sewerage

26 July 2022

Specifics of the sewerage in Poland in the context of green infrastructure application

combine sewer overflow, rainwater, retention, sewerage

1 March 2022

Comparison of measurement overflows with flumes

flow measurements, flumes, sewerage

3 November 2019

Preventing hydrogen sulfide corrosion of sewers

concrete corrosion, hydrogen sulfate, sewerage

Wstęp

Korozja siarczanowa kanałów betonowych powoduje ich niszczenie od strony sklepienia, a więc tam gdzie nacisk gruntu jest największy. Występuje ona przede wszystkim w betonowych kanałach grawitacyjnych położonych poniżej przewodów ciśnieniowych ale z mniejszą intensywnością przebiega również w kanalizacji wyłącznie grawitacyjnej, zbudowanej z przewodów betonowych, ułożonych z małym spadkiem i źle przewietrzanych. Przeciwdziałać temu zjawisku można na różne sposoby, ale przede wszystkim należy rozpocząć od prewencji, a więc takiego sposobu budowy przewodów tłocznych oraz grawitacyjnych, przy którym korozja siarczanowa nie stanowi istotnego zagrożenia stanu technicznego kanałów.

Zapobieganie korozji

Jedną z zasad projektowania kanalizacji, z uwagi na minimalizowanie skutków korozji siarczanowej jest stosowanie do budowy materiałów, które jej nie ulegają, jak np. tworzywa sztuczne lub szczelne wykładziny przykrywające powierzchnię betonu. W tym przypadku można całkowicie uniknąć korozji siarczanowej kanałów betonowych, ale nie problemu występowania intensywnych odorów. Ponadto oddalamy w ten sposób zagrożenie korozją w kierunku oczyszczalni ścieków. Beton oczyszczalni może być również chroniony wykładzinami lecz aby uniknąć uciążliwego problemu odorów, konieczne jest tam usunięcie siarkowodoru, często pod kopułą ułatwiającą proces kontroli ilości dozowanych chemikaliów. Ponadto siarkowodór jest toksyczny i stwarza niebezpieczeństwo dla obsługi sieci kanalizacyjnej. Najlepiej jest więc stosować odpowiednie metody projektowania kanalizacji i zapobiegać powstawaniu wysokich stężeń siarkowodoru w ściekach i w rezultacie w powietrznej części kanalizacji grawitacyjnej intensywnej korozji siarczanowej. Jest ona szczególnie agresywna w kanałach betonowych i żelbetowych położonych poniżej długich przewodów tłocznych i nasila się gdy są nimi transportowane stężone ścieki. Tak więc w pierwszej kolejności należy zwrócić uwagę na korozję betonu poniżej przewodów tłocznych.

Średnice przewodów tłocznych

Redukcja siarki w przewodach tłocznych mieszanego systemu kanalizacji odbywa się głównie w biofilmie porastającym ściany tego przewodu, a nie w ściekach [13], [2], [3], [4], w których liczebność bakterii redukujących siarkę jest niewielka. Dlatego równania opisujące szybkość redukcji siarki w przewodach tłocznych są tak konstruowane, że jest ona proporcjonalna do powierzchni biofilmu, a więc do średnicy przewodu. Nie oznacza to, że po określonym czasie stężenie rozpuszczalnych siarczków w przewodzie o większej średnicy będzie większe. Można się spodziewać, że będzie ono mniejsze, gdyż powierzchnia biofilmu jest proporcjonalna do średnicy wewnętrznej przewodu, a ilość ścieków wypełniających przewód do kwadratu tej średnicy. Tak więc, czym większa jest średnica, tym więcej ścieków przypada na jednostkę powierzchni biofilmu i mniejsze będzie stężenie siarczków rozpuszczalnych po upływie jednostki czasu, na przykład jednej godziny. Jednakże czym większa średnica, tym większa jest powierzchnia biofilmu, a więc większa masa rozpuszczalnych siarczków jest produkowana w jednostce czasu i na odpływie z przewodu tłocznego o większej średnicy wystąpi większe stężenie siarczków dwuwartościowych, co tłumaczy się przez dłuższy czas przetrzymania w przewodzie tłocznym, który jest wprost proporcjonalny do kwadratu średnicy.

Oznacza to, że dobierając mniejszą średnicę przewodu tłocznego, zmniejszamy masę siarczków wypływających z przewodu tłocznego. Różnice te mogą być znaczne, co pokazano na przykładzie zmniejszania średnicy wewnętrznej przewodu tranzytowego z Kalisza, w kierunku oczyszczalni Kuchary [4]. W przypadku projektowania przewodu tranzytowego wody do picia średnica powinna wynikać z rozwiązania zadania optymalizacyjnego o najmniejszym koszcie sumarycznym budowy i eksploatacji przewodu w odniesieniu do czasu użytkowania go albo do jednego roku eksploatacji. W przypadku transportu ścieków długimi przewodami ciśnieniowymi funkcja celu zostaje powiększona o koszt usuwania powstałego w przewodzie siarkowodoru, co oznacza, że prędkości ekonomiczne w przypadku przewodów ściekowych są większe od prędkości ekonomicznych przy transporcie wody.

Należy jednakże pamiętać o tym, że po rozwiązaniu zadania optymalizacyjnego powinno się przeprowadzić analizy postoptymalizacyjne, czyli badanie czułości rozwiązania. Służy to sprawdzeniu, na ile wartość funkcji celu ulega zmianie w wyniku małych zmian zmiennych decyzyjnych w pobliżu rozwiązania optymalnego. W rozważanym przypadku mamy do czynienia z zadaniem optymalizacyjnym jednokryterialnym i w dodatku zaledwie o jednej zmiennej decyzyjnej, którą jest średnica wewnętrzna przewodu. Wartość funkcji celu, a więc koszt całkowity szybciej rośnie, gdy zmniejsza się, niż gdy się zwiększa wartość średnicy wewnętrznej przewodu ciśnieniowego [11]. Bowiem w równaniu Darcy-Weisbacha na opory przepływu przez przewody kołowe średnica jest w mianowniku, a prędkość przepływu w liczniku i to do kwadratu. Przy ustalonej wartości przepływu Q ta prędkość jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu średnicy. Podsumowując, dla przepływu w pełni burzliwego opory hydrauliczne transportu cieczy przez rurociąg przy ustalonej wartości Q byłyby odwrotnie proporcjonalne do piątej potęgi średnicy wewnętrznej przewodu, a więc w przybliżeniu dotyczyłoby to również energii zużytej na pompowanie. Dlatego przy tak dużym stopniu, jakim jest dynamiczna zmiana cen energii, uznać można za uzasadnione projektowanie nieco większych średnic przewodów tłocznych ścieków niż uzyskane z rozwiązania zadania o średnicy optymalnej. Niemniej przy każdym przewymiarowaniu należy zachować umiar, a między innymi konieczne jest stwierdzenie, czy przyjmując zbyt dużą średnicę przewodu tłocznego nie stworzymy warunków hydraulicznych do odkładania osadu, co przyspieszyłoby redukcję siarki w osadach w porównaniu z redukcją w biofilmie. Okazało się, że chociaż w osadzie dochodzi do redukcji siarki szybciej niż w biofilmie, to jednak i tak biologicznie czynna jest wyłącznie wierzchnia warstwa osadu [13]. Powodem jest to, że aby doszło do redukcji siarki w osadzie konieczne jest aby dyfundowały do niego zarówno siarczany, jak i węglowodory, a transport masy trwa tym dłużej im głębiej te związki chemiczne są transportowane. Tak więc w praktyce sześciowartościowa siarka z siarczanów zostanie zredukowana do minus dwuwartościowej przez bakterie bytujące w wierzchniej warstwie osadu, gdzie transport węgla organicznego i siarczanów jest najefektywniejszy. Układanie kanałów grawitacyjnych w spadkach zapobiegających nadmiernemu odkładaniu osadów jest jedną z metod ograniczania korozji siarczanowej.

Zapobieganie odkładaniu osadów

Projektowanie spadków minimalnych powinno być tak prowadzone, aby w kanałach nie odkładały się nadmiernie osady. Oprócz oczywistych przyczyn eksploatacyjnych należy pamiętać o tym, że osady takie są bardziej zasiedlone niż biofilm w mikroorganizmy redukujące siarkę. Ponadto osady powodują spiętrzenia ścieków i w rezultacie ich mniejszą aerację.

W celu uniknięcia nadmiernych osadów kanały należy prowadzić w spadkach co najmniej równych minimalnym. To czy wystąpi tendencja do odkładania się, czy też do rozmywania osadów zależy, nie tylko od wymiaru i kształtu kanału, ale również od wysokości jego napełnienia. Prostym i jednocześnie uzasadnionym teoretycznie sposobem doboru spadków minimalnych jest ustalanie ich wartości w oparciu o średnią wartość naprężeń ścinających wzdłuż obwodu zwilżonego. Jego wartość opisuje proste równanie (1).

W równaniu tym τ jest naprężeniem ścinającym w N/m2, g przyspieszeniem ziemskim w m/s2, Rh promieniem hydraulicznym w metrach, S bezwymiarowym spadkiem w którym układany jest kanał [5]. Równanie (1) pozwala udowodnić, że w kanałach o tym samym kształcie, przy tej samej wartości napełnienia względnego, takie same wartości średnich naprężeń ścinających wzdłuż obwodu zwilżonego wystąpią, gdy spadki kanałów będą odwrotnie proporcjonalnie dobrane do wysokości ich przekrojów [6], [7]. Tym samym teoretycznie została udowodniona zasada Imhoffa [7], że spadki minimalne są odwrotnie proporcjonalne do średnicy kanału. Najmniejsza dopuszczalna wartość naprężeń ścinających, która powinna być co najmniej raz na dobę osiągnięta wynosi według różnych źródeł literaturowych dla ścieków bytowo-gospodarczych 2,2 N/m2, a nigdzie nie jest przyjmowana poniżej 1,8 N/m2, co należy rozumieć za zupełnie najmniejszą dopuszczalną wartość. Kanalizacja bytowo-gospodarcza musi być w stanie odprowadzić największą wartość przepływu w ciągu roku z zachowaniem warunków przewietrzania i raz w przeciętnej dobie przekroczyć wymaganą wartość naprężeń ścinających na granicy ściana kanału i przepływające ścieki. Współczynniki nierównomierności przepływu według US EPA podano w tabeli 1, ale należy pamiętać, że w czasie pogody deszczowej o realnych wartościach Nog, Nhmax decyduje szczelność kanalizacji oraz wody przypadkowe i infiltracyjne. Przez Qdśr oznaczono średnie dobowe natężenie przepływu ścieków, a przez Nog, Nhmax, Nhmin kolejno ogólny współczynnik nierównomierności przepływu, maksymalny godzinowy współczynnik nierównomierności przepływu oraz minimalny godzinowy współczynnik nierównomierności przepływu.

Tabela 1.
Wartości współczynników nierównomierności przepływu ścieków bytowo-gospodarczych według U.S. EPA [8],[11]

Rys.1
Iloraz naprężeń ścinających τo /τ na granicy kanał-ścieki, gdzie τo jest naprężeniem ścinającym przy pełnym napełnieniu kanału η=1 na granicy ściana kanałuprzepływające ścieki, a τ naprężeniem ścinającym przy dowolnym napełnieniu względnym 0<η<1 [12]

Dla oceny warunków samooczyszczania kanałów lub tworzenia osadów niezmiernie ważną rzeczą jest wysokość napełnienia. Na rysunku 1 przedstawiono w funkcji η= h/D iloraz naprężenia ścinającego przy pełnym napełnieniu kanału τo do naprężeń ścinających przy częściowym napełnieniu. Przez h oznaczono wysokość napełnienia kanału ściekami, a przez D jego wysokość, a więc dla kanału kołowego wprost średnicę. Przez KK oznaczono kanał kołowy, KJ – kanał jajowy, KJP – kanał jajowy podwyższony, KGR – kanał gruszkowy, KDZ – kanał dzwonowy. Z rysunku 1 jednoznacznie wynika, że w kanale kołowym zaprojektowanym tak, aby nie tworzyły się osady przy pełnym napełnieniu warunki transportu osadu nie ulegną pogorszeniu tak długo, jak napełnienie tego kanału nie spadnie wyraźnie poniżej połowy wysokości przekroju. Następnie, czym mniejsze napełnienie tym gorsze warunki transportu osadu. Dlatego w dużych kanałach ogólnospławnych buduje się kinety na przepływy w czasie pogody ogólnospławnej.

Jeżeli nie dysponuje się odpowiednim oprogramowaniem, to dobór spadków minimalnych kanałów ściekowych można uprościć, stosując następujące spostrzeżenia praktyczne, które wynikają z przeprowadzonych symulacji numerycznych [6], [9]. Podane tutaj praktyczne zasady doboru spadków minimalnych odnoszą się wyłącznie do kanałów ściekowych dobranych tak aby dla aktualnych największych rocznych przepływów napełnienie wynosiło 0,7-0,8 wysokości przekroju. Jeżeli kanał jest projektowany z dużą rezerwą na zwiększone przepływy w przyszłości, to zasady te również odnoszą się wyłącznie do tego przewidywanego stanu w przyszłości. Dla chwili obecnej w takim przypadku należy przeprowadzić obliczenia, lub prościej, posłużyć się rysunkiem 1:

dobór spadku minimalnego kanału sanitarnego o przekroju kołowym zapewniającego przekroczenie raz w dobie wartości naprężeń ścinających 1,8-2,2 N/m2 można prowadzić tak aby przy pełnym napełnieniu kanałów dla średnic KK200mm – 250 mm naprężenie ścinające τo przekroczyło 2,5 N/m2, dla KK 300mm-500mm wartość τo równą 2,2 N/m2, a dla KK 600mm-700 mm τo 2,0 N/m2,
w kanałach jajowych o wymiarze przekraczającym KJ 0,60m-0,90m, ułożonych w spadkach minimalnych dobranych tak, aby naprężenie ścinające przy pełnym napełnieniu przekroju το = τ(η=1) było równe 1,8N/m2, wartości naprężeń ścinających co najmniej raz w przeciętnej dobie przekraczają tę wartość, począwszy od kanału KJ 0,70m-1,05m przy spadku dobranym tak aby dla pełnego napełnienia przekroju το = τ(η=1) = 2,2 N/ m2 również wartość tego naprężenia co najmniej raz w przeciętnej dobie przekracza το. Tak więc aby zaprojektować kanał jajowy KJ 0,70m-1,06m lub większy, tak aby raz w dobie przekroczona była zadana wartość τ, wystarczy, aby obliczyć spadek kanału w sposób gwarantujący wystąpienie tej wartości naprężenia przy pełnym napełnieniu kanału. Takie zadanie projektant może wykonać bez dostępu do programu numerycznego. Oczywiście w kanałach bytowo-gospodarczych nie dopuszcza się eksploatacji przy pełnym napełnieniu kanału a jedynie jest to sposób pozwalający bez specjalistycznego oprogramowania na dobranie spadku minimalnego kanału, w którym co najmniej raz na przeciętną dobę przekroczone zostaną wartości wymaganych naprężeń ścinających a w czasie największego rocznego przepływu wysokości napełnień nie przekroczą 0,8 wysokości przekroju, zapewniając możliwość przewietrzania kanału.

Drugim sposobem doboru spadków minimalnych może być zastosowanie prędkości granicznej vc, zdefiniowanej jako: prędkość średnia arytmetyczna w przekroju poprzecznym kanału, przy której rozpoczyna się erozja odłożonego wcześniej osadu. Najprostszym chyba wzorem na taką prędkość graniczną vc jest równanie (2) autorstwa Novak-Nalluri [12].

W równaniu tym g jest przyspieszeniem ziemskim, d średnicą ziaren pisaku, s gęstością względną kwarcu w stosunku do wody, a oraz b współczynnikami empirycznymi zależnymi od kształtu przekroju kanału, Rh promieniem hydraulicznym przekroju poprzecznego kanału. Jednostki w równaniu (2) dobiera się zgodnie z systemem miar SI. Z równania (2) wynika w sposób oczywisty, że nie istnieje jedna wartość prędkości granicznej w kanalizacji i że jest ona uzależniona w dużym stopniu od promienia hydraulicznego, a więc zarówno od wielkości i kształtu kanału, jak i od wysokości jego napełnienia. Analiza aplikacji równania (2) do doboru spadku minimalnego kanałów ściekowych prowadzi do wyników analogicznych jak obliczenia oparte na średniej wartości naprężeń ścinających na granicy ściana kanału – przepływające ścieki.

W literaturze można znaleźć wiele równań służących do oceny warunków transportu osadów ściekowych. Jednakże dobór spadków minimalnych w kanalizacji w oparciu o równanie (1) jest prosty i równocześnie oparty na przesłankach teoretycznych. Ponadto można na podstawie tego równania uzasadnić zasadę Imhoffa doboru spadków minimalnych, a ta zasada sprawdzała się przez całe ostatnie stulecie.

Przewietrzanie kanalizacji

O intensywności korozji siarczanowej decydują następujące czynniki:

ilość dostępnego dla bakterii węgla organicznego mierzona przez OWO, ChZT, BZT,
czas przepływu,
średnica przewodu,
pH ścieków,
ilość jonów żelaza w ściekach i innych metali oraz azotanów,
przewietrzanie kanalizacji,
wiek betonu,
zasadowość betonu i jego jakość.

Przewietrzanie odbywa się głównie przez wywietrzniki zlokalizowane na dachach budynków. Wywietrzniki spełniają dwie role, z których jedną jest zapobieganie wytwarzaniu podciśnienia w czasie spływania pionem z płuczki ustępowej. To zadanie może być spełnione przez zawory napowietrzające. One jednak nie uczestniczą w przewietrzaniu sieci kanalizacyjnej. Dlatego ich stosowanie jest ograniczone. W domach jednorodzinnych powinien być zainstalowany co najmniej jeden wywietrznik na pionie najdalej położonym od podłączenia do sieci a w budownictwie wielorodzinnym na cztery zawory napowietrzające ma być założony nie mniej niż jeden wywietrznik. Im więcej wywietrzników, tym lepiej.

Zapobieganie korozji

Prawidłowy dobór średnicy przewodów tłocznych oraz spadków kanałów grawitacyjnych, jak również intensywne przewietrzanie kanałów, stanowią prewencję w stosunku do korozji siarczanowej. Chociaż prewencja jest niezbędna to jednak często sama nie wystarcza i wówczas stosuje się metody polegające na :

wprowadzeniu do ścieków tlenu w postaci tlenu gazowego, powietrza, ozonu, wody utlenionej, nadmanganianu potasu albo azotanów,
wprowadzeniu jonów żelaza, l podniesieniu pH ścieków powyżej 8,5,
dawkowaniu mikroorganizmów hamujących rozwój mikroorganizmów redukujących siarkę.

Podniesienie pH ścieków przeciwdziała korozji dzięki zmianie siarkowodoru w ściekach w formę jonową HS– ale jest rzadko stosowane, gdyż wymaga bardzo dużej ilości zasady a ponadto może gwałtowną korozję o zasięgu lokalnym zamienić na korozję o łagodnym przebiegu. W tabeli 2 przedstawiono [10] zestawienie wad i zalet podstawowych metod ochrony przed korozją.

Tabela 2
Zalety i wady stosowanych obecnie metod zapobiegania korozji w systemach kanalizacyjnych i przepompowniach według publikacji D.Firer, E.Friedler oraz O.Lahav [10]

Uwagi końcowe i podsumowanie

Korozja siarczanowa kanałów betonowych jest w Polsce słabo rozpoznana. W wielu publikacjach pojawiają się stwierdzenia, że wynika ona z zagniwania ścieków albo, że zależy od stężenia siarczanów. Jedno i drugie stwierdzenie jest nieprawdziwe. Ścieki zagniwają zazwyczaj po okresie długotrwałego braku dostępu tlenu, znacznie przekraczającego czas przepływu przewodem tłocznym, a redukcja siarki odbywa się w biofilnie. Ścieki są bogate w bakterie i inne mikroorganizmy [1] ale zawierają zbyt mało tych, które redukują siarkę, aby redukcja ta była istotna dla korozji siarczanowej [13]. Chyba, że ktoś transportowałby zagnite ścieki. Taki transport zagnitych ścieków kanałami betonowymi doprowadziłby bardzo szybko do katastrofy budowlanej. Stężenie siarczanów ma wpływ na intensywność korozji siarczanowej jedynie w niezmiernie rozcieńczonych ściekach, gdyż szybkość redukcji siarki w biofilmie jest zazwyczaj limitowana przez dyfuzję do niego węglowodorów.

Dysponujemy metodami prewencyjnymi, zarówno w ochronie przed korozją, jak też przed korozją siarczanową oraz metodami opartymi na dawkowaniu związków chemicznych i bakterii. Prewencja powinna być stosowana zawsze, a inne metody ochrony w tych przypadkach gdy zachodzi taka potrzeba. Ich zastosowanie wymaga bowiem poniesienia kosztów.

L I T E R AT U R A

[1] Ashley R.M., Dąbrowski W., Dry and storm weather transport of Coliforms and Faecal Streptococci in combined sewage, Water Sci Technol., 1995,31,7,311-21

[2] Dąbrowski W., Czy stężenie siarczanów ma istotny wpływ na korozję siarczanową? część I – podstawy prognozowania, Gaz, Woda i Technika Sanitarna 2010,11, 25-28

[3] Dąbrowski W., Czy stężenie siarczanów ma istotny wpływ na korozję siarczanową? część II – Rzeczywisty przykład obliczeniowy, Gaz, Woda i Technika Sanitarna, 2010,12,34-38

[4] Dąbrowski W., F. Li, Reducing hydrogen sulfide corrosion risk by using higher velocities of wastewater flow through force main, Forum on Studies of Environment and Public Health Issues in the Asian Mega-cities (EPAM-2015) & Annual Meeting of Environmental Medicine and Health Branch of Chinese Society for Environmental Sciences (EMES-2015), October 3-November 1, 2015, Xiamen, Fujian, China. – 2015, S. 4-16

[5] Dąbrowski W., Konstruktywna krytyka zasad doboru spadków minimalnych kanałów ogólnospławnych, Gaz, Woda i Technika Sanitarna, 1995,5,149-153

[6] Dąbrowski W., Kowalska M., Piaseczny G., Projektowanie spadków minimalnych ściekowych kanałów jajowych, Gaz, Woda i Technika Sanitarna, 2001,7,251-258

[7] Dąbrowski W., Piaseczny G., Numerical simulation of domestic wastewater sewer performance, Lakes & Reservoirs: Research and Management, 2000,5,93-97

[8] Dąbrowski W., Wpływ kanalizacji na środowisko, Wydawnictwo Politechniki Krakowskiej, 2004, 218 str.

[9] Dąbrowski W., Zasady projektowania kanalizacji ze względu na uciążliwości eksploatacji osadami ściekowymi, Konferencja Naukowo- Techniczna nt. Problemy Eksploatacji Kanalizacji i Odwodnień. Zagrożenia i Oszczędności, Centrum Edukacji „Alias”, Poznań 2002, 8str.

[10] Firer D., Friedler E., Lahav O., Control of sulfide in sewer systems by dosage of iron salts: Comparison between theoretical and experimental results, and practical implications, Science of the Total Environment, 2008,392, 145-156

[11] Niemiec A., Dąbrowski W., Dobór optymalnej średnicy rurociągów przesyłowych, Instal 2014, 351, 5, 52-55

[12] Nalluri C., Dąbrowski W., Need for new standards to prevent deposition in wastewater sewers, Journal of Environmental Engineering, ASCE, 1994,120,5,1032-1043

[13] U.S. Environmental Protection Agency, Center for Environmental Research Information, Office of Research and Development, Cincinnati, Design manual, Odor and Corrosion Control in Sanitary Sewerage Systems and Treatment Plants, 1985, EPA/625/1 – 85/018, Oct., 132 pp.

23 October 2019

Sediment transportation in sewerage under control

kanalizacja, pollution load, sediment traps, sewerage, sewerage sediment properties

Wprowadzenie

Osady stanowią duże utrudnienia w eksploatacji sieci kanalizacyjnych i są najczęstszą przyczyną niedrożności kanałów, a w wyniku tego niekontrolowanych wylań, podtopień i zrzutów przez przelewy burzowe kanalizacji ogólnospławnej [13], [14]. Te ostatnie często są następstwem odkładania się osadów w przelewach burzowych, co zwiększa krotność ich działania, a w wyniku tego sumaryczny ładunek zrzucanych do odbiorników zanieczyszczeń. W Polsce niestety najpopularniejsze są przelewy burzowe boczne, które budowano zachowując ten sam spadek dna kanału wzdłuż krawędzi przelewu, co kanału górnego i nie przewidując żadnego zeskoku przed przelewem. Ponieważ poniżej przelewu kanał ma mniejszy wymiar więc w takim przypadku w czasie pogody bezdeszczowej napełnienie w nim jest wyraźnie wyższe niż w kanale górnym. Jest to oczywistym powodem powstawania cofki i zatrzymywania osadu wzdłuż krawędzi przelewu. Stosowana popularnie w Niemczech znacznie lepsza konstrukcja przelewu z rurą dławiącą uwzględnia zeskok przy przejściu z kanału do tej rury, tak aby uniemożliwić powstanie piętrzenia ścieków powyżej w czasie pogody bezdeszczowej.

Pisząc o osadach ściekowych konieczne jest rozpoczęcie od stwierdzenia, że nie jest możliwe całkowite ich wyeliminowanie z kanalizacji i że zawsze będą takie miejsca, z których zajdzie konieczność usuwania osadów metodami hydraulicznymi, lub mechanicznymi. W kanalizacji występują wysoce organiczne osady, które są transportowane przez całą dobę ze zmienną prędkością przesuwania się, takie które w okresie niskich nocnych przepływów zatrzymują się, ale przesuwają w czasie większych przepływów dziennych i takie, które w czasie pogody bezdeszczowej w kanalizacji ogólnospławnej są akumulowane i erodowane dopiero w czasie nawalnych opadów deszczu. Dotyczy to w mniejszym stopniu również kanalizacji bytowo-gospodarczej, do której niemal z reguły w czasie deszczu dostają się wody infiltracyjne i przypadkowe. Najlepszym rozwiązaniem jest takie projektowanie kanałów, aby osady były transportowane w nich chociażby raz na dobę. Część osadów jest bowiem kohezyjna, to znaczy taka, iż w czasie zalegania w kanale zachodzą w nich procesy zmieniające właściwości mechaniczne i utrudniające usunięcie ich z miejsca zalegania. Te osady po dłuższym przebywaniu w kanalizacji ogólnospławnej mogą stać się na tyle spójne, że żaden duży przepływ w czasie intensywnych opadów ich już nie wypłucze. W literaturze anglosaskiej dotyczącej transportu osadów używana jest terminologia oparta na słownictwie stosowanym do opisu transportu rumoszu w potokach i stosuje się określenia „transport osadów zawieszonych” oraz „transport osadów wleczonych”. Ten drugi odbywa się z prędkością znacznie mniejszą od prędkości przepływu ścieków.

W Wielkiej Brytanii utarł się podział osadów na następujące kategorie [15], [2], [6] [7]:

A – mineralny gruboziarnisty bez właściwości kohezyjnych,

B – również mineralny i gruboziarnisty jak „A” ale sklejony ropopochodnymi,

C – organiczny, drobnoziarnisty, przesuwający się po powierzchni osadów A oraz B,

D – organiczny osad narastający na ścianach kanałów,

E – drobnoziarniste osady, a więc zawierające więcej metali ciężkich, które odkładają się w zbiornikach retencyjnych. Klasyfikację tę zaproponowano uzupełnić [7], [8] o dwa bardzo charakterystyczne i różniące się zasadniczo od wszystkich innych rodzaje osadów, a mianowicie o osady:

F – tłuszczowe narośla na sklepieniach kanałów ciśnieniowych

G – zatrzymane we wpustach deszczowych wyposażonych w część osadową.

Największe stężenia zanieczyszczeń organicznych występują w osadach C, których ChZT wynosi kilka tysięcy mg O2/ dm3, a więc kilka gramów na litr. Osady te przesuwają się po powierzchni osadów A i B nawet w czasie pogody bezdeszczowej. Jednakże zazwyczaj w kanalizacji dominują osady A oraz B i w związku z tym w nich jest zgromadzony największy ładunek ChZT, chociaż stężenia zanieczyszczeń są znacznie mniejsze niż w osadach C [17].

Właściwości osadów

Osad D na ścianach kanałów tworzą związki organiczne. Odkłada się on poniżej oraz w obszarze wahań zwierciadła ścieków w kanałach. Chociaż jego grubość jest nieznaczna i zazwyczaj nie przekracza 2mm to jednak występują w nim warunki beztlenowe i w związku z tym w tej części biofilmu, która znajduje się poniżej zwierciadła ścieków dochodzi do redukcji siarki z siarczanów do siarczków. W wyniku tej redukcji siarka zmienia wartościowość z +6 na –2 i dostaje się do ścieków, w których pozostaje albo w postaci gazowego siarkowodoru H2S , albo jonu HS-, albo w postaci siarczku żelaza FeS. [9], [10], [11]. Pomimo występowania w przepływających ściekach warunków anoksycznych redukcja w nich siarki jest znacznie mniejsza niż w biofilmie, gdyż brakuje w nich dużej liczebności redukujących siarkę mikroorganizmów. Dlatego wszystkie wzory opisujące kinetykę redukcji siarki w ciśnieniowych i grawitacyjnych kanałach ściekowych biorą pod uwagę powierzchnię ścian, na których narasta biofilm, a nie objętość wypełniających kanał ścieków. Tak więc osady w kanalizacji to nie tylko kwestia zmniejszonej drożności kanałów, ale również korozji siarczanowej oraz wytwarzania odorów, albowiem siarkowodór należy do najsilniejszych z nich. To również problem zagrożenia życia pracowników schodzących do kanalizacji gdyż siarkowodór jest toksyczny, powyżej stężenia 400ppm szybko prowadzi do porażenia nerwów węchowych, przez co przestaje być wyczuwalny zmysłami powonienia, a powyżej 1000ppm po pewnym czasie powoduje zatrzymanie oddechu i w rezultacie tego śmierć. Wymagane przepisami BHP detektory gazów, będące na niezbędnym wyposażeniu osób schodzących do kanałów, mierzą między innymi stężenie siarkowodoru w powietrzu i po przekroczeniu 10ppm rozpoczynają alarm dźwiękowy.

Drobnoziarniste osady E charakteryzują się szczególnie dużym rozdrobnieniem, a w związku z tym dużą powierzchnią ziaren w jednostce objętości co powoduje, że są one podatne na adsorpcję trudnorozpuszczalnych zanieczyszczeń organicznych i metali ciężkich. Z uwagi na wysokie stężenie tych metali może być konieczne deponowanie tego osadu na składowiskach odpadów niebezpiecznych. Małe wymiary cząstek fazy stałej w osadach zalegających w zbiornikach retencyjnych ścieków wynikają stąd, że te grubsze osadziły się już wcześniej w kanałach położonych powyżej.

Osady F powstają w wyniku wypływania do góry tłuszczy w przewodach tłocznych pompowni, w wyniku czego sklepienia kanałów stają się tą częścią kanałów, która obrasta osadami.

Osady we wpustach deszczowych i zachodzące w nich przemiany były szczegółowo badane przez Clegg, Forster i Crabtree [5]. Skład ich zależy od pory roku i od tego czy są wybierane. W okresie wiosennym mogą być niemal wyłącznie mineralne, ale w okresie jesieni dostaje się do nich dużo liści, co powoduje, że stężenie związków organicznych przekracza wówczas 10% wagowo masy suchego osadu. Zagniwający w osadnikach wpustów deszczowych osad jest przyczyną zwiększenia zanieczyszczeń wody nadosadowej i przez to może powodować zrzut dużych ładunków zanieczyszczeń do sieci kanalizacyjnej na samym początku deszczu. Współcześnie wpusty deszczowe często wyposaża się w perforowane wiadra, z których łatwo można usunąć liście i żwir.

Osady wleczone

Obserwacje przeprowadzone kamerą usadowioną nad dnem dużego kanału ogólnospławnego [1] pokazały, że stężenie cząstek fazy stałej gwałtownie rośnie tuż ponad dnem kanału. Wyżej też nie jest ono stałe, ale zmiany są mniej zauważalne. Bardzo blisko dna występuje jeszcze jeden wzrost stężenia fazy stałej, tym razem związany z przynajmniej czasowo nieruchomym osadem, który zalega na dnie kanału. Transport zawiesiny w warstwie położonej pomiędzy tymi dwoma poziomami zagęszczenia fazy stałej określa się mianem transportu przydennego i wiąże z występowaniem takich zjawisk jak toczenie, przesuwanie i saltacja. Warstwa ta jest w dużej części organiczna, a więc charakteryzuje się wysokimi wartościami ChZT, BZT5 i NH4 +, co przedstawiono na przykładzie badań [1] przeprowadzonych w czasie pogody bezdeszczowej w kanałach ogólnospławnych, których spadki i wymiary oraz liczbę użytkowników przedstawiono w tabeli 1.

Jak wynika z tabel 2,3 osady przydenne pobierane z pułapki zainstalowanej w dnie kanału 1 o spadku prawie dziesięciokrotnie większym od spadku kanałów wyposażonych w stanowiska 2,3 charakteryzowały się większą średnicą d50 części nieorganicznych, większą gęstością właściwą w stanie uwodnionym, mniejszą procentową zawartością substancji lotnych i mniejszymi wartościami parametrów jakościowych ChZT, BZT5. Wszystkie wyszczególnione tutaj właściwości osadów można wytłumaczyć większymi prędkościami sedymentacji, które są niezbędne, aby cząstka została zatrzymana w kanale położonym ze znacznie większym spadkiem, a więc większym udziałem procentowym ziaren piasku. Jednakże z przedstawionych w tabelach 1,2,3 danych wynika, że stężenie azotu amonowego było najwyższe właśnie w próbach pobranych z pułapki 1. W przypadku azotu amonowego wartości podane w tabeli 3 dla ścieków i dla osadów są znacznie bardziej zbliżone do siebie niż w przypadku ChZT, czy BZT5. Nieznacznie wyższą wartość tego stężenia w osadach z pułapki 1 można wytłumaczyć tym, że jak wiadomo azot amonowy występuje w dużej części w postaci rozpuszczonej, a jego stężenie może być wyższe w mniejszych kanałach z uwagi na mniejszy udział wód infiltracyjnych. Wyprowadzanie takich hipotez na podstawie słabo udokumentowanych różnic jest o tyle niebezpieczne, iż wartości ChZT, BZT5, N-NH4 + zmieniają się w ściekach w różny sposób wraz ze zmianami natężeń przepływu, a więc prawdopodobnie również w różny sposób w osadach dennych. Krzywa opisująca w dobie iloraz ChZT/ChZTśr jest bardzo podobna do tej, która opisuje iloraz chwilowej wartości przepływu do jego wartości średniodobowej.

Na podstawie opisanych powyżej badań polowych Arthur S. oraz Ashley R.M. [1] podjęli próbę utworzenia matematycznego opisu transportu osadu wleczonego w czasie pogody bezdeszczowej w postaci równania (1). Jednakże skorzystali w tym celu wyłącznie z pułapki nr3, a więc równanie to nie opisuje transportu osadu przydennego w kanale o stukrotnie większym spadku, na którym założona została pułapka 1. Autorzy równania (1) dysponowali 31 próbami zarówno osadów przydennych jak i ścieków, z których 19 par zostało użytych do wyznaczenia współczynników występujących w równaniu (1), a 12 par do sprawdzenia ich poprawności, w tym do określenia zakresu błędu w obliczanej wartości Cv.

$\"\"$

Tabela 4
Prędkości sedymentacji w ściekach i w zawiesinach wytworzonych z osadów według badań opisanych w pracy S. Michelbach, C.Wohrle [16]

Tabela 3.
Porównanie zakresu parametrów osadu przydennego w kolektorze ogólnospławnym na stanowisku nr3 z tymi samymi parametrami w ściekach z okresu bezdeszczowego [1]. Dane o kolektorach w których prowadzono pomiary zebrane są w tabeli 1

Tabela 2
Charakterystyka osadów transportowanych przy dnie trzech kanałów, których parametry przedstawiono w tabeli 1 [1]

Tabela 1
Dane o wielkości kanałów podane za książką [7], w których prowadzone były pomiary właściwości osadu przydennego badanego w pracach [1], [3]

W równaniu (1) wprowadzono następujące oznaczenia:

Cv – iloraz transportowanej suchej masy osadu przydennego do masy ścieków,

I – intensywność opadów dla uprzedniego deszczu [mm/h],

tost – czas od początku ostatniego opadu [h],

Host – wysokość uprzedniego opadu [mm],

yo – wysokość napełnienia kanału [m],

ymax – największa możliwa wysokość napełnienia kanału [m],

το − średnia wartość naprężenia ścinającego na granicy kanał – ścieki [N/m2],

τβ – naprężenie ścinające na granicy dno kanału – ścieki [N/m2],

ρd – gęstość suchego osadu przydennego [kg/m3],

ρw – gęstość wody [kg/m3].

Chociaż według autorów [1] wyznaczone przy pomocy równania (1) wartości Cv zawierają się w granicy –50% do +100% błędu względnego, to jednakże zostało ono wyprowadzone na podstawie pomiarów przeprowadzonych na pojedynczym kanale i ponadto uwzględnia parametry trudne, o ile nie niemożliwe, do zmierzenia w warunkach polowych. Podane w tym równaniu współczynniki prawdopodobnie każdorazowo zależą od miejsca wykonywania pomiarów. Próby potwierdzenia prawidłowości budowy tego równania przeprowadzone w głównych kolektorach miasta Krakowa [7] nie potwierdziły słuszności tego równania, do czego mogły się jednak przyczynić trudności pomiarowe, a w szczególności rozstrzygnięcie na jakiej wysokości powyżej dna występuje jeszcze transport osadu przydennego.

Pułapki na osady

Do konstruowania pułapki na osady ważnym parametrem jest prędkość sedymentacji tych ziaren fazy stałej, które chcemy usunąć ze ścieków. W niektórych krajach osady ściekowe znacznie różnią się pomiędzy sobą. Przykładowo we Francji i w U.S.A. powszechnie stosuje się pod zlewozmywakami urządzenia do mielenia odpadów warzywnych, które są po zmieleniu transportowane kanalizacją do oczyszczalni ścieków. Innym powodem różnic w jakości ścieków są różnice klimatyczne pomiędzy poszczególnymi krajami. Co więcej, w Polsce doszło od 1989 roku do radykalnej zmiany parametrów ścieków bytowo – gospodarczych gdyż od tego czasu do chwili obecnej średnie zużycie dobowe wody w gospodarstwach domowych spadło niemal dwu i półkrotnie. Ładunki zanieczyszczeń transportowane ściekami spadły znacznie mniej niż przepływy, a to oznacza iż kanałami płyną ścieki bardziej stężone. W tym artykule korzystamy wyłącznie z danych pochodzących z tej samej strefy klimatycznej, a zmiany w czasie są nieuchronne i gwałtowne w kanalizacji ogólnospławnej.

Jednym ze sposobów przepłukania sieci może być budowa zamknięć (bramek), którymi skierowuje się ścieki inną drogą do oczyszczalni. W ten sposób raz na pewien czas można doprowadzić do przepłukania przewody kanalizacyjne znacznie większą ilością ścieków niż nimi zazwyczaj płynie. Jest to w znacznie większej skali odmiana metody na przepłukanie krótkiego kanału przez zablokowanie odpływu w studzience powyżej i po zgromadzeniu w niej ścieków odblokowanie wypływu z niej. Inną metodą ochrony kanałów jest stosowanie pułapek na osady. Dla umożliwienia ich opróżniania stosuje się najkrótsze, jak to tylko możliwe, obejścia zamykane i otwierane dwoma furtkami. Furtki te zbudowane są w taki sposób, że każda z nich leży po przeciwnej stronie obejścia i równocześnie po przeciwnej stronie pułapki na osady. W jednej pozycji każda z furtek równocześnie otwiera obejście i zamyka dopływ do pułapki, a w drugiej pozycji otwiera przepływ przez pułapkę i zamyka dopływ do obejścia. Poglądowy rysunek instalacji pułapki na osady z obejściem pokazano na rysunku 1.

Rys. 3
Pułapka na osady w stylu francuskim

Rys. 2
Pułapka na osady w stylu angielskim

Rys. 1
Poglądowy rysunek instalacji pułapki na kanale ogólnospławnym

Popularne w Europie są dwa rodzaje pułapek, a mianowicie odmiana angielska i francuska [12]. Pierwszą z nich przedstawiono na rysunku 2, a drugą na rysunku 3. Ta pierwsza stosowana była już w czasach wiktoriańskich i okazała się być mało efektywna, albowiem najpierw zatrzymuje osad z dużą efektywnością, łącznie z tym drobnym, którego zatrzymanie jest niecelowe. Następnie w miarę napełniania się pułapki efektywność zatrzymywania osadu najpierw nieznacznie, a później gwałtownie, zaczyna spadać. Jednocześnie zmienia się skład granulometryczny zatrzymanego osadu. Zaczyna przeważać osad grubszy. W pracy [12] podano jak uziarnienie osadu zmieniało się w funkcji wysokości pułapki założonej na kanale ogólnospławnym miasta Dundee, w Szkocji. Wyraźnie możliwe było rozdzielenie osadów grubiej ziarnistych trafiających do pułapki w okresie deszczu od osadów bardziej organicznych pochodzących z okresów bezdeszczowych. Ogólnie stwierdzono małą przydatność badanej pułapki. Częściowo wynikała ona z porcjowego podawania ścieków przewodem ciśnieniowym, tak iż zdarzały się okresy, w których prędkość średnia przepływu nad pułapką nie przekraczała 1cm/s. Usunięcie tej niedogodności poprawiło co prawda efektywność działania pułapki, lecz nie na tyle, aby jej okresowe opróżnianie można było uznać za opłacalne. Pułapka napełniała się w ciągu tygodnia. Dlatego poddano testom pułapkę typu francuskiego pokazaną na rysunku 3. W tym typie pułapki komora osadowa jest przykryta otwieranymi klapami tak, że do opadania na dno tej komory pozostaje szczelina ułożona poprzecznie do kierunku przepływu ścieków w kanale. Szerokość tej szczeliny wynosi zazwyczaj od 10cm do 30cm i jest dobierana do warunków lokalnych, to znaczy: frakcji uziarnienia osadu, którą chcemy zatrzymać, spadku kanału i występujących w nim prędkości przepływu. W omawianym przypadku zlewni na podstawie obliczeń wybrano szerokość szczeliny 250mm. Obliczenia takie można prowadzić wyłącznie stosując specjalistyczne oprogramowanie i w dodatku zakładając parametry ciał stałych wleczonych po dnie kanału, co z góry nie jest znane na etapie projektowania. Jednak zakres szerokości szczeliny pomiędzy 10cm a 30 cm jest nieduży i może być łatwo konstrukcyjnie zmniejszony już po wybudowaniu pułapki.

Stosowanie pułapek na osady jest celowe w odniesieniu do eliminacji kamieni, fragmentów cegieł lub betonu. Usuwanie zwykłych osadów wymaga częstego opróżniania pułapki, co jest kosztowne i uciążliwe, szczególnie gdy jest ona zlokalizowana w centrum miasta.

Wnioski

Osady w przewodach kanalizacyjnych stanowią istotny problem eksploatacyjny, a metody projektowania powinny prowadzić do ich ograniczenia. Jednakże nigdy nie spowodują ich całkowitej eliminacji.
Osady kanalizacyjne to nie tylko utrudnienia w eksploatacji kanałów, ale również zwiększone ładunki zanieczyszczeń transportowanych z wyerodowanych osadów do przelewów burzowych kanalizacji ogólnospławnej.
Osady kanalizacyjne przyczyniają się również do korozji siarczanowej kanałów betonowych, gdyż to w biofilmie i w powierzchniowej warstwie osadów dochodzi do redukcji siarki, a w znacznie mniejszym stopniu w ściekach.
Jednym ze sposobów eliminacji gruboziarnistej frakcji osadów z kanałów jest stosowanie pułapek na osady. Preferowane jest rozwiązanie francuskie, w którym pułapka jest otwierana wyłącznie do opróżnienia, a w czasie eksploatacji gruboziarnisty osad przydenny dostaje się do niej szczeliną o niedużej szerokości, położoną w poprzek dna kanału.

L I T E R AT U R A

[1] Arthur S., Ashley R.M., Near bed solids transport rate prediction in a combined sewer network, Wat.Sci.Tech., 1997, 36, 8-9, 120-134

[2] Ashley R.M., Cohesive sediment erosion and transport in sewers, proceedings from the Scotish Hydraulics Study Group Symposium on Sediment Transport, 1993, Edinbourgh 1993, 4/1-11

[3] Ashley R.M., Crabtree R.W., Sediment origin, deposition and building up in combined sewer systems, Wat.Sci.Tech., 1992, 25,8,1-12

[4] Ashley R.M., Dąbrowski W., Dry and storm weather transport of Coliforms and Faecal Streptococci in combined sewage, ibid., 1995, 31, 7, 311-21

[5] Clegg S., Forster C.F., Crabtree R.W., An examination into the ageing of gully pot sediment, raport na prawach maszynopisu, 1992

[6] Crabtree R., Gent R., Spooner S., Mousetrap: Specification of pollutant and sediment characteristic default values, 1993, Report No. UC 1950, WPc Swindon, U.K.

[7] Dąbrowski W., Oddziaływanie sieci kanalizacyjnych na środowisko, Wydawnictwa Politechniki Krakowskiej, Kraków 2004, 218 str.

[8] Dąbrowski W. Ashley R.M., Transport osadów w kanałach ściekowych – pobór próbek ścieków i osadu, Gaz, Woda i Technika Sanitarna, 1994, 5, 135-139

[9] Dąbrowski W., Czy stężenie siarczanów ma istotny wpływ na korozję siarczanową, część I – podstawy prognozowania?, Gaz, Woda i Technika Sanitarna 2010,11,25-28

[10] Dąbrowski W., Czy stężenie siarczanów ma istotny wpływ na korozję siarczanową, część II – Rzeczywisty przykład obliczeniowy, Gaz, Woda i Technika Sanitarna, 2010, 12, 34-38

[11] Dąbrowski W., Zwalczanie zapachów i korozji siarczanowej w kanalizacji, Gaz, Woda i Technika Sanitarna, 2001, 3, 95-99

[12] Fraser A.G., Ashley R.M., Buxton A., Full scale performance testing the UK and French style sediment traps, Novatech, 2001, 955-962

[13] Kuliczkowska E., Kuliczkowski A., Kubicka U., Design of the pipelines cinsidering exploitative parameters, rozdział w Underground Infrastructure of Urban Areas, 2009, 165-171

[14] Kuliczkowski A., Kuliczkowska E., Optymalny dobór badań umożliwiających zarządzanie przewodami kanalizacyjnymi w utrzymaniu ich prawidłowego stanu technicznego, rozdział w Infrastruktura miast, 2017, 95-122

[15] McGregor I., Ashley R.M., Specification of laboratory analysis and sampling of sewage and sewer sediments, A report for Water Research Centre, UK – grudzień 1992

[16] Michelbach S., Wohrle C., Settleable solids in a combined sewer system – measurement, quality, characteristics, Wat. Sci. Tech.,1992, 25, 8, 181-188

[17] Wallingford software, Wallrus User Manual, 1991, wydanie 4