8 najczęściej spotykanych błędów przy projektowaniu systemów tłocznych kanalizacji ściekowej

Na system tłoczny składają się: pompownia ścieków sanitarnych, współpracujące z nią rurociągi tłoczne oraz studnie rozprężne. Najprostszy układ to jedna pompownia ścieków sanitarnych współpracująca z rurociągiem tłocznym bez bocznych dopływów ciśnieniowych. Często mamy jednak do czynienia z rozległymi systemami tłocznymi obsługującymi aglomeracje, gdzie występuje wiele przepompowni i rozwinięte gałęzie rurociągów dochodzące do wielu kilometrów. O ile w prostych układach błąd doboru zwykle daje się naprawić stosunkowo małym kosztem, to przy systemach rozległych konsekwencje złego doboru są bardzo poważne, trudne do korekty i mają przełożenie na koszty inwestycyjne (budżet jakim dysponuje Inwestor), koszty eksploatacyjne (energia elektryczna, naprawy) oraz uciążliwości środowiskowe (głównie emisja odorantów). Aby uniknąć błędów natury podstawowej należy przyjąć prawidłowe założenia projektowe:

A. Ustalić potrzeby (bilans ścieków) w oparciu o racjonalne wskaźniki,

B. Ustalić charakterystyczne rzędne systemu ze szczególnym uwzględnieniem rzędnych:

• lokalizacji przepompowni,
• maksymalnych rzędnych na trasie,
• rzędnych rozprężania ścieków (wylotów grawitacyjnych).

C. Przyjąć schemat pompowania:

• pompowanie szeregowe (od przepompowni do przepompowni),
• pompowanie równoległe (każda pompownia ścieków sanitarnych współpracuje z jednym rurociągiem),
• pompowanie szeregowo-równoległe (system mieszany).

Istotne jest także, jakim zapleczem i środkami technicznymi dysponuje przedsiębiorstwo eksploatujące sieci kanalizacyjne na rozpatrywanym terenie i czy stać je na utrzymanie systemu proponowanego przez Projektanta.

Jakie są najczęściej spotykane błędy przy projektowaniu przepompowni?

BŁĄD 1: Przewymiarowanie układu

Przewymiarowanie układu to rozbieżność między teoretycznie wyliczoną ilością dopływających ścieków do przepompowni a rzeczywistymi potrzebami ich pompowania. Przewymiarowanie może też dotyczyć nieuzasadnionego zużycia energii elektrycznej. Niedopasowanie układu do potrzeb jest najczęściej wynikiem:

• zawyżenia bilansu ścieków,
• realizacji układów docelowych bez etapu przejściowego,
• wadliwych specyfikacji technicznych (SIWZ) zawierających wyłącznie oczekiwane parametry Q i H pomp.

Zawyżenie bilansu jest spowodowane zwykle przyjęciem niewłaściwych wskaźników ilości ścieków przypadających na 1 mieszkańca oraz uznaniowych współczynników nierównomierności. Na błąd ten nakłada się uwzględnienie dopływu wód przypadkowych, jako marginesu bezpieczeństwa. W zależności od poziomu bojaźliwości Projektanta margines ten wynosi od 5 do 15%. Poleganie na informacjach przedsiębiorstw eksploatacyjnych, dotyczących sprzedaży wody też prowadzi do błędnych wniosków gdyż ilość produkowanej wody przez SUW często znacznie odbiega od jej sprzedaży liczonej na podstawie wskazań indywidualnych wodomierzy. Praktyka projektowa wykazała, że dla wymiarowania układów tłocznych, obsługujących budownictwo mieszkaniowe, najbliższy prawdy jest wskaźnik ogólny na poziomie 3,5÷4,0 l/s/1000 Mk. Przy czym niższą wartość wskaźnika należy przyjmować dla obszarów wiejskich.

Realizacja układów docelowych bez etapu przejściowego jest działaniem wynikającym z założenia, że cel jest nieodległy bądź jest wynikiem braku jakiejkolwiek refleksji na ten temat. Bez względu na przyczyny skutkiem jest uciążliwość środowiskowa, wynikająca z emisji odorantów, spowodowana zbyt długim okresem przepływu ścieków. Dobrą praktyką przeciwdziałającą takiemu stanowi rzeczy jest realizacja tłocznych układów dwururowych, lecz tylko tam, gdzie pompownia ścieków sanitarnych została zaprojektowana dla potrzeb docelowych. Przykładem w dużej skali jest „ring kanalizacyjny” miasta Słupska o długości około 10 km zrealizowany w 2016 r. Innym sprawdzonym rozwiązaniem jest przesyłanie ścieków optymalną średnicą dla aktualnego dopływu z możliwością retencjonowania i napowietrzania przyrostu dopływu w okresie docelowym. Przykładem realizacji jest przesył ścieków z Gminy Sianów do oczyszczalni ścieków miasta Koszalina w Jamnie na odległość około 14 km.

Podawanie w SIWZ wyłącznie oczekiwanych parametrów Q i H pomp bez nazwy własnej i producenta powoduje wtórny dobór pomp na etapie realizacji, często rozbieżny od intencji Projektanta zawartej w projekcie budowlanym. Praktyka powszechną jest, że wyłoniony w przetargu Wykonawca zwraca się do różnych producentów pomp, podając tylko parametry Q i H, a otrzymana odwrotnie oferta zawiera klauzulę „Producent nie odpowiada za poprawność otrzymanych parametrów wyjściowych do doboru pompy”. Różnice między rzeczywistymi potrzebami a parametrami pomp przyjętych do realizacji mogą być istotne.

Przykład:

Pompownia ścieków sanitarnych została zaprojektowana do odprowadzenia ścieków z wioski zamieszkałej przez 300 Mk, stąd ilości ścieków Q = 600 x 0,0035 = 2,1 l/s

• wymagana wydajność przyjęta przez Projektanta Q = 2,1 x 1,15 = 2,42 l/s
• całkowita wysokość podnoszenia H = 40,0 m sł.w.

Projektant dobrał pompę firmy „A” posługując się stosownym programem producenta o parametrach rzeczywistych:

• wydajność Q = 2,50 l/s
• wysokość podnoszenia H = 40,2 m sł.w.
• mocy nominalnej P2 = 4,0 kW

Wykonawca natomiast otrzymał ofertę od firmy „B” na pompę o parametrach:

• wydajność Q = 2,63 l/s
• wys. podnoszenia Hg = 47,8 m sł.w.
• moc nominalna P2 = 9,2 kW

Rozbieżności po wtórnym doborze:

• zapas na tłoczeniu z 15% zwiększył się do 25%
• moc pompy wzrosła 2,3 razy

Pod literami „A” i „B” ukryto rzeczywiste nazwy producentów pomp.

Łatwo możemy sobie wyobrazić jakie skutki przyniesie „wtórny dobór”, jeżeli zrealizowany system pompowy będzie się składał z wielu przepompowni.

BŁĄD 2: Zastosowanie niewłaściwego typu pomp

Nie ma złych pomp, są tylko niewłaściwe ich aplikacje. Pompy stosowane zwykle w komunalnych przepompowniach ścieków to:

• Małe pompy bez określenia swobodnego przelotu: pompy wyporowe z rozdrabniaczem, pompy z rozdrabniaczem wirnikowe,
• Średnie pompy o przelocie do 80 ÷ 100 mm: pompy z wirnikiem Vortex i SuperVortex, pompy z wirnikiem śrubowo-odśrodkowym, pompy z wirnikiem półotwartym,
• Duże pompy o przelocie większym lub równym 150 mm: pompy z wirnikiem zamkniętym jednokanałowym, pompy z wirnikiem zamkniętym wielokanałowym.

Wybór odpowiedniej konstrukcji hydraulicznej pompy ma decydujące znaczenie aby cała pompownia ścieków sanitarnych działała skutecznie Zły dobór powoduje zatykanie pompy, konieczność jej odstawienia na czas naprawy, kłopotliwe czyszczenie dla wykonania czynności serwisowych i ponowne uruchomienie. Każda naprawa wiąże się z kosztami osobowymi i materiałowymi.

Za pompę niewłaściwą należy uznać pompę ulegającą częstym awariom i jest to najważniejsze kryterium w ocenie jej przydatności. Pompa niepracująca nie ma żadnej wartości dla użytkownika. W hierarchii wartości pompy najwyżej należy stawiać niezawodność, dopiero w następnej kolejności istotne są takie kryteria, jak sprawność pompy, klasa energochłonności silnika, szczegóły konstrukcyjne. Pompą niewłaściwą jest również pompa, której nie można naprawić lub wymienić w krótkim czasie. Zwykle tolerowany okres przez eksploatatora na usunięcie awarii wynosi 48h.

Ciekawostką jest, że pompy kilkunastoletnie o starych ciężkich konstrukcjach są do dziś obecne na stanach przedsiębiorstw wodno-kanalizacyjnych i ciągle działają. Pompy aktualnie dostępne na rynku przodujących europejskich producentów zwykle nie wytrzymują eksploatacji dłuższej niż kilka lat, a ich remont jest nieopłacalny z uwagi na cenę części zamiennych.

Zwykle niewłaściwy dobór pomp jest dokonywany na etapie projektowania. W instalacjach wymagających dużych i bardzo dużych podnoszeń do około 65 m przy małych wydajnościach do 5 l najlepiej sprawdzają się pompy z rozdrabniaczem. Wadą tych pomp jest niezbyt długa żywotność rozdrabniacza z uwagi na wycieranie elementów tnących przez piasek, jednak przy niewielkiej częstotliwości załączeń, występujących w warunkach wiejskich, uzyskuje się zadowalające przebiegi.

Z blisko 40-letniej praktyki eksploatacyjnej stosowania pomp zatapialnych w Polsce, wynika że najwyższą trwałość i odporność na zatykanie wykazują pompy z wirnikiem „Vortex”. Wirniki te powodują zawirowanie cieczy w korpusie pompy przy minimalnym kontakcie z zanieczyszczeniami stałymi. Ciecz przepływa obok wirnika, porywając ze sobą ciała stałe łącznie z długimi włóknami. Pompy tego typu mogą tłoczyć ścieki z zawartością suchej masy dochodzącą do 8% i dużą zawartością gazów, co ma miejsce w przypadku przepompowni ścieków. Wadą pomp z wirnikiem „Vortex” jest niska sprawność na poziomie 16 ÷ 32% oraz szybki wzrost poboru mocy ze wzrostem wydajności.

Najwięcej problemów powoduje eksploatacja pomp kanałowych z uwagi na stosowane uszczelnienia szczelinowe i konieczność precyzyjnej regulacji tzw. szczeliny czołowej (0,7 ± 0,2 mm) między wirnikiem i korpusem pompy. Pompy kanałowe mogą tłoczyć ścieki z zawartością suchej masy do 3% maksymalnie. Uszkodzenia lub nierównoległości w obrębie szczeliny powodują, że pompy te wykazują szczególną podatność na zatykanie i powinny być poprzedzone na dopływie gęstą kratą lub sitem. Dlatego też pompy kanałowe sprawdzają się najlepiej na oczyszczalniach ścieków po mechanicznej separacji zanieczyszczeń oraz do pompowania ścieków deszczowych po osadniku.

Przesłanką dla stosowania pomp kanałowych jest wysoka sprawność dochodząca do 60% stąd na rynku są dostępne konstrukcje pomp tego typu z ulepszoną wersją wirnika:

• z krawędzią tnącą,
• z wirnikiem tubowym,
• z adaptacyjnym samoczyszczącym się wirnikiem.

Pompy kanałowe znalazły, w ostatnim czasie, szczególne zastosowanie w ciśnieniowych sieciach kanalizacyjnych przy budowie tłoczni ścieków gdzie niezbędnym elementem konstrukcyjnym jest separator zanieczyszczeń, a odseparowane skrawki są porywane przez strumień ścieków tłoczonych, nie przechodząc przez wirnik pompy. Jest to bardzo interesujący przykład zastosowania pomp kanałowych w układach tłocznych poza oczyszczalniami.

BŁĄD 3: Zła współpraca pomp

Pompa ściekowa źle pracuje, jeżeli jej faktyczny punkt pracy zlokalizowany jest na skraju charakterystyki lub „wypada” z charakterystyki, co jest do stwierdzenia już na etapie obliczeń, jeżeli projektant posiada odpowiednie doświadczenie i potrafi zinterpretować wyniki swoich obliczeń. Często zdarza się, że pompa pracuje poprawnie przy samodzielnej pracy, natomiast zachowuje się źle lub przestaje tłoczyć przy współpracy równoległej z innymi pompami.

Ważną zasadą przy doborze jest zachowanie następującej kolejności postępowania:

1. sprawdzenie samodzielnej pracy każdej pompy w układzie,
2. sprawdzenie wzajemnej współpracy.

Zagadnienie współpracy pomp wymaga zawsze wnikliwej analizy bowiem ilość możliwych kombinacji do sprawdzenia jest zwykle duża, dla przykładu:

Podstawowy zakres sprawdzenia powinien dotyczyć współpracy największej pompy w układzie z każdą z pozostałych pomp z osobna. Należy także przeanalizować, ile przepompowni może wejść do współpracy równoległej bez wzajemnego dławienia w stopniu uniemożliwiającym pompowanie. Łatwo jest osiągnąć poprawną współpracę nawet rozległych układów pompowych przy zastosowaniu pomp z rozdrabniaczem z uwagi na duży wachlarz stromych charakterystyk tzn. charakterystyk o wysokim podnoszeniu przy małej wydajności. W szczególnych przypadkach można bowiem zastosować pompy wyporowe o niemal pionowych charakterystykach umożliwiających zawsze dobrą współpracę. Dla układów o większych wydajnościach rozwiązanie współpracy pomp na bazie jednego typu pomp np. z wirnikiem Vortex jest już wątpliwe lub całkowicie niemożliwe. W takich przypadkach dobre rezultaty daje zastosowanie włączeń bocznych z zastosowaniem pomp o wysokich podnoszeniach typu SuperVortex lub pomp z rozdrabniaczem.

BŁĄD 4: Pompownia ścieków sanitarnych zlokalizowana na wyższej rzędnej w stosunku do wylotu

Często w praktyce projektowej zdarza się, że mimo ogólnego spadku terenu w kierunku odbiornika ścieków, zamiast kanalizacji grawitacyjnej stosuje się tłoczenie ścieków, na przykład z uwagi na rozległość systemu lub w celu pokonania przeszkód terenowych takich jak cieki wodne lub wzniesienia na trasie rurociągu. Jeżeli pompownia ścieków sanitarnych będzie zlokalizowana wyżej od wylotu z rurociągu tłocznego należy w rozwiązaniach uwzględnić zabezpieczenia przed lewarową pracą układu. Aby uniknąć błędu na etapie projektowania zawsze należy porównywać najniższy poziom ścieków w zbiorniku przepompowni z rzędną wylotu ścieków do studni rozprężnej. Problem ten jest łatwy do zidentyfikowania na etapie rysowania profilu układu tłocznego. Gorzej jest jeżeli do istniejącego systemu kanalizacji tłocznej podłączana jest kolejna pompownia ścieków sanitarnych w sposób równoległy, ponieważ w takim przypadku Projektant zwykle nie analizuje całego systemu lecz bierze po uwagę jedynie ciśnienie włączenia podane przez eksploatatora w tzw. warunkach technicznych. Aby uniknąć problemów związanych ze zjawiskiem „lewara”, dobrą praktyką jest instalowanie zawsze, tuż za przepompownią ścieków, zaworu odpowietrzająco-napowietrzającego w celu:

• przerwania strugi cieczy przy ewentualnym wystąpieniu lewara,
• wstępnego usunięcia powietrza z objętości pompowanej cieczy.

BŁĄD 5: Niewłaściwy wybór miejsca rozprężania ścieków

Błędem jest rozprężanie ścieków w zabudowie mieszkaniowej lub jej sąsiedztwie. Miejsca rozprężania są silnym źródłem emisji gazów kanałowych, a w szczególności siarkowodoru. Najlepszym miejscem do rozprężania ścieków jest oczyszczalnia lub obszary niezabudowane. Postulat ten może być analizowany do zastosowania w praktyce na obszarach wiejskich, natomiast w miastach bardzo rzadko można znaleźć miejsce nadające się do rozprężenia ścieków. Należy mieć na uwadze, że każde miejsce gdzie dochodzi do nieakceptowalnego poziomu emisji odorantów (powyżej 10 ppm) należy zaopatrzyć w skuteczne filtry. Dla mniejszych instalacji stosuje się filtry o grawitacyjnym przepływie powietrza, dla większych filtry o przepływie wymuszonym wentylatorem wyciągowym. Filtry do dezodoryzacji są bardzo drogie w eksploatacji z uwagi na okresową konieczność wymiany wkładu filtracyjnego. Należy dążyć do takich rozwiązań by za wszelką cenę ograniczyć ilość punktów rozprężania ścieków, nawet kosztem wydłużenia rurociągów tłocznych.

Błędem jest rozprężanie ścieków w zbiorniku kolejnej przepompowni z uwagi na:

• niebezpieczeństwo zatrucia pracowników przy czynnościach serwisowych,
• wysoką saturację w objętości retencyjnej przepompowni sprzyjającą zapowietrzeniu pomp,
• korozję materiału zbiornika jeżeli jest nim najczęściej stosowany beton.

Zalecanym rozwiązaniem jest rozprężanie wszystkich dopływów tłocznych w studzience zlokalizowanej przed zbiornikiem przepompowni i zaopatrzonej w skuteczny filtr antyodorowy. Studzienki rozprężne winny być wykonane z materiałów niekorodujących takich, jak polimerobeton lub tworzywa sztuczne.

BŁĄD 6: Złe odpowietrzenie układu

Złe odpowietrzenie układu spowodowane jest niemal zawsze niezbyt precyzyjną analizą terenu na etapie, w którym dana pompownia ścieków sanitarnych jest projektowana. Odpowietrzniki należy lokalizować:

• w każdym najwyższym oraz każdym lokalnym przewyższeniu,
• tuż za przepompowniami ścieków,
• w miejscach dławienia przepływu.

Może się zdarzyć jednak długi odcinek wznoszący lub opadający, gdzie lokalizacja odpowietrznika w najwyższym miejscu nie załatwia sprawy bowiem jego wydajność będzie zbyt mała dla usunięcia gazów w wymaganym czasie. W takim wypadku długi odcinek należy podzielić na mniejsze fragmenty zakończone odpowietrznikami w odległościach od 500 do 800 m. Należy pamiętać także by nie dopuszczać do powstawania podciśnienia na końcówkach opróżnianych rurociągów tłocznych. Tolerancja rurociągów tłocznych z PE o średnicy do Ø160 na podciśnienie nie przekracza 0,85 bar ( 85 m H₂O).

Brak odpowietrznika w najwyższym punkcie może wynikać ze świadomej decyzji Projektanta ze względu na uwarunkowania terenowo-prawne. W takim wypadku należy ten fakt uwzględnić w obliczeniach hydraulicznych, dodając odpowiedni zapas ciśnienia do przyjętej wysokości podnoszenia pompy.

BŁĄD 7: Duża ilość dopływów do zbiornika przepompowni

Błędem projektowym jest włączanie wielu dopływów do zbiornika przepompowni, a w szczególności rozprężanie ścieków z innych układów tłocznych. Projektowanie wielu dopływów do zbiornika ma negatywne konsekwencje, takie jak:

• znaczna ilość wyziewów gazowych,
• komplikacja konstrukcji wyposażenia wewnętrznego z uwagi na deflektory wypływu,
• nieporozumienia  na etapie realizacji przy ustalaniu kierunków i wysokości dopływów,
• lustrzane odbicia przekroju poziomego na etapie produkcji zbiornika,
• wymagane odcięcia dopływów przy czynnościach remontowych.

Idealną sytuacją jest, kiedy zbiornik, w jaki zaopatrzona jest pompownia ścieków sanitarnych posiada tylko jeden dopływ i do tego usytuowany na jednej osi z rurociągiem tłocznym. Dobrą praktyką jest lokalizacja studni połączeniowej dla wszystkich dopływów przed przepompownią oraz połączenie obu obiektów w strefie przydennej kanałem wyposażonym w zasuwę odcinającą zlokalizowaną w zbiorniku przepompowni.

BŁĄD 8: Niewystarczający poziom odporności chemicznej obiektów

Zagadnienie odporności chemicznej w rozpatrywanej problematyce dotyczy zbiornika, jaki posiada pompownia ścieków sanitarnych, wyposażenia wewnętrznego oraz urządzeń sterujących. Nieodpowiednie rozwiązania w tym zakresie, zmuszą użytkownika do remontu przepompowni już po kilku latach eksploatacji.

Zbiorniki przepompowni zastosowane do budowy przepompowni typu mokrego winny być odporne na korozję siarczanową. W przypadku zbiorników o średnicy do 2,5 m najlepszym materiałem na zbiornik jest polimerobeton. Zbiorniki betonowe winny być wykonane w klasie C40/50 i zabezpieczone przez producenta stosowną powłoką ochronną. W żadnym wypadku nie należy do ścieków retencjonowanych w zbiorniku betonowym podawać kwaśnych reagentów np. typu Ferrox lub PIX. Wysoką odporność na korozję chemiczną posiadają zbiorniki z tworzyw sztucznych, jednak ich stosowanie należy zarezerwować raczej dla małych przepompowni z uwagi na możliwość utraty przekroju kołowego pod naciskiem gruntu.

Wyposażenie wewnętrzne jest najczęściej kwestionowanym elementem przepompowni w trakcie odbiorów z uwagi na widoczne, wczesne objawy korozji. Należy wziąć pod uwagę , że nie każda stal nierdzewna naprawdę jest odporna na korozję.n Ponieważ powszechną praktyką stało się dawkowanie reagentów chemicznych do ścieków okazało się, że wyposażenia przepompowni zrealizowane według projektu jako nierdzewne zaczynają korodować. Z powyższego względu powinno się używać następujących gatunków stali według AISI:

• 304 L –  do wykonania elementów konstrukcyjnych i detali wyposażenia nie stykających się bezpośrednio ze ściekami
• 316 L –  do wykonania elementów wyposażenia narażonych na kontakt ze ściekami (stal o podwyższonej odporności chemicznej)

Praktyką jednak jest stosowanie przez producentów przepompowni wyłącznie stali 304 L jako ”standard” z uwagi na akceptowalne koszty przez klientów.

Urządzenia sterujące (rozdzielnice elektryczne) też są narażone na korozję spowodowaną warunkami atmosferycznymi, wyziewami z przepompowni poprzez przewody wentylacyjne i penetrację gazów poprzez osłony przewodów elektrycznych.

Najczęściej spotykane błędy powodujące szybką destrukcję urządzeń elektrycznych to:

• wykonanie obudowy sterownicy ze stali zwykłej malowanej
• wykonanie ogrzewania rozdzielnicy bez wentylacji
• brak uszczelnienia kabli na podejściu do rozdzielnicy (dławiki)
• brak uszczelnienia osłon kabli