Pompownie ścieków – dobór i rozmieszczenie pomp

Pompownie ścieków z tzw. mokrą komorą wlotową i suchą komorą pompową wymagają znacznie większej powierzchni w porównaniu z pompowniami wyposażonymi w pompy zatapialne. Z tych względów w niekonwencjonalnych (ciśnieniowych) systemach kanalizacji ściekowej buduje się obecnie wyłącznie pompownie wyposażone w pompy zatapialne, instalowane w zagłębionych w gruncie komorach – studniach zbiorczych [1, 3, 4, 5]. Klasyczne konstrukcje pompowni stosuje się nadal w dużych grawitacyjno-pompowych systemach kanalizacji rozdzielczej czy też ogólnospławnej, gdzie pełnią funkcję pośrednich pompowni ścieków [1, 4, 11, 13].

Ściekowe pompy zatapialne pracują często w złożonych systemach kanalizacyjnych składających się z kilkudziesięciu współpracujących ze sobą pompowni. Pompownie te zlokalizowane są przeważnie na rozległym terenie. Wymaga się od nich przede wszystkim bezawaryjnej pracy, przy możliwie ograniczonej obsłudze zainstalowanych pomp i znajdujących się w nich instalacji. Specyfika pompowania ścieków w stosunku do transportu czystej wody jest zdecydowanie bardziej złożona z uwagi na znajdujące się w cieczy zanieczyszczenia stałe i gazy.

Postęp techniczny pozwala na produkcję zatapialnych pomp ściekowych z wirnikami przeznaczonymi do pompowania ścieków z różnymi rodzajami zanieczyszczeń [4, 5, 7, 9, 10, 14]. Obecnie, praktycznie dla każdego rodzaju zanieczyszczeń w ściekach, możliwy jest dobór właściwej pompy ściekowej z charakterystycznym typem wirnika.

Podstawowym kryterium doboru pomp ściekowych do danego układu pompowego, oprócz bezawaryjnego pompowania ścieków z zanieczyszczeniami, pozostaje nadal praca z wysoką sprawnością w całym możliwym zakresie. Projektując pompownie kanalizacyjne, należy dążyć zarówno do poprawy wskaźników energetycznych transportu ścieków w systemie, zwiększenia niezawodności pracy zastosowanych pomp, jak i zmniejszenia negatywnego oddziaływania tego typu obiektów na środowisko.

Zasady doboru pomp w pompowniach

Wybór właściwej pompy w układzie pompowym powinien się opierać na minimalizacji wszystkich kosztów poniesionych przez użytkownika w całym okresie eksploatacji – LCC [2]. Na łączny koszt składają się: koszty inwestycyjne zakupu urządzeń i instalacji (wraz z kosztami spłaty kredytów zaciągniętych na ich zakup), koszty poniesione na wszystkie prace instalacyjne (budowlane, elektryczne oraz hydrauliczne) oraz koszty eksploatacyjne (bieżącej obsługi, energii elektrycznej zużytej do napędu pomp, przeglądów i remontów oraz usuwania skutków awarii). Istotną częścią jest także koszt zakupu energii do napędu zespołów pompowych.

Duże przepompownie ścieków, z uwagi na bardzo dużą nierównomierność czasową dopływu strumieni objętości (wydajności) ścieków Q do systemu, projektuje się przeważnie jako wielopompowe [1, 3, 9, 10, 12]. Liczbę przyjętych pomp (i) w projektowanych pompowniach należy przyjmować w zależności od:

• rzeczywistego, charakterystycznego dla danego systemu kanalizacyjnego stosunku Q_max do Q_min,
• nachylenia charakterystyki przepływu przyjętych pomp H_i = f(Q_i),
• kształtu charakterystyki strat hydraulicznych sieci kanalizacyjnej, w której pracują pompy Δh = f(Q).

Projektując pompownie wielopompowe, można przyjmować liczbę pomp (i) o zarówno identycznych parametrach pracy Hi = f(Q_i), jak i różnych, tj. większe o charakterystyce HB = f(Q) lub mniejsze o charakterystyce HA = f(Q).

Pompy o różnych parametrach pracy

Przeanalizujmy zasadę doboru urządzeń dla pompowni dwupompowej, w której dobrano dwie pompy różniące się charakterystykami przepływu i pracujące w różnych układach pompowych. Jako podstawowe kryterium doboru przyjmijmy zużycie energii elektrycznej koniecznej do napędu pomp dla przepompowania tej samej ilości ścieków [9].

Zużycie energii elektrycznej przez pompę w ciągu roku można obliczyć z zależności:

E = P_S · t

gdzie:

E – roczne zużycie energii elektrycznej, kWh;

P_s – moc pobierana z sieci elektrycznej przez silnik napędowy, kW;

t – roczny czas pracy pompy, h.

Moc silnika napędowego:

P_s = P_W/η_S

gdzie:

P_w – moc na wale pompy;

μ_s – sprawność silnika napędowego.

Moc na wale pompy wynosi:

gdzie:

γ – ciężar właściwy ścieków, N/m³;

H – wysokość podnoszenia pompy, m;

Q – strumień objętości pompy, m³/s;

η_c – sprawność całkowita pompy.

Roczne zużycie energii obliczyć można z zależności:

    Dla uproszczenia analizy przyjmijmy, że ciężar właściwy ścieków, sprawność pompy i silnika napędowego mają stałą wartość. Wówczas roczne zużycie energii E jest proporcjonalne do iloczynu H, Q i t.

Kształt charakterystyki hydraulicznej sieci ma zasadnicze znaczenie z uwagi na zużycie energii (rys. 9).

Przeanalizujmy dwie pompy, mniejszą HA = f(Q) i większą H_B = f(Q), współpracujące z trzema typami charakterystyk sieci: płaską (bez strat Δh = H_g – wg rys. 1a), typową Δh₁ = f(Q) (wg rys. 1b) oraz stromą Δh₂ = f(Q) (wg rys. 1c).

Załóżmy też, że strumień objętości mniejszej pompy Q_A będzie równy średniemu dopływowi ścieków do przepompowni Q_{in śr} oraz równy Q_B/2.

W pierwszym przypadku (wg rys. 1a – bez strat hydraulicznych sieci) większa pompa B przepompuje identyczny strumień objętości Q_B jak pompa mniejsza A w czasie dwukrotnie krótszym. Zużycie energii w obu przypadkach będzie jednakowe, ponieważ Q_A = Q_B/2.

Z uwagi na koszt eksploatacji dla sieci o płaskich charakterystykach (tylko wysokość geometryczna) nie ma znaczenia, którą pompę, mniejszą czy większą, przyjmiemy w przepompowni.

Jeżeli chcemy uzyskać równomierny dopływ strumienia ścieków np. do oczyszczalni, wskazane jest przyjęcie kilku pomp mniejszych (licząc się z obniżoną sprawnością całkowitą dla pomp mniejszych).

W drugim przypadku [wg rys. 1b – sieć hydrauliczna o typowej charakterystyce Δh₁ = f(Q)] zużycie energii dla pompy większej Q_B będzie dwukrotnie większe niż dla pompy mniejszej Q_A.

Jeżeli przyjmiemy jedną pompę B (o strumieniu Q_B = Q_{in śr}), należy się wówczas liczyć ze znacznym wzrostem zużycia energii (do 100%) w stosunku do wariantu z dwiema pompami A (o Q_A = Q_{in śr}).

W trzecim przypadku [wg rys. 1c – sieć hydrauliczna o stromej charakterystyce dla znacznych strat Δh₂ = f(Q)], przyjmując jedną większą pompę B (o Q_B = Q_{in śr}), w stosunku do wariantu z dwoma pompami A (o Q_A = Q_{in śr}) zużycie energii będzie jeszcze większe (w analizowanym przypadku wzrośnie o ok. 300%).

Z przeprowadzonej analizy można wyprowadzić praktyczne wnioski dla projektantów pompowni:

• jeżeli wysokość geometryczna (Hg) wynosi więcej niż 2/3 wysokości tłoczenia pomp (H), to dla danej sieci kanalizacyjnej powinno się dobierać pompy o tej samej wielkości,
• jeżeli wysokość geometryczna (Hg) wynosi mniej niż 2/3 wysokości tłoczenia pomp (H), to dla danej sieci kanalizacyjnej powinno się dobierać pompy o różnych wielkościach.

Pompy identyczne

Większość pompowni ścieków wyposaża się w identyczne pompy o tych samych parametrach pracy, włączane równolegle do współpracy wraz ze zwiększającym się napływem ścieków do pompowni. Z uwagi na koszty inwestycyjne należy ograniczać liczbę pomp w pompowni do niezbędnego minimum (maks. 4 szt.). W pompowniach z większą liczbą identycznych pomp czynnych ich parametry pracy będą się zmieniały w zależności od charakterystyki przepływu, liczby pracujących pomp oraz charakterystyki układu pompowego [1, 3].

Na przedstawionych na rys. 2a, rys. 2b, rys. 2c i rys. 2d wykresach zobrazowano nieliniowe zmiany parametrów działania pompowni – odnośnie do wysokości tłoczenia H i strumienia objętości (wydajności) Q, a także nieliniowe zmiany parametrów poszczególnych pomp – Q_i, H_i, przy kolejnym załączaniu pomp i = 1, 2, 3 i 4 do wspólnej równoległej pracy.

Przykładowo na rys. 2 parametry pracy pompy (Qi, Hi) wynoszą odpowiednio Q₁ = 167,4 m³/h, H₁ = 12,4 m; Q₂ = 153,8 m³/h, H₂ = 15,7 m; Q₃ = 137,0 m³/h, H₃ = 19,4 m oraz Q₄ = 120,7 m³/h, H₄ = 22,6 m.

Załączenie do pracy równoległej drugiej pompy powoduje zwiększenie wydajności pompowni o ok. 45,5%, trzeciej – o 25,1%, a czwartej – już tylko o 14,8%. Ponadto zmiana parametrów pracy pomp H_i, Q_i w zależności od liczby pracujących urządzeń uwzględniać powinna kształt charakterystyki hydraulicznej (tzw. przepływność) sieci, do której tłoczone są ścieki.

Na rys. 3 przedstawiono zmiany parametrów pracy identycznych pomp współpracujących z dwiema różnymi sieciami kanalizacyjnymi Δh = f(Q) oraz Δh’ = f(Q).

Parametry pracy pomp Q_i’, H_i’ współpracujących z siecią o charakterystyce bardziej „stromej”  Δh’ = f(Q) wynoszą odpowiednio: Q₁’= 144,0 m³/h, H₁’= 17,9 m; Q₂’= 121,1 m³/h, H₂’= 22,6 m; Q₃’= 97,7 m³/h, H₃’= 26,5 m oraz Q₄’= 80,5 m³/h, H4’= 28,8 m. W tym przypadku włączenie do pracy równoległej drugiej pompy powoduje zwiększenie wydajności pompowni o 40,4%, trzeciej – o 17,4%, a czwartej – już tylko o 9,0%.

Dobierając pompy pracujące w ściekowej pompowni wielopompowej, należy pamiętać, żeby przyjmować urządzenia o wysokiej sprawności maksymalnej, tj. pompy do ścieków wyposażone w wirniki jedno- lub wielokanałowe [3, 4, 13]. Prawidłowy dobór tych pomp powinien uwzględniać nie tylko wartość sprawności maksymalnej η_max, ale także wartości rzeczywistych sprawności pracujących urządzeń w całym zakresie ich współpracy równoległej w systemie dla i = 1; 2; 3 i 4 (rys. 4).

Zgodnie z ogólnymi zasadami doboru pomp dopuszczalny spadek sprawności Δμ powinien się mieścić w zakresie od 10 do 15% η_max.

Rozmieszczenie pomp w studniach zbiorczych

Projektując pompownie ścieków zagłębione w gruncie z mokrą komorą studni zbiorczej, należy zapewnić:

• odpowiednie gabaryty dostosowane do wymaganej objętości retencyjnej, przyjętej z uwagi na dobrane pompy i ich sposób sterowania,
• poprawne hydrauliczne zasilanie pomp ściekami,
• brak stref zalegania osadów na dnie,
• dwustronną szczelność,
• odporność na ścieki i wody gruntowe,
• odporność na występowanie znacznej siły wyporu pod działaniem wód gruntowych,
• dużą sztywność konstrukcji oraz możliwość mocowania pomp i instalacji do jej dna i ścian bocznych,
• dostateczną przestrzeń do montażu i obsługi bieżącej pomp i instalacji.

Wymiary studni pompowni, w której montuje się pompy ściekowe, wynikają przede wszystkim z wymaganej objętości retencyjnej [1, 3, 9]. Objętość ta jest niezbędna z uwagi na nierównomierny dopływ ścieków do pompowni oraz przerywaną pracę przyjętych w systemie pomp.

Przy częstych rozruchach urządzeń temperatura uzwojeń ich silników napędowych znacznie wzrasta w chwili załączenia do pracy z uwagi na zwiększony pobór prądu z sieci.

Zasady wyznaczania wymaganej objętości retencyjnej (czynnej – V_cz) w zależności od nierównomierności dopływu strumienia ścieków (Q), dopuszczalnej liczby cykli załączeń pomp w trakcie godziny (1/T_min), liczby zainstalowanych pomp w pompowni (i) i sposobu sterowania ich pracą przedstawiono w artykułach [1, 3]. Ponadto pompy zatapialne w przepompowniach ścieków powinny być tak zamocowane do dna studni, żeby zapewnić ich niezawodne działanie w każdych warunkach pracy, bezpieczną obsługę, możliwie najkrótsze prowadzenie rurociągów w obiekcie oraz ewentualną rozbudowę pompowni (małe koszty inwestycyjne).

Przyjęte gabaryty komory pompowej powinny zapewniać ciągły ruch ścieków w całej jej objętości (żeby nie dochodziło do zalegania zanieczyszczeń na dnie) oraz właściwie zasilanie strumieniem ścieków poszczególnych pomp (bez zasysania powietrza do króćców ssących pomp) [9, 12].

Dłuższe zaleganie osadów na dnie studni, w przerwach pomiędzy kolejnymi cyklami pompowania ścieków, prowadzi do ich zagniwania, a tym samych do wydzielania się szkodliwych zapachów – odorów (najczęściej siarkowodoru) [4, 5].

Wielkość studni pompowni, jej kształt, pochylenie dna oraz rozmieszczenie poszczególnych zespołów pompowych w komorze ma zasadniczy wpływ na uciążliwość pracy tego typu obiektów zlokalizowanych w terenie zurbanizowanym.

Projektując pompownie ściekowe zlokalizowane w bezpośrednim pobliżu ludzi, dla zmniejszenia ich uciążliwości należy instalacje tłoczne poszczególnych pomp wyposażać w zawory płuczące (rozruchowe). Na rys. 5 pokazano zasadę pracy takiego hydrodynamicznego zaworu płuczącego (typ 490), który nie wymaga zasilania zewnętrznego [11].

Przepływ ścieków w momencie załączenia pompy do pracy przedstawiono na rys. 5a. Przez pewien czas (20–50 sekund) pompa kieruje, poprzez otwartą dyszę zaworu, silny strumień ścieków na zalegający na dnie studni osad, powodując jego uniesienie i wymieszanie.

Po zakończeniu rozruchu wypływ ścieków przez zawór do studni zostaje odcięty i ścieki wraz z zanieczyszczeniami stałymi kierowane są do instalacji tłocznej (rys. 5b).

Pompownie walcowe

W pompowniach ścieków przeznaczonych do małych i średnich systemów kanalizacyjnych studnie zbiorcze, z uwagi na minimalizację kosztów budowy, wykonuje się zazwyczaj w kształcie walca zagłębionego w gruncie [4, 7, 10]. Ściany studni, dna oraz płyty górnej wykonywane są najczęściej z betonu (żelbetu), rzadziej z polimeru lub polimerobetonu.

W małych pompowniach przeznaczonych do pracy w systemach kanalizacji bytowej montuje się w studni przeważnie jedną pompę czynną, a pompę rezerwową umieszcza w magazynie.

W średniej wielkości pompowniach grupowych, z uwagi na zapewnienie niezawodności działania systemu, należy instalować dwie pompy – jedną czynną i jedną rezerwową. Pompa rezerwowa może być wówczas włączana okresowo do pracy w przypadkach gwałtownego i niespodziewanego napływu ścieków do pompowni.

Dobieramy konstrukcję pomp w wersji stacjonarnej, ze stopą mocowaną do dna studni. Instalację tłoczną, wykonaną ze stali nierdzewnej lub żeliwa, także montujemy na stałe do króćca tłocznego stopy. Wymaga ona niezależnego podparcia na dnie lub ścianie bocznej studni albo zawieszenia na jej płycie górnej.

Indywidualna instalacja tłoczna pompy powinna mieć zawór zwrotny i zawór zaporowy. W pompowni ścieków, gdy pompy nie mają zaworów płuczących, należy bezwzględnie stosować znaczne (45–60o) nachylenie dna w kierunku króćców ssących pomp (dla stworzenia odpowiednich warunków hydraulicznych przy dnie). Wzmożona turbulencja cieczy z zanieczyszczeniami pływającymi w strefie zasysania pomp pozwala na ich skuteczne usunięcie w czasie pompowania ścieków.

Dla walcowych studni zbiorczych jedno- lub dwupompowych pompowni rozmieszczenie pomp (i podstawowe wymiary komór pompowych) można przyjmować według wytycznych firm (np. [10] – rys. 6 i tab. 1). Montaż pomp w studniach retencyjnych pompowni należy zawsze wykonywać według zaleceń zawartych w DTR producenta urządzeń.

Pompownie prostopadłościenne

W przypadku dużych pompowni ścieków – o kształcie prostopadłościennym – możliwe są dwa sposoby doprowadzenia ścieków do komory pompowej [6, 8, 9]. Wlot ścieków może się znajdować w ścianie czołowej (rys. 7) lub bocznej studni (rys. 8).

W obu przypadkach zaleca się, żeby ścieki dopływające rurociągiem grawitacyjnym nie dopływały bezpośrednio do komory pompowej, ale były kierowane najpierw do komory wlotowej. Oddzielona część wlotowa od komory pompowej ma za zadanie odpowietrzenie ścieków i reguluje prędkość ich dopływu do poszczególnych pomp. W tym celu w dnie komory wlotowej, naprzeciw poszczególnych pomp, znajdują się prostokątne otwory przelewowe. Minimalny poziom ścieków w komorze pomp musi sięgać na taką wysokość, by otwory przelewowe w dnie komory wlotowej zawsze były zalane. Górna krawędź ściany działowej pomiędzy komorami umieszczona naprzeciw rury wlotowej powinna wystawać ponad jej oś (rys. 7).

Minimalna szerokość komory wlotowej i wysokość ściany działowej uzależnione są od średnicy rury wlotowej. Szerokość komory wlotowej powinna być tak dobrana, by ścieki przy prędkości w rurze wlotowej rzędu 1,0–1,5 m/s trafiały w pionową ścianę działową. Przy mniejszych prędkościach wypływu, ok. 0,7 m/s, strumień ścieków powinien spływać na pochyloną część dna komory wlotowej

Jeżeli poziom ścieków w komorze wlotowej jest wysoki, pływający w ściekach kożuch i skratki przelewają się do komory pompowej przez ściankę działową (na części przelewowej). Dno komory pompowej powinno być nachylone w kierunku króćców ssawnych pomp pod kątem ok. 8–10°.

Podstawy dużych pomp zatapialnych montuje się zwykle na podwyższonych fundamentach. Pompy montowane na takich fundamentach zapewniają dostateczną wymaganą odległość ich otworów ssących od dna komory, a tym samym prawidłowe warunki dopływu ścieków do urządzeń, nawet przy bardzo dużym przepływie.

Innym rozwiązaniem prostopadłościennych komór pompowni ścieków, koniecznym ze względu na miejscowe warunki prowadzenia sieci kanalizacyjnej, są studnie z bocznym wlotem ścieków. Na rys. 8-góra przedstawiono pompownię czteropompową z rurą wlotową znajdującą się powyżej dna komory wlotowej. Natomiast na rys. 8-dół pokazano przypadek takiej studni z rurą wlotową usytuowaną przy dnie pompowni. W obu przypadkach w pompowni wydzielono komorę wlotową oddzieloną od komory pompowej ścianą działową. Rozwiązanie to w stosunku do rozwiązania z wlotem czołowym nie różni się zasadniczo pod względem wymaganych gabarytów.

Według zaleceń Hydraulic Institute Standards [6, 8, 9] duże prostopadłościenne pompownie wyposażone w pompy zatapialne należy projektować z uwzględnieniem wymaganych minimalnych wymiarów (A–F) komory wlotowej i komory pomp.

Na rys. 9 przedstawiono warunki wzajemnego rozmieszczenia czterech pomp w komorze pompowej oraz ukształtowania jej dna z uwagi na zapewnienie właściwego dopływu ścieków.

Podsumowanie

W artykule omówiono zasady doboru zatapialnych pomp ściekowych pracujących w różnych systemach kanalizacji ciśnieniowej. Zaprezentowano zasady doboru pomp w zależności od kształtu charakterystyki sieci kanalizacyjnej z uwagi na minimalizację zużycia energii elektrycznej. Przedstawiono minimalne wymagane wymiary studni zbiorczych walcowych i prostopadłościennych pompowni ścieków działających w systemach kanalizacji grawitacyjno-pompowej oraz ciśnieniowej. Opisano właściwe rozmieszczenie poszczególnych pomp w studniach pompowni z uwagi na ich poprawne hydrauliczne działanie.

Literatura

1. Łuźniak M., Kotowski A., Zasady wymiarowania przepompowni ścieków wyposażonych w pompy zatapialne, konferencja naukowo-techniczna „Nowe technologie w sieciach i instalacjach wodociągowych i kanalizacyjnych”, Ustroń 2014.
2. Holzhuter H., Główne czynniki kształtujące koszty LCC układów pompowych, „Pompy Pompownie” nr 11/2000.
3. Łuźniak M., Wymagana retencja w studniach zbiorczych przepompowni ścieków bytowo-gospodarczych i przemysłowych, konferencja naukowo-techniczna „Instalacje wodociągowe i kanalizacyjne – projektowanie, wykonanie, eksploatacja”, Dębe k. Warszawy 2015.
4. Weismann D., Komunalne przepompownie ścieków, Wyd. Seidel-Przywecki, Warszawa 2001.
5. Bagieński J., Lokalne pompownie wodociągowe i kanalizacyjne, konferencja naukowo-techniczna „Instalacje wodociągowe i kanalizacyjne – projektowanie, wykonanie, eksploatacja”, Dębe k. Warszawy 2015.
6. Smith P.N., Highway Stormwater Pump Station Desing, raport nr FHWA-NHI-01-007, U.S. Department of Transportation, „Hydraulic Engineering Circular” nr 24, 2001.
7. ATV A134E Projektowanie i budowa małych pompowni ścieków, Gfa, Hennef 2000.
8. MDOT, Pump Station Hydraulic Design Example, Drainage Manual, Michigan 2006.
9. ITT FLYGT, Poradnik projektanta – projektowanie i wymiarowanie stacji pomp, Wyd. ITT FLYGT, Warszawa 1993.
10. KSB Pompy i Armatura, Wskazówki do poprawnego projektowania przepompowni wyposażonych w pompy zatapialne, Wyd. KSB Pompy i Armatura Sp. z o.o., Warszawa 2000.
11. Materiały katalogowe firmy Flygt, Zawory płuczące 4901, 4910, www. xylemwatersolutions.com.
12. Jankowski F., Pompownie i urządzenia hydroforowe, Arkady, 1968.
13. Strączyński M. i in., Podręcznik eksploatacji pomp w wodociągach i kanalizacji, Wyd. Seidel-Przywecki, Warszawa 2007.
14. Kotowski A., Podstawy bezpiecznego wymiarowania odwodnień terenów. Tom I i II, Wyd. Seidel-Przywecki, Warszawa 2015.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!