1. Wstęp
Kanalizacja jako nauka o projektowaniu, budowie, eksploatacji oraz jako zespół wzajemnie powiązanych urządzeń i budowli inżynierskich tworzących określony system w głównej mierze ma za zadanie odprowadzenie z obszaru zabudowanego wszystkich rodzajów ścieków powstałych w wyniku życia ludności oraz wód opadowych. W sporadycznych przypadkach do kanalizacji są przyjmowane także wody gruntowe.
Przez pojęcie kanalizacji grawitacyjnej należy rozumieć układ przewodów wraz z uzbrojeniem przeznaczony do odprowadzania ścieków z obiektów kanalizowanych z niewymuszonym (grawitacyjnym) odpływem.
Rys.1 Schemat kanalizacji grawitacyjnej
1 - przykanalik i studzienka połączeniowa,
2 - kanał odgałęzieniowy grawitacyjny,
3 - kolektor,
4 - zbiornik retencyjny,
5 - oczyszczalnia ścieków
Całość systemu kanalizacyjnego tworzą połączone ze sobą:
- Instalacje kanalizacyjne,
- przykanaliki łączące instalacje kanalizacyjne z siecią,
- sieci kanalizacyjne
- pompownie i przewody przesyłowe
- oczyszczalnie ścieków,
- wloty kanalizacyjne wprowadzające ścieki do odbiornika.
Rys.2 Elementy systemu kanalizacji grawitacyjnej
1 - przewód grawitacyjny (przykanalik),
2 - studzienka połączeniowa,
3 - sieć przewodów grawitacyjnych,
4 - pompownia kanalizacyjna,
5 - studzienka rewizyjna,
6 - zbiornik retencyjny,
7 - przewód grawitacyjny do oczyszczalni ścieków
Stosując jako kryterium podziału liczbę sieci w systemach kanalizacyjnych można wyróżnić trzy ich rodzaje:
- kanalizację ogólnospławną
- kanalizację rozdzielczą
- kanalizacje półrozdzielczą.
2. Cel i zakres opracowania
Decydując się na wybudowanie sieci grawitacyjnej należy dokonać wyboru jej odpowiedniego typu. Decyzję tą powinna poprzedzać analiza istniejących warunków technicznych i terenowych, ilości odprowadzanych w przyszłości ścieków oraz kosztów wykonania danej inwestycji.
Wymienione systemy grawitacyjne mają swoje zalety i wady, które maj wpływ na wybór sposobu odprowadzania ścieków.
W niniejszej pracy opisano zależności dotyczące poszczególnych systemów grawitacyjnych.
3. Ogólne wady i zalety kanalizacji grawitacyjnej
Podstawową zaletą sieci grawitacyjnej jest bardo prosta i tania eksploatacja, a wadą stosunkowo wysoki koszt budowy, związany z robotami ziemnymi. Niekorzystnie na kanalizacje wpływa wysoki poziom wód gruntowych, który powoduje infiltrację wód do kanałów powodując przeciążenie hydrauliczne jak również utrudnienia eksploatacyjne. W miejscu gdzie woda eksfiltruje występuje miejscowe skażenie gleby oraz wód powierzchniowych i podziemnych co z kolei negatywnie wpływa na stan środowiska.
Przy układaniu kanałów z odpowiednim spadkiem oraz przy dużych odległościach transportu, gdy zagłębienie wzrasta do 6 m, trzeba zastosować pompownię, która podniesie ścieki na głębokość poniżej przemarzania gruntu, co pozwoli na dalszy transport grawitacyjny.
W warunkach zwartej zabudowy miejskiej kanalizacja konwencjonalna jest najlepszym rozwiązaniem, o przy rzadkiej zabudowie wiejskiej może przestać być konkurencyjna ekonomicznie z siecią niekonwencjonalną.
4. Rozwój systemów kanalizacyjnych
Dotychczasowy rozwój systemów kanalizacyjnych można podzielić na kilka okresów, głównie w zależności od kształtowania się zapatrywań na jakość wód opadowych.
Początkowo traktowano spływ wód opadowych z terenu jako czyste, a tym samym nie wpływające na odbiornik (np. rzeka). Następnie uważano, że spływ z pierwszej fazy deszczu są zanieczyszczone i wymagają oczyszczenia. Aż w końcu obecnie uznaje się, że spływy opadowe z całego okresu trwania deszczu są ściekami opadowymi i wymagają unieszkodliwienia przed wpuszczeniem do odbiornika. Te zmieniające się zapatrywania miały swoje odbicie w przyjmowaniu różnych rodzajów sieci kanalizacyjnych.
Dawniej wody opadowe uważano za "umownie czyste", więc odprowadzano je w sposób naturalny po powierzchni terenu i istniejącymi ciekami lub w razie braku takiej możliwości-sztucznymi kanałami otwartymi. Z uwagi na stosunkowo duże ilości wód do odprowadzenia oraz wraz ze znacznymi zanieczyszczeniami, gdyż ścieki opadowe spłukiwały zanieczyszczenia z ulic i chodników oraz często przyjmowały spływające z rynsztoków zużyte wody z gospodarstw domowych wprowadzono zmianę kanałów otwartych, a nawet cieków naturalnych, na kanały kryte podziemne.
4.1 Sieć ogólnospławna
W kanalizacji ogólnospławnej ścieki bytowo-gospodarcze i przemysłowe w okresach bezdeszczowych oraz ścieki bytowo-gospodarcze, przemysłowe i opadowe w czasie deszczów lub odwilży są odprowadzane wspólnymi kanałami.
Kanały ogólnospławne pracują pełnymi przekrojami tylko w czasie intensywnych deszczów. W okresach bezdeszczowych, kiedy płyną tylko ścieki bytowo-gospodarcze i przemysłowe, kanały są wypełnione częściowo i przekroje nie są wykorzystane.
Specjalnym elementem sieci są burzowce, które mają za zadanie odciążyć kolektory w okresach intensywnych opadów. Ścieki deszczowe powyżej pewnego przyjętego natężenia przepływu w kolektorze są odprowadzane przez przelewy burzowe do wyodrębnionych kanałów-burzowców- i wpuszczane wprost do rzeki. Przelewy burzowe sytuuje się w węzłach sieci o dużych przepływach, położonych możliwie najbliżej odbiornika. Z zasady umieszcza się je również za ostatnim dopływem do kolektora przed oczyszczalnią ścieków. Ma to na celu ograniczenie dopływu ścieków rozcieńczonych do oczyszczalni i zmniejszenie jej wymiarów.
Obliczając przekroje kanałów ogólnospławnych na maksymalne przepływy deszczowe i całkowite napełnienie, otrzymuje się przy rozcięczeniu 4:1 bardzo małe napełnienie ściekami, w granicach zaledwie kilku centymetrów, a prędkości poniżej prędkości samooczyszczania, pomimo że prędkości przy przepływach deszczowych są względnie duże.
Z opisu warunków hydraulicznych sieci wynika wyraźny wniosek, że w Czesie eksploatacji kanałów należy się liczyć z koniecznością ich płukania lub mechanicznego oczyszczania. Ma to istotny wpływ na wybór kształtu przekroju kanałów oraz na budowę specjalnych urządzeń i obiektów na sieci ułatwiających eksploatację (płuczki kanałowe, zamknięcia kanałowe, komory i studnie rozgałęzieniowe itp.)
Za najodpowiedniejsze pod wieloma względami uznano kanały jajowe. Są one dogodne w eksploatacji jako przełazowe orz jako stosunkowo wąskie, a wiec oszczędne w budowie wykopów.
Pod względem sanitarnym system kanalizacji ogólnospławnej spełnia całkowicie swe zadanie. Odprowadza zarówno ścieki, jak i wody opadowe, zanieczyszcza jednak odbiornik ściekami rozcieńczonymi i nieczystościami spłukiwanymi z ulic, a odprowadzanymi przez burzowce.
Pod względem ekonomicznym jest ona na ogół najtańszym rozwiązaniem usuwania z miasta wszystkich ścieków. Wprawdzie koszty oczyszczalni ścieków wzrastają lecz zazwyczaj różnica tych kosztów nie przekracza kosztów budowy drugiej sieci w przypadku zastosowania pełnego systemu rozdzielczego. Do ujemnych stron kanalizacji ogólnospławnej należy zaliczyć również konieczność budowy siec według wymiarów obliczonych na podstawie przyjętych spływów deszczowych o pewnej częstotliwości pojawiania się, zakładając z góry, że pełne wykorzystanie przekrojów wystąpi tylko w stosunkowo krótkim okresie, na przykład w ciągu roku lub nawet raz na kilka lat.
4.2 Sieć rozdzielcza
Kanalizacja rozdzielcza to system kanalizacyjny, w którym występują dwie odrębne sieci kanalizacyjne:
- sieć ściekowa tzw. Sanitarna, odprowadzająca do oczyszczalni ścieki bytowo-gospodarcze i przemysłowe,
- sieć deszczowa zbierająca i odprowadzająca ścieki opadowe.
4.2.1 Sieć ścieków bytowo-gospodarczych
Sieć ściekową kanalizacji rozdzielczej projektuje się z uwzględnieniem następujących wskazań:
- sieć powinna obejmować cały obszar miasta, zarówno dla stanu istniejącego, jak i okresu perspektywicznego,
- kanały powinny być prowadzone w dostosowaniu do planu ulic w mieście, jednocześnie należy dążyć do zachowania spadków kanałów zgodnych ze spadkami ulic lub terenu miejskiego,
- należy dążyć do zachowania grawitacyjnego odpływu ścieków przy jednoczesnym utrzymaniu minimalnych zagłębień kanałów,
- ze względów eksploatacyjnych zaleca się stosowanie zamkniętych układów sieci.
Na obszarze kanalizowanego miasta można zastosować jeden, dwa lub nawet kilka układów sieciowych.
Najlepszym rozwiązaniem jest jeden układ sieciowy dla całego miasta. Projektowanie układu sieci należy rozpoczynać od wytrasowania głównego kolektora z wylotem do oczyszczalni ścieków a dalej do odbiornika oraz wytrasowania głównych odgałęzień bocznych.
Pod względem kosztów kanalizacja rozdzielcza częściowa(ściekowa) jest najmniej kosztowna w porównaniu z innymi systemami, dlatego że składa się tylko z jednej sieci o stosunkowo małych wymiarach. Pod względem sanitarnym kanalizacja ta jednak spełnia tylko część zadań właściwych kanalizacji i stosuje się ją tylko w określonych warunkach:
- osiedle zajmuje stosunkowo mały obszar,
- niski procent zabudowy i sposób zagospodarowania terenu powoduje, że spływ wód opadowych jest bardzo mały,
- układ terenu o średnich i dużych, ale ciągłych spadkach w kierunku do odbiornika lub terenów niezabudowanych, duża liczba odbiorników wód opadowych (cieki naturalne, jeziora, stawy, wąwozy)
- duże tereny zieleni lub niezabudowane
- podłoże osiedla przepuszczalne oraz niski stan wód gruntowych.
4.2.2 Sieć deszczowa
Ścieki opadowe odprowadza do kanałów krytych przez wpusty uliczne, wpusty podwórzowe i przewody spustowe deszczowe (rynny).
Sieć deszczowa pracuje okresowo i stosunkowo krótko, zaledwie kilkadziesiąt dni w ciągu roku, przy pełnym wykorzystaniu przekrojów raz na kilka lat, w zależności od prawdopodobieństwa pojawienia się deszczu miarodajnego przyjętego do obliczenia sieci. Natężenia przepływów w przewodach wahają się w szerokich granicach, tak jak natężenie deszczów obciążających kanały. Z tych warunków pracy sieci wynika jej rzekoma "nieekonomiczność", bowiem koszty bezwzględne i jednostkowe przypadające na1 ha terenu uzbrojonego lub na jedną godzinę pracy są stosunkowo duże. To wszystko wpływa na układ sieci i na długość jej kanałów.
Rzadko stosuje się jednolity układ, obejmujący całe miasto; częściej sieć jest rozbita na oddzielne części, obsługujące poszczególne dzielnice w zależności od topografii miasta, nawet bez żadnego powiązania ze sobą.
W sieciach deszczowych do oddzielenia pierwszej, najbardziej zanieczyszczonej fali ścieków deszczowych i skierowania ich do oczyszczalni ścieków lub zbiornika retencyjnego stosuje się przelewy. Są one również wykorzystywane w sieci ogólno spławnej dla odciążenia hydraulicznego sieci przy maksymalnych przepływach deszczu i skierowania części ścieków bezpośrednio do odbiornika(kanału ulgi albo burzowca).
Zbiorniki deszczowe służą do sterowania przepływem ścieków, a także do ich oczyszczania. Przyjmując za kryterium podziału funkcję zbiornika wyróżniamy następujące zbiorniki: odciążające, akumulacyjne i oczyszczające.
Pod względem sanitarnym pełna kanalizacja rozdzielcza spełnia całkowicie swe zadanie lecz pod względem ekonomicznym ogólne koszty kanalizacji z kanałami w każdej ulicy są prawie zawsze niż koszty kanalizacji ogólnospławnej. Spowodowane to jest przede wszystkim kosztem budowy dwóch sieci krytych, przy czym wymiary sieci deszczowej, a więc i jej koszty, jak i również eksploatacja dwóch sieci na ogół niewiele różnią się od sieci ogólnospławnej. Wprawdzie koszty oczyszczalni ścieków i jej eksploatacji są niższe, jednak najczęściej nie wyrównuje to różnic w kosztach sieci.
4.3 Sieć półrozdzielcza
Sieć półrozdzielcza łączy cechy kanalizacji ogólnospławnej i rozdzielczej. Podobnie jak w sieci rozdzielczej pod jezdniami ulic są ułożone dwie sieci kanalizacyjne. Jedną z nich odprowadza się ścieki do oczyszczalni, druga natomiast służy do odprowadzania ścieków opadowych. Sieci te są jednak ze sobą w pewnym stopniu powiązane. Współdziałanie sieci polega na tym, że początkowa ilość ścieków deszczowych ze spłukanymi zanieczyszczeniami z ulic przelewają się w specjalnych urządzeniach rozdzielczych-separatorach z kanałów deszczowych do kanałów ściekowych i dalej są odprowadzane do oczyszczalni. Przekroje kanałów są wymiarowane jak dla pełnej sieci rozdzielczej z uwzględnieniem przerzutów wód opadowych do sieci ściekowej. Oczyszczalnia ścieków jest wymiarowana na ilość ścieków nie rozcieńczonych.
Pod względem sanitarnym kanalizacja półrozdzielcza spełnia całkowicie zadanie w stosunku do osiedla. Odprowadza zarówno ścieki jak i wody opadowe, ponadto nie zanieczyszcza odbiorników nieczystościami spłukanymi z terenu.
Pod względem ekonomicznym kanalizacja ta jest najkosztowniejsza, gdyż łączne koszty sieci ściekowej i deszczowej są w tym systemie większe niż w systemie pełnej kanalizacji rozdzielczej, wskutek budowy dodatkowych urządzeń przekazujących zanieczyszczone wody opadowe. Kanalizację tę stosuje się w warunkach terenowych jak dla kanalizacji pełnej rozdzielczej, gdy przy tym odbiorniki nie mogą być zanieczyszczone nawet wodami opadowymi z nieczystościami spłukiwanymi z powierzchni ulic i terenu ze względu na zbyt małe przepływy bądź ze względu na sposób wykorzystania.