Kanalizacja grawitacyjna – rozwiązania konstrukcyjne i wykonawstwo

Podstawowym zadaniem kanalizacji jest zebranie i odprowadzenie z jednostki osadniczej wszystkich ścieków powstałych w wyniku życia ludzi, produkcji przemysłowej i przetwórczej oraz wód opadowych.

Ze względu na stopień segregacji ścieków usuwanych przez system kanalizacji grawitacyjnej wyróżnia się następujące systemy (rys. 1):

• kanalizację ogólnospławną – to system kanalizacji, w którym wszystkie rodzaje ścieków są odprowadzane jedną siecią kanałów do oczyszczalni ścieków, a w węzłach sieci znajdujących się najbliżej odbiornika (np. rzeki) i o dużych przepływach buduje się burzowce (przelewy burzowe), którymi w okresie dużych opadów bądź roztopów nadmiar wód opadowych zmieszanych ze ściekami (ścieki rozcieńczone) doprowadzany jest bezpośrednio do odbiornika bez oczyszczania,

• kanalizację rozdzielczą – to system kanalizacji, w którym ścieki bytowe i przemysłowe są odprowadzane siecią kanałów do oczyszczalni ścieków, natomiast wody opadowe odrębną siecią kanałów do odbiornika (np. rzeka), po usunięciu nadmiaru zanieczyszczeń (np. piasek, substancje ropopochodne) w separatorach służących do tego celu,

• kanalizację półrozdzielczą – to system kanalizacji, w którym na sieci kanałów (rurociągów) odprowadzających wody opadowe do odbiornika (np. rzeki) zamontowane są separatory, które umożliwiają kierowanie najbardziej zanieczyszczonych wód opadowych do sieci kanałów, którymi ścieki bytowe i przemysłowe są odprowadzane do oczyszczalni ścieków,

• kanalizację małośrednicową – to system kanalizacji, w którym następuje wstępne mechaniczne oczyszczanie ścieków bytowych w osadnikach gnilnych przed wprowadzeniem ścieków do sieci kanałów grawitacyjnych, które odprowadzają podczyszczone ścieki do oczyszczalni.

System kanalizacji grawitacyjnej stosuje się, gdy spadek terenu występuje w kierunku oczyszczalni ścieków, zwierciadło wód gruntowych znajduje się na głębokości 0,5 m poniżej dna wykopu, zabudowa jest zwarta, a grunty nośne.

W małych miejscowościach (wsiach) nie buduje się kanalizacji ogólnospławnej ani deszczowej, tylko kanalizację ściekową (sanitarną), która odprowadza ścieki bytowe i przemysłowe, albo kanalizację małośrednicową, którą odprowadza się ścieki tylko bytowe i w której można wykorzystać istniejące zbiorniki na ścieki (szamba) jako osadniki gnilne.

Natomiast w dużych miejscowościach buduje się obecnie kanalizację rozdzielczą, półrozdzielczą lub kanalizację ze zbiornikami retencyjnymi na ścieki opadowe [4].

Szczególnie duże zastosowanie mają zbiorniki retencyjne w szybko rozwijających się dużych aglomeracjach miejskich, w których istniejący system kanalizacji nie jest w stanie odprowadzić np. ścieków deszczowych z nowo podłączanych osiedli mieszkaniowych. W związku z tym, żeby nie budować nowego systemu kanalizacji, buduje się zbiornik retencyjny na ścieki opadowe i podłącza go do istniejącego systemu.

Ze względu na obowiązujące wymagania ochrony środowiska i coraz wyższe opłaty za oczyszczanie ścieków obecnie bardzo rzadko buduje się kanalizację ogólnospławną. Można ją spotkać w dużych aglomeracjach miejskich, gdzie została wybudowana wcześniej.

Czytaj też: Ocena przepustowości sieci kanalizacyjnej >>

Obiekty uzbrojenia sieci kanalizacji grawitacyjnej

W systemach kanalizacji grawitacyjnej stosuje się kanały i kolektory ściekowe o przekroju:

• kołowym (najczęściej),

• gruszkowym,

• jajowym

• i dzwonowym [9].

Rury stosowane do budowy kanalizacji grawitacyjnej powinny się charakteryzować szczelnością połączeń, dużą wytrzymałością na obciążenia zewnętrzne, powinny być trwałe i odporne na mechaniczne (np. ścieranie dna rury piaskiem) i chemiczne (np. agresywne substancje) oddziaływanie ścieków [8].

Kanały i kolektory ściekowe budowane są z rur: betonowych, żelbetowych, kamionkowych, żeliwnych, z tworzyw sztucznych oraz kompozytowych.

Na obszarach wiejskich nie zawsze jest możliwe zaprojektowanie klasycznej kanalizacji grawitacyjnej, ze względu na bardzo zróżnicowaną zabudowę terenu, małe ilości ścieków i w wielu przypadkach niekorzystne warunki topograficzne.

W związku z powyższym na obszarach wiejskich buduje się kanalizację grawitacyjno-pompową (rys. 2), która charakteryzuje się tym, że w danej miejscowości ścieki z obszaru o zabudowie zwartej kanalizacją grawitacyjną transportowane są do strefowej pompowni ścieków lub tłoczni ścieków [6], z której następnie rurociągiem tranzytowym są tłoczone do drugiego obszaru o zabudowie zwartej, w którym również ścieki kanalizacją grawitacyjną transportowane są do kolejnej pompowni ścieków itd.

W zależności od rodzaju systemu kanalizacji grawitacyjnej na sieci kanałów i kolektorów ściekowych budowane są obiekty uzbrojenia, do których zaliczamy:

• studzienki kanalizacyjne,

• separatory,

• wpusty uliczne,

• przelewy burzowe,

• zbiorniki retencyjne,

• syfony kanalizacyjne, itp.

Studzienki kanalizacyjne stosuje się przy zmianie kierunku kanału, w miejscach zmiany średnicy kanału, na zmianach spadku kanału, w miejscach łączenia się kanałów oraz na długich prostych odcinkach, średnio co 60–70 m. W zależności od funkcji, jaką pełnią w sieci kanalizacji grawitacyjnej, rozróżnia się studzienki rewizyjne i kaskadowe.

Studzienki kanalizacyjne budowane są najczęściej z kręgów żelbetowych o średnicy ok. 1,0–1,2 m i wysokości 0,3–0,6 m, cegły kanalizacyjnej lub twardego tworzywa sztucznego. Pokrywy do studzienek kanalizacyjnych wykonuje się z żeliwa typu lekkiego, jeżeli studzienka będzie umieszczona w chodniku, lub typu ciężkiego, jeżeli zostanie umieszczona w jezdni.

Dno studzienki (kineta) jest odpowiednio wyprofilowane i wykonywane z betonu, płytek ceramicznych lub tworzywa sztucznego. W studzienkach żelbetowych dno kinety wykonuje się z kamionkowych półrur, które są odporne na ścieranie dna piaskiem. Gdy głębokość posadowienia studzienki kanalizacyjnej przekracza 2,5 m, buduje się ją z kominem włazowym. W studzienkach kanalizacyjnych montuje się stopnie włazowe, które umożliwiają zejście służbom eksploatacyjnym.

Studzienki rewizyjne w sieci kanalizacji grawitacyjnej buduje się jako:

• połączeniowe,
• rozgałęzieniowe,
• połączeniowo-rozgałęzieniowe,
• przelotowe.

Umożliwiają służbom eksploatacyjnym kontrolowanie i wykonywanie niezbędnych napraw, żeby sieć kanalizacji grawitacyjnej pracowała prawidłowo. Połączenia kanałów i kolektorów ściekowych o średnicy powyżej 0,5 m należy budować o dużym promieniu krzywizny w żelbetowych komorach połączeniowych. Promień krzywizny nie powinien być mniejszy od dziesięciokrotnej szerokości kanału lub kolektora ściekowego.

Natomiast studzienki kaskadowe buduje się w systemach kanalizacji grawitacyjnej w celu pokonania dużych spadów terenu albo do podłączenia przykanalika lub kanału ściekowego z kolektorem ściekowym, gdy przykanalik lub kanał ściekowy jest zagłębiony płycej niż kolektor ściekowy.

Studzienki kaskadowe zaleca się stosować, gdy różnica rzędnych kanału doprowadzającego i odprowadzającego ścieki ze studzienki nie przekracza 4,0 m i gdy wewnętrzna średnica kanałów nie przekracza 0,6 m [3].

W przypadku gdy różnica wysokości jest większa niż 4,0 m, a średnica wewnętrzna kanału większa od 0,6 m, stosuje się komory kaskadowe. Średnica rury spadowej powinna być taka sama jak kanału ściekowego dopływowego.

Wpusty deszczowe uliczne lub podwórzowe stosuje się w grawitacyjnej kanalizacji ogólnospławnej lub rozdzielczej. Służą do zbierania ścieków opadowych z różnych powierzchni terenu. Wyposażone są najczęściej w kraty żeliwne typu ciężkiego o prześwicie ok. 25 mm. Budowane są bez osadnika i syfonu, z osadnikiem lub syfonem albo wyposaża się je w wiadro.

Stosując we wpustach deszczowych osadniki lub wiadra, zabezpiecza się sieć kanalizacji przed zanieczyszczeniami stałymi. Natomiast stosując syfony, zapobiega się wydostawaniu odorów z sieci kanalizacyjnej na zewnątrz, ale uniemożliwia przez to jej wentylację.

Wpusty deszczowe buduje się z kręgów betonowych o średnicy 0,4–0,6 m w obniżeniach terenu, najczęściej w jezdni drogi przy krawężniku.

Z siecią kanalizacji grawitacyjnej wpusty deszczowe łączy się rurami o średnicy 0,15–0,20 m. Przy projektowaniu odstępów między wpustami deszczowymi przyjmuje się na jeden wpust uliczny ok. 400 m² powierzchni szczelnej do odwodnienia, a przepustowość wpustu w zakresie od 10 do 20 dm³ · s^-1 [2].

Wskazane jest wykonywanie wpustów deszczowych przed przejściami dla pieszych i rowerzystów oraz dla dróg rowerowych usytuowanych poza jezdnią drogową.

Separatory buduje się na sieci kanalizacji grawitacyjnej półrozdzielczej w pobliżu rzeki, w miejscach przecięcia się kolektorów zbierających ścieki bytowe z kolektorami prowadzącymi ścieki opadowe do odbiornika (rys. 3).

Separatory służą do kierowania bardzo zanieczyszczonych ścieków opadowych do kanału ściekowego, którym zostaną odprowadzone do oczyszczalni ścieków.

Ścieki opadowe zawierają różnego rodzaju zanieczyszczenia. Powstają przez spływ powierzchniowy wody z opadów atmosferycznych, z polewania i mycia ulic, z topniejącego śniegu, z dachów domów, ulic, utwardzonych placów, powierzchni terenu do wpustów ulicznych.

Stężenie zanieczyszczeń w ściekach opadowych zależy od intensywności opadu atmosferycznego i spływu powierzchniowego.

Opady atmosferyczne w wyniku transformacji w spływ powierzchniowy usuwają znajdujące się na powierzchni terenu substancje ropopochodne (oleje, smary, ropa, benzyna), uliczne śmieci, resztki nawozów sztucznych, obornika, pestycydów itp. oraz wychwytują z powietrza różne substancje stałe i gazowe usuwane do atmosfery przez zakłady produkcyjne, środki transportu i urządzenia grzewcze. Szczególnie w okresie wiosennym, gdy topnieją śniegi, następuje znaczne zwiększenie zanieczyszczeń w ściekach opadowych resztkami skumulowanych w warstwie śniegu środków utrzymania dróg i śmieci ulicznych.

Największy ładunek zanieczyszczeń w ściekach opadowych występuje w początkowej fazie opadu atmosferycznego. W związku z tym gdy w początkowych minutach opadu atmosferycznego przepływ ścieków w dopływowym kolektorze deszczowym jest mały, separator kieruje ścieki opadowe zawierające największy ładunek zanieczyszczeń do kolektora ściekowego. Natomiast w kolejnych minutach, gdy intensywność dopływu ścieków wzrasta, a stężenie w nich zanieczyszczeń jest małe, separator część ścieków opadowych kieruje do odpływowego kolektora deszczowego, którym ścieki są odprowadzane do rzeki.

Przelewy burzowe buduje się na sieci kanalizacji ogólnospławnej w pobliżu rzeki na kolektorach ściekowych o średnicy ponad 0,5 m. Służą do odciążenia oczyszczalni ścieków podczas dużych opadów deszczu (burz), odprowadzając ścieki (o stopniu rozcieńczenia najczęściej 1:3 lub 1:4) bezpośrednio do rzeki lub zbiorników retencyjnych.

Przelewy burzowe zależnie od usytuowania korony przelewu dzieli się na:

• boczne – korona przelewu usytuowana równolegle do osi kolektora ściekowego odprowadzającego ścieki do oczyszczalni,

• czołowe – korona przelewu usytuowana prostopadle do osi kolektora ściekowego odprowadzającego ścieki do oczyszczalni,

• ukośne – korona przelewu usytuowana pod kątem do osi kolektora ściekowego odprowadzającego ścieki do oczyszczalni.

Przelewy burzowe są budowane z jedną lub dwiema koronami przelewu i projektowane jako:

• zatopione (zwierciadło ścieków w kolektorze burzowym położone jest powyżej korony przelewu) lub

• niezatopione (zwierciadło ścieków w kolektorze burzowym położone jest poniżej korony przelewu).

Pod względem hydraulicznym lepiej pracują niezatopione przelewy burzowe, jednak wymagają głębszego posadowienia kolektorów burzowych.

Zbiorniki retencyjne budowane są na sieci kanalizacji deszczowej, która odprowadza ścieki z dużych jednostek osadniczych (miast). Są to konstrukcje żelbetowe jedno- albo wielokomorowe o działaniu grawitacyjnym lub grawitacyjno-pompowym. Służą do odciążenia sieci kanalizacyjnej, uśrednienia dopływów ścieków opadowych do oczyszczalni lub oczyszczania ścieków opadowych w procesie mechanicznym. W związku z tym zbiorniki retencyjne dzieli się na [1]:

• zbiorniki retencyjne odciążające – budowane są wtedy, gdy przepustowość sieci kanalizacji oraz obiektów i urządzeń znajdujących się poniżej zbiorników lub przepustowość odbiornika (rowu, rzeki) jest niewystarczająca do przejęcia i transportu ścieków w czasie intensywnych opadów deszczu albo intensywnego topnienia śniegu. Są również budowane w zakładach produkcyjnych do regulacji zrzutu ścieków przemysłowych do kanalizacji zbiorczej. Zbiorniki te nie zmieniają ładunku zanieczyszczeń zawartych w odprowadzanych ściekach, natomiast zmieniają chwilowe natężenie dopływu ładunku zanieczyszczeń do oczyszczalni ścieków lub odbiornika.

• zbiorniki retencyjne uśredniające – budowane są do zatrzymania pierwszej fali bardzo zanieczyszczonych ścieków opadowych, które spłynęły z terenów zamieszkałych przez ludność lub obszarów przemysłowych, i skierowania ich do oczyszczalni ścieków. Zbiorniki te nie zmniejszają ładunku zanieczyszczeń zawartych w ściekach opadowych, jedynie odciążają odbiornik ścieków od bardzo dużego ładunku zanieczyszczeń znajdującego się w pierwszej fali ścieków opadowych.

• zbiorniki retencyjne oczyszczające – budowane są do oczyszczania ścieków opadowych z wykorzystaniem procesu sedymentacji. Gdy ścieki opadowe wpłyną do zbiornika, następuje wytrącenie prędkości przepływu ścieków i zatrzymanie stałych zanieczyszczeń mineralnych i organicznych. Kiedy ścieki w zbiorniku osiągną odpowiedni poziom, przez przelew ze zbiornika odprowadzane są do odbiornika. Osady zgromadzone na dnie zbiornika są kierowane do kolektora ściekowego i transportowane do oczyszczalni ścieków lub wywożone taborem asenizacyjnym.

Syfony kanalizacyjne w systemach sieci kanalizacji grawitacyjnej buduje się do przekraczania naturalnych i sztucznych przeszkód terenowych, takich jak: rzeki, kanały żeglugowe, wąwozy, tunele kolejowe, drogowe, magistrale wodociągowe, ciepłownicze.

Przepływ ścieków w rurociągach syfonowych jest wymuszony różnicą poziomów zwierciadła ścieków pomiędzy komorą wlotową i wylotową. Budowane są przynajmniej z dwoma rurociągami syfonowymi o minimalnej średnicy wewnętrznej 0,15 m [12].

Dla syfonów projektowanych pod korytem rzeki minimalne zagłębienie zależy od ruchu rumowiska w rzece (podnoszenie się lub obniżanie dna rzeki) i nie powinno być mniejsze niż 0,5 m dla rzek nieżeglownych i 1,0 m dla żeglownych.

Przy przepływie ścieków przez przewody syfonowe musi zostać zachowana prędkość samooczyszczania 0,9 ms^-1 dla kanalizacji rozdzielczej i 1,2 ms^-1 dla ogólnospławnej [12].

W komorze wlotowej należy zainstalować kratę rzadką i zamknięcia dla poszczególnych przewodów syfonowych. Krata, zatrzymując większe zanieczyszczenia, będzie zapobiegać zatkaniu się przewodów syfonowych, natomiast zamknięcia przewodów syfonowych umożliwią prowadzenie ewentualnych prac remontowych i konserwacyjnych.

Wskazane jest wyniesienie włazów komory wlotowej i wylotowej powyżej zwierciadła wielkiej wody, aby uniknąć zalania syfonu podczas przejścia fali powodziowej.

Załamania trasy przewodów syfonowych należy projektować pod niewielkimi kątami, aby ograniczyć wielkość oporów lokalnych i zapewnić skuteczne wypłukiwanie osadów ze środkowych poziomych i wznoszących części przewodów.

Czytaj też: Dynamika zmian jednostkowej dobowej ilości ścieków w jednorodzinnym gospodarstwie domowym >>>

Układanie kanałów i kolektorów ściekowych

Budowę sieci kanalizacji grawitacyjnej rozpoczyna się od wykonania wykopów, w których w pierwszej kolejności buduje się obiekty sieciowe, a następnie układa z odpowiednimi spadkami kanały i kolektory ściekowe [10]. Sposób układania kanałów i kolektorów (rys. 4 i rys. 5) o przekroju kołowym uzależniony jest od rodzaju podłoża.

Na podłożu suchym bez kamieni w gruntach z piasku grubego, średniego i drobnego rury można układać bezpośrednio na wyrównanym podłożu rodzimym z wyprofilowanym odpowiednio dnem, które stanowi łożysko nośne rury (rys. 4a). Natomiast na podłożu z gruntów skalistych (skały, rumosze, zwietrzeliny), gliniastych (piaski gliniaste, gliny) i ilastych (piaski ilaste, iły) rury układa się na zagęszczonej podsypce o minimalnej miąższości 0,2 m (rys. 4b).

W przypadku podłoża z gruntu o niskiej nośności jak torf, ale małej miąższości, należy usunąć torf i wypełnić zagęszczoną podsypką z piasku do poziomu posadowienia rury (rys. 4c). Natomiast w torfach o dużej miąższości na dnie wykopu należy wykonać płytę fundamentową z betonu lub żelbetu, na której na zagęszczonej podsypce o minimalnej miąższości 0,2 m układa się rury z tworzywa sztucznego (rys. 4d).

Rury betonowe lub żelbetowe można układać bezpośrednio na ławie fundamentowej i je zabetonować. Wykop wokół rury wypełnia się warstwami z piasku (obsypka), zagęszczając każdą warstwę. Nad rurą wykonuje się zasypkę z piasku o miąższości minimum 0,3 m, którą zagęszcza się na całej szerokości wykopu.

W miejscu łączenia rur kielichowych wykonuje się rowki montażowe o głębokości około 10 cm (rys. 5), żeby ułatwić ich montaż i nie zabrudzić końca bosego piaskiem.

Podczas łączenia rur koniec bosy i uszczelkę gumową należy posmarować środkiem przeciwadhezyjnym, żeby zmniejszyć tarcie.

Złącza rur zasypuje się dopiero po wykonaniu próby szczelności.

Wykop powyżej zasypki z piasku wypełnia się warstwami z gruntu rodzimego, zagęszczając każdą warstwę.

Rury w wykopie układa się od najniższego punktu ku górze.

W przypadku występowania wód gruntowych powyżej dna wykopu przed ułożeniem rur należy wykop odwodnić.

Podsumowanie

• Przy podejmowaniu decyzji o wyborze systemu kanalizacji na danym terenie – ciśnieniowym, grawitacyjnym czy podciśnieniowym – zawsze należy zacząć od analizy możliwości zastosowania kanalizacji grawitacyjnej, ponieważ jest ona najmniej awaryjna w porównaniu do pozostałych systemów. Dopiero jeżeli dla analizowanego terenu zastosowanie kanalizacji grawitacyjnej jest nieuzasadnione, gdyż występuje rozproszona zabudowa, małe spadki terenu czy wysoko położone zwierciadło wody gruntowej, a z tym wiążą się duże koszty inwestycyjne, należy rozważyć możliwość zastosowania systemu kanalizacji ciśnieniowej lub podciśnieniowej.

• Trzeba pamiętać, żeby sieć wodociągowa zawsze była budowana po jednej stronie ulicy, a sieć kanalizacji grawitacyjnej po drugiej stronie. Takie rozwiązanie bardzo ułatwia późniejsze usuwanie wszelkiego rodzaju awarii w trakcie eksploatacji kanalizacji grawitacyjnej [7].

• Należy również pamiętać, że zgodnie z aktualnym rozporządzeniem Ministra Środowiska [11] w granicach aglomeracji miejskiej można budować jedynie zbiorcze systemy odprowadzania ścieków (czyli kanalizację grawitacyjną, ciśnieniową lub podciśnieniową), a nie można stawiać przydomowych oczyszczalni ścieków.

Literatura

1. Dziopak J., Modelowanie wielokomorowych zbiorników retencyjnych w kanalizacji, Oficyna Wydawnicza Politechniki Rzeszowskiej, Rzeszów 2004.

2. Edel R., Odwadnianie dróg, WKŁ, Warszawa 2002.

3. Heidrich Z., Wodociągi i kanalizacja. Kanalizacja, WSiP, Warszawa 1999.

4. Heidrich Z., Kalenik M., Podedworna J., Stańko G., Sanitacja wsi, Wydawnictwo Seidel-Przywecki, Warszawa 2008.

5. Kalenik M., Zaopatrzenie w wodę i odprowadzanie ścieków Wydawnictwo SGGW, Warszawa 2015.

6. Kalenik M., Siwiec T., Wybrane rozwiązania w kanalizacji grawitacyjnej, „Rynek Instalacyjny” nr 3/2013, s. 67–69.

7. Kalenik M., Siwiec T., Eksploatacja kanalizacji grawitacyjnej na terenach niezurbanizowanych, „Rynek Instalacyjny” nr 5/2013, s. 24–27.

8. Kuliczkowski A., Rury kanalizacyjne. Tom 1. Właściwości materiałowe, Wydawnictwo Politechniki Świętokrzyskiej, Kielce 2001.

9. Madryas C., Kolanko A., Wysocki L., Konstrukcje przewodów kanalizacyjnych, Oficyna Wydawnicza Politechniki Wrocławskiej. Wrocław 2002.

10. PN-EN 1610: 2002 Budowa i badania przewodów kanalizacyjnych.

11. Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 18 listopada 2014 r. w sprawie warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziemi, oraz w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego (DzU 2014, poz. 1800).

12. Szpindor A., Zaopatrzenie w wodę i kanalizacja wsi, Arkady, Warszawa 1998.

Chcesz być na bieżąco? Zapisz się do naszego newslettera!