Materiał na podstawie opracowania p. Bartosza Kaźmierczuka (wykłady z kanalizacji na Politechnice Wrocławskiej).
Rys historyczny
Za pioniera budowy systemów kanalizacji podciśnieniowej uznaje się holenderskiego inżyniera Charles’a T.Liernur’a (1828-1893), który w 1866 roku zbudował pierwszy na świecie system tego typu w mieście Harlem. Do miast posiadających kanalizację podciśnieniową wkrótce dołączyły : Amsterdam, Dordrecht, Leiden, Praga, Trouvielle, Hanau i Stansted. Wynalazca opatentował swoje rozwiązanie w Anglii , Holandii, Niemczech i Stanach Zjednoczonych. Rozwiązanie Liernur’a mogło być zrealizowane dzięki maszynie parowej, która dała napęd do wytworzenia niezbędnego podciśnienie w zbiorniku podciśnieniowym i systemie kolektorów. Ścieki spływały z pojedynczych domostw grawitacyjnie do komór zbiorczych usytuowanych w ulicach.
Rys. U góry oryginale rysunki z patentu Liernura. U dołu zdjęcie stacji próżniowej
Komory te pełniły rolę komór zbiorczych w dzisiejszym znaczeniu tego terminu oraz stanowiły przejście między kanalizacją grawitacyjną i podciśnieniową.Obsługa kanalizacji, zazwyczaj w nocy, ręcznie otwierała i zamykała zasuwy przy komorze zbiorczej, co powodowało cykliczne „odsysanie” z niej ścieków. Można powiedzieć, że ręczna zasuwa pełniła rolę dzisiejszego zaworu podciśnieniowego (opróżniającego). W kolejnej fazie ścieki systemem kolektorów trafiały do zbiornika próżniowego.
W literaturze światowej, Liernur wymieniany jest również jako jeden z pionierów budowy rozdzielczych systemów kanalizacji dla ścieków „szarych” i „czarnych”. Liernur był zwolennikiem rolniczego wykorzystania ścieków.
W dalszej kolejności, analizując historię rozwoju kanalizacji podciśnieniowej, należy wymienić nazwiska takich Francuzów jak Adrian Le Marquand’a, który opatentował w 1888 w Stanach Zjednoczonych system kanalizacji podciśnieniowej oraz Henri Gandillon’a. Ten ostatni wprowadził istotną zmianę w komorze zbiorczej, zastępując operację manualną otwierania przewodu podciśnieniowego, operacją w pewnym stopniu automatyczną. Końcówka przewodu podciśnieniowego zatkana była kulą, która była przez napływające ścieki unoszona a po opróżnieniu studzienki samoczynnie zamykała przewód.
W 1956 roku, szwedzki inżynier Joel Liljendahl zgłosił patent toalet , z których ścieki były odprowadzane przy pomocy podciśnienia. Następnie tenże inżynier wybudował w 1959 system kanalizacji podciśnieniowej na jednym z osiedli na północ od Sztokholmu. Od tego momentu rozpoczął się dynamiczny rozwój kanalizacji podciśnieniowej.
W 1968 roku szwedzka firma Elektrolux nabyła prawa do patentu Liljendahl’a. Z czasem go rozwinęła i poszerzyła ofertę. Kanalizacja podciśnieniowa znalazła zastosowanie na statkach w samolotach i na polach namiotowych. Od roku 1970 rozszerzono zastosowanie systemu na gromadzenie i odprowadzanie ścieków komunalnych i rozpowszechniano jako system Vacu-Flow.
Cały dział zajmujący się kanalizacją podciśnieniową został przez firmę Elektrolux sprzedany w roku 1985.Szczęśliwym nabywcą była firma IfO Sanitar AB ze Szwecji. Firma ta oferowała nabyte rozwiązania pod nazwą handlową EVAC.
W 1990 roku D.G. Quatfas kupił prawa do systemu EVAC i Vacu-Flow, udoskonalił i rozprowadzał jako system Qua-Vac.
W dalszej kolejności, analizując historię rozwoju kanalizacji podciśnieniowej, należy wymienić nazwiska takich Francuzów jak Adrian Le Marquand’a, który opatentował w 1888 w Stanach Zjednoczonych system kanalizacji podciśnieniowej oraz Henri Gandillon’a. Ten ostatni wprowadził istotną zmianę w komorze zbiorczej, zastępując operację manualną otwierania przewodu podciśnieniowego, operacją w pewnym stopniu automatyczną. Końcówka przewodu podciśnieniowego zatkana była kulą, która była przez napływające ścieki unoszona a po opróżnieniu studzienki samoczynnie zamykała przewód.
W 1956 roku, szwedzki inżynier Joel Liljendahl zgłosił patent toalet , z których ścieki były odprowadzane przy pomocy podciśnienia. Następnie tenże inżynier wybudował w 1959 system kanalizacji podciśnieniowej na jednym z osiedli na północ od Sztokholmu. Od tego momentu rozpoczął się dynamiczny rozwój kanalizacji podciśnieniowej.
W 1968 roku szwedzka firma Elektrolux nabyła prawa do patentu Liljendahl’a. Z czasem go rozwinęła i poszerzyła ofertę. Kanalizacja podciśnieniowa znalazła zastosowanie na statkach w samolotach i na polach namiotowych. Od roku 1970 rozszerzono zastosowanie systemu na gromadzenie i odprowadzanie ścieków komunalnych i rozpowszechniano jako system Vacu-Flow.
Cały dział zajmujący się kanalizacją podciśnieniową został przez firmę Elektrolux sprzedany w roku 1985.Szczęśliwym nabywcą była firma IfO Sanitar AB ze Szwecji. Firma ta oferowała nabyte rozwiązania pod nazwą handlową EVAC.
W 1990 roku D.G. Quatfas kupił prawa do systemu EVAC i Vacu-Flow, udoskonalił i rozprowadzał jako system Qua-Vac.
Obecnie na świecie jest kilka firm zajmujących się produkcją systemów podciśnieniowych, są to:
Qua-Vac
Jak już zostało nakreślone powyżej technologia firmy Qua-Vac w prostej linii pochodzi od Liljendahl’a. W pierwszych latach swojej działalności firma Qua-Vac oferowała 2” zawory membranowe, produkowane na tej samej zasadzie co zawory Elektrolux. W latach osiemdziesiątych firma stworzyła swój własny zawór 2” tłokowy , wyzwalany pływakiem. Do tej chwili jest to ich sztandarowy produkt, choć w ofercie posiadają również zawór 3” tłokowy produkowany w kooperacji z japońską firmą Inax (Iseki).
* Airvac
Ta amerykańska firma postrzegana jest na świecie jako wynalazca 3” zaworu tłokowego, który wprowadziła na rynek w 1970 roku. W 1982 roku w ofercie tej firmy pojawił się tłokowy zawór 2” . Włożyła ona również obok firmy Qua-Vac, największy wkład w rozwój nowoczesnego profilu kolektora podciśnieniowego oraz projektowanie stacji próżniowo-tłocznej.
* Roediger
Firma Roediger wprowadziła do swojej oferty technologię kanalizacji podciśnieniowej w roku 1978. Od tego czasu oferuje 2” zawór membranowy łudząco podobny do sprzedawanego wcześniej przez firmę Elektrolux.
* Iseki
Jest to firma z Wielkiej Brytanii, która w przeszłości była licencjobiorcą firmy Airvac. Z czasem stworzyła swój własny 3” zawór tłokowy.
* Flovac
To chyba najmłodszy światowy oferent technologii kanalizacji podciśnieniowej. Oferuje 3” zawór tłokowy, podobny w swej konstrukcji do zaworów Airvac czy Iseki.
Jak już zostało nakreślone powyżej technologia firmy Qua-Vac w prostej linii pochodzi od Liljendahl’a. W pierwszych latach swojej działalności firma Qua-Vac oferowała 2” zawory membranowe, produkowane na tej samej zasadzie co zawory Elektrolux. W latach osiemdziesiątych firma stworzyła swój własny zawór 2” tłokowy , wyzwalany pływakiem. Do tej chwili jest to ich sztandarowy produkt, choć w ofercie posiadają również zawór 3” tłokowy produkowany w kooperacji z japońską firmą Inax (Iseki).
* Airvac
Ta amerykańska firma postrzegana jest na świecie jako wynalazca 3” zaworu tłokowego, który wprowadziła na rynek w 1970 roku. W 1982 roku w ofercie tej firmy pojawił się tłokowy zawór 2” . Włożyła ona również obok firmy Qua-Vac, największy wkład w rozwój nowoczesnego profilu kolektora podciśnieniowego oraz projektowanie stacji próżniowo-tłocznej.
* Roediger
Firma Roediger wprowadziła do swojej oferty technologię kanalizacji podciśnieniowej w roku 1978. Od tego czasu oferuje 2” zawór membranowy łudząco podobny do sprzedawanego wcześniej przez firmę Elektrolux.
* Iseki
Jest to firma z Wielkiej Brytanii, która w przeszłości była licencjobiorcą firmy Airvac. Z czasem stworzyła swój własny 3” zawór tłokowy.
* Flovac
To chyba najmłodszy światowy oferent technologii kanalizacji podciśnieniowej. Oferuje 3” zawór tłokowy, podobny w swej konstrukcji do zaworów Airvac czy Iseki.
Budowa i rodzaje kanalizacji podciśnieniowej
Rys. Schemat sieci kanalizacyjnej podciśnieniowej. CSP – centralna stacja próżniowa
Ideą działania kanalizacji podciśnieniowej jest wytworzenie próżni w przewodzie kanalizacyjnym pod wplywem której następuje zassanie scieków
i przemieszczenie ich do zbiornika pośredniego. Dalej ścieki są już przetłaczane zwykle ciśnieniowo do oczyszczalni ścieków. Kanalizacja podciśnieniowa dzieli się na:
– systemy jednorurowe
– systemy dwururowe
W systemie jednoprzewodowym wszystkie scieki przesyłane są wspólnym przwodem do zbiornika pośredniego i dalej do oczyszczalni ścieków.
Rys. Schemat systemu podciśnieniowego jednorurowego.
W systemach dwuprzewodowych scieki zostaja rozdzielone na:
– fekalne z WC oraz
– pozostałe ścieki z wanien, natrysków, zlewów, wpustów posadzkowych, itp.
– silnie zanieczyszczone ścieki fekalne (tzw. czarne z ciałami stałymi),
– mało stężone pozostałe ścieki (szare),
– pozostałe ścieki z wanien, natrysków, zlewów, wpustów posadzkowych, itp.
Podstawową zasadą układu dwuprzewodowego jest więc podział ścieków na:
– silnie zanieczyszczone ścieki fekalne (tzw. czarne z ciałami stałymi),
– mało stężone pozostałe ścieki (szare),
i
oddzielne ich oczyszczanie.Zaletą powyższego systemu jest duża oszczędność wody – głównie na spłukiwanie misek ustępowych. Klasyczna miska ustępowa „zużywa” od 5 do 10 litrów wody na jedno zadziałanie zbiornika spłuczki. Miska ustępowa wyposażona w zawór opróżniający – sterowany podciśnieniem, zużywa tylko ok. 1.5 litra wody i do 100 litrów powietrza na zassanie zawartości miski. Pozwala to na zaoszczędzenie wody (3 do 6 razy). Taki układ kanalizacji jest zwłaszcza celowy do zastosowania tam, gdzie stosowany jest podwójny (dwuprzewodowy) system wodociągowy, rozprowadzający wodę o zróżnicowanej jakości. Np. woda, powstała po uproszczonym oczyszczeniu ścieków (tzw. szara) – poza fekalnymi, używana jest ponownie do spłukiwania misek ustępowych.
Zasada dzialania
Budowę i zasadę działania kanalizacji podciśnieniowej na przykładzie systemu ROEVAC, przedstawiono na rysunku. Ścieki z budynku mieszkalnego (1) przykanalikiem (2), grawitacyjnie spływają do węzła opróżniającego (3) z zaworem opróżniającym (4). Gdy poziom ścieków w studzience zbiorczej węzła opróżniającego osiąga maksimum, mechanizm sterujący (5), otwiera
zawór opró
żniający. Różnica ciśnienia między zbiorczym rurociągiem podciśnieniowym (7) a atmosferą, powoduje napływ (zassanie) ścieków i powietrza do zbiorczego rurociągu podciśnieniowego. Po zassaniu ścieków ze studzienki zbiorczej, zawór opróżniający przez kilka sekund pozostaje otwarty i w tym czasie do zbiorczego rurociągu podciśnieniowego jest zasysanepowietrze, które do w
ęzła opróżniającego jest wprowadzane za pomocą rury napowietrzającej (6). Mieszanina ścieków i powietrza zbiorczym rurociągiem podciśnieniowym, odprowadzana jest do zbiornika podciśnieniowego (10). Na zbiorczym rurociągu podciśnieniowym przed zbiornikiem podciśnieniowym muszą być zainstalowane zawory odcinające (8). Gdy w zbiorniku podciśnieniowym ścieki osiągną odpowiedni poziom, mechanizm sterujący pracą pompy ściekowej (13), włącza zatapialną pompę ściekową (11) i ścieki rurociągiem ciśnieniowym (12), zostają przetłoczone do oczyszczalni ścieków. Gdy spada podciśnienie w zbiorniku podciśnieniowym mechanizm sterujący pracą pomp próżniowych (14), włącza pompy próżniowe (15), które wypompowują powietrze ze zbiornika podciśnieniowego i tłoczą do biologicznego filtra powietrza (17) Biologiczny filtr powietrza z wypełnieniem w postaci kory, służy do odświeżania powietrza usuwanego ze zbiornika podciśnieniowego.W kanalizacji podciśnieniowej ścieki są zasysane do zbiorników próżniowych (wodnopowietrznych) w centralnej stacji próżniowej (CSP), skąd następnie odprowadzane są do oczyszczalni ścieków. System ten ma ograniczony zasięg (zwykle do 2 km wokół CSP, oraz do 1500 mieszkańców). Obszary większe czy o większej liczbie ludności należy dzielić na rejony,
każdy z odrębną stacją próżniową.
Rys. 1. Schemat kanalizacji podciśnieniowej w systemie ROEVAC: 1-budynek mieszkalny, 2-przykanalik, 3-węzeł opróżniający, 4-zawór opróżniający, 5-mechanizm sterujący zaworem opróżniającym, 6-rura napowietrzająca, 7-zbiorczy rurociąg podciśnieniowy, 8-zawór odcinający, 9-zawór zwrotny, 10-zbiornik podciśnieniowy, 11-zatapialna pompa ściekowa, 12-rurociąg ciśnieniowy, 13-mechanizm sterujący pracą zatapialnej pompy ściekowej, 14-mechanizm sterujący pracą pomp próżniowych, 15-pompa próżniowa, 16-wakuometr, 17-biologiczny filtr powietrza ,
Wewnętrzne instalacje kanalizacyjne rozwiązywane są tak samo, jak w typowych układach grawitacyjnych:
– piony kanalizacyjne, z wentylacją wyprowadzaną pod dach,
– przewody poziome – przykanaliki, odprowadzają ścieki do studzienki zbiorczej z zaworem opróżniającym.
– piony kanalizacyjne, z wentylacją wyprowadzaną pod dach,
– przewody poziome – przykanaliki, odprowadzają ścieki do studzienki zbiorczej z zaworem opróżniającym.
W latach 70-tych były podejmowane próby modyfikacji instalacji wewnętrznych poprzez umieszczanie zaworów opróżniających na pionach bądź poziomach, czyli z pominięciem studzienek zbiorczych. Były to próby całkowicie nieudane, ze względu na:
– brak całkowitej szczelności wewnętrznych instalacji,
– panujący hałas przy pracy opróżniającej,
– wysysanie ścieków z zamknięć wodnych – syfonów wannowych, ustępowych, itp.
– znaczne koszty inwestycyjne i eksploatacyjne.
– brak całkowitej szczelności wewnętrznych instalacji,
– panujący hałas przy pracy opróżniającej,
– wysysanie ścieków z zamknięć wodnych – syfonów wannowych, ustępowych, itp.
– znaczne koszty inwestycyjne i eksploatacyjne.
Rys. Schemat kanalizacji wewnętrznej próżniowej z zaworami opróżniającymi (Roediger).Najlepszym więc rozwiązaniem jest więc budowa studzienki zbiorczej z retencją ścieków, do której w grawitacyjny sposób dostają się ścieki, i w niej umiejscowienie zaworu opróżniającego. Studzienki zbiorcze z zaworami opróżniającymi służą do gromadzenia ścieków dopływających z wewnętrznych instalacji (grawitacyjnych), skąd są okresowo usuwane poprzez otwieranie się zaworu opróżniającego – sterowanego poziomami ścieków.
– nie dostawały się tam wody podziemne – infiltracyjne (zasysane w momencie obniżania się zwierciadła ścieków – opróżniania studzienki), które przyczyniają się do zwiększenia strumienia – rozcieńczonych ścieków,
– nie wydostawały się ścieki ze studzienki do otoczenia – eksfiltracja ścieków do gruntu – skażenie środowiska (przy niskich stanach wody podziemnej).
Studzienki zbiorcze muszą być szczelne, tak aby:
– nie dostawały się tam wody podziemne – infiltracyjne (zasysane w momencie obniżania się zwierciadła ścieków – opróżniania studzienki), które przyczyniają się do zwiększenia strumienia – rozcieńczonych ścieków,
– nie wydostawały się ścieki ze studzienki do otoczenia – eksfiltracja ścieków do gruntu – skażenie środowiska (przy niskich stanach wody podziemnej).
W studzience zbiorczej musi być odpowiednia przestrzeń retencyjna – użytkowa oraz buforowa (min. 30 dm
3na jednego mieszkańca wg ATV A-116).
Rys. Klasyczna lokalizacja zaworu opróżniającego – w studzience zbiorczej (retencyjnej)
Zawór opróżniający czerpie ścieki z dna studzienki przewodem o minimalnej średnicy 40 mm. Przewody podciśnieniowe łączące zawór opróżniający z siecią miejską powinny mieć średnicę nominalną minimum 65 mm. Przewody ściekowe, z rur ciśnieniowych PN10 (10 barów), układa się ze spadkiem w kierunku przewodu zbiorczego, aby zapobiec gromadzeniu się ścieków przy zaworze opróżniającym w fazie spoczynku. Połączenie od góry pod kątem 45º do kierunku przepływu.
Podciśnienie w studzience zbiorczej (na poziomie zaworu opróżniającego) nie może być mniejsze niż 25 kPa (2,5 m H
2O), a wysokość podnoszenia ścieków w studzience nie powinna być większa niż 1,5 m.
1. Studzienka systemu Airvac:1 – przewód napowietrzający, 2 – zawór ssący, 3 – do rurociągu podciśnieniowego, 4 – przykanalik, 5 – rura czujnika stanu ścieków, 6 – rura zasysająca, 7 – mocowanie (opcjonalne), 8 – układ sterujący . Po prawej zawór opróżniajacy flovac.
Przykładowe rozwiązania zaworów opróżniających (rys. u dołu):
a) zawór pływakowy,
b) zawór o pulsacyjnym działaniu – klapowy
c) zawór dwupołożeniowy (firmy E-VAC).
Sieć przewodów podciśnieniowych.
Podstawowym wymogiem funkcjonowania systemu jest szczelność przewodów podciśnieniowych. Zwykle, próbę szczelności sieci uważa się z pozytywną, gdy podciśnienie 0,7 bara w ciągu 1 godziny nie zmniejszy się więcej niż 10%.
– utwardzony polichlorek winylu PCV-U (PN 10),
– gęsty polietylen PE-HD (PN 10).
Podstawowym wymogiem funkcjonowania systemu jest szczelność przewodów podciśnieniowych. Zwykle, próbę szczelności sieci uważa się z pozytywną, gdy podciśnienie 0,7 bara w ciągu 1 godziny nie zmniejszy się więcej niż 10%.
Stosuje się tutaj najczęściej materiały tworzywowe, jak:
– utwardzony polichlorek winylu PCV-U (PN 10),
– gęsty polietylen PE-HD (PN 10).
Jako złącza rur PCV-U stosuje się złącza kielichowe z uszczelkami z elastomeru lub złącza klejone. Rury PE-HD łączy się zgrzewami doczołowymi lub przy pomocy muf elektrooporowych.
Stosowane są następujące średnice (zewnętrzne) rur tworzywowych (PVC-U, PEHD): Ø 65; 75; 90; 110; 125; 160; 180; 200; 225 mm
Uwaga: w rurach tworzywowych katalogi podają średnicę zewnętrzną. Średnica wewnętrzna zależy od klasy ciśnienia rury i rodzaju materiału.
Uwaga: w rurach tworzywowych katalogi podają średnicę zewnętrzną. Średnica wewnętrzna zależy od klasy ciśnienia rury i rodzaju materiału.