Върху проектните критерии за предотвратяване на седиментацията в канализационните мрежи

Р. Арсов

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:

на твърдата фаза в седиментите, m,

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” - I_кр) 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” – τ_кр , N/m². В Табл. 1 са представени данни за τ_кр, публикувани в CIRIA (1987):
Таблица 1. Стойности на τ_кр, 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 τ_кр варира в доста широки граници. Публикуваните от редица изследователи данни за τ_кр също обхващат широк интервал. Така Nalluri и Alvarez (1992) препоръчват τ_кр = 2,0 N/m² при което ресуспендират най-фините частици в повърхностния слой на седимента и τ_кр = 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 τ_кр = 1,0 N/m², а на по-едрите от долния слой – при τ_кр = 2,0 – 3,0 N/m². Обобщавайки множество изследвания на редица автори, May (1995) препоръчва за долна граница τ_кр = 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 τ_кр 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 I_кр, от една страна и критичните тангенциални напрежения - от друга, при тръби с различни диаметри и пълнежи и при суспендирани частици с различна хидравлична едрина .

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

пълнежа h/D при различни диаметри D

напрежение τ_кр от пълнежа h/D при различни диаметри D

хидравличната едрина на частиците, съгласно израза (14)

критичното тангенциално напрежение τ_кр, съгласно израза (12)

По подобен начин с помощта на графиките на Фиг. 1 и Фиг. 5 може да се проследи зависимостта между I_кр 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.

• 
  Формула (3) дава резултати, съпоставими с тези, оценявани по препоръчваните стойности на τ_кр 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), τ_кр = 2 N/m². При h/D = 0,5 или 1,0 , τ_кр = 15,2 N/m²;
  
• 
  Формула (5) дава резултати, съпоставими с тези, оценявани по препоръчваните стойности на τ_кр само за пълнеж h/D = 0,05 или 1,0. Така при диаметър D = 1 m и пълнеж h/D = 0,05 , τ_кр = 0,3 N/m². При h/D = 0,5 или 1,0 , τ_кр = 2,45 N/m²;
  
• 
  За първи път тук чрез формула (12) е определена функционалната връзка между критериите τ_кр и , дефинирани поотделно в известните литературни източници;
  
• 
  Препоръчваните в цитираната литература минимални стойности на τ_кр 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 τ_кр 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).
  

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