Материал: Безопасность жизнедеятельности в экологически неблагоприятных условиях. Суровцев И.С., Борисов Ю.М

существующего состояния сетей, и позволит наметить новую концепцию для положительного решения проблемы.

В основу проектирования водоотводящих самотечных сетей положена методика расчёта в условиях установившегося и равномерного движения сточных вод с концентрацией взвешенных веществ до 500 мг/л и температурой 10 0С. Для обеспечения незасоряемости труб при пропуске максимального секундного расхода подбираются диаметры труб и уклоны их укладки из условия скорости движения воды в них не ниже критической, а наполнения -

h, не превышающего 0,6d (для диаметров d =150-250 мм) и 0,8d – для диаметров d 1000 мм. Ограничения степени наполнения труб, принятые в нормативной литературе [1], не отвечают оптимальным гидравлическим условиям, т.е. максимальная пропускная способность труб круглого сечения по законам гидравлики достигается при наполнении h=0,95d, а наибольшие средние скорости имеют место при наполнении h=0,813d [2]. Следовательно, самотечные трубы малых диаметров работают не в лучших гидравлических условиях, даже при пропуске максимальных расходов сточных вод, которые в 2,5 – 2 раза превышают их средние секундные значения.

Например, средний секундный расход qmid=5 л/с в керамических трубах диаметром d=150 мм, уложенных с уклоном i=0,008, будет отводиться при наполнении h<0,45d со скоростью 0,7 м/с. Это условие отвечает требованиям СНиП [1]. Максимальный расход

qmax.s.=5 2,5=12,5 л/с, по этой же трубе, может быть пропущен только при наполнении h>0,75d. Такое условие не отвечает требованиям [1] (хотя максимальная пропускная способ-

ность трубы на 27 % больше – 14,22 л/с). Следовательно, выбор минимального диаметра труб и степени их наполнения, по существующим ограничениям, неизбежно ведёт к завышению диаметров и стоимости сети, без гарантии наилучших гидравлических условий, что ведёт к увеличению засоряемости сетей и возрастанию эксплуатационных затрат.

В самотечных водоотводящих сетях вероятность большого числа засорений труб возрастает из-за несоответствия гидравлических условий, положенных в теорию расчёта, фактическим параметрам сети. Реально в водоотводящих сетях имеет место неравномерный приток сточных вод по часам суток, поэтому режим движение сточных вод является неустановившимся. Температура сточной воды в различные времена года фактически колеблется от 5 до 30 0С и более. Концентрация взвешенных веществ, особенно на начальных участках дво-

ровой сети, в течение нескольких секунд может достигать 2000 3000 мг/л и более. В то вре-

мя как, при пропуске минимальных расходов (qmin=qср. Кgen.max= 5 0,38=1,9 л/с) фактические средние значения скоростей течения сточных вод в водоотводящих сетях значительно ниже

их критических величин, наполнения - h<(15 -30)d. Для d=150 мм при i=0,008 скорость будет

составлять min 0,52 м/с при h 0,3d. В этих условиях трубы засоряются. В водоотводящих сетях взвешенные вещества будут оседать на дно лотков труб, увеличивая их шероховатость. Поэтому после часов с минимальными расходами, даже при притоке равном расчётному количеству стоков, самоочищения труб происходить не будет по причине кальматации осадка более мелкими частицами взвеси и жиросодержащими веществами.

Надёжность работы водоотводящих сетей будет ещё ниже, если в населённых пунктах расположено значительное число канализационных насосных станций (КНС) для перекачки сточных вод с более низких отметок на более высокие и исключения возможности больших заглублений сети. Из опыта проектирования КНС известно, что подача насосных агрегатов должна соответствовать максимальному притоку сточных вод в КНС. При этом приёмный резервуар должен обеспечивать надёжную работу насосов при ступенчатой их работе с подачей максимального расхода и автоматическим включением насосов не более 5 раз в час. Необходимая вместимость приёмного резервуара, м3, согласно СНиП [1] должна быть не менее пяти минутной подачи стоков рабочими насосами или определяться по зависимости [3]

190

Vп. р. Q4насn. ,

где Qнас. – суммарная подача воды насосами, м3/час; n – число включений насосов в течении

1 часа (n 5 при автоматическом включении), раз/час.

Если на отдельных коллекторах водоотводящей сети населённого пункта установлено несколько КНС для перекачки малых расходов сточных вод, то несогласованность работы таких станций приводит к ещё большему увеличению общей неравномерности сточных вод и снижению надежности работы сети. Объясняется это, при малых величинах средних расходов – qmid, приближением коэффициента общей неравномерности – Kgen.max к максимальному значению. Подача насоса принимается равной максимальному притоку (Qнас.=qmax). Для нашего примера при qcp.=5 л/с, Qнас.=qmax = 12,5 л/с. При подаче воды с выше расположенных участков сети, например от трех КНС, и совпадении расходов, подача КНС, принимающей

3

эти стоки, составит Qнас. .=3 qmax=37,5 л/с. На этом же участке сети, но при отсутствии

1

КНС средний расход составит 15 л/с, в расчетный – qрасч.=qmid Kgen/max=15 2=30 л/с. Следовательно, наличие на сети водоотведения большого числа КНС ведёт к перегрузке сети на 20 %

и более, а это требует существенного удорожания сети и резко снижает эффективность её работы, из-за частых остановок одновременно всех или нескольких КНС. Большое число засорений будет не только на самотечных, но и на напорных водоотводящих сетях, т.к. при остановке насосов в напорных трубопроводах скорость движения воды может быть равна нулю от нескольких минут до 1 часа и более. Накопление осадка в напорных водоводах меняет характеристику их работы. Пропускная способность водоводов падает, поэтому снижается подача насосов и увеличиваются энергозатраты на перекачку сточных вод. В период работы КНС с меньшей подачей воды (Qнас.<qmax), велика вероятность переполнения приёмных резервуаров и создание подпоров в подводящих к КНС сетях, где также повышается вероят-

ность засорений.

Исследованием работы самотечных и напорных водоотводящих сетей установлено, что в населённых пунктах с числом КНС более трёх имеет место:

-увеличение суммарного времени работы насосов, относительно расчётного, приводит к перерасходу электроэнергии из-за снижения подачи воды в засоренные водоводы;

-частая остановка насосных агрегатов на КНС, создаёт условия, при которых скорости движения воды в напорных водоводах близки к нулевым значениям, взвеси осаждаются в трубах, увеличивая шероховатость и сопротивления, снижая подачу насосов;

-подтопления приёмных резервуаров и подводящей сети перед КНС и ГКНС могут сопровождаться вынужденными изливам сточных вод на поверхность земли, что недопустимо по нормативным требованиям.

Для повышения надёжности работы сети, целесообразно устранить имеющиеся недостатки и привести гидравлические условия в действующих сетях к полному их соответствию с расчётными, т.е. к созданию постоянства расходов, даже при неравномерном притоке сточных вод. Желательно, чтобы расчётные расходы большинства расчётных участков были

близки к средним секундным расходам круглые сутки (т.е. qрасч.=qmid=Const).

Другим вариантом улучшения работы водоотводящих сетей в условиях неравномерного и неустановившегося режима движения в них сточных вод может быть создание принципиально новой теории и методики гидравлического расчёта сети с использованием системы дифференциальных уравнений с десятками неизвестных величин. Математических решений, выведенных систем уравнений нет, т.к. неизвестных больше, чем составленных уравнений. Единственно доступным остаётся путь стабилизации гидравлических условий в сетях при нестабильном поступлении в них сточных вод. Для этого потребуются конструктивные изменения системы водоотведения и пересмотр ряда положений методики гидравлического расчёта сетей.

191

Новая концепция повышения надёжности и эффективности работы всего комплекса водоотведения (сетей, очистных сооружений и КНС) требует, прежде всего, полной стабилизации расходов на каждом расчётном участке сети в любое время суток и года. Этого можно добиться поступлением сточных вод от отдельных кварталов через один или несколько дворовых выпусков с равными по времени средними секундными расходами. Сточные воды в дворовую сеть поступают от жилых домов неравномерно, поэтому потребуется в каждом квартале перед контрольными колодцами установить подземные резервуары, которые будут одновременно выполнять функцию накопителя и усреднителя расхода [2, 4]. Подачу сточных вод можно обеспечить погружными насосами (без устройства помещения насосной станции), которые должны подавать в уличную сеть сточную воду с постоянным расходом равным среднему. При этом высота подъёма стоков насосным агрегатов не будет превышать 3–5 м. Использование такого технологического приёма позволит: 1) снизить заглубление уличной сети до минимальных значений; 2) повысить пропускную способность через существующие сети за сутки при равномерных транзитных расходах; 3) улучшить гидравлические условия работы сетей без их засорения; 4) стабилизировать приток сточных вод в приёмный резервуар ГКНС, и сократить его вместимость до минимума; 5) снизить расход электроэнергии на перекачку сточных вод; 6) снизить капитальные затраты на устройство напорных водоводов и очистных станций, рассчитанных по максимальным, по сравнению с предлагаемыми средними расходами; 7) уменьшить эксплуатационные расходы и исключить вероятность засорения сети.

Увеличение пропускной способности существующей сети особенно реально при реконструкции городов, когда малоэтажные здания заменяются зданиями повышенной этажности. Резерв существующих водоотводящих сетей появляется за счёт проектного расчёта их на пропуск максимального расхода с наполнениями ниже оптимальных. Использование для внутреннего покрытия действующих водоотводящих сетей новых полимерных материалов позволит избежать замены или перекладки сети в районах с обновленной, высотной застройкой, а также при расширении границ города за счёт строительства новых микрорайонов.

Особенно ощутимым экономическим эффектом будут отличаться показатели станции очистки сточных вод, которые традиционно рассчитываются на максимальный часовой расход стоков. Стабилизация подачи сточных вод на очистку позволит на действующих очистных станциях повысить суточную пропускную способность на 30…40 % и одновременно улучшить качество очистки, без дополнительного строительства сооружений. В конечном итоге уменьшится вероятность загрязнения водоёмов, т.е. существенно снизится концентрация загрязнений в очищенных сточных водах, выпускаемых в водоём.

По предлагаемой концепции гидравлического расчёта уличных сетей, методика должна базироваться на определении расчётного расхода после стабилизации и равномерной подачи стоков насосами (если сточные воды отводятся от всего квартала через единый дворовый выпуск после насоса). Количество дворовых выпусков во многом будет определяться местными условиями (планировкой кварталов, их размером и рельефом местности). При наличии нескольких дворовых выпусков, расчётные расходы по каждому выпуску следует считать пропорционально обслуживаемым зданиям и количеству жителей в них. При таком решении вопроса водоотведения, перед каждым выпуском потребуется устройство резервуаровусреднителей с погружными насосами и равномерной подачей сточной воды в уличную сеть.

Вотличие от существующей методики гидравлического расчёта уличных водоотводящих сетей, по предлагаемой методике за начало расчётного участка следует принимать не начало канализуемого объекта (жилого квартала или площадки промышленного предприятия); а место первого дворового выпуска. Если от проектируемого квартала предусматривается несколько дворовых выпусков, то первый расчётный участок уличной сети следует принимать между смежными выпусками, а далее каждое последующее подключение боковых уличных сетей или дворовой сети считать расчётной точкой.

Всуществующей методике гидравлического расчёта за нижнюю границу первого расчётного участка принимают либо место подключения бокового коллектора, либо точку посередине проезжей части улицы между смежными кварталами (если боковых притоков нет),

192

что не отвечает реальным изменениям расходов и ведёт к ухудшению работы водоотводящей сети. Поиск наилучшей конфигурации дворовой или внутриквартальной сети в новой застройке, с максимальным использованием рельефа местности, устройством накопителей – усреднителей в наиболее низких местах или в центре квартала, позволит существенно сократить протяжённость уличных сетей.

При самотечном режиме работы дворовых и внутриквартальных сетей, выбор их диаметров и начальных участков уличной сети, следует осуществлять в соответствии с гидравлическими параметрами движения в них сточных вод, среди которых следует отдавать предпочтение незаиляющим скоростям (а не придерживаться любой ценой рекомендуемых диаметров). При поступлении в уличную сеть постоянных средних секундных расходов, скорости течения сточных вод в уличной сети должны быть не ниже критических, а наполнения - не более 0,8dтр. В этом случае, в трубах остаётся резерв увеличения пропуска сточных вод до максимального расхода, при наполнении труб не превышающем 0,95dтр. Пропуск расходов сточных вод от вновь строящихся кварталов через существующие сети целесообразно осуществлять со средним секундным расходом после резервуаров накопителейусреднителей. Наполнение в существующих сетях любых диаметров труб при этом не должно быть более h =0,8 d.

Использование более совершенных материалов труб для устройства дворовых и уличных сетей будет способствовать увеличению пропускной способности. Например, целесообразно применять безнапорные пластмассовые трубы круглого сечения, т.к. они обладают меньшей шероховатостью и удельным сопротивлением на трение по длине. Поставка этих труб диаметром до 300 мм осуществляется в бухтах длиной 40 50 м, что позволяет уменьшить число стыковых соединений, а следовательно, и местных сопротивлений; ускорить строительство новых или реставрацию существующих сетей.

В периоды проектирования, строительства новых и реконструкции старых трубопроводов следует учитывать сопряжение участков труб, исключая подпоры воды в колодцах за счёт понижения лотка каждого следующего участка в колодах на высоту местных потерь напоров. А также при боковых подключениях необходимо учитывать их высоты и предусматривать гасители энергии в смотровых колодцах.

Выводы. Новый подход к проектированию и конструированию водоотводящих сетей

исооружений на них позволит:

1.Повысить пропускную способность сетей, или снизить их стоимость при пропуске равных суточных расходов;

2.Снизить суммарные затраты электроэнергии на перекачку сточных вод насосами;

3.Повысить надёжность работы водоотводящей сети и снизить затраты на её эксплуа-

тацию;

4.Повысить пропускную способность и качество очистки сточных вод на существующих очистных станциях и снизить загрязнение водоёмов;

5.Снизить себестоимость очистки сточных вод.

Библиографический список

1.СНиП 2.04.03-85. Строительные нормы и правила. Канализация. Наружные сети и сооружения. Госстрой СССР. – М.: ЦИТП Госстроя СССР, 1986. – 72с.

2.Журавлев В.Д., Журавлева И.В. Механическая очистка городских сточных вод: учеб. Пособие/ Воронеж. гос. арх.- строит. ун-т, 2008. – 220 с.

3.Курганов А.М., Журавлев В.Д., Щербаков В.И., Филиппов А.Н, Журавлева И.В. Выбор оптимальной ёмкости приёмных резервуаров канализационных насосных станций.// Известия высших учебных заведений. Строительство и архитектура. – Новосибирск, 1988, №

7.– С.92-97.

4.Патент РФ № 2138317. Резервуар-накопитель// Алексеев М.И., Бабкин В.Ф., Журавлев В.Д., Журавлева И.В. – М.: Рос-кое агентство по патентам и товарным знакам. Бюл.

№ 27 от 27.09.1999.

193