Канализации населенных пунктов

Основные элементы и схемы систем

Глава 3. ВОДООТВЕДЕНИЕ

Виды сточных вод. Сточные воды (СВ) делятся на бытовые (хозяйственно-фекальные), производственные и поверхностные (атмосферные).

К бытовым относят сточные воды от кухонь, туалетных комнат, душевых, бань, прачечных, столовых, больниц и т.д. По природе загрязнений бытовые сточные воды могут быть фекальными и хозяйственными.

Производственные сточные воды образуются на предприятиях при использовании воды в технологическом процессе и делятся на загрязненные и условно чистые (условно чистые можно сбрасывать в водоем без очистки).

Поверхностные сточные воды образуются в результате выпадения атмосферных осадков (дождя или снега), а также работы дренажных систем. Они отличаются большой неравномерностью поступления и высоким содержанием минеральных взвесей. Дождевой или дренажный сток с территорий промышленных предприятий обычно содержит специфические загрязнения, связанные с характером и технологией производства.

Под канализацией понимают комплекс оборудования, сетей и сооружений, предназначенных для организованного приема, удаления по трубопроводам за пределы населенного пункта, а также их очистки и обезвреживания перед утилизацией или сбросом в водоем.

Системы канализации. Существуют два вида канализации: вывозная и сплавная. В первом случае жидкие отходы собирают в выгребы, а затем вывозят автотранспортом на поля ассенизации или в специальные места, согласованные с санитарными органами. При сплавной канализации сточные воды по подземным трубопроводам транспортируются на очистные сооружения.

Сплавная канализация состоит из внутренних канализационных устройств зданий, наружной внутриквартальной и уличной канализационной сети, насосных станций и напорных трубопроводов, очистных сооружений и выпуска.

Сплавные системы водоотведения делятся на общесплавные, полные раздельные, неполные раздельные, полураздельные, комбинированные.

Общесплавная система водоотведения предполагает отведение на очистные сооружения всех видов сточных вод по одной подземной сети труб и каналов. Для облегчения условий работы насосных станций и очистных сооружений в периоды сильных дождей, а также для уменьшения размеров главных коллекторов на них устанавливают ливнеспуски – камеры, через которые в ближайший водоем сбрасывается часть смеси городских и дождевых сточных вод.

К достоинствам общесплавной системы относятся минимальная протяженность водоотводящих сетей и связанное с этим сокращение количества смотровых колодцев и объемов земляных работ при строительстве.

К недостаткам общесплавной системы относятся значительные единовременные затраты на строительство сети большого сечения, насосных станций и очистных сооружений, учитывающие одновременное отведение и очистку основного объема бытовых, производственных и дождевых сточных вод. В периоды дождей существует опасность подтопления подвальных помещений зданий. Сброс некоторой части загрязнений общего стока через ливнеспуски непосредственно в водоем также нежелателен по экологическим соображениям.

Полная раздельная система водоотведения предусматривает две самостоятельные сети трубопроводов: одна — для бытовых и загрязненных производственных сточных вод, другая — для отведения поверхностного стока и условно чистых производственных сточных вод.

К достоинствам полной раздельной системы водоотведения следует отнести возможность строительства бытовой сети в качестве первой очереди, минимальную стоимость строительства и эксплуатации городских очистных сооружений, а также сравнительно равномерный режим работы бытовой сети. Недостатком полной раздельной системы является сброс всего объема дождевых вод без очистки в водоем.

Полная раздельная система водоотведения может быть с локальной очисткой дождевых вод и с централизованной очисткой дождевых вод. Недостатком полной раздельной системы с централизованной очисткой дождевых сточных вод является необходимость строительства и эксплуатации главного перехватывающего коллектора и центральных очистных сооружений поверхностного стока.

Неполная раздельная система водоотведения предусматривает сеть трубопроводов для отвода бытовых и загрязненных производственных сточных вод и устройство открытой (поверхностной) дождевой сети в виде уличных лотков, кюветов и канав. В реальных условиях неполная раздельная система существует как начальный этап освоения полной раздельной системы, тесно связанный с развитием благоустройства и улучшением дорожных покрытий городов.

Полураздельная система водоотведения предусматривает устройство двух сетей — производственно-бытовой и дождевой, в местах пересечения которых устраивают так называемые разделительные камеры. При малых расходах дождевой воды весь ее объем смешивается в камерах с производственно-бытовыми стоками и поступает в главный коллектор. Таким образом, в начальный период дождя, когда с городской и производственной территорий смывается основная часть загрязнений, а суммарный расход смешанных стоков в сети возрастает не столь значительно, работа полураздельной системы аналогична общесплавной системе водоотведения. При больших расходах дождевой воды ее наиболее значительная, но наименее загрязненная часть, попадая в разделительные камеры, отводится в водоем без очистки. Принцип действия разделительных камер основан на увеличении дальности полета компактной части потока дождевой воды при увеличении скорости ее движения в уличном коллекторе. В результате этого в период интенсивного выпадения дождя работа полураздельной системы аналогична полной раздельной системе водоотведения.

К достоинствам полураздельной системы относятся возможность поэтапного строительства уличных коллекторов производственно-бытовой сети и коллекторов дождевой сети, а также то, что во время дождя в водоем поступает минимальное количество загрязнений.

К недостаткам полураздельной системы относятся неустойчивый режим работы главного коллектора с разделительными камерами в период дождя и вызванная этим сложность эксплуатации системы в целом.

Комбинированная система водоотведения предусматривает наряду с общесплавной системой элементы полной или неполной раздельных систем. Такая система водоотведения складывается в тех случаях, когда бытовые сети новых районов города присоединяют к общесплавным коллекторам существующей части города.

Выбор системы водоотведения наряду с другими факторами зависит от климатических условий, рельефа города и требует экологических и технико-экономических обоснований.

Применение общесплавной системы целесообразно при наличии крупных проточных водоемов в районах, характеризующихся небольшим количеством атмосферных осадков, и в городах с высокой плотностью населения (многоэтажная застройка). Именно в этих условиях экологический ущерб от применения общесплавной системы минимален, так как ливнеспуски почти не используются.

Применение полной раздельной системы без очистки дождевого стока нецелесообразно по экологическим соображениям. Полная раздельная система с локальными очистными сооружениями на 11...15 % дороже других систем. Применение полной раздельной системы с централизованными очистными сооружениями поверхностного стока целесообразно в климатических районах с интенсивным выпадением дождей (Дальний Восток, некоторые районы Кавказа).

Область применения полураздельной системы водоотведения значительно шире, так как она лишена ряда недостатков и ограничений, присущих общесплавной и полной раздельной системам.

В нашей стране наибольшее распространение получили: в больших городах — полные раздельные системы, в малых городах — неполные раздельные системы. Полураздельные системы, несмотря на их перспективность, большого распространения не получили из-за недостаточной практической изученности. В странах Западной Европы и США как в крупных, так и малых городах чаще всего применяют общесплавную систему.

Схемы трассировки городских водоотводящих сетей. Канализационные сети строят обычно самотечными. Для этого всю канализуемую территорию делят на бассейны канализования, где соответственно рельефу прокладывают коллекторы, собирающие сточные воды с одного или нескольких бассейнов. Трассировка коллекторов обычно осуществляется по пониженным участкам местности, что обеспечивает прокладку присоединяемых к ним выше лежащих участков уличной сети на минимальной глубине. Для осмотра, промывки и прочистки канализационной сети на ней устраивают смотровые колодцы. Для приема атмосферных вод предусматривают дождеприемники – колодцы с металлической решеткой сверху. Пересечение коллекторов железными дорогами, реками и оврагами осуществляют путем устройства дюкеров, эстакад и т.п.

Схема трассировки городских водоотводящих сетей определяется главным образом рельефом местности, характером водоема, планировочными решениями городской застройки, а также намечаемым местом для размещения очистных сооружений и выпуска очищенных сточных вод. Общая схема водоотведения состоит из разветвленных самотечных сетей (внутриквартальные, уличные, районные и главные коллекторы), смотровых колодцев, насосных станций, напорных трубопроводов, дюкеров, переходов, очистных сооружений и выпусков. Схемы канализационных сетей в зависимости от видов сточных вод могут быть незамкнутые и замкнутые (пересеченные).

Незамкнутые схемы используются для отведения в водоем без очистки или после локальной очистки поверхностных сточных вод города и промышленного предприятия, а также условно чистых производственных сточных вод. В зависимости от топографических и планировочных особенностей города незамкнутые схемы по начертанию в плане подразделяются на перпендикулярные, параллельные, веерные, радиальные, зонные (рис. 3,1.1). Перпендикулярная схема (рис. 3.1.1, а), по которой сточные воды кратчайшим путем направляются в водоем, предполагает наличие равномерного и умеренного уклона местности. Эта схема получила наибольшее распространение. Параллельная (рис. 3.1.1, б) и веерная (рис 3.1.1, в) схемы применяются при наличии крутого уклона местности к реке и дают возможность уменьшить максимальные скорости в трубопроводах, не прибегая к устройству многочисленных перепадных колодцев. Радиальная схема (рис. 3.1.1, г) используется при расположении города на возвышенности, охватываемой речной излучиной. Зонная схема (рис 3.1.1, д) применяется при наличии прямого и обратного ската местности с водоразделом между ними.

Замкнутые (пересеченные) схемы отличаются от незамкнутых наличием главного (перехватывающего) коллектора и используются для отведения на городские очистные сооружения бытовых и загрязненных производственных сточных вод. Перекачка сточных вод увеличивает эксплуатационные расходы, и поэтому следует стремиться отводить сточные воды на очистные сооружения самотеком.

Рис. 3.1.1. Схемы незамкнутых водоотводящих сетей:

1 − коллекторы бассейнов водоотведения; 2− границы обслуживаемого объекта; 3 − камера гашения напора; 4 − насосная станция; 5 − граница бассейнов водоотведения.

Глубина заложения канализационных сетей. При проектировании водоотводящих сетей различают минимальную, максимальную и начальную глубины заложения сети.

Минимальная глубина заложения труб при диаметре труб до 500 мм на 0,3 м меньше глубины промерзания грунта в данном районе, а при диаметре труб свыше 500 мм – на 0,5 м меньше глубины промерзания. Во всех случаях из условия предохранения труб и разрушения под действием внешних нагрузок заглубление должно быть не менее 0,7 м до верха трубы. При условии проезда тяжелого наземного транспорта это значение должно быть увеличено до 1,5 м.

Максимальная глубина заложения трубопроводов при открытом способе прокладки сетей зависит от характера грунтов, уровня грунтовых вод и материала труб. В нормальных сухих грунтах ее принимают в пределах 7….8 м, в мокрых и плывунных – 5….6 м, в скальных – 4….5 м.

Начальная глубина заложения уличной сети в диктующей точке главного коллектора Н, м, определяется по формуле

Н = h + i (L+ l)- (Z₂ – Z₁) +∆d,

где h — минимальная глубина заложения трубопровода в начальном колодце (дворовой внутриквартальной сети), м; L − длина дворовой сетиот начального дворового колодца до контрольного колодца, м; l − расстояние от контрольного колодца до начального колодца уличного коллектора, м; i — уклон внутриквартальной или дворовой сети, принимаем i=0,007….0,01 для d =150 мм, и i=0,005….0,007 для d = 200 мм, L+ l — длина внутриквартальной сети от наиболее удаленного колодца до места присоединения ее к уличной сети; Z₁ и Z₂ — отметки поверхности земли у колодца уличной сети и начального колодца дворовой сети соответственно, м; ∆d — разница диаметров трубопроводов уличной и дворовой сети.

Прокладку сети рекомендуют производить в пределах проезжей части и в зонах зеленых насаждений. На пересечении с железнодорожными путями, трассами метрополитенов, вблизи уникальных зданий следует предусматривать дублирующие линии с камерами для их связи. Совмещенная прокладка трубопроводов и коллекторов различного назначения позволяет более экономично и рационально организовать производство работ.

Укладку всех видов сетей необходимо вести параллельно оси уличного проезда или красной линии застройки. При пересечении канализационных труб с водопроводными, как правило, первые прокладывают ниже водопроводных с расстоянием по вертикали в свету не менее 0,4 м. В противном случае водопровод заключается в кожух длиной не менее 5 м, а в фильтрующих грунтах — 10 м в обе стороны (по горизонтали) от места их пересечения.

Основы гидравлического расчета канализационных сетей. Нормы водоотведения. Среднее суточное количество сточной воды, отводимой от одного жителя, называемое нормой водоотведения или удельным водоотведением q_ж, л/сут на 1 чел., установлено на основании опыта работы действующих систем водоотведения (табл. 3.1.1)

Данные нормы учитывают расходы воды от административных зданий и коммунально-бытовых предприятий, расположенных в городах.

Таблица 3.1.1

Нормы водоотведения бытовых сточных вод для районов жилой застройки

Степень благоустройства районов жилой застройки	Водоотведение на одного жителя, л/сут
Здания без внутреннего водопровода и канализации
Здания с внутренним водопроводом и канализацией без ванн	125…160
То же, с ваннами, оборудованными местными водонагревателями	160…230
То же, с централизованным горячим водоснабжением	230…350

Удельное водоотведение на промышленных предприятиях учитывает расходы бытовых (хозяйственно-фекальных) душевых и производственных стоков. Нормы водоотведения на бытовые нужды составляют 25 л/чел в смену для холодных цехов и 45 л/чел в смену для горячих цехов (с тепловыделением более

80 кДж/ч на 1 м³ помещения), а на душевые нужды — 500 л/ч на одну душевую сетку. Продолжительность пользования душем составляет 45 мин после окончания смены. Удельное водоотведение производственных сточных вод зависит от вида выпускаемой продукции или исходного сырья и изменяется в широких пределах.

Канализационную сеть рассчитывают на пропуск максимального секундного расхода сточных вод:

,

где N — численность населения города; — норма водоотведения бытовых вод принимается равной норме водопотребления; — общий коэффициент неравномерности водоот­ведения бытовых сточных вод определяется в зависимости от величины среднего секундного расхода:

.

При расчете канализационных сетей удобно вычислять расходы, используя понятие модуля стока, л/(с га) по формуле:

,

где — плотность населения на 1 га, тогда

,

где F — площадь кварталов в жилой зоне канализуемой территории.

Максимальный секундный расход для производственных сточных вод:

,

где — норма водоотведения на единицу продукции, м³; — количество продукции в смену с максимальной выработкой продолжительностью,ч; — коэффициент часовой неравно­мерности водоотведения производственных сточных вод, зависящий от технологических условий.

Расчетный расход сточных вод на участке канализационной сети определяется по формуле:

где - транзитный расход воды, поступающий в расчетный уча­сток сети из боковой сети; — попутный расход, поступающий в расчетный участок сети от зданий прилегающего квартала. Этот расход условно считают присоединенным в начале участка сети, к которому примыкает квартал; — сосредоточенный расход от промышленного предприятия.

Бытовую канализацию рассчитывают на частичное наполнение труб — H/D. Расчетные наполнения в трубопроводах бытовой канализации рекомендуется принимать в зависимости от диаметра труб:

D, мм	150-300	350-450	500-900	> 900
H/d	0,6	0,7	0,75	0,8

Минимальные диаметры трубопроводов сетей уличной канали­зации принимаются в зависимости от системы канализации

Полная раздельная система	Общесплавная система	Хозяйственно-бытовая система	Дождевая система
D, мм

Расчетной скоростью называют скорость течения при расчетном расходе и наполнении. Минимальной скоростью (самоочищающей) называют наименьшую допустимую скорость течения, при которой обеспечивается самоочищение труб:

D, мм	150-250	300-400	450-500	600-800	900-1200	1300-1500	> 1500
V, м/с	0,7	0,8	0,9		1,15	1,3	1,5

Наибольшую расчетную скорость движения сточных вод следует принимать 8 м/с — для металлических труб и 4 м/с — для неметаллических.

Канализационные трубы прокладывают с уклоном.

Наименьшим уклоном трубы называется уклон, обеспечива­ющий при расчетном наполнении трубы скорость самоочищения.

Наименьшие уклоны труб бытовой канализации принимают для труб диаметром 150 мм — 0,08, 200 мм — 0,005, 250 мм и более — определяют гидравлическим расчетом в зависимости от допуска­емых минимальных скоростей. Ориентировочно минимальный уклон можно определить по выражению: i_min — 1/ d, где d — диаметр трубы в мм.

В ходе гидравлического расчета канализационной сети по полу­ченным значениям расчетных расходов сточных вод определяют диаметры труб, уклоны, обеспечивающие требуемые значения расчетных скоростей и наполнений.

Сооружения на канализационных сетях. На канализационных сетях сооружают колодцы икамеры. В зависимости от назначения смотровые колодцы подразделяют на линейные, поворотные, узловые и специальные. К специальным относятся контрольные, промывные, колодцы с гидрозатвором, колодцы – дождеприемники. Отдельную группу смотровых колодцев составляют перепадные колодцы. Камеры сооружают на всех канализационных сетях в местах соединения нескольких линий больших диаметров в один коллектор. Трубы внутри колодцев и камер заменяют открытыми лотками с бермой с небольшим уклоном от стенок колодца к лотку.

Устройство лотков в колодцах различного назначения приведено на рис. 3.1.2. Как видно из рисунка, поворотный колодец отличается от линейного формой лотка, который имеет криволинейное очертание в виде плавной кривой с минимальным радиусом искривления, равным двум — трем диаметрам труб. Угол поворота не должен быть более 90°.

Устройство узлового колодца для уличной сети представлено на рис. 3.1.3.

Рис. 3.1.2. Лотки смотровых колодцев:

а − линейные; б − поворотные; в − узловые; 1 − стенки колодцев; 2 − лотки; 3 − трубы

Рис. 3.1.3. Узловой колодец диаметром до 400 мм:

1 – чугунный люк с крышкой; 2, 3 – кольца регулировочное и опорное; 4, 6 – железобетонные кольца диаметром 700 и 1000 мм; 5 – плита перекрытия; 7 – регулировочные блоки; 8 – основание; 9 – подготовка; 10 – скобы

При пересечении трубопроводов с препятствиями устраивают дюкеры, переходы и эстакады. Дюкер (рис. 3.1.4) состоит из следующих основных элементов: напорных трубопроводов, верхней и нижней камер. Напорные трубопроводы дюкера выполняются не менее чем из двух ниток стальных труб с усиленной антикоррозионной изоляцией. Диаметр должен быть не менее 150 мм. Обе нитки должны быть рабочими. Устройство дюкера с одной рабочей и одной резервной трубой допускается при небольших расходах. Дюкер укладывается в траншее по дну русла. Глубина заложения подводной части трубопровода должна приниматься не менее 0,5 м до верха трубы, а в пределах фарватера на судоходных реках не менее 1 м. Расстояние между трубами дюкера по горизонтали в свету должно быть не менее 0,7 − 1,5 м. Аварийный выпуск может быть проложен из верхней камеры дюкера или из ближайшего колодца перед ним.

Рис. 3.1.4. Схема дюкера через реку:

1 – напорные трубопроводы; II – верхняя камера; III – нижняя камера; 1 – подводящий самотечный трубопровод; 2 – щитовые затворы; 3 – задвижки; 4 – аварийный выпуск

Переходы под железными и автомобильными дорогами применяют: для дорог, проходящих в глубоких выемках, − дюкерные, а в остальных случаях – самотечные.

Эстакады устраивают при пересечении глубоких оврагов или суходолов с самотечными трубопроводами, отметки лотка которых значительно превышают отметки дна пересекаемого препятствия. Конструктивно эстакада представляет собой мост на высоких опорах, по которому проложен самотечный трубопровод в утепленном коробе – футляре.

Материал канализационных труб. Для напорных коллекторов применяют чугунные, железобетонные, стальные и асбестоцементные трубы. Стальные трубы преимущественно используют при прокладке дюкеров, монтажа трубопроводов в насосных станциях, для устройства выпусков сточных вод в сейсмических районах.

Трубы чугунные для безнапорных трубопроводов выпускают по ГОСТ 6942 — 98.

Для прокладки самотечных канализационных сетей широко при­меняются безнапорные асбестоцементные (ГОСТ 1839 — 80*), пластмассовые ГОСТ 22689.089, бетонные (ГОСТ 20054 — 82), же­лезобетонные (ГОСТ 6482 — 88), керамические (ГОСТ 286 — 82) трубы.

Коллекторы проектируют из круглых железобетонных труб, а при отсутствии нужного размера труб — из сборных железобетонных элементов. При прокладке коллекторов на большой глубине способом щитовой проходки устраивают коллекторы круглого сечения из бетонных или железобетонных блоков (в водоносных грунтах могут применяться блоки из чугуна — тюбинги).

Устройство дождевой канализации. Начертание дождевой (водосточной) сети в плане зависит от:

- рельефа местности;

- размера территории;

- расположения подземных коммуникаций.

Дождевые воды, стекающие с поверхности земли, поступают в закрытую водосточную сеть через дождеприемники (рис. 3.1.5). Дождеприемник представляет собой колодец, перекрытый сверху приемной решеткой 1. Из дождеприемника дождевая вода по соединительной ветке 2, закладываемой в низовой части дождеприемника, поступает в подземную водосточную сеть. Дождеприемники бывают круглыми, диаметром не менее 0, 7 м или прямоугольными (размером 0,6х0,9 м). Основание дождеприемника без осадочной части закладывается на глубину не менее 0,8 м. Приемные решетки изготавливают из чугуна и стали. Размещение дождеприемников предусматривается во всех пониженных местах, а также у перекрестков до створа организованных переходов улиц. Расстояние между дождеприемниками принимается в зависимости от уклона улиц от 50 до 80 м друг от друга (при ширине улиц до 30 м и условии, что в дождеприемники не поступают дождевые воды с территории кварталов). При отводе дождевых вод с внутренней стороны квартала расстояние между дождеприемниками принимается по расчету.

В целях уменьшения сечения и длины дождевой (водосточной) сети ее трассируют вдоль городских проездов по кратчайшему расстоянию от мест сброса. При ширине проезда до 30 м подземная водосточная сеть проходит по его середине. При большей ширине проезда водосток можно прокладывать в две линии по обеим его сторонам.

Рис.3.1.5. Схема устройства железобетонного дождеприемника:

1 − приемная решетка; 2 − соединительная ветка; 3 − лоток с набивкой; 4 − песчаная подушка; 5 − основание (размеры даны в см)

При интенсивных дождях часть СВ через ливнеспуски сбрасывается в водоем без очистки. Схема работы ливнеспуска приведена на рис. 3.1.6.

Рис. 3.1.6. Схема ливнеспуска: 1 — оголовок ливнеотвода; 2 — ливнеотвод; 3 — береговой коллектор; 4 — камера ливнеспуска; 5 − водослив 5 — водослив

Канализационные насосные станции (КНС) строят, когда рельеф местности не позволяет отводить сточные воды и атмосферные осадки самотеком к месту очистки. Эти станции необходимо стро­ить, если глубина канализационных коллекторов превосходит 4 — 8 м (в зависимости от грунтов). Наиболее целесообразно располагать канализационные насосные станции на свободных территориях вблизи промышленных предприятий, складских помещений и зеленых массивов.

КНС разделяются на четыре группы: для перекачивания бытовых сточных вод, производственных сточных вод, атмосферных вод и осадков (на очистных сооружениях). Станции первой группы могут быть районными, перекачивающими сточную жидкость из отдельных коллекторов в главный коллектор, и главными, перекачивающими сточную жидкость на очистные сооружения. На станциях второй группы предусматривается защита оборудования от агрессивной сточной жидкости и периодическая промывка оборудования. Станции третьей группы предусматриваются в сети дождевой канализации, когда отвод дождевой воды самотеком на данном участке местности невозможен. Станции четвертой группы входят в состав очистных сооружений и обработки осадков. Эти станции служат для перекачивания осадка из первичных сборников на сооружения по обработке активного ила, песка, а также для повышения напора в канализационных магистралях большой протяженности.

Наличие КНС в технологической схеме не обязательно и определяется рельефом местности и пропускной способностью станций очистки. Технологический процесс перекачивания состоит из двух операций: освобождение жидкости от твердых габаритных отбросов, песка, камней и перекачивания относительно чистой жидкости. Поэтому всегда строят два помещения: помещение с приемным резервуаром и очистными решетками, дробилками и насосный зал. Эти помещения могут быть разделены или совмещены и, соответственно, станции называются: раздельного или совмещенного типа. КНС бывают незаглубленные (до 4 м относительно поверхности земли), полузаглубленные (до 7 м) и шахтного типа (свыше 8 м) с насосами горизонтального, вертикального или осевого типа, с ручным или автоматическим управлением.