Kanalizacja podciśnieniowa – zasady projektowania

W kanalizacji podciśnieniowej (więcej w artykule [12]) można zastosować węzły opróżniające z zaworami opróżniającymi typu: Flovac [4], Redivac [8], Roevac [9], Qua-Vac [10] i Schluff [11]. Zaleca się stosowanie wyłącznie rozgałęzionej sieci (promienistej) z centralną stacją próżniowo-pompową. Kanalizacja podciśnieniowa służy do zbierania ścieków, a nie do ich transportowania na większe odległości. Długość pojedynczego zbiorczego rurociągu podciśnieniowego nie może przekraczać 4 km [2]. Duże obszary terenu można podzielić na strefy z własną stacją próżniowo-pompową.

Węzeł opróżniający z zaworem opróżniającym będzie pracował prawidłowo, gdy minimalne podciśnienie na podłączeniu będzie wynosić 0,2 bara [5]. System kanalizacji podciśnieniowej musi być szczelny i w razie awarii systemu mieć pojemność rezerwową ok. 25% średniego dobowego dopływu ścieków [6]. Minimalne średnice zbiorczych rurociągów podciśnieniowych należy przyjmować w zależności od występowania w ściekach dużych zanieczyszczeń stałych. Kiedy ich brak, należy przyjmować minimalną średnicę 65 mm, a gdy występują duże zanieczyszczenia stałe – 80 mm [6].

Do projektowania kanalizacji podciś­nie­nio­wej ogólnie dostępne są wytyczne ATV-DVWK‑A 116 [2], PN-EN 1091 [6] i EPA/625/1­‑91/024 [3]. Obowiązująca norma PN-EN 1091 [6] odnośnie do projektowania kanalizacji podciśnieniowej zawiera minimalne wymagania, które ograniczają się do ogólnych wymagań technicznych dotyczących budowy i zastosowania urządzeń w systemach kanalizacji podciśnieniowej. Natomiast w wytycznych EPA/625/1-91/024 [3] przy doborze parametrów projektowych występuje wiele nieścisłości. W wytycznych brakuje informacji, jak te parametry prawidłowo przyjmować. Dlatego w artykule przedstawiony został tylko algorytm wymiarowania kanalizacji podciśnieniowej wg ATV-DVWK-A 116 [2].

Zasady wymiarowania zbiorczych rurociągów podciśnieniowych

Do obliczania maksymalnej odległości pomiędzy wzniesieniami w zależności od rodzaju zastosowanego profilu ułożenia rurociągu (rys. 1) zaleca się stosowanie poniższych wzorów [2]:

• dla profilu falowego F (rys. 1a):
  
  H ≥ d + 0,05    (1)
  h = H – d    (2)
  l₁ ≥ 2 · (R · H)^1/2    (3)
  l₂ ≤ 500 · H    (4)

• dla profilu piłokształtnego P (rys. 1b):
  
  H ≥ d + 0,05    (5)
  h = H – d    (6)
  L ≤ 500 · H    (7)

• dla profilu kieszeniowego K (rys. 1c):
  
  H > d + 0,05    (8)
  h = H    (9)
  L < 500 · H    (10)

gdzie:

L – dopuszczalna odległość pomiędzy wzniesieniami, m;

H – wysokość wzniesienia rurociągu podciśnieniowego, m;d – wewnętrzna średnica rurociągu podciśnieniowego, m;

h – wysokość wzniesienia wewnątrz rurociągu podciśnieniowego – strata statyczna, m;

R – promień wygięcia rurociągu podciśnieniowego, m.

Promień wygięcia rurociągu podciśnieniowego R w zależności od rodzaju materiału wyznacza się ze wzorów [2]:

• dla PVC-U:     R > 300 · D    (11)
• dla PE-HD:     R > 50 · D    (12)

gdzie: R – promień wygięcia rurociągu podciśnieniowego, m;

D – zewnętrzna średnica rurociągu podciśnieniowego, m.

Wymiarowane rurociągów podciśnieniowych w pierwszym rzędzie zależy od długości gałęzi i gęstości zasiedlenia. Długość gałęzi to odległość zbiorczego rurociągu podciśnieniowego od stacji próżniowo-pompowej do najbardziej oddalonego węzła opróżniającego, bez uwzględniania krótkich rurociągów bocznych i podłączeniowych. Jako gęstość zasiedlenia przyjmuje się liczbę mieszkańców na metr długości gałęzi [2]:       

(13)

gdzie:

Gz – gęstość zasiedlenia dla pojedynczej gałęzi, m–1;

∑Mi – liczba mieszkańców podłączonych do pojedynczej gałęzi, –;

Lg – długość pojedynczej gałęzi, m.

Na podstawie długości gałęzi i gęstości zasiedlenia z tabeli 1 określa się średni stosunek powietrza do ścieków w danej gałęzi zbiorczego rurociągu podciśnieniowego. Natomiast stosunek powietrza do ścieków na poszczególnych odcinkach zbiorczego rurociągu podciśnieniowego zaleca się przyjmować jako od 2:1 do 12:1. Wskazane jest, żeby stosunek powietrza do ścieków na poszczególnych odcinkach zbiorczego rurociągu podciśnieniowego malał w kierunku stacji próżniowo-pompowej. Po ustaleniu stosunku powietrza do ścieków fi na poszczególnych odcinkach gałęzi z tabeli 2 dobiera się wewnętrzne średnice zbiorczego rurociągu podciśnieniowego.

Zaleca się stopniowanie średnicy podciśnieniowego rurociągu, nawet jeśli z punktu widzenia hydraulicznych wartości granicznych nie ma jeszcze potrzeby jej zwiększania, ponieważ rurociąg podciśnieniowy dodatkowo pełni funkcję akumulatora podciśnienia. Zbiorcze rurociągi podciśnieniowe należy tak projektować, aby suma strat statycznych h na długości pojedynczej gałęzi nie była większa niż 5 m.

Zasady wymiarowania stacji próżniowo-pompowej

Obliczanie ilości ścieków dla zbiornika podciśnieniowego sprowadza się do obliczenia dobowego dopływu ścieków do zbiornika podciśnieniowego ze wzoru [2]:

(14)

gdzie:

Q_dśr – dobowy dopływ ścieków, dm³ · d–1;

∑_M – liczba mieszkańców podłączonych do kanalizacji podciśnieniowej, –;

q_dśr – średnia dobowa ilość ścieków na jednego mieszkańca (w krajach UE waha się od 120 do 400 [7]), dm³ · d–1.

Natomiast sekundowy przepływ ścieków w poszczególnych gałęziach zbiorczych rurociągów podciśnieniowych oblicza się ze wzoru [2]:

(15)

gdzie:

Q_Si – sekundowy przepływ ścieków w pojedynczej gałęzi, dm³ · s–1;

∑_Mi – liczba mieszkańców podłączonych do pojedynczej gałęzi, –.

Całkowity sekundowy dopływ ścieków QS do zbiornika podciśnieniowego oblicza się ze wzoru [2]:

(16)

Natomiast maksymalny sekundowy przepływ strumienia powietrza w poszczególnych gałęziach zbiorczych rurociągów podciśnieniowych oblicza się ze wzoru [2]:

(17)

gdzie:

Q_Pi – sekundowy przepływ powietrza w pojedynczej gałęzi, dm³ · s–1;

Q_Si – sekundowy przepływ ścieków w pojedynczej gałęzi, dm³ · s–1;

f_śri – średni stosunek powietrza do ścieków występujący w pojedynczej gałęzi, –.

Całkowity sekundowy dopływ powietrza Q_P do zbiornika podciśnieniowego oblicza się ze wzoru [2]:

(18)

Średni stosunek powietrza do ścieków w całym systemie kanalizacji podciśnieniowej  f oblicza się ze wzoru [2]:

(19)

Wydajność pojedynczej pompy i ich liczbę w kanalizacji podciśnieniowej dobiera się w taki sposób, aby spełniony został warunek [2]:

• dla pomp ściekowych:

(20)

• dla pomp próżniowych:

(21)

gdzie:

Q_Ss – wydajność pojedynczej pompy ściekowej, dm³ · s–1;

Q_S – całkowity sekundowy dopływ ścieków do zbiornika podciśnieniowego, dm³ · s–1;

n_s – liczba pomp ściekowych, –;

Q_Pp – wydajność pojedynczej pompy próżniowej, dm³ · s–1;

Q_P – całkowity sekundowy dopływ powietrza do zbiornika podciśnieniowego, dm³ · s–1;

a – współczynnik bezpieczeństwa, który zaleca się przyjmować jako 1,2–1,5, –;

np – liczba pomp próżniowych, –.

Szczytowy przepływ powietrza w eksploatacyjnych warunkach pracy pomp próżniowych oblicza się ze wzoru [2]:

(22)

gdzie:

Q_Ps – szczytowy przepływ powietrza w warunkach eksploatacyjnych, ^{m3 · h–1;}

a – współczynnik bezpieczeństwa, który zaleca się przyjmować jako 1,2–1,5, –;

Q_P – całkowity sekundowy dopływ powietrza do zbiornika podciśnieniowego, m³ · h–1;

p_b – ciśnienie barometryczne, kPa;

p_śr – średnie bezwzględne ciśnienie pomiędzy ciśnieniem, przy którym następuje wyłączanie się i załączanie pomp próżniowych, kPa.

Wymaganą wydajność ssania pomp próżniowych w kanalizacji podciśnieniowej oblicza się ze wzoru [2]:

(23)

gdzie:

Q_Pps – wydajność pomp próżniowych w kanalizacji podciśnieniowej, m³ · h–1;

p_b – ciśnienie barometryczne, kPa;

Q_Pp – wydajność pojedynczej pompy próżniowej, m³ · h–1;

p_max – maksymalne bezwzględne ciśnienie w zbiorniku podciśnieniowym, przy którym następuje załączenie pomp próżniowych, kPa;

p_min – minimalne bezwzględne ciśnienie w zbiorniku podciśnieniowym, przy którym następuje wyłączenie pomp próżniowych, kPa.

Dobrze dobrane pompy ściekowe i próżniowe dla projektowanej kanalizacji podciśnieniowej muszą spełniać następujące warunki [2]:

(24)

(25)

gdzie:

Q_Sp – wydajność dobranych pomp ściekowych, dm³ · s–1;

Q_S – całkowity sekundowy dopływ ścieków do zbiornika podciśnieniowego, dm³ · s–1;

n_s – liczba pomp ściekowych, –;

Q_Pps – wydajność pomp próżniowych w kanalizacji podciśnieniowej, m³ · h–1;

Q_Ps – szczytowy przepływ powietrza w eksploatacyjnych warunkach, m³ · h–1;

n_p – liczba pomp próżniowych, –.

Obliczanie objętości zbiornika podciśnieniowego sprowadza się do obliczenia minimalnej objętości ścieków w zbiorniku podciśnieniowym ze wzoru [2]:

(26)

gdzie:

V_S – minimalna objętość ścieków w zbiorniku podciśnieniowym, m3;

Q_Sp – wydajność dobranych pomp ściekowych, m3 · h–1;

k_s – liczba załączeń pomp ściekowych w ciągu godziny (maksymalnie 12/h), –.

Natomiast minimalną objętość powietrza w zbiorniku podciśnieniowym oblicza się ze wzoru [2]:

(27)

gdzie:

V_P – minimalna objętość powietrza w zbiorniku podciśnieniowym, m³;

Q_Pps – wydajność pomp próżniowych w kanalizacji podciśnieniowej, m³ · h–1;

p_max – maksymalne bezwzględne ciśnienie w zbiorniku podciśnieniowym, przy którym następuje załączenie pomp próżniowych, kPa;

p_min – minimalne bezwzględne ciśnienie w zbiorniku podciśnieniowym, przy którym następuje wyłączenie pomp próżniowych, kPa;

k_p – liczba załączeń pomp ściekowych w ciągu godziny (maksymalnie 12/h), –;

n_p – liczba pomp próżniowych, –.

Całkowitą objętość zbiornika pod­ciś­nie­nio­wego oblicza się ze wzoru [2]:

(28)

gdzie:

V – objętość zbiornika podciśnieniowego, m;

V_S – minimalna objętość ścieków w zbiorniku podciśnieniowym, m³;

V_P – minimalna objętość powietrza w zbiorniku podciśnieniowym, m³.

Następnie należy sprawdzić, czy spełniony został warunek [2]:

(29)

W przypadku gdy w katalogu pomp próżniowych lub ściekowych trzeba oddzielnie dobierać silniki, dla pomp próżniowych całkowitą moc silników można obliczyć ze wzoru [2]:

(30)

gdzie:

P_p – moc pomp próżniowych, kW;

Q_Pps – wydajność pomp próżniowych w kanalizacji podciśnieniowej, m³ · s–1;

p_max – maksymalne bezwzględne ciśnienie w zbiorniku podciśnieniowym, przy którym następuje załączenie pomp próżniowych, kPa;

p_min – minimalne bezwzględne ciśnienie w zbiorniku podciśnieniowym, przy którym następuje wyłączenie pomp próżniowych, kPa;

p_b – ciśnienie barometryczne, kPa;

η_p – sprawność pompy próżniowej, –;

κ – współczynnik adiabatyczny dla powietrza, który wynosi 1,4, –.

Natomiast całkowitą moc silników dla pomp ściekowych oblicza się ze wzoru [2]:

(31)

gdzie:

P_s – moc pomp ściekowych, W;

Q_Sp – wydajność dobranych pomp ściekowych, m³ · s–1;

ρ – gęstość cieczy, kg · m–3;

g – przyspieszenie ziemskie, m · s–2;

H_u – użyteczna wysokość podnoszenia pomp, m;

η_s – sprawność pompy ściekowej, –.

Użyteczną wysokość podnoszenia pomp ściekowych oblicza się ze wzoru [2]:

(32)

gdzie:

H_U – użyteczna wysokość podnoszenia pomp ściekowych, m H₂O;

∆H – straty hydrauliczne w rurociągu ciśnieniowym, m H₂O;

∆Z – geometryczna różnica wysokości, m H₂O;

∆p_vac – maksymalne podciśnienie w zbiorniku podciśnieniowym, m H₂O.

Natomiast maksymalne podciśnienie w zbior­niku podciśnieniowym oblicza się ze wzoru [2]:

(33)

gdzie:

∆p_vac – maksymalne podciśnienie w zbiorniku podciśnieniowym, kPa;

p_b – ciśnienie barometryczne, kPa;

p_min – minimalne bezwzględne ciśnienie w zbiorniku podciśnieniowym, przy którym następuje wyłączenie pomp próżniowych, kPa.

Podsumowanie

Poprawnie zaprojektowany system kanalizacji podciśnieniowej pracuje zwykle bez zakłóceń. Podczas projektowania należy zwracać szczególną uwagę, żeby suma strat statycznych h na długości pojedynczej gałęzi nie przekraczała 5 m. Natomiast w trakcie budowy rurociągi podciśnieniowe muszą być ułożone w gruncie zgodnie z projektem, z zachowaniem charakterystycznego pilastego profilu.

System kanalizacji podciśnieniowej w pewnych określonych warunkach jest alternatywą dla kanalizacji grawitacyjnej i ciśnieniowej. Jednak często w sytuacjach ewidentnej konieczności zastosowania systemu kanalizacji podciśnieniowej jako alternatywnego rozwiązania jest on przez projektantów pomijany. Przyczyny są m.in. następujące:

• system kanalizacji podciśnieniowej budzi nieufność, a nawet lęk wielu projektantów, często jest to spowodowane brakiem rzetelnej wiedzy oraz rozpowszechnianiem na temat kanalizacji podciśnieniowej informacji nieścisłych lub nawet nieprawdziwych;
• dostępne w literaturze naukowo-technicznej krajowe i zagraniczne wytyczne do projektowania często przypominają bardziej materiały reklamowe niż rzetelne opracowania, które powinny przedstawiać metody projektowania systemu kanalizacji podciśnieniowej;
• wprowadzona w Polsce do stosowania norma europejska [6] jest ogólnikowa, formułuje ogólne wymagania, jakie powinien spełniać system kanalizacji podciśnieniowej, a nie zawiera szczegółowych wytycznych projektowania, natomiast istniejące wytyczne niemieckie [2] i amerykańskie [3] dotyczą ich rodzimych systemów kanalizacji podciśnieniowej, w USA – firmy Airvac [1], w Niemczech – firm Roevac i Schluff [9, 11];
• metody projektowania systemu kanalizacji podciśnieniowej są najczęściej określane na podstawie doświadczeń eksploatacyjnych; każda firma opracowała własne, odmienne metody projektowania, których ze względów komercyjnych nie udostępnia projektantom niezwiązanym z firmą;
• wiedza na temat hydraulicznych warunków pracy systemu kanalizacji podciśnieniowej jest niepełna; konieczne są badania eksperymentalne na modelach w skali 1:1 i rzeczywistych obiektach.

Literatura

1. Airvac, Techniczne materiały informacyjne, http://www.airvac.com/indx.htm, 10.09.2016.
2. ATV-DVWK-A 116: Part 1. Vacuum drainage outside of buildings, April 2004.
3. EPA/625/1-91/024: Alternative Wastewater Collection Systems. Manual, United States Environmental Protection Agency, Washington 1991.
4. Flovac, Techniczne materiały informacyjne, http://www.flovac.pl, 10.09.2016.
5. Kalenik M., Niekonwencjonalne systemy kanalizacji, Wydawnictwo SGGW, Warszawa 2011.
6. PN-EN 1091:2002 Zewnętrzne systemy kanalizacji podciśnieniowej.
7. PN-EN 752:2008 Zewnętrzne systemy kanalizacyjne.
8. Redivac, Techniczne materiały informacyjne, http://www.redivac.co.uk/index.html, 10.09.2016.
9. Roevac, Techniczne materiały informacyjne, http://www.roevac.pl, 10.09.2016.
10. Qua-Vac, Techniczne materiały informacyjne, http://www.quavac.com/indx.htm, 10.09.2016.
11. Schluff, Techniczne materiały informacyjne, http://www.schluff.com/pol/content/ schluff19_ po.pdf, 10.09.2016.
12. Kalenik M., Kanalizacja podciśnieniowa – rozwiązania konstrukcyjne na przykładzie systemu Roevac, „Rynek Instalacyjny” nr 1–2/2018.