Върху проектните критерии за предотвратяване на седиментацията в канализационните мрежи



Дата06.01.2017
Размер118.09 Kb.
Върху проектните критерии за предотвратяване на

седиментацията в канализационните мрежи*

Р. Арсов


Университет по архитектура, строителство и геодезия
I. Въведение

Поради исторически и технико-икономически причини, смесените канализационни системи с преливници преобладават в Европа и в много други развити географски райони, а у нас те са почти единствената алтернатива и досега. Както е известно, чрез преливниците в прилежащите открити водни течения и басейни по време на дъжд попадат залпово значителни количества замърсени отпадъчни води, които рязко влошават санитарно-хигиенните и екологичните характеристики на водоприемниците. Капацитетът на последните по отношение на товарите и концентрациите на замърсителите е ограничен с оглед спазването на пределно допустимите стойности, регламентирани в съответните нормативни документи. Този капацитет зависи от хидроложките, хидравличните и морфологичните характеристики на водоприемниците, както и от честотата, продължителността и интензивността на дъждовете и предизвиканите от тях изменения в качествата на преливащите отпадъчни води. Във връзка с това се налага необходимостта от точно определяне (моделиране) на изменението на концентраците на замърсителите във времето ( т.н. “полютографи”) на преливащите при интензивен валеж отпадъчни води.

Качествата на атмосферните води, на повърхностния дъждовен отток и на отпадъчните води, протичащи в сухо време са важни предпоставки за формирането на полютографите. Основен фактор в това отношение обаче са процесите на утаяване (седиментация) и ресуспендиране на твърдите частици в отпадъчните води при транспортирането им в канализационните мрежи. Тези процеси зависят както от зърнометричния състав, хидравличната едрина и физико-химичните свойства на суспендираните частици, така и от хидравличните условия в съответните тръбни участъци, които се променят динамично с изменението на водните количества в сухо и особено в дъждовно време. Процесите на седиментация и ресуспендиране са решаващи не само за параметрите на полютографите относно суспендираните вещества, но и за тези по отношение на БПК и други разтворени или колоидни замърсители, адсорбирани върху твърдата фаза на суспензията. В това отношение трябва да се има предвид, че органичното съдържание на супендираните вещества в седиментите в битовите канализационни мрежи, се оценява на около 6 % ( М. Молоков и В. Шифрин, 1977) и при тяхното ресуспендиране в потока многократно нараства и концентрацията на органичните вещества, оценявани с показателя БПК.

Моделирането на полютографите в канализационните мрежи е свързано и с адекватното определяне на концентрациите на замърсителите в отпадъчните води, постъпващи в пречиствателните станции както в сухо време, така и при валеж, което е от решаващо значение при тяхното проектиране и експлоатацията им в динамични условия.

При проектирането на канализационните мрежи по принцип се приемат такива оразмерителни скорости на потока, при които се изключва седиментацията на суспендираните вещества. Такива скорости, както е известно се наричат “критични”. Приемането на критичните скорости като оразмерителни обаче е свързано с фиксирането на по-големи наклони на тръбните участъци, което при терени с малки наклони води до прекомерно (често и недопустимо) задълбаване на канализационната мрежа. Поради това е обичайна практика канализационните мрежи да се проектират с по-малки наклони, съответствуващи на скорости по-малки от критичните. В резултат в канализационната мрежа се създават условия за образуване на утайки, чието разпределение в пространството и времето зависи от геометричните и топографските параметри на тръбната мрежа, както и от споменатите по-горе фактори, влияещи на процесите на седиментация и ресуспендиране. Последните, от своя страна, водят до значителни изменения на концентрациите на замърсителите в потока отпадъчни води.

*Публикувана във “Вода за хората”, БНАКВ, No1, 2004, София

Степента на тези изменения зависи от съотношението на действителните скорости (съответствуващи на дадени водни нива или степени на напълване на тръбата – “пълнежи”) и критичните скорости в даден тръбен участък и в участъците над него, които го захранват.

Поради многообразието на влияещите фактори и сложното им взаимодействие, процесите на седиментация и ресуспендиране в канализационните мрежи се описват формално (моделират) на емпрична основа. Пример в това отношение са формулите (1) и (2), предложени от R. May (1995) след обобщаване на многобройни експериментални изследвания на различни автори:


, mg/l; (1)
, m/s, (2)
където С е концентрацията на ресуспендираните вещества в потока, mg/l,

s – специфично тегло на твърдата фаза, t/m3; (s = 2,6 t/m3),

D – диаметър на тръбата, m,

F- площ на живото сечение на потока,

d50 – условен диаметър на суспендираните частици, съставляващи 50 % от количеството

на твърдата фаза в седиментите, m,



vs – скоростта на потока при която частиците с диаметър d50 се ресуспендират, m/s,

vL – критичната скорост за тръбата с диаметър D, m/s,

g – земното ускорение, m/s2,

h – воден стоеж (дълбочина), съответствуващ на определено водно количество, m,

h/D – пълнеж на тръбата.
От направения до тук кратък анализ следва, че критичната скорост е основен параметър не само при проектирането на канализационните мрежи с оглед предотвратяване на тяхното затлачване, но и при моделирането на полютографите в случаите, когато е допуснато образуването на утайки. За съжаление публикуваните изследвания и формули за определяне на критичната скорост са твърде оскъдни и с неясни условия на приложение. У нас са извстни и се прилагат две такива емпирични формули – на Федоров (Н. Федоров,1968) и на Яковлев и Калицун (А. Курганов и Н. Федоров, 1973), представени тук съответно с изразите (3) и (4):
, m/s, (3)
, m/s, (4)
където е критичната скорост, m/s,

R – хидравличния радиус на потока, m,

- хидравличната едрина на суспендираните частици, които не се утаяват при , m/s,

с – скоростния параметър в известната формула на Шези; По известната формула на

Павловски при бетонови и метални тъби ,

g – земното ускорение, m/s2.
Всъщност у нас формулата на Яковлев и Калицун се прилага в модификацията (5), получена чрез известната формула на Шези, изразена по отношение на хидравличния наклон (означен в случая като “критичен” - Iкр) и при R = D/4, комбинирана с формула (4) при = 0,05 m/s:
, (5)
където диаметърът D е изразен в mm.
В Западна Европа и САЩ условията, характеризиращи процесите на седиментация и ресуспендиране в канализационите мрежи обикновено се регламентират не чрез критичната скорост , а чрез свързания с нея критерий “критично тангенциално напрежение на границата течност/утайка” – τкр , N/m2. В Табл. 1 са представени данни за τкр, публикувани в CIRIA (1987):
Таблица 1. Стойности на τкр, препоръчани в CIRIA (1987)


Страна

h/D

τкр , N/m2

САЩ

1

3,0 – 4,0

Великобритания

1 и 0,5

6,2

Германия

1

2,5

От таблицата се вижда, че параметърът τкр варира в доста широки граници. Публикуваните от редица изследователи данни за τкр също обхващат широк интервал. Така Nalluri и Alvarez (1992) препоръчват τкр = 2,0 N/m2 при което ресуспендират най-фините частици в повърхностния слой на седимента и τкр = 2,5 N/m2 за ресуспендиране на по-едрите и кохезионно свързани частици в долния слой. Ashley (1993) наблюдава ресуспендиране на фините частици от повърхностния слой при τкр = 1,0 N/m2, а на по-едрите от долния слой – при τкр = 2,0 – 3,0 N/m2. Обобщавайки множество изследвания на редица автори, May (1995) препоръчва за долна граница τкр = 2,0 N/m2, а за кохезионни частици, престояли дълго в утайка за долна граница на критичното тангенциално напрежение се препоръчва 4,0 N/m2.

Следва да се отбележи, че засега липсват публикувани изследвания относно връзката между параметрите τкр и, което затруднява моделирането на полютографите по канализационната мрежа и свързаната с тях оценка на натоварването на водоприемниците със замърсители.

Предмет на настоящата статия са резултатите от едно сравнително изследване и оценка на критичните скорости и съответствуващите им критични хидравлични наклони Iкр, от една страна и критичните тангенциални напрежения - от друга, при тръби с различни диаметри и пълнежи и при суспендирани частици с различна хидравлична едрина .


II. Аналитичен подход
Равомерното движение на потока е основна предпоставка при оразмеряването на канализационните мрежи. Това позволява съпоставянето на израза (3) с уравнението на Шези (при скоростен параметър с, определен по формулата на Павловски), както следва:

, (6)
или
, (7)
където
. (8)
От друга страна е известно, че формулата на Шези се базира на основното уравнение на равномерното движение, което има вида:
, (9)
където τ e тангенциалното напрежение на границата на потока и неговото легло, N/m2,

γ – специфичното тегло на водата; γ = 9810 N/m3.
Предвид уравненията (7) и (9), търсената връзка между параметрите и τкр може да се представи във вида:
, (10)
където
. (11)
Предвид уравненията (3) и (10), търсената връзка между параметрите и τкр може да се представи във вида:
, (12)
където
. (13)
Чрез формулата на Шези (при скоростен параметър с, определен по формулата на Павловски) и формула (4) могат да се представят аналитично и търсените връзки на параметрите , и τкр с хидравличната едрина на частиците, оставащи суспендирани в потока, както следва:
, (14)
, m/s, (15)

, N/m2. (16)
В много от горните зависимости основен параметър е хидравличният радиус R. За удобство при техния анализ и при практическото им използване е целесъобразно R да се представи като функция на диаметъра D и пълнежа h/D на съответната тръба. Както е известно, тази функция има вида:
, (17)
където е централният ъгъл, обхващащ дъгата на кръговия сегмент, представляващ живото сечение на потока, grad.
След съответни замествания и преобразувания, изразът (17) може да се представи във вида:
. (18)
Изведените по-горе зависимости са сравнително сложни функции на хидравличния радиус R и изследването на тенденциите на тяхното изменение в целия диапазон на практически използваните номенклатурни диаметри и тръбни пълнежи е трудно да се извърши само на базата на тяхните аналитични изрази. Поради това считаме за полезно тези функции да се представят графически.
III. Графично представяне на резултатите и коментар
Както бе показано, хидравличният радиус R зависи от диаметъра D на тръбата и от пълнежа h/D. На Фиг. 1 тази зависимост е представена чрез използуване на формула (18) за различни диаметри в диапазона от 0,3 m до 2,5 m.



Фигура 1. Зависимост на хидравличния радиус R от

пълнежа h/D при различни диаметри D

Характерната форма на графиката R = f(h/D) определя характерните форми и на графичните функции, зависещи от R. На Фиг. 2 е представена графически зависимостта (3), а на Фиг. 3 и Фиг. 4 – съответно на зависимостите (7) и (10) предвид и на формула (18).



Фигура 2. Зависимост на критичната скорост от

пълнежа h/D при различни диаметри D





Фигура 3. Зависимост на критичния наклон от

пълнежа h/D при различни диаметри D





Фигура 4. Зависимост на критичното тангенциално

напрежение τкр от пълнежа h/D при различни диаметри D


На Фиг. 5 е представена графически завиимостта (14). Зависимостите (15) и (16) не са сложни и тяхната интерпретация е достатъчно ясна и без графичното им представяне.



Фигура 5. Зависимост на критичния наклон от

хидравличната едрина на частиците, съгласно израза (14)


На Фиг. 6 е представена графически зависимостта (12), която е особено важна с оглед сравняването на критериите за предотвратяване на седиментацията в канализационните мрежи, прилагани у нас с тези, препоръчвани в Западна Европа и САЩ.



Фигура 6. Зависимост между критичната скорост и

критичното тангенциално напрежение τкр, съгласно израза (12)


С помощта на графиките на Фиг. 1 и Фиг. 6 лесно може да се проследи зависимостта между τкр и при тръби с различни диаметри и пълнежи, което е особено важно при решаването на определени практически задачи, някои от които бяха коментирани по-горе.

По подобен начин с помощта на графиките на Фиг. 1 и Фиг. 5 може да се проследи зависимостта между Iкр и при тръби с различни диаметри и пълнежи. Това дава възможност при известен зърнометрчен състав на суспендираните вещества в отпадъчните води да се определи частта им, която седиментира в тръби с определен диаметър и наклон.




IV. Изводи и заключения
От анализа на изведените зависимости могат да се направят следните основни изводи:

  • Формула (3) дава резултати, съпоставими с тези, оценявани по препоръчваните стойности на τкр за целия диапазон на тръбните пълнежи. Така при диаметър D = 1 m и пълнеж h/D = 0,05 (обичайно определящ височината на преливния ръб при преливните камери), τкр = 2 N/m2. При h/D = 0,5 или 1,0 , τкр = 15,2 N/m2;

  • Формула (5) дава резултати, съпоставими с тези, оценявани по препоръчваните стойности на τкр само за пълнеж h/D = 0,05 или 1,0. Така при диаметър D = 1 m и пълнеж h/D = 0,05 , τкр = 0,3 N/m2. При h/D = 0,5 или 1,0 , τкр = 2,45 N/m2;

  • За първи път тук чрез формула (12) е определена функционалната връзка между критериите τкр и , дефинирани поотделно в известните литературни източници;

  • Препоръчваните в цитираната литература минимални стойности на τкр в диапазона 2 – 4 N/m2 се отнасят до пълнежите, свързани с оттока в сухо време – т.е., спазването им гарантира, че тръбите няма да се затлачват и при най-неблагоприятните условия;

  • С нарастване на при всички тръбни диаметри и съответните хидравлични радиуси се наблюдава конвергенция на стойностите на τкр към една гранична стойност от 4 N/m2 (Фиг. 6). При това тази граница е горна за най-често прилаганите диаметри (D = 0,3 – 0,6 m) и долна – за по-големите диаметри(D = 0,7 – 02,5 m). Самата гранична стойност обаче се достига при много големи критични скорости, характерни за тръби с много голям диаметър(над 2,5 m);

  • Ресуспендирането (респективно – предотвратяване на утаяването) на най-масовата дисперсна фракция в канализационните седименти (частици с хидравлична едрина около 0,1 m/s) при пълнежите в сухо време изискват големи хидравлични наклони, респективно – наклони на тръбите (Фиг. 5).

Изведените тук аналитични зависимости и тяхните графични интерпретации дават практическа възможност за сравняване на критериите за предотвратяване на седиментацията в канализационните мрежи, прилагани у нас с тези, препоръчвани в Западна Европа и САЩ. Освен това те са полезни и при определяне на количеството на утайките при канализационни тръбни участъци, проектирани или построени с определен диаметър и наклон, по-малък от критичния. При дефинираните условия за ресуспендиране може да се определи и концентрацията на определените замърсители в отпадъчните води и съответните товари върху водоприемниците при преливанията по време на дъжд, например чрез формули (1) и (2).
V. Литература
Курганов, А. и Н. Федоров, (1973), Справочник по гидравлическим расчетам систем водоснабжения и канализации, Ленинград

Молоков, М.В. и В.Н. Шифрин, (1977), Очистки дождевых стоков с жилых и промышленных териториях, Москва

Федоров, Н., (1968), Канализация, стр. 51, Москва

Ashley, R.M., (1993), Cohesive Sediment Erosion and Transport in Sewers, Proceedings of Symposium on Sediment Transport, Edinburgh, UK

CIRIA, (1987), Sediment Movement in Combined Sewerage and Storm Water Drainage Systems, London, UK

May, R.W.P., (1995), Development of Design Methodology for Self-Cleansing Sewers, Proceedings of International Conference on Sewer Solids – Characteristics, Movement, Effect and Control, 5 – 8 September, Dundee, UK



Nalluri, C. and E.M. Alvarez, (1992), The Influence of Cohesion on Sediment Behavior, Water Science and Technology, v. 25, No 8, pp. 151 – 164
Каталог: ftp -> fhe -> Statii RA
ftp -> Population: 1 million
ftp -> Сфери на дейност
ftp -> Цветанка Маринова Московска 33, с
ftp -> Д о к л а д за оценка за съвместимостта на инвестиционно предложение: развитие на рудник “елаците” до 2022 година
fhe -> Правила и норми за проектиране, изграждане и експлоатация на канализационни системи част І общи изисквания
Statii RA -> Относно хомогенизирането на биореакторите със суспендирана биомаса Румен Арсов
fhe -> Република българия министерство на регионалното развитие и благоустройството


Поделитесь с Вашими друзьями:


База данных защищена авторским правом ©obuch.info 2019
отнасят до администрацията

    Начална страница