowy dopływu ścieków oblicza się ze wzoru [4]:

           (2)

gdzie: 
Q_hmax – maksymalny godzinowy dopływ ścieków, m³ · h^–1;
N_dmax – współczynnik maksymalnej dobowej nierównomierności dopływu ścieków, -;
N_hmax – współczynnik maksymalnej godzinowej nierównomierności dopływu ścieków, -;
Q_dśr – średni dobowy dopływ ścieków, m³ · d^–1;

a użyteczną objętość zbiornika oblicza się ze wzoru [4]:

 (3)

gdzie: 
V_u – użyteczna objętość zbiornika, dm³;
Q_p – wydajność pompy, dm³ · s^–1;
k – współczynnik bezpieczeństwa, -;
Q_hmax – maksymalny godzinowy dopływ ścieków, dm³ · s^–1;
T_p – czas pracy pompy w godzinie szczytu, s.

Zgodnie z PN-EN 752-4 [7] jednostkową ilość ścieków bytowych q na jednego mieszkańca można przyjmować w zakresie od 120 do 400 dm³ · d^–1, w zależności od kraju Unii Europejskiej. W Polsce dla wsi zaleca się przyjmowanie q = 120 dm³ · d^–1 lub q = 150 dm³ · d^–1, a dla miast q = 200 dm³ · d^–1. Współczynniki dopływu ścieków zaleca się przyjmować z zakresu:   

• N_dmax:   

  • dla wsi: od 1,5 do 3 [1],   

  • dla miast: od 1,3 do 2 [5],   

• N_hmax:   

  • dla wsi: od 3 do 8 [1],   

  • dla miast: od 1,5 do 4 [5],

Poszczególne pompy w przydomowych pompowniach ścieków pracują w sposób przypadkowy (losowy). W godzinie szczytowego dopływu ścieków pompy załączają się przeciętnie raz lub dwa razy. Przy obliczaniu użytecznej objętości zbiornika zaleca się przyjmować wysokie wartości współczynnika bezpieczeństwa k ≤ 60. Obliczoną użyteczną objętość zbiornika zaleca się zwiększyć o 90 dm³ · M^–1 · d^–1; jest to tak zwana objętość awaryjna zbiornika V_a. Jest to szczególnie wskazane we wsiach, gdzie często zdarzają się wyłączenia prądu, trwające nawet do trzech dni. A zatem [4]: 

           (4)

gdzie: 
V_a – awaryjna objętość zbiornika, dm³;
LM – liczba mieszkańców korzystających z przydomowej pompowni ścieków, M.

Całkowitą objętość zbiornika można wyznaczyć ze wzoru [4]:

      (5)

gdzie: 
V_c – całkowita objętość zbiornika, dm³;
V_u – użyteczna objętość zbiornika, dm³;
V_a – awaryjna objętość zbiornika, dm³.

Po zwymiarowaniu wszystkich zbiorników w projektowanej kanalizacji ciśnieniowej należy obliczyć wydajność poszczególnych pomp (z reguły jedna pompa w zbiorniku), wyznaczyć ich użyteczne wysokości podnoszenia oraz liczbę jednocześnie pracujących pomp w szczytowej godzinie dopływu ścieków do przydomowych pompowni ścieków. Liczbę jednocześnie pracujących pomp można wyznaczyć na podstawie tabeli 1. Następnie należy w projektowanej kanalizacji ciśnieniowej określić, w których przydomowych pompowniach ścieków będą pracować pompy w szczycie dopływu ścieków. Należy wybrać te przydomowe pompownie ścieków, które pod względem hydraulicznych warunków pracy pomp są usytuowane w najbardziej niekorzystnych punktach kanalizacji ciśnieniowej. Powinny to być przydomowe pompownie ścieków usytuowane najdalej od oczyszczalni ścieków. Straty hydrauliczne w rurociągach łączących je z oczyszczalnią ścieków powinny być największe, tak samo jak różnice minimalnych zwierciadeł ścieków pomiędzy nimi a oczyszczalnią ścieków. Zaleca się, aby spadek linii ciśnień nie przekraczał 1% [4]. 

W przypadku dużych jednostek osadniczych (powyżej 100 przydomowych pompowni ścieków) zaleca się kanalizację ciśnieniową podzielić na podsystemy i zastosować strefowe pompownie ścieków. 

Zakładając przeciętny czas pracy pompy wg tabeli 1, wydajność poszczególnych pomp w przydomowych pompowniach ścieków można obliczyć z przekształconego wzoru (3):

    (6)

gdzie: 
Q_p – wydajność pompy, dm³ · min^–1;
V_u – użyteczna objętość zbiornika, dm³;
T_p – założony czas pracy pompy (wg tabeli 1), min.

Po obliczeniu wydajności pomp i wyznaczeniu liczby jednocześnie pracujących pomp należy wykonać interpretację geometryczną dla projektowanej kanalizacji ciśnieniowej (rys. 2). Następnie obliczyć straty hydrauliczne dla poszczególnych rurociągów ciśnieniowych, wyznaczyć użyteczną wysokość podnoszenia pomp i dobrać pompy z katalogu.

Prędkość przepływu ścieków w rurociągach ciśnieniowych nie powinna być mniejsza niż 0,7 m · s^–1 [6], aby w rurociągach nie osadzał się tłuszcz i żeby ze ścianek rurociągów podczas przepływu ścieków odrywane były wcześniej osiadłe substancje. Do projektowania zaleca się przyjmować prędkość przepływu ścieków od 1,2 do 2,5 m · s^–1 i minimalną średnicę wewnętrzną 32 mm dla rur z tworzywa sztucznego PVC i PE [4]. Dla określonych przepływów ścieków i przyjętej prędkości średnice zbiorczych rurociągów ciśnieniowych oblicza się ze wzoru [4]:

            (7)

gdzie:
d – wewnętrzna obliczeniowa średnica rurociągu ciśnieniowego, m;
Q – przepływ ścieków w rurociągu ciśnieniowym, m³ · s^–1;
ν – założona prędkość przepływu ścieków, m · s^–1;

a następnie dobiera się z katalogu średnicę katalogową i oblicza rzeczywistą prędkość przepływu ścieków ze wzoru [4]:

           (8)

gdzie: 
ν_rz – rzeczywista prędkość przepływu ścieków w rurociągu ciśnieniowym, m · s^–1;
Q – przepływ ścieków w rurociągu ciśnieniowym, m³ · s^–1;
d_n – wewnętrzna katalogowa średnica rurociągu ciśnieniowego, m.

Straty hydrauliczne występujące w rurociągach ciśnieniowych oblicza się ze wzoru [4]:

       (9)

gdzie: 
h – straty hydrauliczne w rurociągu ciśnieniowym, m;
ξ – współczynnik oporów miejscowych, -;
λ – współczynnik oporów liniowych, -;
l – długość rurociągu ciśnieniowego, m; 
d_n – wewnętrzna katalogowa średnica rurociągu ciśnieniowego, m;
ν_rz – rzeczywista prędkość przepływu ścieków, m · s^–1;
g – przyspieszenie ziemskie, m · s^–2.

Współczynnik oporów liniowych dla rur z PVC i PE, którymi płyną ścieki, zależy tylko od liczby Reynoldsa i można go oszacować ze wzoru [2]:

           (10)

gdzie: 
λ – współczynnik oporów liniowych, -;
Re – liczba Reynoldsa, -;

a liczbę Reynoldsa obliczyć ze wzoru [4]:

                   (11)

gdzie: 
Re – liczba Reynoldsa, -;
ν_rz – rzeczywista prędkość przepływu ścieków, m · s^–1;
d_n – wewnętrzna katalogowa średnica rurociągu ciśnieniowego, m;
ν – kinematyczny współczynnik lepkości ścieków (dla temperatury 15°C ν = 1,04 · 10-6), m² · s^–1.

Natomiast użyteczną wysokość podnoszenia pompy oblicza się ze wzoru [4]:

     (12)

gdzie: 
H_U – użyteczna wysokość podnoszenia pompy, m;
Z₀ – rzędna zwierciadła ścieków w zbiorniku uśredniającym w oczyszczalni ścieków (w odbiorniku) lub rzędna rurociągu tłocznego na wylocie do odbiornika albo rzędna w najwyższym punkcie na trasie rurociągu tłocznego do odbiornika, m;
Z_Ppś – rzędna minimalnego zwierciadła ścieków w przydomowej pompowni ścieków, przy którym następuje wyłączanie się pompy, m;
∑h_i – suma strat hydraulicznych w rurociągach ciśnieniowych od przydomowej pompowni ścieków do odbiornika ścieków, m.

Po ustaleniu, w których przydomowych pompowniach ścieków będą pracować pompy, należy wyprowadzić odpowiedni układ równań, wyznaczyć charakterystyki rurociągów ciśnieniowych i wykorzystując metodę graficzną [3], wyznaczyć punkt roboczy układu R dla całej projektowanej kanalizacji ciśnieniowej oraz punkty robocze pomp RP dla jednocześnie pracujących pomp w godzinie szczytu dopływu ścieków do przydomowych pompowni ścieków (rys. 3). Następnie należy wykonać profile podłużne zbiorczych rurociągów ciśnieniowych (rys. 1b).

Na profilach podłużnych należy podać: rzędne terenu, rzędne dna rurociągu, rzędne zwierciadła wody gruntowej, przepływ ścieków, spadki, średnice, odległości, długości, rodzaj materiału, obiekty uzbrojenia sieci. Należy również podać nazwy ulic, którymi przebiega zbiorczy rurociąg ciśnieniowy, oraz nazwy ulic, z którymi się krzyżuje.

Zasady projektowania strefowych przepompowni ścieków

Strefowe pompownie ścieków projektuje się na maksymalny godzinowy dopływ ścieków Qhmax przy założeniu, że maksymalne dopływy wszystkich rodzajów ścieków zbiegają się w tym samym czasie. Wydajność pompy dla strefowej pompowni ścieków bytowych i przemysłowych oblicza się ze wzoru [4]:

                  (13)

gdzie:
Q_p – wydajność pompy, m³ · h^–1;
k – współczynnik bezpieczeństwa, -;
Q_hmax – maksymalny godzinowy dopływ ścieków bytowych i przemysłowych, m³ · h^–1.

Współczynnik bezpieczeństwa należy przyjmować z przedziału k = 1,1–2,0 dla pompowni ścieków z jedną pompą lub k = 0,8–2,0 dla pompowni ścieków z dwiema pompami. Gdy k < 1,0, to pracują dwie pompy jednocześnie, a gdy k ≥ 1,0, pracuje jedna pompa z wydajnością Qp. Wartość współczynnika bezpieczeństwa zależy do miejsca lokalizacji pompowni ścieków na sieci kanalizacji ciśnieniowej. Powinien on jednak być dobierany ostrożnie, ponieważ zwiększamy wymiary przepompowni ścieków i jej koszty inwestycyjne. Ale z drugiej strony, im większą przyjmujemy wartość współczynnika bezpieczeństwa, tym większa jest niezawodność i bezpieczeństwo pracy strefowej pompowni ścieków. 

Po obliczeniu wydajności pompy należy dobrać średnicę rurociągu ciśnieniowego i wyznaczyć użyteczną wysokość podnoszenia pompy. Prędkość przepływu ścieków w rurociągu ciśnieniowym dla obliczonej wydajności pompy nie powinna być mniejsza niż 0,7 m · s^–1 (prędkość samooczyszczania rurociągów) [6] i większa niż 3 m · s^–1. Dobrana średnica rurociągu ciśnieniowego nie może być mniejsza od średnicy króćca tłocznego pompy. Użyteczną wysokość podnoszenia pompy oblicza się ze wzorów (rys. 4) [4]:

             (14)

lub

           (15)

gdzie:
H_U – użyteczna wysokość podnoszenia pompy, m;
Z_rs – rzędna wylotu rurociągu ciśnieniowego w zbiorniku uśredniającym w oczyszczalni ścieków, m;
Z_r – rzędna rurociągu ciśnieniowego w najwyższym punkcie na jego trasie, m;
Z_min – rzędna zwierciadła minimalnego w pompowni ścieków, m;
h – straty hydrauliczne w rurociągu ciśnieniowym, m.

Wzór (14) stosujemy wtedy, gdy rurociąg ciśnieniowy od pompowni ścieków wznosi się do zbiornika uśredniającego w oczyszczalni ścieków, a wzór (15), gdy rurociąg ciśnieniowy od pompowni ścieków początkowo się wznosi, a później opada do zbiornika uśredniającego w oczyszczalni ścieków. Średnicę i straty hydrauliczne dla rurociągu ciśnieniowego oblicza się ze wzorów: (7), (8), (9), (10), (11). Po obliczeniu wydajności pompy i użytecznej wysokości podnoszenia dobieramy pompę z katalogu pomp.

Objętość czynną zbiornika strefowej pompowni ścieków oblicza się ze wzorów [4]:

                  (16)

lub

               (17)

gdzie:
V_cz – objętość czynna zbiornika strefowej pompowni ścieków, m³;
Q_p – wydajność pompy, m³ · h^–1;
T – długość najkrótszego cyklu pracy pompy, h;
z – współczynnik zależny od liczby pomp w strefowej pompowni ścieków (z = 1 dla jednej pompy, z = 2 dla dwóch pomp pracujących naprzemiennie);
n – liczba włączeń pompy w ciągu jednej godziny, h^–1.

Znając objętość czynną zbiornika strefowej pompowni ścieków, z katalogu należy dobrać dla założonej wysokości retencji ścieków h_r zbiornik dla strefowej pompowni ścieków o odpowiedniej średnicy wewnętrznej D_w. Należy pamiętać, aby spełniony był warunek [4]:

                (18)

gdzie:

Vr – objętość retencyjna wybranego zbiornika dla strefowej pompowni ścieków przy założonej wysokości retencji ścieków hr, m³;
V_cz – objętość czynna zbiornika strefowej pompowni ścieków, m³.

Przy doborze wewnętrznej średnicy zbiornika strefowej pompowni ścieków należy brać pod uwagę wymiary i liczbę pomp, które będą zamontowane w pompowni. Przyjęcie zbyt małej średnicy może powodować utrudnienia w czasie normalnej eksploatacji lub awarii pompowni. Natomiast przyjęcie średnicy zbyt dużej może powodować powstawanie na powierzchni ścieków kożucha lub osadzanie się zanieczyszczeń na dnie zbiornika, a zbyt mała wysokość h_rz utrudnia sterowanie pracą pompy.

Po dobraniu zbiornika dla strefowej pompowni ścieków należy wyznaczyć jej geometryczne wymiary:   

• wysokość (grubość) dna zbiornika, którą odczytuje się z katalogu dla dobranego zbiornika strefowej pompowni ścieków,    

• wysokość martwą zbiornika, którą odczytuje się z katalogu dla dobranej pompy,

• rzeczywistą wysokość retencyjną zbiornika, którą oblicza się z odpowiedniego wzoru, np. (19),

• wysokość bezpieczeństwa, którą przyjmuje się min. 0,2 m,

• wysokość zagłębienia kanału lub kolektora doprowadzającego ścieki do pompowni.

Dla zbiornika cylindrycznego rzeczywistą wysokość retencyjną zbiornika oblicza się ze wzoru [4]:

                    (19)

gdzie:
h_rz – rzeczywista wysokość retencyjna zbiornika, m;
V_cz – objętość czynna zbiornika pompowni ścieków, m³;
D_w – średnica wewnętrzna zbiornika pompowni ścieków [m].

Natomiast całkowitą wysokość pompowni ścieków oblicza się ze wzoru (rys. 4) [4]:

                 (20)

gdzie:
h_c – całkowita wysokość pompowni ścieków, m;
h_g – grubość dna zbiornika, m;
h_m – wysokość martwa zbiornika, m;
h_rz – rzeczywista wysokość retencyjna zbiornika, m;
h_b – wysokość bezpieczeństwa, m;
h_z – zagłębienie rurociągu doprowadzającego ścieki, m.

Podsumowanie

Kanalizację ciśnieniową należy stosować wtedy, gdy konfiguracja terenu jest bardzo zróżnicowana (teren pagórkowaty lub górski), a spadki terenu są niekorzystne do zastosowania kanalizacji grawitacyjnej. Ponadto wtedy, gdy zwierciadło wód gruntowych znajduje się wysoko, a zabudowa jest rozproszona. Kanalizację ciśnieniową zaleca się stosować również wszędzie tam, gdzie ścieki należy odprowadzać okresowo i w małych ilościach, oraz tam, gdzie występują trudności w wytyczeniu trasy rurociągu – gdy mało jest miejsca, brakuje zgody właściciela gruntu na poprowadzenie kanalizacji bądź pojawiają się różnego rodzaju przeszkody nadziemne lub podziemne. 

W takich przypadkach wygodniej stosować kanalizację ciśnieniową, bo łatwiej można te przeszkody ominąć. Kanalizację ciśnieniową można zastosować również do transportu ścieków na duże odległości w terenie płaskim. 

Ze względu na ochronę środowiska naturalnego wskazane jest, aby kanalizacja ciśnieniowa stosowana była na terenach stref ochrony zasobów wodnych, na obrzeżach zbiorników wodnych, w miejscowościach, które posiadają bazy turystyczne i agroturystyczne, i wszędzie tam, gdzie prowadzone są gospodarstwa rolne produkujące żywność ekologiczną.

Literatura

1. Błażejewski R., Kanalizacja wsi, PZITS Oddział Wielkopolski, Poznań 2003.

2. Grabarczyk C., Kalenik M., Siwiec T., Morawski D., Eksperymentalne badania liniowych oporów hydraulicznych ciśnieniowych przepływów ścieków w rurach PVC i PE – Gamrat, Zeszyty Naukowe Politechniki Świętokrzyskiej „Budownictwo” nr 40, 2001, s. 29–37.

3. Kalenik M., Wykorzystanie metody graficznej do projektowania kanalizacji ciśnieniowej, Przegląd Naukowy Wydziału Inżynierii i Kształtowania Środowiska, Zeszyt 18, 2000, s. 137–144.

4. Kalenik M., Niekonwencjonalne systemy kanalizacji, Wydawnictwo SGGW, Warszawa 2011.

5. Łomotowski J., Szpindor A., Nowoczesne systemy oczyszczania ścieków, Arkady, Warszawa 1999.

6. PN-EN 1671 Zewnętrzne systemy kanalizacji ciśnieniowej, PKN 2001.

7. PN-EN 752-4 Zewnętrzne systemy kanalizacyjne. Obliczenia hydrauliczne i oddziaływanie na środowisko, PKN 2001.

8. Szabo T., Kanalizacja ciśnieniowa Presskan, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” nr 4–5, 1990, s. 76–80.