Основные Методы Резервирования Систем Водоотведения

Проектирование и эксплуатация систем водоотведения обычно осуществляется в виде самотечных систем с разветвленной сетью трубопроводов, а также регулируется сводом правил СП 32.13330.2018 «Канализация. Наружные сети и сооружения» [6]. Самотечные системы водоотведения обладают некоторыми преимуществами перед напорными в гидравлическом и технологическом плане. Например, максимальный расход достигается при неполном заполнении трубопровода (на 70-80%), что снижает сопротивление, за счет воздушного пространства. Также, это способствует вентиляции коллектора, которая в свою очередь играет ключевую роль в оптимизации окислительных процессов в сточных водах, обеспечивая их эффективное очищение за счет поступления кислорода, данный механизм способствует интенсификации аэробных биохимических реакций, что значительно повышает качество очистки. Помимо прочего, большое количество смотровых колодцев позволяет оперативно устранять засоры и аварии. Однако при внезапной закупорке трубопровода сточные воды заполняют вышерасположенные емкости и смотровые колодцы, а затем вытекают на грунт и попадают в водоемы, нанося значительный ущерб окружающей среде. Очевидно, что чем меньше сточных вод будет попадать на грунт и в водоемы, тем меньше будет нанесен ущерб [3]. Таким образом, надежность системы водоотведения определяется ее способностью минимизировать эти риски. Одним из способов сокращения рисков и увеличение надежности является резервирование систем водоотведения.

Резервирование систем водоотведения - комплекс мер, направленных на повышение надёжности работы систем сбора, транспортировки и очистки сточных вод, а также на предотвращение аварийных ситуаций, которые могут привести к экологическим проблемам.

Резервирование систем водоотведения подразделяется на временное и структурное [2]. Для повышения эффективности систем водоотведения часто применяют комплексные меры, сочетающие структурное и временное резервирование. При этом важно учитывать специфику конкретной системы, проводить технико-экономическое обоснование и обеспечивать надёжность транспортирования сточных вод.

Временное резервирование связано с использованием избыточного времени для устранения аварий. В контексте систем водоотведения это может означать накопление сточной жидкости в аварийном резервуаре на время, достаточное для устранения неисправности на напорных трубопроводах.

1. Один из методов временного резервирования — устройство аварийно-регулирующих резервуаров (АРР). АРР могут размещаться при канализационных насосных станциях (КНС) или в самотечной сети водоотведения. 

До настоящего времени использование временного резервирования, как средства обеспечения требуемой надежности и экологической безопасности системы насосная станция - напорные трубопроводы (НС-НТ), не нашло широкого применения. Регулирующие резервуары применяются на водоотводящих сетях общесплавных систем водоотведения, которые существует в значительной части городов за рубежом, а в РФ регулирующие резервуары рекомендуется применять на ливневых сетях различных систем водоотведения.

 В настоящее время, применение регулирующих резервуаров становится обязательным и обеспечивает значительное сокращение капитальных вложений на все элементы системы водоотведения, расположенные ниже регулирующих резервуаров (трубопроводы, насосные станции, очистные сооружения и др.).

 В последние годы использование временного резервирования путем строительств резервуаров, совмещающих аварийные и регулирующие функции, нашло эффективное применение в системе водоотведения г. Москвы. При этом функционирование аварийно-регулирующих резервуаров (АРР) позволяет не только обеспечить требуемый уровень надежности системы НС-НТ, но и использовать их для целей зарегулирования притока сточных вод. Наиболее эффективными методами обеспечения надежности системы НС-НТ в водоотводящей системе города являются: использование раздельного резервирования (устройство напорных трубопроводов не менее, чем из двух водоводов и переключения между ними); использование временного резервирования применение аварийно-регулирующих резервуаров (АРР).

АРР (см. рис. 1) строятся с целью повышения пропускной способности канализационной сети в часы максимального притока сточных вод и обеспечения экономичных режимов работы КНС, а также для уменьшения часовой неравномерности поступления сточных вод на очистные сооружения.

Регулирующий резервуар служит для сглаживания (усреднения) пиковых расходов перекачиваемой сточной воды. В часы максимального притока сточной воды на станцию часть ее закачивается в регулирующий резервуар, в часы минимального притока сточной воды она сливается в подводящий трубопровод КНС [4]. Заполнение и опорожнение регулирующего резервуара происходит автоматически.

С целью исключения выбросов в атмосферу дурно пахнущих газов от сточной воды, поступающей в АРР, предусматривается очистка вентиляционных выбросов. Перед выбросом в атмосферу, удаляемый воздух проходит очистку в угольных адсорберах от дурно пахнущих примесей, таких как сероводород, низшие меркаптаны, аммиак, амины и подобные им летучие вещества. Конструкция адсорберов обеспечивает эффективную обработку всего объема поступившего воздуха и препятствует возникновению значительного перепада давления [5]. Это достигается за счет создания большой контактной площади активированного угля и небольшой глубины угольного слоя. 

Рисунок 1. Аварийно-регулирующий резервуар

1. Также к временному резервированию можно отнести использование свободной ёмкости самотечных коллекторов и смотровых колодцев в качестве временного хранилища аварийных объёмов сточных вод.

Самотечные трубопроводы обычно работают с неполным сечением (наполнение в диапазоне 0,3–0,7), что обеспечивает наличие свободной ёмкости. При закупорке или засорении коллектора сточные воды заполняют вышерасположенные по течению свободные пространства трубопроводов и смотровых колодцев. При проектировании и эксплуатации систем водоотведения важно учитывать аккумулирующую способность самотечных коллекторов. Необходимо проводить гидравлические расчёты для определения времени ликвидации аварии и объёма необходимых аккумулирующих ёмкостей. Для существующих систем может потребоваться анализ их аккумулирующей способности и сравнение с требуемыми объёмами аварийных стоков.

Структурное резервирование предполагает изменение структуры системы водоотведения для создания резервных путей транспортировки сточных вод. Это может быть реализовано через:

1. Параллельную прокладку дополнительных коллекторов. Например, двух параллельных трубопроводов, один из которых находится в нагруженном резерве. 

Рисунок 2. Схема водоотводаа – последовательное включение элементов,б – параллельное включение элементов

Примером нерезервированной системы водоотведения является трубопровод из нескольких n последовательно включенных элементов (рис. 2, а). Его работоспособное состояние обеспечивается только при исправности всех элементов; отказ любого элемента вызывает полный отказ всей системы.

Во втором случае, две линии, включены параллельно между точкой А и точкой Б (см. рис 2, б) при условии, что один из коллекторов выполняет функцию постоянного водоотвода, а второй – находится в резерве, на случай аварии или отказа первого.

1. Использование дублирующих коллекторов и напорных трубопроводов, работающих в «холодном» или «горячем» режимах резервирования.

«Холодный» режим резервирования:

При таком режиме резервные элементы системы находятся в неактивном состоянии и включаются только после ручного запуска или при срабатывании системы автоматического переключения. Они могут быть временно задействованы в работе при возникновении аварийных ситуаций или при необходимости перераспределения потоков стоков. Дублирующие коллекторы и напорные трубопроводы в «холодном» режиме могут использоваться для компенсации пиковых нагрузок или в качестве запасного пути при ремонте основных участков сети [1]. Это более экономичный тип резервирования, но на переключение требуется дополнительное время.

«Горячий» режим резервирования:

В этом режиме резервные элементы находятся в рабочем состоянии и могут оперативно включаться в работу. «Горячее» резервирование предполагает поддержание давления и потока в системе, что повышает её устойчивость к сбоям. Например, в системах водоотведения горячий режим может использоваться для обеспечения непрерывного отвода стоков в случае нарушения работы основных трубопроводов. Это самый надежный, но и самый дорогой тип резервирования.

1. Устройство кольцующих (разгрузочных) коллекторов. Они позволяют перенаправлять стоки в другие районы или зоны при аварии на одном из участков сети. 

При проектировании и эксплуатации кольцующих коллекторов важно учитывать климатические условия, рельеф местности, геологические и гидрологические особенности, а также существующую ситуацию в системе водоотведения. Конструкции таких коллекторов разнообразны и представлены на рис. 3.

а) б)в)г)д)Рисунок 3. Схемы кольцующих коллекторов систем водоотведения: а, б – вертикальная прокладка кольцующего коллектора; в ‒ горизонтальная прокладка кольцующего коллектора; г, д – переброска стоков из одного бассейна канализования в другой самотечным и напорным коллекторами

Отдельные кольцующие трубопроводы могут быть как безнапорные, так и работающие в напорном режиме. Возможны случаи установки насосных станций перекачки стоков, параллельные напорные трубопроводы с каскадом насосных станций и др.

В существующей практике эксплуатации для управления потоками в кольцующих коллекторах применяют «шиберы» – устройства для уменьшения или увеличения сечения того или иного коллектора. Как правило, шиберы имеют ручной или полуавтоматизированный принцип действия, но в современных условиях возможно и дистанционное управление ими. Для эффективного управления такими устройствами необходимо исследовать гидравлические особенности распределения потоков в кольцевых безнапорных и напорно-безнапорных системах водоотведения.