Zasady projektowania przelewów burzowych – udoskonalonych

Alternatywą dla tradycyjnych (konwencjonalnych) przelewów bocznych są obecnie konstrukcje niekonwencjonalne – o wysokich krawędziach przelewowych, zaopatrzone w urządzenia dławiące, takie jak np. rury dławiące, układy dławiące z łuków (bądź kolan), zastawki czy regulatory hydrodynamiczne, umożliwiające spiętrzenie ścieków w komorze przelewowej i w kanale powyżej przelewu - już przy strumieniu Q_gr. Wg PN-EN 752 celowe jest wówczas instalowanie krat, bezpośrednio przed przelewem, aby zapobiec zatykania się urządzeń dławiących. Przelewy takie uzyskały przewagę nad konstrukcjami tradycyjnymi z uwagi właśnie na:

• zmniejszenie prędkości przepływu w obrębie komory przelewowej i wzrost sprawności hydraulicznej przelewu (μ∈<0.5; 0.6>), a przez to znaczne skrócenie długości krawędzi przelewowych (zwykle do kilku metrów),

• wysoki stopień pewności ochrony oczyszczalni ścieków przed przeciążeniem, tj. stabilizacji granicznego strumienia objętości (Q_gr) odpływu ścieków na oczyszczalnię - do wartości Q_o =1,2Q_gr - przy maksymalnym dopływie ścieków (Q_d) do obiektu,

• wykorzystanie retencji kanałowej sieci do ograniczenia czasu i częstości działania przelewu w ciągu roku (- spłaszczenie hydrogramów dopływu ścieków do obiektu).

Działanie niekonwencjonalnego bocznego przelewu burzowego - z dławionym odpływem

Jednak dotychczasowa standaryzacja konstrukcji niekonwencjonalnych przelewów burzowych z rurą dławiącą (z lat 60-tych) jest nieodpowiednia, ze względu na zrzuty do odbiornika rumowiska wleczonego. Mianowicie, kanał dopływowy (przed przelewem) działa bowiem zawsze jak quasi osadnik, a odskok hydrauliczny występujący na czołowej ścianie komory przelewowej powoduje wymieszanie się zdekantowanych już w kanale dopływowym ścieków, z rumowiskiem wleczonym przy dnie kanału, co ma wpływ na pogorszenie się jakości zrzutów burzowych do odbiornika. Właściwe więc było zaproponowanie nowego standardu budowy przedmiotowych przelewów - poprawnego z technologicznego punktu widzenia i przeprowadzenie badań modelowych dających podstawy wymiarowania takich konstrukcji.

Rys. 28. Udoskonalony, niekonwencjonalny przelew burzowy - z komorą przelewową (1) z dwoma bocznymi krawędziami przelewowymi i komorą uspokajającą (2) oraz rurą dławiącą (3) odpływ ścieków do oczyszczalni

Usprawnienie (technologiczne) działania przelewów niekonwencjonalnych, poprzez zastosowanie tzw. komory uspokajającej za przelewem (2 - rys. 28), sprawia, iż zdecydowana większość rumowiska wleczonego przy dnie kanału trafia na oczyszczalnię ścieków, a przez to zmniejsza się ładunek zanieczyszczeń odprowadzanych z przelewów bezpośrednio do odbiornika. Odskok hydrauliczny nie występuje już bowiem w obrębie komory przelewowej.

Udoskonalanie konstrukcji bocznego przelewu (z dławionym odpływem) powoduje więc uspokojenie warunków przepływu w obrębie komory przelewowej, poprzez odsunięcie odskoku hydraulicznego, wytwarzającego się na ścianie czołowej kanału (z wlotem do rury dławiącej – rys. 27), poza obręb przelewu. Odskok hydrauliczny powoduje zawsze mieszanie się zdekantowanych już osadów dennych z „czystą” cieczą płynącą powyżej, a zwłaszcza powyżej wysoko umieszczonej krawędzi przelewowej (warstwa przelewowa h_p).

Technologiczny aspekt działania kanału dopływowego i przelewu z komorą uspokajającą

Strefa mieszania się „czystych” ścieków z osadami dennymi – poza obrębem przelewu powoduje, że przelew zrzuca jedynie „czyste” ścieki, a wymieszane ścieki trafiają w całości do oczyszczalni, bowiem mniejsza energia kinetyczna (prędkość) za przelewem uniemożliwia już cofanie się ich do komory przelewowej. Racjonalna długość komory uspokajającej za przelewem powinna mieć wartość równą w przybliżeniu dwóm średnicom/wysokościom kanału dopływowego (l_u=2D lub H_k).

Podstawy hydraulicznego wymiarowania udoskonalonych konstrukcji przelewów burzowych z dławionym odpływem, sformułowano w pracach autora. Model matematyczny działania przedmiotowych przelewów oparto na różniczkowym równaniu ruchu, określającym swobodne przepływy w komorze przelewowej oraz na uogólnionym równaniu Bernoulliego, określającym ciśnieniowy przepływ w rurze dławiącej bądź w układach kolan lub łuków.

Do opracowywania procedury obliczeniowej przelewów burzowych z rurą dławiącą, przyjęto następujący tok postępowania (- instrukcja z przykładem obliczeniowym, 2006r.):

• dla strumienia ścieków pogody bezdeszczowej (Q_ść) dobiera się średnicę rury dławiącej (d_r) - uwzględniając warunki samooczyszczania się kanału;

• dla granicznego strumienia objętości (Q_gr) dopływu do przelewu przyjmuje się odpowiednią wysokość (p) krawędzi przelewowej - uwzględniając warunki hydrauliczne wystąpienia w obrębie przelewu spokojnego przepływu, a następnie oblicza niezbędną długość (l_r) rury dławiącej (o przyjętej średnicy d_r dla Q_śc);

• dla strumienia maksymalnego (Q_d) określa się żądany rozdział przepływów na przelewie:

  • dla przyjętego odpływu do oczyszczalni Q_o∈<1,1Q_gr; 1,2Q_gr> oblicza się straty w rurze dławiącej oraz wysokość warstwy przelewowej h_k na końcu przelewu;

  • dla strumienia odpływu do odbiornika Q=Q_d–Q_o i obliczonej wysokości h_k wyznacza się iteracyjnie niezbędną długość krawędzi przelewowej (l_p).

Przyjęto przy tym założenie, że kształt przekroju poprzecznego komór przelewowej i uspokajającej do wysokości osi poziomej przekroju - tzw. pach kanału - jest taki sam jak kanału dopływowego, tj. do wysokości D/2 - dla kanałów o przekroju kołowym i o średnicy D, bądź do wysokości 2H_k/3 - dla kanałów jajowych o wysokości przekroju H_k, itp. Powyżej tej wysokości komory mają przekrój prostokątny: o szerokości b=D - dla kanałów kołowych bądź b=2H_k/3 - dla kanałów jajowych, itp. Długość komory uspokajającej l_u=2D lub l_u=2H_k za przelewem (rys. 29) wynika z zachowania warunku transportu rumowiska wleczonego do oczyszczalni.