Kanalizacja grawitacyjna – zasady projektowania

W zależności od miejsca powstawania ścieków można je podzielić na:

• ścieki bytowe - ścieki, które powstają w gospodarstwach domowych, instytucjach użyteczności publicznej, sklepach, zakładach pracy z bazy socjalnej. Ścieki te powstają w wyniku zużycia wody dostarczanej przez systemy wodociągowe.

• ścieki przemysłowe - powstają w wyniku procesów produkcyjnych w zakładach przemysłowych, zakładach przetwórstwa rolnego, mleczarniach, rzeźniach itp. Ścieki te charakteryzują się bardzo zmiennym ładunkiem zanieczyszczeń.

• ścieki opadowe - powstają przez spływ wody opadowej i wody z topniejącego śniegu z dachów domów, ulic, utwardzonych placów, powierzchni terenu oraz przy polewaniu i myciu ulic.

• wody infiltracyjne - są to wody gruntowe, które dostają się do sieci kanalizacji przez nieszczelności kanałów.

• wody przypadkowe to ścieki, które do sieci kanalizacji dostają się w sposób niekontrolowany. Najczęściej są to ścieki opadowe, które dostają się do sieci kanalizacji przez otwory we włazach studzienek kanalizacyjnych, przewietrzniki, nielegalnie podłączone rynny dachowe, wpusty podwórzowe lub z drenaży odwadniających budynki.

Jakie są wymagania jakości powietrza w przedszkolach i szkołach na 2021 rok? Pobierz bezpłatny e-book »

Dostarczana woda zużywana jest na:

• cele higieniczne, czyli do mycia się, kąpieli, natrysków itp. (ścieki z łazienki),

• cele gospodarcze, czyli do mycia warzyw, owoców, naczyń, podłóg, do pralki itp. (ścieki z kuchni),

• do spłukiwania fekaliów w miskach ustępowych, pisuarów i bidetów (ścieki z WC).

Obliczanie ilości ścieków

Przy projektowaniu systemów kanalizacji grawitacyjnej zakłada się, że systemy są szczelne, i w bilansie ścieków nie uwzględnia wód infiltracyjnych i przypadkowych, ponieważ zgodnie z PN-EN 1610:2002 [6] podczas odbioru sieci kanalizacyjnej przy badaniach szczelności kanałów (rurociągów) sieć kanalizacyjna musi być szczelna.

W dużych miejscowościach (miasto) w bilansie ścieków uwzględnia się ścieki bytowe, przemysłowe i opadowe. Natomiast w małych miejscowościach (wieś) w bilansie ścieków nie uwzględnia się ścieków opadowych, jedynie bytowe i przemysłowe. Ilość ścieków bytowych można szacunkowo obliczyć na podstawie odczytów z wodomierzy (rzeczywista ilość pobranej wody z sieci wodociągowej) lub obliczonego zapotrzebowania na wodę.

Czytaj też: Charakterystyka zużycia wody w Nowogrodzie Bobrzańskim >>>

Dla budynków mieszkalnych, zakładów użyteczności publicznej, usługowych i pracy jako ścieki bytowe przyjmuje się 95% ilości wody pobranej z sieci wodociągowej. Przy obliczaniu ilości ścieków bytowych nie uwzględniamy wody przeznaczonej na podlewanie i opryski upraw oraz do hodowli zwierząt. Metodę tę powszechnie stosuje się w opracowaniach koncepcyjnych kanalizacji rozdzielczej.

Zgodnie z PN-EN 752:2008 [7] jednostkowy przepływ ścieków bytowych q na jednego mieszkańca można przyjmować w zakresie od 120 do 400 dm³ · d^–1, w zależności od kraju. W Polsce dla małych miejscowości (wieś) zaleca się przyjmować jednostkowy przepływ ścieków bytowych q = 120 dm³/d [2], a w dużych jednostkach osadniczych (miasta) q = 200 dm³/d [5].

W systemach kanalizacji grawitacyjnej występują urządzenia techniczne, które projektuje się na różny przepływ obliczeniowy (miarodajny) Q. Przepływy obliczeniowe Q_dśr, Q_dmax, i Q_hmax dla ścieków bytowych określa się z następujących wzorów [5]:

                (1)

      (2)

  (3)

gdzie:
Q_dśr – średni dobowy przepływ ścieków, m³ · d^-1;
q – jednostkowa ilość ścieków na jednego mieszkańca, m³ · M^-1 · d^-1;
LM – liczba mieszkańców,
Q_dmax – maksymalny dobowy przepływ ścieków, m³ · d^-1;
Q_hmax – maksymalny godzinowy przepływ ścieków, m³ · h^-1;
N_dmax – współczynnik maksymalnej dobowej nierównomierności przepływu ścieków;
N_hmax – współczynnik maksymalnej godzinowej nierównomierności przepływu ścieków.

Maksymalne współczynniki przepływu ścieków zaleca się przyjmować z zakresu:

• N_dmax:

  – dla małych jednostek osadniczych (wieś): 1,5–3 [2],

  – dla dużych jednostek osadniczych (miasto): 1,3–2 [5],

• N_hmax:

  – dla małych jednostek osadniczych (wieś): 3–8 [2],

  – dla dużych jednostek osadniczych (miasto): 1,5–4 [5].

Ilość ścieków przemysłowych również można szacunkowo obliczyć na podstawie odczytów z wodomierzy (rzeczywista ilość wody pobranej z sieci wodociągowej) lub obliczonego zapotrzebowania na wodę.

Dla zakładów przetwórstwa rolno-spożywczego, zakładów przemysłowych i zaplecza budownictwa objętość ścieków przemysłowych przyjmuje się szacunkowo jako 85% ilości pobranej wody z sieci wodociągowej, a dla zaplecza komunikacji zbiorowej 100% [2]. Metodę tę powszechnie stosuje się w opracowaniach koncepcyjnych kanalizacji rozdzielczej do obliczania ilości ścieków przemysłowych.
Dokładną informację o ilości ścieków przemysłowych, jaką produkuje dany zakład, należy uzyskać bezpośrednio od jego kierownictwa.

Ilość ścieków opadowych dla zlewni o powierzchni do 200 ha zaleca się obliczać ze wzoru [7]:

       (4)

gdzie:

Q_op – maksymalne natężenie przepływu ścieków opadowych, dm³ · s^–1;
ψ – współczynnik spływu powierzchniowego (tab. 1);
I – natężenie deszczu miarodajnego, dm³ · s^–1 · ha^–1;
F – pole powierzchni zlewni, ha.

Natężenie deszczu miarodajnego I można obliczyć ze wzoru empirycznego [1]:

    (5)

   (6)

gdzie:
I – natężenie deszczu miarodajnego, dm³ · s^–1 · ha^–1;
A – współczynnik dla terenów nizinnych środkowej Polski,
H – normalny opad roczny dla danego regionu kraju, mm;
C – okres powtarzalności deszczu miarodajnego (1 ≤ C ≤ 20 lat), lata, zależny od dopuszczalnej częstości zalań odwadnianego terenu;
t – czas trwania deszczu nawalnego (5 ≤ t ≤ 180 min), min.

Po przyjęciu średniego normalnego opadu rocznego dla warunków polskich H = 600 mm, wzór (5) przyjmuje postać [1]:

       (7)

Do obliczania natężenia deszczu miarodajnego I można wykorzystać również podejście Bogdanowicz i Stachy z 1998 roku [2, 3], jest to jednak bardziej skomplikowane niż według opisanej metody Błaszczyka, ponieważ za pomocą metody Bogdanowicz i Stachy obliczamy maksymalne sumy opadu, a nie natężenia deszczu miarodajnego I.

W związku z tym należy pamiętać, że natężenie deszczu jest ilorazem sumy opadu i czasu jego trwania, a prawdopodobieństwo przewyższenia p jest odwrotnością okresu powtarzalności i dla obliczonej maksymalnej sumy opadu trzeba następnie obliczyć natężenia deszczu miarodajnego I.

Otrzymywane wyniki obliczeń natężenia deszczu miarodajnego I wg metody Bogdanowicz i Stachy są około dwukrotnie mniejsze niż wg Błaszczyka dla p = 100%, lepszą zgodność uzyskuje się w obu metodach dla deszczu o p = 60-90%, natomiast dla p = 1-10% wyższe wartości uzyskuje się wg metody Bogdanowicz i Stachy [2].

Ponieważ opady deszczu charakteryzują się bardzo dużą zmiennością co do ilości i czasu występowania, do obliczeń ilości ścieków opadowych bardziej bezpieczna jest metoda Błaszczyka. Została ona opracowana dla zurbanizowanych terenów nizinnych i nie obejmuje terenów podgórskich i górskich, natomiast metodę Bogdanowicz i Stachy opracowano dla niezurbanizowanych i zurbanizowanych terenów na obszarze całego kraju z wyjątkiem Sudetów i Karpat.

Do obliczania natężenia deszczu miarodajnego I można również wykorzystać podejście Lambora z roku 1971 [3]. Metoda ta może być stosowana dla wszystkich regionów kraju do wysokości ok. 1500 m n.p.m.

Trasowanie kanałów i kolektorów

Do projektowania sieci kanalizacji grawitacyjnej niezbędne są następujące dokumenty:

• mapa zasadnicza,

• plan zagospodarowania przestrzennego,

• projekty uzbrojenia (np. projekt wodociągu zbiorczego) terenu kanalizowanego,

• dane hydrogeologiczne dotyczące obszaru objętego projektem.

Jakie są wymagania jakości powietrza w przedszkolach i szkołach na 2021 rok? Pobierz bezpłatny e-book »

Projektowanie sieci kanalizacji grawitacyjnej należy rozpocząć od wrysowania na mapę zasadniczą przebiegu kolektorów ściekowych, a następnie kanałów ściekowych zgodnie z obowiązującymi zasadami trasowania kanałów i kolektorów grawitacyjnych:

• trasy kolektorów ściekowych do grupowej oczyszczalni ścieków oraz trasy kanałów ściekowych do kolektorów powinny być poprowadzone najkrótszą drogą i w obniżeniach terenu,

• położenie sieci kanalizacji grawitacyjnej w przekroju ulicy nie może kolidować z innymi urządzeniami uzbrojenia terenu, np. z rurociągami wodociągowymi, gazowymi, kablami energetycznymi i telekomunikacyjnymi itp.,

• kolektory ściekowe w kanalizacji grawitacyjnej mogą być prowadzone w osi ulicy lub chodnikach, niezadrzewionych ciągach zieleni lub przez pola,

• należy dążyć, aby w miarę możliwości trasy kanałów i kolektorów ściekowych przebiegały równolegle do linii regulacyjnych ulic, z uwzględnieniem warunków lokalnych,

• na ulicach zabudowanych jednostronnie kanały i kolektory ściekowe kanalizacji grawitacyjnej należy projektować po stronie zabudowanej, a kanały i kolektory tranzytowe po stronie niezabudowanej,

• do wszystkich obiektów i urządzeń na sieci kanalizacji grawitacyjnej powinien być zawsze i o każdej porze roku zapewniony dostęp, a ich lokalizacja odpowiednio oznaczona w wyraźny sposób,

• przy zmianie kierunku, średnicy i spadku kanału należy instalować studzienkę rewizyjną

Przy projektowaniu kanałów i kolektorów ściekowych zaleca się zachować następujące minimalne odległości [2, 8]:

• poziome:

  → 1,5 m od rurociągów gazowych,

  → 0,4 m od rurociągów wodociągowych,

  → 0,8 m od kabli elektrycznych,

  → 1,0 m od kabli telekomunikacyjnych,

  → 5,0 m od budynku dla rurociągów grawitacyjnych,

  → 2,0 m od budynku dla rurociągów ciśnieniowych;

• pionowe:

  → 0,4 m od rurociągów gazowych,

  → 0,2 m od rurociągów wodociągowych,

  → 0,3 m od kabli telekomunikacyjnych i elektrycznych.

Minimalne zagłębienie kanałów obsługujących budynki podpiwniczone nie powinno być mniejsze niż 2,5 m, a maksymalne nie powinno przekraczać 6,0-7,0 m. W szczególnych przypadkach dopuszcza się zagłębienie do 8,0 m.

Gdy zachodzi konieczność zmniejszenia zagłębienia kanału, można to osiągnąć przez poprowadzenie przykanalika w budynku po ścianie piwnic, a nie pod fundamentem, lub przez skrócenie długości przykanalika z jednoczesnym przyjęciem minimalnego spadku przykanalika dla jego zadanej średnicy. Zagłębienie kanałów należy obliczać w oparciu o analizę wysokościową terenu, która powinna obejmować wszystkie punkty i odcinki krytyczne na sieci.

Czytaj też: Projektowanie systemów zrównoważonego gospodarowania wodami opadowymi >>>

• Analiza wysokościowa terenu powinna obejmować (rys. 1):

• prowadzenie kanałów z minimalnym zagłębieniem (rys. 1a, 1b),

• prowadzenie kanałów o zmiennym zagłębieniu i z minimalnym spadkiem, a na końcu kanału budowę pompowni ścieków (rys. 1c), lub z maksymalnym spadkiem i na końcu kanału budowę studzienki kaskadowej (rys. 1d),

• prowadzenie kanałów przez przeszkody terenowe, np. rzekę, wąwóz (rys. 1e, 1f),

• prowadzenie kanałów przez wzniesienia terenowe (rys. 1g, 1h).

Obliczenia hydrauliczne

Przy projektowaniu kanałów i kolektorów ściekowych o przekroju kołowym zaleca się przyjmować minimalną średnicę dla [1, 9]:

• kanałów i kolektorów ściekowych (prowadzących ścieki bytowe i przemysłowe) d = 0,20 m,

• kanałów i kolektorów deszczowych (prowadzących ścieki opadowe) d = 0,25 m,

• kanałów i kolektorów ogólnospławnych (prowadzących ścieki bytowe, przemysłowe i opadowe) d = 0,30 m.

Napełnienie kanałów i kolektorów ściekowych h o przekroju kołowym przy maksymalnych przepływach obliczeniowych nie powinno być większe niż 0,8 d.

Przy maksymalnych obliczeniowych przepływach ścieków kanały i kolektory ściekowe nie mogą być całkowicie wypełnione ściekami ze względu na konieczność należytego ich przewietrzania i niedopuszczenia do zagniwania ścieków oraz możliwość wystąpienia przepływów krytycznych (wody przypadkowe, infiltracyjne) lub konieczność przyłączenia nowych użytkowników.

Kanały i kolektory deszczowe i ogólnospławne przy obliczeniowych przepływach ścieków opadowych wymiaruje się na 100-proc. napełnienie przy założeniu [1], że będą pracować jeszcze bezciśnieniowo. Średnice kanałów i kolektorów w kanalizacji deszczowej projektuje się na maksymalne natężenie przepływu ścieków opadowych dla deszczu miarodajnego, natomiast w kanalizacji ogólnospławnej na łączny przepływ ścieków bytowych, przemysłowych i opadowych.

W hydraulicznych obliczeniach kanałów i kolektorów zakłada się, że we wszystkich punktach przekroju występuje jednakowa średnia prędkość przepływu ścieków, w rzeczywistości prędkości miejscowe są różne: najmniejsze przy dnie, a największe przy powierzchni zwierciadła ścieków. W związku z tym w hydraulicznych obliczeniach kanałów i kolektorów ściekowych operuje się prędkościami średnimi w przekroju.

Przy projektowaniu kanałów i kolektorów bardzo ważna jest prędkość samooczyszczania, która jest rozumiana w dwojaki sposób:

• jako prędkość niezamulająca, która przeciwdziała opadaniu zawiesin i tworzeniu się osadów na dnie kanału, lub

• jako prędkość rozmywająca, która powoduje wzruszenie i usunięcie osadów zgromadzonych na dnie kanału.

Do hydraulicznych obliczeń kanałów i kolektorów ściekowych oraz deszczowych zaleca się przyjmować prędkość samooczyszczania nie mniejszą niż 0,7 m · s^–1 [7], aby nie dopuścić do osadzania się zanieczyszczeń stałych na dnie kanału ściekowego. W przypadku kiedy na danym odcinku sieci kanalizacji nie jest możliwe uzyskanie prędkości przepływu ścieków większej lub równej prędkości samooczyszczania, należy koniecznie zaprojektować urządzenie do płukania tego odcinka sieci. Prędkość samooczyszczania w kanałach i kolektorach ogólnospławnych przy całkowicie wypełnionym przekroju nie powinna być mniejsza niż 0,7 m · s^–1.

Maksymalna prędkość przepływu ścieków w kanałach i kolektorach zależy od rodzaju zastosowanych rur. Zaleca się przyjmować maksymalną prędkość przepływu ścieków w kanałach z rur betonowych, w ceramicznych i z tworzywa sztucznego nie większą niż 3,0 m · s^–1, a w rurach żelbetowych i żeliwnych nie większą niż 5,0 m · s^–1.

Minimalny spadek kanału, przy którym zachowana jest prędkość samooczyszczania się kanałów i kolektorów, można obliczyć ze wzoru [7]:

             (8)

gdzie:

i_min – minimalny spadek kanału, ‰;
d – średnica kanału, m.

W systemach kanalizacji grawitacyjnej przepływ ścieków występuje przy częściowym napełnieniu kanałów i kolektorów. Zakłada się, że przepływ ścieków ma w nich charakter jednostajny. Do obliczeń hydraulicznych przyjmuje się założenia, że średnica, długość, spadek, chropowatość, napełnienie, natężenie i prędkość przepływu w kanałach i kolektorach ściekowych, deszczowych i ogólnospławnych od węzła do węzła nie ulegają zmianie i przyjmują wartości stałe. Jako miarodajny dla całego odcinka przyjmuje się przepływ na końcu tego odcinka.

Dla powyższych założeń do hydraulicznych obliczeń kanałów i kolektorów ściekowych o przekroju kołowym w systemach kanalizacji grawitacyjnej można zastosować następujące wzory [9]:

          (9)

       (10)

          (11)

zgodnie ze wzorem Manninga:

         (12)

       (13)

po przekształceniu wzoru (13):

                                (14)

oraz

                                 (15)

gdzie:

Q – rzeczywisty przepływ ścieków w kanale przy danym napełnieniu, m³ · s^–1;
Q₀ – przepływ ścieków w kanale przy całkowitym napełnieniu, m³ · s^–1;
V – rzeczywista prędkość ścieków w kanale przy danym napełnieniu, m · s^–1;
V₀ – prędkość ścieków w kanale przy całkowitym napełnieniu, m · s^–1;
n – szorstkość kanału – 0,013 m–1/3 · s^–1;
h – napełnienie ścieków w kanale, m;
d – wewnętrzna średnica kanału, m;
i – spadek kanału;
i_min – minimalny spadek kanału, ‰;
a – stosunek wysokości warstwy ścieków (napełnienie) h do średnicy kanału d;
α, β – parametry odczytywane z krzywych sprawności kanału kołowego (rys. 2).

Po wykonaniu obliczeń hydraulicznych na mapie zasadniczej wykreśla się wszystkie zaprojektowane kanały i kolektory ściekowe oraz obiekty kanalizacyjne. Następnie dla wszystkich zaprojektowanych kanałów i kolektorów ściekowych wykonuje się profile podłużne, na których należy podać:

• rzędne terenu,

• rzędne dna kanału,

• rzędne zwierciadła wody gruntowej,

• spadki,

• średnice,

• długości,

• rodzaj materiału,

• obiekty uzbrojenia sieci

• oraz nazwy ulic, którymi przebiega kanał lub kolektor ściekowy.

Podsumowanie

• Władze gminy, zanim zdecydują się na wykonanie projektu kanalizacji, powinny zlecić wykonanie koncepcji zwodociągowania i skanalizowania gminy z uwzględnieniem perspektywicznego okresu 20-25-letniego.

• Ponieważ sieci wodociągowe i kanalizacyjne buduje się etapami, kiedy istnieje pełna wizja zwodociągowania i skanalizowania gminy, przy projektowaniu poszczególnych odcinków sieci kanalizacyjnej nie są popełniane błędy dotyczące jej przepustowości.

• Przy projektowaniu sieci kanalizacyjnych zawsze najwięcej problemów sprawia uzyskanie na piśmie od właścicieli gruntów zgody na przebiegi tras rurociągów przez ich własność.

• W Polsce mamy bardzo rozdrobnioną własność gruntu, co znacznie utrudnia cały proces inwestycyjny budowy różnego rodzaju sieci (wodociągowych, kanalizacyjnych, gazowych itp.).

• Sieć kanalizacji grawitacyjnej ze względu na hydrauliczne warunki przepływu ścieków powinna być budowana w linii prostej, dlatego zaleca się jej budowę w jezdni, w chodniku lub w poboczach drogi, przede wszystkim w pasie drogowym.

• Ponieważ właścicielem dróg, w których buduje się kanalizację, jest przeważnie gmina lub powiat, nie pojawiają się żadne problemy z uzyskaniem zgody na budowę.

Literatura

1. Błaszczyk W., Stamatello H., Błaszczyk P.,Kanalizacja. Sieci i pompownie. Tom 1, Arkady, Warszawa 1983.

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

3. Bogdanowicz E., Stachy J., Maksymalne opady deszczu w Polsce. Charakterystyki projektowe, „Materiały Badawcze. Hydrologia i Oceanologia”, IMiGW, Warszawa 1998.

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

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

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

7. PN-EN 752:2008 Zewnętrzne systemy kanalizacyjne

8. PN-EN 805:2002 Zaopatrzenie w wodę. Wymagania dotyczące systemów zewnętrznych i ich części składowych

9. Sowiński M., Projektowanie sieci i urządzeń kanalizacyjnych, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 1986.