Wiedza o kanalizacjach podciśnieniowych w ostatnich dwudziestu latach stała się na tyle powszechna, że napisanie artykułu, który zawierałby nowe treści na ten temat jest zadaniem niezmiernie trudnym.

O kanalizacjach podciśnieniowych obecnie mówi się coraz mniej, gdyż krajowe doświadczenia eksploatacyjne z tego typu obiektami wykazały szereg wad, a do najważniejszej należy zaliczyć wyższą energochłonność w stosunku do kanalizacji grawitacyjnych i ciśnieniowych. Ten pogląd stał się w ostatnich latach sloganem, który bez analizy przyczyn zwiększonej energochłonności kanalizacji podciśnieniowej w warunkach polskich istotnie wpływa na ograniczenie stosowania tych rozwiązań w praktyce. Niniejszy artykuł ma na celu przedstawienie tych zagadnień, które pozwalają zauważyć zalety i wady systemów podciśnieniowych i ukierunkować dyskusję na temat kanalizacji podciśnieniowych w sposób zarówno krytyczny, jak i określający potencjalne kierunki ich zastosowania w polskiej praktyce inżynierskiej.

Podział systemów podciśnieniowych

Systemy podciśnieniowe do usuwania wód zużytych można podzielić na dwie podstawowe grupy. Do pierwszej należy zaliczyć instalacje z wytworzeniem podciśnienia na żądanie. W literaturze anglosaskiej system ten określa się akronimem VOD (ang. Vacuum On Demand). Rozwiązania tego typu stosowane są od wielu lat w toaletach instalowanych w wagonach kolejowych, promach, statkach, samolotach itd. Korzystając z toalety np. w wagonie kolejowym, naciskamy przycisk, który uruchamia pompę wytwarzającą podciśnienie. Czas wytworzenia podciśnienia do żądanej wartości, ze względu na małą objętość instalacji, to kilkanaście sekund. Przy odpowiednim podciśnieniu następuje zwolnienie zaworu i odprowadzenie nieczystości. W rozwiązaniach z doraźnym wytwarzaniem podciśnienia stosuje się specjalne pompy próżniowe, których konstrukcje oparte są na pompach próżniowych z wirującym płaszczem wodnym. W pompach tych wiruje nie woda, ale ładunek ścieków odprowadzany z toalety. Rotacyjny element tych pomp spełnia również funkcję homogenizatora i wirnika odpompowującego ścieki do zbiornika retencyjnego. Systemy typu VOD stosuje się przy małej liczbie (najczęściej do 7) przyborów sanitarnych lub punktów przyłączonych do instalacji.

Zastosowanie toalet podciśnieniowych zapewnia ten sam komfort użytkowania jak w przypadku tradycyjnych ustępów spłukiwanych, przy znacznie mniejszej ilości zużywanej wody (rys. 1). Przy spłukiwaniu nieczystości w toalecie podciśnieniowej część wody niezbędnej do hydrotransportu nieczystości zastępuje się powietrzem. Ilość wody zużywanej do spłukania miski ustępowej wynosi, w zależności od rozwiązania konstrukcyjnego, od 0,5 do 1,5 litra, podczas gdy tradycyjne ustępy spłukiwane potrzebują do tego celu od 5 do 12 litrów wody. Znane są różne rozwiązania misek ustępowych przystosowanych do odprowadzania samego kału, moczu lub kału i moczu1-2. Używa się również systemy z wytwarzaniem podciśnienia na żądanie do odprowadzania wody z innych przyborów sanitarnych.

Druga grupa systemów podciśnieniowych to kanalizacje z ciągłym utrzymywaniem podciśnienia. W literaturze anglosaskiej system ten określa się akronimem CVS (ang. Constans Vacuum System). Do rozwiązań tego typu zalicza się stosowane w Polsce kanalizacje podciśnieniowe.

Przyczyny zwiększonej energochłonności

Kanalizacja podciśnieniowa jest bardzo specyficznym rozwiązaniem technicznym, które błędnie porównuje się z układami lewarowymi. W układach lewarowych ruch wody odbywa się w sposób ciągły, a powstające hydrauliczne straty ciśnienia przyczyniają się do wytworzenia ciśnienia niższego od ciśnienia atmosferycznego. Prędkości przepływu w instalacjach lewarowych przyjmują wartości od 0,6 do 1 m/s. W przypadku kanalizacji podciśnieniowej ruch wody jest wywołany celowym, świadomie wytworzonym podciśnieniem w instalacji. Podczas otwarcia zaworu w przyborach sanitarnych lub studzienkach ścieki w nich zgromadzone są wciskane do systemu przewodów z obniżonym ciśnieniem łącznie z powietrzem atmosferycznym, wskutek czego powstaje złożony układ wodno-powietrzny. Ścieki przemieszczają się jako układ ?korków?, o różnym stosunku ścieków do powietrza z prędkością od 4 do 8 m/s. Taki charakter przepływu powoduje, że rurociągi wchodzące w skład kanalizacji podciśnieniowej są wolne od osadów, gdyż turbulentny ruch emulsji wodno-powietrznej prowadzi do oczyszczenia wewnętrznych ścianek kolektorów podciśnieniowych. Natura działania kanalizacji podciśnieniowej utrudnia obliczenia hydrauliczne, które najczęściej są wykonywane w oparciu o formuły empiryczne3-4 lub opierają się na niepublikowanych doświadczeniach firm specjalizujących się w projektowaniu i wykonawstwie tego typu instalacji.

Badania prowadzone w Chinach5 wykazały, że energochłonność kanalizacji podciśnieniowej zależy głównie od stosunku objętości powietrza wprowadzanego do instalacji do objętości usuwanych systemem ścieków:

wzór A (patrz obok)

Wraz ze wzrostem wartości wzór B (patrz obok) rośnie jednostkowe zużycie energii elektrycznej koniecznej do usunięcia ścieków przez system kanalizacji podciśnieniowej, przy czym zależność pomiędzy wskaźnikiem zużycia energii elektrycznej potrzebnej na odprowadzenie 1 m3 ścieków można oszacować na podstawie zależności:

wzór C (patrz obok)

Przy wydłużaniu się sieci kanalizacji podciśnieniowej wzrasta ilość powietrza wprowadzanego do przewodów podciśnieniowych. Jest to wynik działania zaworów opróżniających. W stosowanych krajowych rozwiązaniach czas otwarcia zaworu opróżniającego można regulować indywidualnie, najczęściej w zakresie od 5 do 12 sekund. W stanach awaryjnych zawory opróżniające są otwarte w sposób ciągły ? do czasu usunięcia awarii. Nadmiar wprowadzanego powietrza w stosunku do potrzeb wpływa niekorzystnie na sprawność energetyczną układu. W instrukcjach eksploatacji kanalizacji podciśnieniowych z reguły brakuje informacji o sposobie postępowania użytkowników studzienek z zaworami opróżniającymi w celu ograniczenia ilości powietrza wprowadzanego do rurociągów podciśnieniowych.

Drugi powód wysokiej energochłonności kanalizacji podciśnieniowej to mniejsza ilość wprowadzanych do systemu kanalizacji ścieków w stosunku do założeń projektowych. Jest to wynik niskiego zużycia wody wodociągowej przez użytkowników kanalizacji lub mniejszej liczby podłączonych źródeł ścieków w stosunku do planowanej ilości.

Energochłonność systemów kanalizacji podciśnieniowej zależy również od zastosowanych pomp wytwarzających podciśnienie. Najczęściej wymagane podciśnienie w zakresie od 30 do 60 hPa uzyskuje się przez zastosowanie pomp łopatkowych olejowych, w których wewnątrz cylindrycznej komory pompy umieszczony jest mimośrodowo zamontowany na wale walec z łopatkami (rys. 2). Podczas obrotu walca następuje przemieszczanie łopatek, których położenie kontrolowane jest przy pomocy sprężyn zamontowanych w gniazdach łopatek. Łopatki są wysuwane lub wciskane automatycznie przez sprężyny, więc zawsze przylegają do ścianek komory. Rzadko stosuje się do wytworzenia podciśnienia układy inżektorowe lub pompy próżniowe systemu Rootsa. Pompy podciśnieniowe zawsze muszą współpracować ze zbiornikami wyrównawczymi, których wielkość ma wpływ na energochłonność systemów CVS.

Warunki stosowania

Kanalizacje podciśnieniowe są zalecane przez Światową Organizację Zdrowia (WHO)1-2 jako ekonomicznie uzasadniony sposób sanitacji obszarów o wysokiej gęstości zaludnienia w krajach rozwijających się. W Polsce kanalizacje podciśnieniowe stosuje się na terenach o rozproszonej zabudowie i niskim wskaźniku zaludnienia. Skutkiem tego jest wzrost kosztów eksploatacji tych systemów, gdyż dla tych warunków wzrasta wartość wzór B (patrz obok) i rośnie jednostkowe zużycie energii elektrycznej na transport ścieków.

Kanalizacja podciśnieniowa jest powszechnie stosowana w krajach arabskich Zatoki Perskiej, w Chinach, na Sri Lance, w Australii i Nowej Zelandii. W państwach tych dostrzega się istotną zaletę kanalizacji podciśnieniowej. W odróżnieniu od grawitacyjnej i ciśnieniowej, ten sposób odprowadzania ścieków charakteryzuje się bardzo niską uciążliwością odorową, która wzrasta w miarę zwiększania się średniej temperatury otoczenia. Powstawanie odorów w systemach kanalizacji jest związane z zaistnieniem warunków beztlenowych w strefie wytrącających się osadów w kanalizacji grawitacyjnej oraz w kolektorach ciśnieniowych i przepompowniach w kanalizacji ciśnieniowej. Zmniejszenie uciążliwości odorowych można uzyskać przez systematyczne czyszczenie kolektorów grawitacyjnych, a w przypadku kanalizacji ciśnieniowych stosowanie preparatów ograniczających emisję odorów z przepompowni oraz studni rozprężnych. Koszty związane z tymi zabiegami bardzo często przewyższają koszty zwiększonego zużycia energii przez urządzenia do wytwarzania podciśnienia.

Do zalet działania kanalizacji podciśnieniowych należy zaliczyć możliwość szybkiego opróżnienia i przewietrzenia układu kanalizacyjnego. Ma to duże znaczenie w przypadku instalacji okresowo odprowadzających ścieki. Przykładem takich obiektów mogą być ośrodki wczasowe, obiekty sportowe itp. W okresie obniżonego odprowadzania ścieków system podciśnieniowy umożliwia usunięcie ścieków z części lub z całego układu oraz zabezpieczenie przed powstawaniem obrostów biologicznych i emisji odorów.

Wewnętrzne instalacje podciśnieniowe

W ostatnich latach wzrasta zainteresowanie zastosowaniem podciśnieniowych przyborów sanitarnych w wewnętrznych instalacjach kanalizacyjnych w budynkach usługowych, hotelarskich, mieszkalnych i użyteczności publicznej (rys. 3)6-7. Takie rozwiązania zaczęto wykorzystywać również w Polsce.

Najczęściej wewnętrzne instalacje podciśnieniowe służą do odprowadzania ścieków z misek ustępowych, które są podłączone przewodami do stacji wytwarzania podciśnienia. W przewodach podciśnieniowych utrzymywane jest podciśnienie ? od 30 do 60 kPa. Konieczność zapewnienia podciśnienia 30 kPa w instalacji wynika z faktu, że jest ono niezbędne do prawidłowej pracy zaworów odcinająco-opróżniających, instalowanych pomiędzy przyborami sanitarnymi a instalacją przewodów podciśnieniowych. Do instalacji podciśnieniowej można podłączyć również umywalki, prysznice, wanny, pisuary oraz podłogowe kratki ściekowe. Sprawność energetyczna instalacji podciśnieniowej zależy, analogicznie do kanalizacji podciśnieniowej, od stosunku wzór B (patrz obok). Należy jednak zwrócić uwagę na to, że podwyższone koszty zużycia energii na wytworzenie podciśnienia są rekompensowane w tych rozwiązaniach zmniejszeniem opłat za ilość zużytej wody i odprowadzanych ścieków. Jest to szczególnie ważne w przypadku, gdy obiekt nie jest podłączony do kanalizacji sieciowej, a ścieki są zbierane w zbiorniku bezodpływowym i wywożone taborem asenizacyjnym.

Podciśnieniowe instalacje kanalizacyjne szczególnie nadają się do zastosowania w obiektach eksploatowanych okresowo, np. na stadionach, w schroniskach, motelach, stanicach wodnych czy obiektach towarzyszących na polach golfowych. W piśmiennictwie i netografii można znaleźć przykłady zastosowań wewnętrznych instalacji kanalizacyjnych w bankach, hotelach, centrach handlowych i wystawowych oraz w budynkach mieszkalnych.

Należy zwrócić uwagę na fakt, że instalacje podciśnieniowe są zalecane do odprowadzania ścieków sanitarnych z klinik, szpitali, hospicjów itp. Dotychczas nie uwzględniano tego, że ścieki powstające w obiektach służby zdrowia, szczególnie obiektach zamkniętych, są nośnikiem specyficznych zanieczyszczeń mikrobiologicznych oraz substancji biologicznie aktywnych, zawartych w lekach i powstających z nich metabolitach. Zanieczyszczenia te powinny być dezaktywowane w miejscu ich powstawania i nie powinny być odprowadzane do zbiorczych kanalizacji sanitarnych bez oczyszczenia, co, niestety, jest dziś powszechnie praktykowane. Zmniejszenie ilości wody przy odprowadzaniu fekaliów pozwala na magazynowanie ścieków czarnych i zastosowanie indywidualnych metod ich utylizacji. Praktyka dowiodła, że klasyczna dezynfekcja tych ścieków z wykorzystaniem wapna chlorowanego nie zawsze daje zadowalające efekty w zakresie dezaktywacji substancji biologicznie czynnych oraz dezynfekcji. Prowadzone są badania nad nowoczesnymi metodami utylizacji ścieków czarnych z obiektów służby zdrowia z użyciem metod pogłębionego utleniania (metody AOP), mokrego utleniania oraz utleniania w stanie nadkrytycznym.

Potrzebna alternatywa

Kanalizacje podciśnieniowe nie powinny zniknąć z pola zainteresowań inżynierów sanitarnych, gdyż ten system nadal jest alternatywą dla grawitacyjnego i ciśnieniowego odprowadzania ścieków. Zastosowanie systemów CSV i VOD w instalacjach wewnętrznych stwarza nowe możliwości separacji ścieków u źródła ich powstawania, a dzięki temu pozwala na indywidualizację technik ich oczyszczania lub utylizacji. Najważniejsze jest jednak to, aby zdobywane w Polsce podczas eksploatacji systemów kanalizacji podciśnieniowych doświadczenia były przekazywane w formie bardziej szczegółowych analiz niż obecnie, gdyż praca inżyniera powinna opierać się głównie na faktach, a nie na mitach i sloganach.

prof. dr hab. inż. Janusz Łomotowski, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu

Źródła

  1. Health aspects of plumbing. WHO Press. World Health Organization, 20 Avenue Appia. 1211 Geneva 27. Switzerland 2006.
  2. WHO guidelines for the safe use of wastewater, excreta and greywater. Volume 4 Excreta and greywater use in agriculture. WHO Press. World Health Organization. 20 Avenue Apia. 1211 Geneva 27. Switzerland 2006.
  3. Kalenik M.L.: Empiryczny wzór do obliczania spadku ciśnienia w przewodach kanalizacji podciśnieniowej. Zeszyt monograficzny nr 2. Hydraulika tranzytowych systemów inżynierii sanitarnej. Wydawnictwo AGNI. Gdańsk. 2006.
  4. Kalenik M.: Eksperymentalne badania przepustowości zaworu opróżniającego stosowanego w kanalizacji podciśnieniowej. ?Gaz, Woda i Technika Sanitarna? 5/2005.
  5. Min L., Jingxuan Z.: Energy usage in VWCS applications. ?World Pumps? 3/2011.
  6. www.vacuumtoiletsaustralia.com.au.
  7. www.jetsgroup.com.
  8. www.pneumofore.com.