Водоотводящие системы и сооружения

Водоотводящие системы и сооружения

Экономическое и экологическое значение систем водоотведения

Сточные воды образуются при использовании природной или водопроводной воды для бытовых целей и технологических процессов промышленных предприятий. К сточным водам относятся также атмосферные осадки – дождевые и талые воды, выпадающие на территориях городов, населенных мест и промышленных предприятий. Сточными водами также являются подземные воды, извлекаемые из шахт при добыче полезных ископаемых. Такие воды являются источником различных заболеваний и распространения эпидемий.

Системы водоотведения устраняют негативные последствия воздействия сточных вод на окружающую природную среду. После очистки сточные воды обычно сбрасываются в водоемы. Наиболее совершенными системами являются замкнутые системы водоотведения, обеспечивающие очистку сточной воды до качества, при котором возможно повторное использование воды в промышленности или сельском хозяйстве.

Системы водоотведения тесно связаны с системами водоснабжения. Без водоотведения невозможно строить здания высотой более 2-3 этажей. Потребление и отвод воды от каждого санитарного прибора, квартиры и здания без ограничения обеспечивают высокие санитарно-эпидемиологические и комфортные условия жизни людей. Только современные сплавные системы водоотведения позволили людям оборудовать свои квартиры не только раковинами для мойки посуды и умывальниками, но и ваннами с использованием горячей воды.

Кроме этого, постоянный рост и развитие промышленности привел к возрастанию объемов производственных сточных вод и степени их загрязненности. Правильно запроектированные и построенные системы отведения стоков при нормальной эксплуатации позволяют своевременно отводить огромные количества сточных вод, не допуская аварийных ситуаций со сбросом стока в водоемы. Это, в свою очередь, позволяет значительно снизить затраты на охрану окружающей среды и избежать ее катастрофического загрязнения.

Обобщенные показатели загрязненности сточных вод

Для характеристики загрязненности сточных вод используют т.н. суммарные или групповые показатели. Эти показатели характеризуют определенные свойства воды без идентификации отдельных веществ. Вот некоторые важнейшие показатели загрязненности:

Взвешенные вещества – количество примесей, которое задерживается на бумажном фильтре при фильтровании пробы

Оседающие вещества – часть взвешенных веществ, оседающих на дно отстойного цилиндра за 2 часа отстаивания. В среднем в бытовые стоки поступает 65 гр. взвешенных и 30…35 гр. оседающих веществ на человека в сутки.

Сухой остаток – количество загрязнений, остающееся после выпаривания пробы при 105оС.

Биохимическая потребность в кислороде (БПК) – количество кислорода, потребляемое аэробными микроорганизмами в процессе жизнедеятельности для окисления органических веществ, содержащихся в сточной воде. Этот показатель характеризует содержание органики, которая может быть удалена методом биологической очистки, например, с помощью активного ила в аэротенках.

Химическая потребность в кислороде (ХПК) – количество кислорода, необходимое для окисления углерода органических соединений водорода, азота и серы, содержащихся в сточной воде.

Концентрация ионов водорода – выражается величиной pH (отрицательный десятичный логарифм молярной концентрации ионов водорода). Среда считается кислой при pH < 7, и щелочной при pH > 7. Городские стоки обычно имеют слобощелочную реакцию среды pH = 7,2…7,8.

Коли-титр – наименьшее количество воды, в котором содержится 1 кишечная палочка рода Escherichia Coli. Этот показатель косвенно характеризует зараженность воды патогенными микроорганизмами.

Сравнительная технико-экономическая и экологическая оценка систем водоотведения

Общесплавная система

Достоинства:

· Меньшая протяженность трубопроводов по сравнению с остальными системами

· Сброс неочищенных стоков может быть отрегулирован с учетом самоочищающей способности водоема

· Уменьшение количества сооружений на сети

· Значительно меньше стоимость эксплуатации по сравнению с полной раздельной системой

Недостатки:

· Больше диаметры труб, и, как следствие, увеличение капитальных вложений на строительство сети

· Высокая стоимость насосных станций и очистных сооружений

· Сброс в водоемы во время ливней смеси бытовых, дождевых и производственных стоков

Основные условия применимости:

· при расходах в водном потоке не менее 5 м3/с

· при малом количестве районных насосных станций

· при высокой плотности населения

· при дождях малой интенсивности

Полная раздельная система

Достоинства:

· Меньшие капитальные вложения по сравнению с общесплавной системой

· Меньшая стоимость насосных станций и очистных сооружений по сравнению с общесплавной системой

· Невозможность поступления производственно-бытовых стоков в водоем

Недостатки:

· Большая протяженность сети

· Повышенные эксплуатационные затраты

· Сброс всех дождевых стоков в водоем

Основные условия применимости:

· при допустимости сброса всех дождевых стоков в водоем

· при большом количестве районных насосных станций

· при дождях высокой интенсивности

Полураздельная система

Достоинства:

· Отсутствие сброса производственно-бытовых и сильно загрязненных дождевых сточных вод в водоем

· Очистка наиболее загрязненной части дождевого стока

Недостатки:

· Самая высокая стоимость строительства

Основные условия применимости:

· при малых или непроточных водоемах

· для районов акваторий, использующихся для отдыха населения

· при повышенных требованиях к защите водоемов

Бассейны водоотведения

Бассейн водоотведения – это часть объекта водоотведения, ограниченная водоразделом или водоемом, вертикальной планировкой города или границами застройки, водоотведение с которой осуществляется системой самотечных трубопроводов.

Границы бассейна водоотведения, как правило, соответствуют линиям водоразделов. При плоском рельефе местности границы бассейнов назначают, исходя из условия возможно большего охвата территории самотечной сетью.

Стадии проектирования

Разработка проектно-сметной документации может выполняться в одну стадию – рабочий проект или в две стадии – проект и рабочая документация.

Стадийность проектирования определяется в технико-экономическом обосновании (ТЭО) или технико-экономических расчетах (ТЭР), исходя из того, что проектирование технически несложных объектов и объектов технического перевооружения выполняется в 1 стадию. Двухстадийное проектирование обычно применяется при строительстве крупных и сложных объектов.

Перед началом проектирования заказчиком проекта составляется задание на проектирование.В проектах (рабочих проектах) осуществляется необходимая доработка и детализация проектных решений, принятых в ТЭО (ТЭР) и уточняются основные технико-экономические показатели. Стоимость проектных работ определяется на основе “Сборника цен на проектные и изыскательские работы” с повышающим коэффициентом.

Расчет дюкеров

Дюкеры служат для транспортирования сточных вод через реки, овраги и при пересечении с различными подземными сооружениями.

Дюкеры работают полным сечением, жидкость в них движется под действием столба воды, определяемого разностью уровней стоков во входной и выходной камерах (H = Z₁ – Z₂). Значение H соответствует потерям напора в дюкере, определяемым по формуле:

,

где Σζ - сумма сопротивлений.

Коэффициент сопротивления на входе в трубу при острых кромках: ζ_вх = 0,5. Сопротивление на выходе из дюкера может быть определено по формуле:

,

где v – скорость в дюкере,
v₁ – в коллекторе на выходе.

Для цилиндрических труб и фасонных частей в коленах сопротивление вычисляется по формуле:

,

где Θ - угол поворота в градусах,
ζ_пов – коэффициент сопротивления на повороте, равный для колена с углом 30^o = 0,07.

При наличии задвижек во входной камере дюкера, открытых не полностью, необходимо также учитывать сопротивления на них. В этом случае коэффициент ζ_зад принимается в зависимости от степени открытия задвижки.

Пример задачи по определению отметок и глубины заложения трубопровода в конце расчетного участка

Дано: Z₁ и Z₂ – отметки поверхности земли в начале и конце участка,
h₁ - заложение трубопровода в начале участка,
i₀ - уклон трубопровода,
D - диаметр трубопровода,
h - глубина воды,
L - длина трубопровода.

Найти: Отметки лотка трубопровода (Z₁’ и Z₂’), отметки поверхности воды (Z₁’’ и Z₂’’), отметки шелыги, т.е. верхней части трубы - (Z₁’’’ и Z₂’’’) и заложение в конце трубопровода h₂.

Расчет:

Z1’ = Z1 - h1	Z2’ = Z1’ - i0 L	h2 = Z2 - Z2’
Z1’’ = Z1’ + h	Z2’’ = Z2’ + h
Z1’’’ = Z1’ + D	Z2’’’ = Z2’ + D

Сопряжение трубопроводов

Сопряжение трубопроводов двух смежных участков водоотводящей сети производится тремя способами:

1. По уровню воды. Это сопряжение делают в тех случаях, когда глубина воды во второй трубе больше, чем в первой, т.е. h₁ < h₂.

Отметки уровня воды в обоих трубах равны: Z₁ = Z₂.

Отметка лотка трубы:

Z_К2 = Z_К1 - Δh,

где Δh = h₂ – h₁.

2. По дну трубопровода. Это сопряжение применяют тогда, когда глубина воды в первом трубопроводе больше, чем во втором, т.е. при h₁ > h₂.

Отметки лотка обоих труб равны: Z_К2 = Z_К1.

Отметка воды:

Z₂ = Z₁ – (h₁ – h₂) = Z₁ + Δh.

3. По шелыгам труб. Это сопряжение рекомендуется СНиП 2.04.03-85 при сопряжении труб разных диаметров. Глубина воды на первом участке меньше, чем на втором, и диаметр первой трубы тоже меньше, чем второй, т.е. h₁ < h₂ и D₁ < D₂.

Отметки шелыг обоих труб равны: Z_Ш2 = Z_Ш1.

Отметки поверхности воды: Z₂ = Z₁ + (h₂ – h₁) + (D₁ – D₂).

Отметки лотка: Z_К2 = Z_К1 + (D₁ – D₂).

Коэффициент стока

Не вся вода, выпавшая на территорию водосбора в виде осадков, превращается в сток. Выделяют следующие виды потерь осадков:

1. Потери на перехват – происходят прежде всего на лесных массивах, составляют примерно 2…10 мм.

2. Испарение в период дождя – имеет небольшую интенсивность – до 0,3 мм/ч, однако продолжается и после прекращения выпадения осадков.

3. Поверхностное задержание – это потери воды на образование пленки и заполнение бессточных неровностей, составляет для песков – 5 мм, для глин - 2,5 мм, для мостовых – 1,6 мм.

4. Инфильтрация в грунт – просачивание осадков. За период выпадения ливня инфильтрация постепенно уменьшается по мере наполнения пор водой. Это процесс можно выразить зависимостью:

,

где q⁰_ин – начальная интенсивность инфильтрации,
q^у_ин – установившаяся интенсивность инфильтрации,
t – время,
k – коэффициент снижения инфильтрации.

Для песчаных слоев инфильтрация к концу первого часа составляет 13…25 мм/ч.

Осадки, достигающие дождеприемников, называются общим слоем стока.

Отношение объема поверхностного стока на водосборе в течение одного ливня к общему объему осадков, выпавших за время этого ливня, называется коэффициентом поверхностного стокаΨ. Для оценки годовых средних объемов стока используют коэффициент годового стока Ψ_г:

Ψ_г = W_г/W_г.ос,

где W_г – годовой объем стока,
W_г.ос – годовой объем осадков.

Годовой объем стока:

,

где F – площадь стока,
s₀ – количество дождей за теплый период,
h_р – высота суточного слоя дождевого стока, ее можно определить по формуле Г.А. Алексеева:

,

где H_р – высота суточного слоя осадков,
H₀ – высота слоя начальных потерь.

Годовой объем осадков:

W_г.ос = 10H_гF,

где H_г – годовой слой осадков.

Для конкретных расчетов расходов дождевых вод в водоотводящей сети используют еще один вид коэффициента стока – Ψ₀, который учитывает поверхностное задержание и инфильтрацию, а также учитывает гидродинамику поступления воды к расчетному сечению. Коэффициент стока в этом случае представляет собой отношение максимальной интенсивности стока определенной повторяемости к средней интенсивности осадков той же повторяемости в предположении соблюдения водного баланса на водосборе, т.е. долю интенсивности осадка, за счет которой достигается максимум стока.

Еще до Великой Отечественной войны Н.И.Беловым была предложена простая формула для определения коэффициента стока, которая и рекомендована СНиП 2.04.03-85:

Ψ₀ = zq^0,2t^0,1,

где z - эмпирический коэффициент, зависящий от вида поверхности стока – коэффициент покрова,
q – интенсивность дождя,
t – продолжительность выпадения дождя.

Г.А. Алексеев предложил другую формулу для коэффициента стока:

.

Значения коэффициента покрова z рекомендуется принимать по табл. 9 и 10 СНиП 2.04.03-85. Например, значение z для водонепроницаемых поверхностей (кровля зданий, асфальтобетон дорог и т.д.) принимается в зависимости от параметра A в формуле q = A/tⁿ. Для водопроницаемых поверхностей коэффициент покрова постоянен, например, для газонов он равен 0,0038, для гравийных дорожек – 0,09 и т.д.

При необходимости расчета коэффициента покрова для территории, имеющей различные виды поверхностей, следует принимать средневзвешенное значение z_mid:

z_mid = Σ(F_iz_i/F_общ),

где F_i – площадь i-того вида покрытия,
F_общ – общая площадь территории,
z_i – коэффициент покрова i-того вида покрытия.

Величина коэффициента стока Ψ₀ может приниматься постоянной (≈ 1), если водонепроницаемые поверхности крыш и асфальтовые покрытия составляют более 50 % всей площади.

Соединения труб

Бетонные и железобетонные трубы соединяют с помощью раструбного или фальцевого соединения (см. рис.) Стык в раструбном соединении законопачивают до половины просмоленной или битуминизированной пеньковой прядью, затем заливается асфальтовая мастика. Стыки фальцевых труб заделывают цементно-песчаным раствором, мастикой или другими материалами. При сопряжении применяются также резиновые прокладки и кольца.

Керамические трубы соединяют также раструбом. Внутренняя поверхность раструба и гладкий конец трубы имеют специальные бороздки, способствующие лучшему зацеплению материалов, заполняемых в раструб, со стенками трубы (см. рис.) Стык заполняется до половины пеньковой прядью, затем асфальтовой мастикой или асбестоцементом.

Асбестоцементные трубы между собой соединяются с помощью муфт – коротких отрезков асбестоцементной трубы большего диаметра (см. рис.) Пространство между внутренней поверхностью муфты и наружной поверхностью трубы заполняется прядью и мастикой.

Пластмассовые трубы соединяются с помощью сварки или раструбным соединением на клею.

Основания под трубы

Основания под трубы принимают в зависимости от несущей способности грунтов, диаметра труб, гидрогеологических условий и фактических нагрузок. В нормальных достаточно плотных грунтах с допускаемым давлением на грунт не менее 0,15 МПа трубы всех типов рекомендуется укладывать на естественное ненарушенное основание, причем ложе под трубу устраивают непосредственно перед ее укладкой таким образом, чтобы труба соприкасалась с ненарушенным грунтом не менее на 90^o (см. рис.)

В глинистых, крупнообломочных и скальных грунтах укладка труб должна производиться на песчаную подушку (см. рис.) При укладке трубопроводов в грунтах с возможной неравномерной осадкой (свеженасыпные, мягкопластичные глинистые и суглинистые, пылеватые и др.) устраивается искусственное основание – бетонный стул на плите (см. рис.)

В торфяных, илистых и подобных грунтах основание делается по специальному проекту, например, на железобетонных сваях – ростверках.

Защита труб от разрушения

В условиях эксплуатации водоотводящая сеть подвергается с внутренней стороны агрессивному воздействию сточных вод и выделяющихся из них газов, а с внешней стороны – воздействию грунтовых вод. Наиболее подвержены такому воздействию бетонные и железобетонные трубы.

Для защиты железобетонных труб и колодцев возможно применение одного или сочетания следующих способов:

· использование специальных цементов,

· увеличение плотности и водонепроницаемости стенок труб,

· покрытие бетонных поверхностей изоляцией.

Трубы изготовляют на пуццолановых и сульфатостойких цементах. Для связывания гидроксида кальция в цемент добавляют растворимое стекло (силикат натрия), что придает ему дополнительную кислотостойкость.

Придание трубам повышенной плотности достигается путем центрифугирования бетона, гидропрессовании с вибрированием и вакуумирования.

Защитная изоляция внутренних и внешних поверхностей труб может быть жесткой или битумной. К жесткой изоляции относят цементную штукатурку с железнением, торкрет-штукатурку, облицовку керамическими и пластмассовыми плитками.

Битумная изоляция подразделяется на обмазочную, оклеечную и полимерную. Обмазочная изоляция состоит в нанесении слоя мастики на основе битума. Оклеечная – в наклейке рулонного материала (например, рубероида или гидроизола). Полимерная – в обмотке труб полимерной лентой.

Вентиляция сети

В условиях эксплуатации в надводной части коллекторов скапливаются выделяющиеся из сточных вод пары воды и вредные газы: сероводород, аммиак, диоксид углерода, метан и др. газообразные вещества. Из них особенно неблагоприятно действуют на бетонные стенки труб и колодцев сероводород, серная кислота и углекислый газ. Сероводород образуется в результате выделения из сточных вод или разложения выпавшего осадка. Он проникает в поры бетона и биохимически окисляется кислородом воздуха. При этом происходят следующие реакции:

– при избытке кислорода:

2H₂S + 3O₂ = 3SO₂ + 2H₂O,

– при недостатке кислорода:

2H₂S + O₂ = 2S + 2H₂O.

Сера, образованная в результате окисления, превращается в серную кислоту или сульфаты:

2S + 3O₂ + 2H₂O = 2H₂SO₄.

Воздействие серной кислоты на гидроксид кальция, содержащийся в бетоне, вызывает образование новых соединений, для которых характерно сильное увеличение в объеме, что ведет к разрушению стенок труб. К числу таких соединений относятся гипс (сернокислый кальций CaSO₄) и сульфоалюминат кальция 3CaO∙Al₂O₃∙3CaSO₄∙30H₂O. Этот вид коррозии наиболее распространен в водоотводящих каналах.

Если в воде имеется агрессивный избыточный диоксид углерода CO₂, то при его химическом взаимодействии с гидроксидом кальция Ca(OH)₂ образуется малорастворимый карбонат кальция CaCO₃, а в дальнейшем – бикарбонат кальция Ca(HCO₃)₂. Растворение этого вещества приводит к разрушению бетона.

Кроме газовой коррозии, скопление газов в сети нередко приводит к взрывам метановых смесей. Вредные газы опасны для ремонтников, спускающихся в колодцы и коллекторы.

Для уменьшения концентрации метана, диоксида углерода и сероводорода устраивают вытяжную вентиляцию сети с естественной тягой через вытяжные стояки, установленные в зданиях и выведенные выше крыши здания.

Специальные вытяжные устройства следует устраивать во входных камерах дюкеров, в смотровых колодцах, в местах резкого снижения скоростей течения воды в трубах диаметром более 400 мм и в перепадных колодцах при высоте перепада более 1 м. Для приточной вентиляции можно использовать полые железобетонные мачты для освещения улиц. К ним от колодцев подводят вентиляционные трубы. Для магистральных трубопроводов глубокого заложения устраивают искусственную вытяжную вентиляцию.

Типы перепадных колодцев

По конструкции водоотводящие перепады можно разделить на следующие основные типы (см. рис.):

1. Перепады с водосливом практического профиля и водобойным колодцем в нижнем бьефе (рис., а).

2. Трубчатые перепады, которые бывают различной конструкции, но с обязательной вертикальной трубой (рис., б).

3. Перепады с отбойно-водосливной стенкой (рис., в).

4. Шахтные многоступенчатые перепады различных конструкций. Гашение падающей энергии происходит на каждой ступени (рис., г).

5. Быстротоки – короткие каналы с большим уклоном (рис., д).

Согласно СНиП 2.04.03-85, перепады высотой до 3 м на трубопроводах диаметром 600 мм и более принимают в виде водосливов практического профиля, а высотой до 6 м при диаметрах до 500 мм – принимают трубчатые перепады.

Камеры с водосливами

Диаметр подводящего коллектора D₁ (см. рис.) принимают по расчетному расходу дождевых вод Q_r при полном заполнении. Диаметр отводящего трубопровода D₂ рассчитывается на пропуск предельного расхода Q_lim, отводимого на очистку. Ливнеотвод диаметром D₃ должен обеспечить отведение разности расходов Q_r - Q_lim,

Основным уравнением для гидравлического расчета этого типа разделительных камер является зависимость:

,

где Q_сбр – величина расхода, сбрасываемая через водослив (Q_r - Q_lim),
m – коэффициент расхода водослива,
H – расчетный напор над гребнем водослива,
l – длина гребня.

Расчетный напор можно определить по формуле:

H = h – h_гр,

где h – глубина воды в подводящем коллекторе,
h_гр – высота гребня водослива.

Высоту гребня водослива следует принимать равной:

,

где h₂, v₂ – соответственно глубина и скорость потока в отводящей трубе,
ζ_вх – коэффициент сопротивления.

Для камер с прямолинейным боковым водосливом коэффициент расхода равен:

m = 0,38 + 0,03H/h_гр.

Для камер с криволинейным боковым водосливом коэффициент расхода принимается в зависимости от соотношения Q_сбр/Q_r.

Водоотводящие системы и сооружения