Метод транспортировки сточных вод от источника до очистных сооружений
Вакуумная канализация или пневматическая канализационная система — это метод транспортировки сточных вод от источника к очистным сооружениям . Она поддерживает частичный вакуум , с давлением воздуха ниже атмосферного внутри сети труб и сборного резервуара вакуумной станции. Клапаны открываются и закрываются автоматически при использовании системы, поэтому дифференциальное давление может поддерживаться без больших затрат энергии на перекачку. Одна центральная вакуумная станция может собирать сточные воды нескольких тысяч отдельных домов, в зависимости от рельефа местности и местной ситуации. [1] [ требуется лучший источник ]
Вакуумная канализация была впервые установлена в Европе в 1882 году. Голландский инженер Чарльз Лиернур первым применил дренаж с отрицательным давлением в канализации во второй половине 19 века. [2] [ необходим неосновной источник ] Техническая реализация систем вакуумной канализации началась в 1959 году в Швеции. [ необходима ссылка ]
Исторически вакуумные канализационные системы были нишевым продуктом , используемым только в поездах , самолетах и на равнинах с песчаными почвами и высоким уровнем грунтовых вод . Гравитационные канализационные системы использовались в большинстве случаев, поскольку, хотя вакуумные канализационные системы были дешевле в установке, их обслуживание было более дорогим. В 20 веке технология вакуумной канализации значительно улучшилась: датчики обнаружения неисправностей снизили расходы на эксплуатацию и обслуживание , и некоторые операторы теперь считают, что вакуумные канализационные системы могут быть дешевле в эксплуатации, чем обычные гравитационные канализационные системы. [3]
Основные элементы
Основными компонентами системы вакуумной канализации являются сборные камеры и детали вакуумных клапанов, канализация, центральная вакуумная станция, а также компоненты контроля и управления.
Некоторые вакуумные системы имеют вакуумные туалеты , которые напрямую подключены к вакуумной линии, что требует меньше воды для смыва (менее четверти литра на смыв). [4] Другие используют стандартный гравитационный дренаж для первой фазы сбора; сточные воды текут под действием силы тяжести из каждого дома, как в стандартной системе. Они сбрасываются в сборный поддон , который может собирать сточные воды из 2-6 домов и находится в общественном месте.
Вакуумная технология основана на перепаде давления воздуха. Пластинчато-роторные вакуумные насосы создают рабочее давление от -0,4 до -0,6 бар на вакуумной станции, которая также является единственным элементом вакуумной канализации, который должен быть запитан от электроэнергии.
Интерфейсные клапаны устанавливаются внутри сборных камер. Они работают пневматически. После достижения определенного уровня заполнения внутри этого поддона интерфейсный клапан открывается. Импульс на открытие клапана передается пневматически-механически управляемым контроллером. Для открытия или закрытия клапана не требуется электричество. Энергия обеспечивается самим вакуумом.
Пока клапан открыт, результирующий перепад давления между атмосферой и вакуумом становится движущей силой и транспортирует сточные воды и воздух к вакуумной станции. Помимо этих сборных камер, не нужны никакие другие люки, ни для изменения направления, ни для осмотра или подключения ответвлений. Высокие скорости потока предотвращают засорение или образование отложений в системе.
Большие системы с многочисленными камерами сбора выигрывают от предоставления системы мониторинга для удаленного мониторинга вакуумных клапанов и отстойников. Такие системы позволяют намного быстрее устранять неполадки и облегчают профилактическое обслуживание камер сбора и клапанов. Однако системы мониторинга являются дополнительными системами и не требуются для работы систем вакуумной канализации.
Системы вакуумной канализации считаются свободными от экс- и инфильтрации, что позволяет использовать их даже в водоохранных зонах. По этой причине линии вакуумной канализации могут даже прокладываться в той же траншее, что и линии питьевой воды (в зависимости от местных правил).
Для обеспечения надежной транспортировки линия вакуумной канализации прокладывается в пилообразном (по длине) профиле. [5] Вся вакуумная канализация заполнена воздухом под давлением от -0,4 до -0,6 бар. Самым важным аспектом для надежной работы является соотношение воздуха и жидкости. Когда система хорошо спроектирована, канализация содержит только очень небольшое количество сточных вод. Соотношение воздуха и жидкости обычно поддерживается путем одновременного сбора жидкости/воздуха или контроллеров, которые регулируют время их открытия в соответствии с давлением в системе.
Канализация может быть проложена по ровной местности, а части могут течь вверх по склону (в определенных пределах). Профиль пилы делает канализационные линии неглубокими; [5] в безморозном климате глубина траншеи может составлять около 1,0–1,2 м. Напротив, для гравитационной канализации требуется монотонно падающий уклон не менее 0,5–1,0%, что может означать необходимость дорогостоящих траншейных и насосных станций.
После того, как сточные воды поступают в вакуумный сборный резервуар на вакуумной станции, они перекачиваются в точку сброса, которая может быть либо гравитационной канализацией, либо станцией очистки. Поскольку время пребывания сточных вод внутри системы очень короткое, и сточные воды постоянно смешиваются с воздухом, сточные воды остаются свежими, и предотвращается любое загрязнение внутри системы (меньше H2S ) .
Преимущества
Закрытая, механически/пневматически управляемая система с центральной вакуумной станцией. Электроэнергия нужна только на этой центральной станции
отсутствие осадка из-за самоочистки на высоких скоростях
нет необходимости в намотке и обслуживании канализационных линий
люки не требуются
Обычно требуется только одна вакуумная насосная станция, а не несколько станций, как в гравитационных и низконапорных сетях. Это освобождает землю, снижает затраты на электроэнергию и снижает эксплуатационные расходы.
Инвестиционные затраты могут быть снижены до 50% за счет простого рытья траншей на небольшой глубине, близко к поверхности
Гибкий трубопровод позволяет преодолевать препятствия как над, так и под ними
сокращение времени установки
канализационные трубы малого диаметра из материалов ПНД, ПВХ; экономия материальных затрат
аэрация сточных вод, меньшее образование H2S , с его опасностями для рабочих, жителей, а также коррозия труб могут быть предотвращены; сточные воды остаются свежими
никаких запахов вдоль закрытых вакуумных канализаций
отсутствие инфильтрации ливневых вод, следовательно, меньшая гидравлическая нагрузка на очистные сооружения
отсутствие утечек сточных вод (вакуум предотвращает эксфильтрацию), что не только выгодно с точки зрения экологии/общественного здравоохранения, но и делает ремонт труб более простым и гигиеничным для ремонтников [6]
канализационные трубы можно прокладывать в одной траншее с другими магистралями, в том числе с питьевой водой или ливневыми стоками, а также в водоохранных зонах
Более низкие затраты на поддержание в рабочем состоянии в долгосрочной перспективе благодаря неглубокой траншее и простоте обнаружения проблем [7]
В сочетании с вакуумными туалетами он создает концентрированные потоки отходов, что делает возможным использование различных методов очистки сточных вод, например, анаэробной очистки.
Недостатки
Вакуумные системы не способны транспортировать сточные воды на очень большие расстояния, но могут перекачивать их на большие расстояния от вакуумной станции до следующих очистных сооружений или главного самотечного коллектора.
Системы вакуумной канализации способны собирать сточные воды только в пределах отдельной системы (не предназначены для сбора ливневых вод)
линии могут достигать только 3–4 км при прокладке по ровной местности (ограничения системы из-за потерь напора (3–4,5 м) (трение и статика))
Системы должны быть спроектированы с помощью опытного производителя (концепции обычно бесплатны)
На центральной вакуумной станции требуется внешняя энергия; на случай отключения электроэнергии необходим аварийный источник питания, например, резервный генератор. [8]
вблизи вакуумной станции могут возникать запахи, может потребоваться биофильтр
целостность трубных соединений имеет первостепенное значение
смазка может засорить трубку датчика (при неправильной настройке), поэтому потребуется профилактическая очистка
Вакуумные клапаны могут застрять в открытом положении, что приведет к падению давления во всей системе. Однако система мониторинга может помочь немедленно обнаружить застрявшие в открытом положении клапаны
Приложения
Системы вакуумной канализации могут быть предпочтительными в особых обстоятельствах, таких как:
Транспорт
Поезда, самолеты, автобусы и многие корабли с водопроводом обычно имеют вакуумные системы с вакуумными туалетами. Меньшее потребление воды (менее четверти литра на смыв) [4] экономит вес и предотвращает выплескивание воды из унитаза во время движения. [9] Туалеты самолетов могут смываться синим дезинфицирующим раствором, а не водой. [4] Используется переносная камера для сбора; если она заполняется из промежуточной вакуумной камеры, ее не нужно держать под вакуумом. [10] [ нужен лучший источник ]
Сухие районы
Нехватка воды во многих странах и радикальные меры по экономии воды привели к трудностям со старением гравитационных сетей с твердыми частицами, засоряющими трубы. Вакуумные системы экономят воду.
Болотистая, каменистая или вечномерзлая местность
Равнинная местность , неблагоприятные почвы (каменистая или болотистая) или высокий уровень грунтовых вод (что требует дренажных траншей) могут значительно удорожать системы гравитационной канализации. Вакуумные канализационные трубы имеют небольшой диаметр и протекают внутрь, а в районах, где нет заморозков, их можно прокладывать близко к поверхности в небольших траншеях.
Водоохранные зоны, природопользование
Вакуумные канализационные системы могут проходить через водоохранные зоны и зоны с чувствительным высоким уровнем грунтовых вод, поскольку нет опасности испортить ресурсы грунтовых вод (вакуумные канализационные системы обладают высокой герметичностью из-за своего материала; и если они протекают, то текут внутрь). Вакуумные системы используются во многих экологически чувствительных зонах, таких как курорт Couran Cove Eco Resort недалеко от Барьерного рифа в Австралии. Они также использовались для замены септиков для снижения уровня азота в грунтовых/поверхностных водах. [11]
Вакуумные системы также применяются для сбора токсичных сточных вод из окружающей среды.
Сезонно-отрицательный климат
Если температура в регионе опускается ниже нуля зимой, вакуумная линия заглубляется ниже линии промерзания , в грунт, который остается незамерзающим круглый год (как и обычные гравитационные канализационные системы). Клапаны, сборные ямы, впускные отверстия и системы управления должны быть спроектированы так, чтобы продолжать функционировать, несмотря на холод, снег и лед. Датчики контроля температуры также являются стандартными, поэтому проблемы можно заметить на ранней стадии.
В случае острова Плам (Массачусетс) остров был подвержен заморозкам и обильным снегопадам, что изначально затрудняло обнаружение потенциальной проблемы. Изменения в их установке ямы и мониторинге в яме клапана помогли с обслуживанием.
Во многих странах Северной Европы используются вакуумные канализации, поэтому полезно иметь какой-либо маркер или средство мониторинга для обнаружения клапанов, если они находятся под снегом в течение длительного времени.
Низкая или сезонная плотность населения
При меньшей плотности населения затраты на сборные камеры и вакуумные станции менее существенны, чем затраты на установку труб, а для гравитационной канализации — насосных станций и т. д. Пневматические трубы, как правило, меньше гидравлических труб с гравитационным отводом [ необходима ссылка ] В безморозном климате трубы для вакуумной системы также можно закапывать неглубоко, чем для гравитационной системы.
Высокая удельная длина трубопровода, когда требуемая длина трубы превышает ~4 метра на одного жителя [ необходима ссылка ] , приведет к удешевлению вакуумной системы.
В сезонных поселениях (зоны отдыха, кемпинги и т. д.) с обычными гравитационными канализационными системами могут легко возникнуть проблемы с седиментацией, поскольку автоматическая промывка ежедневными сточными водами не происходит. Высокие скорости потока в вакуумных канализационных системах предотвращают такие проблемы с седиментацией. По этой причине гоночные трассы Формулы-1 в Шанхае и Абу-Даби используют вакуумную канализационную систему. [ необходима цитата ]
Исторические места
Исторические места могут иметь старые здания, узкие улочки и крутой рельеф. Туризм также может вызывать сильные сезонные колебания плотности населения. Системы вакуумной канализации могут быть выбраны из-за их быстрой (избегая конфликтов с движением и туризмом), экономически эффективной и гибкой установки. Примерами являются Флавиньи-сюр-Озерен , Франция , и Хасаб и Аль-Сиб в Омане .
Уход
Системы вакуумной канализации можно настроить так, чтобы они собирали только концентрированную черную воду (туалетные сточные воды), а серую воду из раковин и ванн собирали отдельно (серую воду гораздо проще очищать, чем черную). Биотвердые частицы из вакуумной системы не нужно разбавлять водой для смыва.
Канализационные системы обычно термофильно компостируют твердые биологические отходы , которые были отделены и обезвожены из стандартной гравитационной канализации. [12] [13] Этот процесс проще, если твердые биологические отходы никогда не смачиваются водой.
Компостирование при высоких температурах убивает патогены и семена. [13] [14] Компост из биоотходов необходимо компостировать при высоких температурах. [15]
Сточные воды также могут быть очищены в анаэробном процессе с получением биогаза . Такая конструкция имеет потенциал для повышения устойчивости водных инфраструктур. [16]
В 2014 году компания Selawik провела реконструкцию своей вакуумной канализационной системы, сэкономив более 217 000 долларов в год на расходах на электроэнергию. [17]
Засушливые регионы
Системы вакуумной канализации становятся все более востребованными, особенно на Ближнем Востоке (Объединенные Арабские Эмираты, Катар, Бахрейн, Оман), благодаря простоте и быстроте монтажа, а также экономии воды и простоте обслуживания.
Остров Пальма Джумейра , расположенный на побережье города Дубай, Объединенные Арабские Эмираты, имеет низкую, ровную местность с высоким уровнем грунтовых вод, водоохранной зоной, необходимостью сохранения пресной воды и низкой плотностью населения. Поэтому он установил вакуумную канализационную систему. Около 23 000 человек (или 2000 зданий) будут подключены к этой вакуумной канализационной системе. Система имеет только одну центральную вакуумную станцию, обслуживающую 40 км канализационной линии. Вакуумная станция считается крупнейшей вакуумной станцией в мире. [1] [ необходим непервичный источник ]
В экогороде Масдар , ОАЭ, также используется система вакуумной канализации для отделения серой воды от черной.
В последнее время вакуумные канализационные системы становятся популярными также для промышленных и коммерческих проектов, где образуется мало бытовых сточных вод и где гибкость вакуумной канализационной системы позволяет легко координировать ее с большим количеством других коммунальных услуг в земле. Хорошие примеры можно найти снова на Ближнем Востоке, например, некоторые небольшие промышленные зоны в эмирате Рас-эль-Хайма или недавно построенный алюминиевый завод Qatalum в Катаре, крупнейший в мире завод по производству первичного алюминия.
Системы вакуумной канализации используются не только в Европе или на Ближнем Востоке, но даже в слаборазвитых странах третьего мира. Несколько систем вакуумной канализации уже построены или в настоящее время строятся в Африке (ЮАР, Ботсвана, Намибия) для поселков и сельских районов, где преимущества быстрого строительства, экономичной рытья траншей и высокой гибкости стали полностью эффективными.
Австралия стала одним из крупнейших пользователей вакуумных канализационных систем из-за низких затрат на установку и эксплуатацию. Самая большая система на сегодняшний день находится в комплексе Tea Gardens в Новом Южном Уэльсе, который в конечном итоге будет обслуживать более 4500 домов. Корпорация Water Corporation в Западной Австралии считается крупнейшим владельцем вакуумных систем в мире, и теперь под ее оперативным контролем находится более 30 схем.
Районы с высоким уровнем грунтовых вод
В Великобритании хорошо развита система вакуумной канализации. Наиболее широко обслуживаемый регион — низинные болота Восточной Англии. Высокий уровень грунтовых вод (в некоторых случаях менее 1 метра ниже поверхности) и плохие грунтовые условия привели к тому, что местная водопроводная компания Anglian Water перешла на использование вакуумной канализации, воспользовавшись потребностью системы в трубах малого диаметра, проложенных в неглубоких траншеях, что значительно снижает потребность в насосных станциях, которые потребовались бы для обычных систем гравитационной канализации. Самая крупная система вакуумной канализации в этом регионе обслуживает деревни Аутвелл и Апвелл; четыре станции вакуумного сбора обслуживают около 1500 домов в этой агломерации. По первоначальным расчетам для обычной гравитационной канализации для обслуживания района, ранее обслуживаемого бытовыми септическими отстойниками, на участке потребовалась бы установка 32 насосных станций. При использовании системы вакуумной канализации это количество насосных станций было сокращено до четырех вакуумных станций. Другие компании в Великобритании, такие как Southern Water, также эксплуатируют системы вакуумной канализации.
На севере Германии с 1970-х годов функционирует несколько сотен систем. [ требуется ссылка ] Планируется строительство большего количества систем. [18] Застройка 770-квартирного комплекса Jenfelder Au в Гамбурге была запланирована с вакуумной канализацией. [16]
Город Оушен Шорс, штат Вашингтон, является хорошим примером надежности и выносливости вакуумной канализации. Городская вакуумная система является одной из крупнейших в мире, и она также является зрелой; большинство ее компонентов старше 20 лет и должны работать в сложных эксплуатационных условиях вместе с гравитационной канализацией и системами насосов-измельчителей. [19]
В округе Сарасота, штат Флорида [20], а также в других населенных пунктах Флориды были внедрены вакуумные системы, в некоторых случаях в качестве меры по борьбе с эвтрофикацией . [21]
Хорошие примеры можно найти на Мальдивах, постцунами проект WATSAN ЮНИСЕФ - ООН, где на нескольких островах вакуумные канализационные системы оказались наилучшим вариантом. Несколько других проектов, в основном для курортов, уже были реализованы на Мальдивах.
Провинстаун, Массачусетс, США
Районы с сезонными заморозками
Самая большая установка в Европе (несколько вакуумных станций) находится в Герасдорфе (недалеко от Вены), Австрия, где многочисленные преимущества вакуумной канализационной системы помогли преодолеть сложные условия в этой горной местности. [ необходима ссылка ]
^ См. (Гиббс 2016): «Когда мы проводили пилотное проектное исследование в 1993 году, мы подсчитали, что сравнение оценки текущей стоимости вакуумной и гравитационной канализации пересечется через 20 лет», — отмечает он. «В тот момент мы предсказывали, что вакуумная канализация будет дороже из-за обслуживания и ремонта. Это основывалось в основном на данных, известных на тот момент. Прошло 23 года, и мы все еще далеки от первоначально оцененных затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание», — продолжает Бич. «Мы не пересекли линию текущей стоимости, и, вероятно, пройдет еще 10 лет, прежде чем эти линии пересекутся».
^ abc Кромвель, Боб. "Туалеты для самолетов". toilet-guru.com . Туалеты мира.
^ ab См. (Гиббс 2015): «Одной из интересных вещей, которые я узнал о вакуумных канализационных системах, является то, что они работают под действием силы тяжести», — отмечает Гарри. «Линии сбора имеют пилообразный профиль. Вакуумное давление в линиях помогает силе тяжести перемещать канализационные пробки к очистным сооружениям. Этот тип инновационной конструкции позволяет устанавливать вакуумные канализационные магистрали на гораздо меньшей глубине, чем гравитационные канализации».
^ См. (Гиббс 2016): «Утечки в вакуумной магистрали или отводе также редки... «Это одна из вещей, которые мы ценим в вакуумных канализационных системах: если в линии есть утечка, вакуумное давление всасывает все, что находится вокруг отверстия, а не выливает сточные воды в окружающую среду», — отмечает Рид. «Нам не нужно ремонтировать линию, стоя в канализации».
^ См. (Гиббс 2016): «Рид сказал, что его команда может обнаружить местонахождение небольших утечек, просматривая диагностические данные на вакуумной станции, чтобы определить конкретную область, а затем прислушиваясь к всасывающему звуку всасываемого воздуха... «Обычно мы можем обнаружить утечку менее чем за 30 минут. Если вы не можете найти ее за 30 минут, это должно быть очень маленькое отверстие». Ремонт вакуумной канализации обычно выполняется быстро и легко, поскольку коллекторные линии зарыты всего на глубину 3–4 футов. Обычно для выкапывания протекающей трубы требуется всего лишь небольшой экскаватор».
↑ См. (Гиббс 2015): «Он отмечает, что на вакуумных станциях есть аварийные генераторы, которые включаются при отключении электроэнергии».
^ «Как работает туалет в коммерческом авиалайнере?». howstuffworks.com . HowStuffWorks. 1 апреля 2000 г.
^ См. (Гиббс 2015): «Важным шагом в восстановлении залива Кингс стала установка двухфазной вакуумной канализации. Целью проекта было избавить территорию от почти 600 устаревших септиков, которые загрязняли грунтовые воды и способствовали накоплению азота в заливе».
^ ab Turovskiy, Izrail S.; Westbrook, Jeffrey D. (1 октября 2002 г.). "Последние достижения в компостировании осадка сточных вод". www.wwdmag.com . Water & Wastes Digest.
^ "BioSolids Composting". www.cdaid.org . Город Кер-д'Ален, Айдахо.
^ ab "KREIS - Kopplung von regenerativer Energiegewinnung mit Innovationr Stadtentwässerung" . kreis-jenfeld.de . Архивировано из оригинала 29 декабря 2013 года . Проверено 10 апреля 2016 г. .(на английском языке, несмотря на немецкое название)
^ «Консорциум по охране здоровья коренных народов Аляски, Отделение охраны окружающей среды и инженерии, Заключительный отчет» (PDF) , energy.gov , Министерство энергетики США, сентябрь 2014 г.
^ Хербст, Генрих (ноябрь 2009 г.), Ökonomische Bewertung von Abwasserinfrastruktursystemen (PDF) (на немецком языке)
^ См. (Гиббс 2016): «Город Оушен-Шорс, штат Вашингтон, представляет собой ценный пример надежности и долговечности вакуумной канализации. Вакуумная система города является одной из крупнейших в мире, и она также является зрелой; большинство ее компонентов старше 20 лет и должны функционировать в сложных эксплуатационных условиях. Что делает Оушен-Шорс еще более ценным для сравнительного исследования канализационных систем, так это то, что в нем также есть системы гравитационной канализации и насосы-измельчители, которые необходимо обслуживать».
^ "PCS: Строительство вакуумной канализации". scgov.net . Округ Сарасота. 13 октября 2007 г. Архивировано из оригинала 13 октября 2007 г.
^ "Booms and Blooms", wwdmag.com , Водный и отходный дайджест
^ "Информационный листок о системе вакуумной канализации" (PDF) . ci.carnation.wa.us . Город Карнейшн. 23 мая 2004 г. Архивировано из оригинала (PDF) 23 мая 2004 г.
^ ab "Замерзшие вакуумные канализации и уроки Европы". flovac.com . Системы вакуумной канализации Flovac. 29 мая 2015 г.
Цитируемые работы
«Раздел 5.10. Вакуумная канализация». Очистка/удаление сточных вод для небольших населенных пунктов: Руководство (отчет). Вашингтон, округ Колумбия: Агентство по охране окружающей среды США (EPA). 1992. С. 84–88. EPA 625/R-95/005.
Гиббс, Стив (30 сентября 2015 г.). «Crystal River работает над спасением ламантинов и местной экономики». informedinfrastructure.com . Информированная инфраструктура.
Гиббс, Стив (18 октября 2016 г.). «Соблюдение чистоты на берегу океана: прибрежный город полагается на вакуумную канализацию». informedinfrastructure.com . Информированная инфраструктура.