Режим течения сточных вод в наружной канализационной сети

Сточная жидкость, транспортируемая по канализационным сетям, является полидисперсной системой с большим количеством плотных и жидких нерастворимых примесей.

Масса нерастворимых примесей, транспортируемых по бытовым ка­нализационным сетям, составляет около 0,065 кг на одного жителя в сут­ки по сухому веществу. При сплаве по канализационной сети измель­ченных бытовых отбросов она возрастает примерно до 0,1 кг на одного жителя в сутки. При малых скоростях течения нерастворимые примеси могут выпадать в трубах в виде осадка, что приводит к уменьшению пропускной способности, засорению, а иногда и к полной закупорке труб, а устранение засорения и закупорки связано со значительными трудностями. В нормально работающей канализационной сети нерас­творимые примеси, содержащиеся в сточных водах, должны непрерыв­но транспортироваться потоком воды.

Чтобы избежать засорения канализационной сети осадками, необхо­димо знать:

а) режим движения сточной жидкости;

б) критические или, как их называют в практике расчета канализационных сетей, самоочи­щающие скорости течения;

в) транспортирующую способность потока сточных вод.

Изучением явлений, связанных с транспортированием сточной жид­костью взвешенных веществ и с режимом движения сточной жидкости в канализационной сети, занимались профессора А. Я. Милович, Б. О. Ботук, Н. Ф. Федоров, С. В. Яковлев, инж. А. В. Грицук, канди­даты технических наук А. А. Карпинский, Н. А. Масленников, С. К- Колобанов и др., а также зарубежные ученые. Многочисленные исследо­вания показали, что в канализационной сети хорошо транспортируются органические нерастворимые вещества и плохо — нерастворимые мине­ральные примеси, главным образом песок, который при неблагоприят­ных гидравлических условиях выпадает в осадок.

Рис. 3 3. Фракционный состав отложений (а) и схема непрерывного передвижения их в канализационной сети (б)

1 — бытовой, 2 — дождевой, 3 — общесплавной

В осадках, выпавших в канализационной сети, содержится от 3 до 8% по объему органических веществ, в основном крупностью более 1 мм, и от 92 до 97% минеральных веществ крупностью в среднем около 1 мм, в том числе до 75% веществ крупностью менее 0,5 мм. Больше всего в осадке содержится песка; по данным различных исследований, коли­чество его составляет от 70 до 90%. Плотность уплотненного осадка бытовых канализационных сетей составляет в среднем 1,6 т/м³, а не­уплотненного (с учетом пористости) — 1,4 т/м³.

Фракционный состав осадка в разных системах канализации, по ис­следованиям проф. Н. Ф. Федорова, сильно не различается (рис. 3.3, а). На крупность фракций и состав осевшего в коллекторах осадка оказы­вает влияние скорость потока жидкость.

Опыт эксплуатации действующих канализационных сетей подтверж­дает, что все существующие коллекторы по транспортирующей способ­ности можно разбить на три группы (соответствующие трем состояни­ям потока), в которых:

1) обеспечивается необходимая скорость и ни­когда не наблюдается выпадения осадков; прочистка таких коллекто­ров не требуется;

2) наблюдается волнообразное передвижение песка; прочистка таких коллекторов также не требуется (рис. 3.3,б);

3) гид­равлические уклоны малы и транспортирующая способность потока недостаточна; осадки в таких коллекторах выпадают сплошным мощным и уплотненным слоем.

Вследствие образования в трубах нового ложа из осадков гидрав­лические сопротивления возрастают и достигают значений, равных со­противлению при течении жидкости по земляному руслу. Эксплуатация таких коллекторов возможна только при их регулярной прочистке.

Потери энергии (напора) при движении жидкостей по трубам и каналам могут быть выражены уравнением

где — коэффициент, учитывающий влияние размеров трубы, шеро­ховатость ее стенок и вид жидкости; — показатель степени, учитывающий влияние скорости движе­ния жидкости; при ламинарном движении m=1, при турбу­лентном m= 1,75… 2.

Характеристикой режима потока служит безразмерное число Рейнольдса , которое для круглых труб при полном заполнении может быть выражено формулой

где — средняя скорость движения жидкости; — диаметр труб; — кинематический коэффициент вязкости жидкости.

Исследованиями движения чистой воды установлено, что при < 2320 режим движения будет ламинарным, а при > 2320 — турбу­лентным.

Движение жидкости в канализационной сети происходит в турбу­лентном режиме. При этом режиме непосредственно у стенки трубы возникает очень тонкий слой воды с ламинарным движением.

При малых величинах слой больше высоты выступов шерохо­ватой стенки (см. рис. 3.2,в). В этом случае шероховатость труб не вызывает дополнительного сопротивления и вода движется, как в гладких трубах. С увеличе­нием средней скорости потока уменьшается величина , высту­пы на стенах труб обнажаются и трубы становятся гидравлически шероховатыми, что ведет к уве­личению коэффициента сопротив­ления движению. Таким образом, в зависимости от скорости тече­ния трубы могут работать в глад­кой и шероховатой зонах, а так­же в переходной области между ними.

Основными гидравлическими характеристиками потока жидко­сти являются: расход Q, средняя скорость потока v, площадь жи­вого сечения потока , гидравли­ческий радиус R, гидравлический уклон I, коэффициент шероховатости стенок трубы n.

Движение сточных вод на отдельных участках канализационной се­ти может быть равномерным и неравномерным.

Равномерным называется такое движение, при котором средняя ско­рость потока по длине русла не изменяется. Оно может быть только:

1) при постоянстве расхода (q=const), площади живого сечения пото­ка (w=const), гидравлического уклона, равного уклону дна русла при безнапорном движении (I = i = const), или давления (p=const) в на­чальной точке при напорном потоке (рис. 3.4);

2) при однотипной ше­роховатости смоченной поверхности русла по его длине и в поперечном сечении;

3) при отсутствии местных сопротивлений.

Неравномерным движением называется такое, при котором в раз­ных по площади живых сечениях русла средняя скорость потока неоди­накова.

На рис. 3.5 показана неравномерность движения сточных вод в сети по замерам канд. техн. наук С. К. Колобанова. Фактические скорости движения воды в сети резко изменялись вследствие местных сопротив­лений, создавались подпоры, что способствовало выпадению осадков. Неравномерность движения жидкости в сети осложняется тем, что по­ступление сточных вод не остается постоянным, а изменяется по часам суток и увеличивается от боковых присоединений сети. Все это позволя­ет считать, что движение жидкости в канализационной сети не только неравномерное, но и неустановившееся.

Неустановившийся режим движения сточных вод проявляется более резко в трубах малого диаметра. В коллекторах большого диаметра мелкие попутные присоединения, несущие малые расходы сточных вод, не оказывают влияния на режим потока.

Вследствие сложности расчета канализационной сети по формулам неравномерного движения, из-за неоднородности состава и неравномер­ности режима поступления сточных вод в сеть, гидравлический ее расчет производят по универсальным формулам равномерного движения в ше­роховатой, гладкой и переходкой областях турбулентного режима.

С.В. Яковлев

«Канализация», -М, Стройиздат, 1975