Вакуумная канализация

Схема вакуумной канализационной системы

на Вакуумный туалет кольцевой развязке Лау Фау Шан в Гонконге.

Переносная вакуумная канализационная система на нижней стороне вагона поезда, обслуживающая вакуумный туалет и раковину внутри поезда.

Вакуумная канализационная или пневматическая канализационная система — это метод транспортировки сточных вод от источника до очистных сооружений . Он поддерживает частичный вакуум с давлением воздуха ниже атмосферного внутри трубопроводной сети и резервуара для сбора вакуумной станции. Клапаны открываются и закрываются автоматически при использовании системы, поэтому перепад давления можно поддерживать без затрат большого количества энергии на перекачку. Одна центральная вакуумная станция может собирать сточные воды нескольких тысяч отдельных домов, в зависимости от местности и местной ситуации.

Вакуумная канализация была впервые установлена ​​в Европе в 1882 году. Голландский инженер Чарльз Лиернур впервые применил дренаж отрицательного давления в канализации во второй половине 19 века. Техническое внедрение вакуумных канализационных систем началось в 1959 году в Швеции.

Исторически вакуумная канализация была нишевым продуктом , используемым только в поездах , самолетах и ​​на равнинных участках с песчаными почвами и высоким уровнем грунтовых вод . В большинстве случаев использовалась самотечная канализация , поскольку, хотя вакуумную канализацию было дешевле устанавливать, ее обслуживание обходилось дороже. В 20-м веке технология вакуумной канализации значительно улучшилась: датчики обнаружения неисправностей снизили затраты на эксплуатацию и техническое обслуживание , а некоторые операторы теперь считают, что эксплуатация вакуумных канализационных систем может быть дешевле, чем обычных гравитационных канализационных систем.

Основные элементы

Разрез вакуумного клапана

Аналогичное открытие и закрытие вакуумного клапана

Основными компонентами вакуумной канализационной системы являются сборные камеры и детали вакуумных клапанов, канализационные коллекторы, центральная вакуумная станция и компоненты мониторинга и управления.

Некоторые вакуумные системы имеют вакуумные туалеты , которые подключаются непосредственно к вакуумной линии, что требует меньше воды для смыва (менее четверти литра на смыв). Другие используют стандартный гравитационный дренаж на первом этапе сбора; сточные воды вытекают самотеком из каждого дома, как и в стандартной системе. Он сбрасывается в отстойник , который может собирать сточные воды из 2-6 домов и расположен в общественной зоне.

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 канализационной системы, который должен быть снабжен электроэнергией.

Внутри коллекторных камер установлены интерфейсные клапаны. Они работают пневматически. После достижения определенного уровня заполнения внутри этого отстойника открывается интерфейсный клапан. Импульс на открытие клапана передается блоком управления с пневмомеханическим управлением. Для открытия или закрытия клапана не требуется электричество. Энергию обеспечивает сам вакуум.

Вакуумная станция для студенческого общежития в Норвегии , обеспечивающая всасывание всех вакуумных туалетов в общежитии.

Пока клапан открыт, возникающий в результате перепад давления между атмосферой и вакуумом становится движущей силой и транспортирует сточные воды и воздух к вакуумной станции. Кроме этих сборных камер, не требуются никакие другие люки, ни для изменения направления, ни для проверки или подключения ответвлений. Высокие скорости потока защищают систему от засоров и отложений.

Большие системы с многочисленными сборными камерами выигрывают от наличия системы дистанционного мониторинга вакуумных клапанов и отстойников. Такие системы позволяют гораздо быстрее устранять неисправности и облегчать профилактическое обслуживание сборных камер и клапанов. Однако системы мониторинга являются дополнительными системами и не требуются для работы вакуумных канализационных систем.

Вакуумная станция в Хупере, штат Юта.

Вакуумные канализационные системы считаются незащищенными от взрывов и инфильтрации, что позволяет использовать их даже в водоохранных зонах. По этой причине вакуумные канализационные линии можно прокладывать в той же траншее, что и линии питьевой воды (в зависимости от местных правил).

Для обеспечения надежной транспортировки вакуумная канализационная линия прокладывается пилообразным (длинным) профилем. Вся вакуумная канализация заполнена воздухом под давлением от -0,4 до -0,6 бар. Наиболее важным аспектом для надежной работы является соотношение воздух-жидкость. Когда система хорошо спроектирована, канализационные трубы содержат лишь очень небольшое количество сточных вод. Соотношение воздух-жидкость обычно поддерживается путем одновременного сбора жидкости/воздуха или посредством блоков управления, которые регулируют время открытия в зависимости от давления в системе.

Канализационные трубы могут прокладываться на равнинной местности, а части могут течь в гору (в определенных пределах). Пилообразный профиль обеспечивает неглубокость канализационных труб; в безморозном климате глубина траншеи может составлять около 1,0–1,2 м. Напротив, самотечным канализационным коллекторам необходим монотонно нисходящий уклон не менее 0,5–1,0%, что может означать, что необходимы дорогостоящие траншеи и насосные станции.

Как только сточные воды поступают в вакуумный резервуар вакуумной станции, они перекачиваются в точку сброса, которой может быть либо самотечная канализация, либо станция 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 H ₂ S).

Преимущества

Минимальные помехи для вакуумной канализации

• закрытая система с механическим/пневматическим управлением и центральной вакуумной станцией. Электрическая энергия необходима только на этой центральной станции.
• отсутствие седиментации благодаря высокой скорости самоочистки
• нет необходимости в прокладке и обслуживании канализационных линий
• люки не требуются
• Обычно требуется только одна вакуумная насосная станция, а не несколько станций, встречающихся в гравитационных сетях и сетях низкого давления. 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 или преодолевать препятствия
• сокращение времени установки
• канализационные трубы малого диаметра из материалов ПНД, ПВХ; экономия материальных затрат
• можно избежать аэрации сточных вод, меньшего выделения H ₂ S с его опасностью для работников, жителей, а также коррозии труб; сточные воды остаются свежими
• отсутствие запахов в закрытой вакуумной канализации
• отсутствие инфильтрации ливневых вод, следовательно, меньшая гидравлическая нагрузка на очистных сооружениях
• отсутствие утечек сточных вод (вакуум предотвращает утечку), что не только приносит пользу экологии и здоровью населения, но также делает ремонт труб более простым и гигиеничным для ремонтников.
• канализацию можно прокладывать в одной траншеи с другими магистралями, а также с питьевой или ливневой водой, а также в водоохранных зонах
• Более низкие затраты на техническое обслуживание в долгосрочной перспективе благодаря неглубокой прокладке траншей и простоте выявления проблем.
• В сочетании с вакуумными туалетами он создает концентрированные потоки отходов, что делает возможным использование различных методов очистки сточных вод, таких как анаэробная очистка.

Недостатки

Знак, указывающий на заглубленную вакуумную канализацию в Германии .

• вакуумные системы не способны транспортировать сточные воды на очень большие расстояния, но могут перекачивать на большие расстояния от вакуумной станции до следующего очистного сооружения или основного самотечного канализационного коллектора.
• вакуумные канализационные системы способны собирать сточные воды только внутри отдельной системы (не для сбора ливневых вод)
• длина линий может достигать только 3–4 км, проложенных по ровной местности (ограничения системы из-за потерь напора (3–4,5 м) (трения и статики))
• системы должны разрабатываться с помощью опытного производителя (концепции обычно предоставляются бесплатно)
• на центральной вакуумной станции требуется внешняя энергия; на случай перебоев в подаче электроэнергии необходим аварийный источник питания, например резервный генератор.
• могут появиться запахи вблизи вакуумной станции, может потребоваться биофильтр
• целостность соединений труб имеет первостепенное значение
• смазка может засорить трубку датчика (при неправильной установке), что потребует профилактической очистки
• вакуумные клапаны могут застрять в открытом положении, что приведет к падению давления во всей системе. Однако система мониторинга может помочь немедленно выявить заклинивание открытых клапанов.

Приложения

Вакуумные канализационные системы могут быть предпочтительной системой в определенных обстоятельствах, таких как:

Транспорт

Вакуумный туалет в поезде

Поезда, самолеты, автобусы и многие корабли с водопроводом обычно имеют вакуумные системы с вакуумными туалетами. Меньший расход воды (менее четверти литра на смыв) экономит вес и предотвращает выплескивание воды из унитаза во время движения. В туалетах самолетов можно смывать синий дезинфицирующий раствор, а не воду. Используется переносная сборная камера; если он заполняется из промежуточной вакуумной камеры, его нет необходимости хранить под вакуумом.

Сухие районы

Нехватка воды во многих странах и решительные меры по экономии воды привели к трудностям, связанным с старением самотечных сетей с засорением труб твердыми частицами. Вакуумные системы экономят воду.

Болотистая, каменистая или вечная мерзлота местность

Ровная местность , неблагоприятная почва (каменистая или болотистая) или высокий уровень грунтовых вод (что требует дренажных траншей) могут сделать самотечные канализационные системы намного дороже. Вакуумная канализация имеет небольшой диаметр и протекает внутрь, а в незамерзающих районах ее можно прокладывать близко к поверхности в небольших траншеях.

Водоохранные зоны, природопользование

Вакуумная канализация может проходить через водоохранные зоны и территории с чувствительным высоким уровнем грунтовых вод, поскольку нет опасности испортить ресурсы грунтовых вод (вакуумная канализация благодаря своему материалу обладает высокой герметичностью, а если протекает, то просачивается внутрь). Вакуумные системы используются во многих экологически чувствительных районах, таких как эко-курорт Couran Cove недалеко от Барьерного рифа в Австралии. Их также использовали для замены септиков для снижения уровня азота в грунтовых/поверхностных водах.

Вакуумные системы также применяются для сбора токсичных сточных вод из окружающей среды.

Сезонный минусовой климат

Если зимой температура в каком-то районе опускается ниже нуля, вакуумная линия закапывается ниже линии замерзания , в земле, которая остается незамерзшей круглый год (как в обычных самотечных канализационных коллекторах). Клапаны, коллекторные ямы, впускные отверстия и системы управления должны быть спроектированы так, чтобы продолжать функционировать, несмотря на холод, снег и лед. Датчики контроля температуры также входят в стандартную комплектацию, поэтому проблемы можно заметить на ранней стадии.

В случае с островом Плам (Массачусетс) на острове были низкие температуры и обильные снегопады, что поначалу затрудняло обнаружение потенциальной проблемы. Изменения в настройке приямка и мониторинге приямка с клапаном помогли в обслуживании.

Многие страны Северной Европы используют вакуумную канализацию, поэтому полезно иметь какой-нибудь маркер или средство мониторинга для обнаружения клапанов, когда они находятся под снегом на длительное время.

Низкая или сезонная плотность населения

При более низкой плотности населения затраты на сборные камеры и вакуумные станции менее важны, чем затраты на установку труб, а для самотечной канализации - насосных станций и т. д. Пневматические трубы обычно меньше, чем гидравлические с самотеком. В безморозном климате трубы вакуумной системы также можно закапывать глубже, чем гравитационную систему.

Высокая удельная длина трубопроводов, когда требуемая длина труб превышает ~4 метра на одного жителя. , будет способствовать удешевлению вакуумной системы.

В сезонных поселениях (зоны отдыха, кемпинги и т. д.) с обычными самотечными канализационными системами легко могут возникнуть проблемы с образованием отложений, поскольку не происходит автоматического промыва ежедневными сточными водами. Высокие скорости потока в вакуумной канализации предотвращают такие проблемы с осаждением. По этой причине на гоночных трассах Формулы-1 в Шанхае и Абу-Даби используется вакуумная канализационная система.

Исторические места

Переулок во Флавиньи-сюр-Озрен , где было бы сложно установить обычную самотечную канализацию.

Исторические места могут иметь старые здания, узкие улочки и крутой рельеф. Туризм также может вызывать сильные сезонные колебания плотности населения. Вакуумные канализационные системы можно выбрать из-за их быстрой (избегая конфликтов с дорожным движением и туризмом), экономичной и гибкой установки. Примеры включают Флавиньи-сюр-Озерен , во Франции а также Хасаб и Аль-Сиб в Омане .

Уход

Вакуумные канализационные системы могут быть настроены таким образом, чтобы они собирали только концентрированные сточные воды (туалетные сточные воды), а серые воды из раковин и ванн собирались отдельно (очищенные серые воды гораздо легче очищать, чем черные). Твердые биологические вещества из вакуумной системы не нужно разбавлять промывочной водой.

Канализационные системы обычно термофильно компостируют твердые биологические вещества , которые были отделены и обезвожены из стандартной самотечной канализации. Этот процесс будет проще, если твердые биологические вещества никогда не поливать.

Компостирование при высоких температурах убивает болезнетворные микроорганизмы и семена. Компост из твердых биологических веществ необходимо компостировать при высоких температурах.

Сточные воды также можно очищать анаэробным способом с получением биогаза . Эта конструкция потенциально может повысить устойчивость водной инфраструктуры.

Примеры

Арктика

• В районе Берингова пролива на западе Аляски как родная деревня Савунга , расположенная на острове Св. Лаврентия , с населением 600 человек, так и родная деревня Сент-Майкл, расположенная в проливе Нортон , уже много лет используют вакуумные канализационные системы.
• Селавик обновил свою вакуумную канализационную систему в 2014 году, сэкономив более 217 000 долларов в год на затратах на электроэнергию.

Засушливые регионы

• Вакуумные канализационные системы становятся все более важными, особенно на Ближнем Востоке (Объединенные Арабские Эмираты, Катар, Бахрейн, Оман), благодаря простоте и быстроте установки, а также водосберегающему эффекту и простоте обслуживания.
• Остров Пальма Джумейра , расположенный на побережье города Дубай в Объединенных Арабских Эмиратах, имеет низкую равнинную местность, высокий уровень грунтовых вод, водоохранную зону, необходимость сохранения пресной воды и низкую плотность населения. Поэтому здесь установлена ​​вакуумная канализационная система. Прибл. К этой вакуумной канализационной системе будут подключены 23 000 человек (или 2000 зданий). В системе имеется только одна центральная вакуумная станция, обслуживающая 40 км канализационной сети. Вакуумная станция считается самой большой вакуумной станцией в мире.
• В эко-городе Масдар , ОАЭ, также используется вакуумная канализационная система 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 обычно множеством других подземных коммуникаций. Хорошие примеры можно снова найти на Ближнем Востоке, например, в некоторых небольших промышленных районах в эмирате Рас-эль-Хайма или недавно построенном алюминиевом заводе «Каталум» в Катаре, крупнейшем в мире заводе по производству первичного алюминия.
• Вакуумные канализационные системы используются не только в Европе или на Ближнем Востоке, но даже в слаборазвитых странах третьего мира. Несколько вакуумных канализационных систем уже построены или в настоящее время строятся в Африке (Южная Африка, Ботсвана, Намибия) для поселков и сельских районов, где преимущества быстрого строительства, экономии средств на прокладке траншей и высокой гибкости проявились в полной мере.
• Австралия была одним из крупнейших пользователей вакуумных канализационных систем из-за низких затрат на установку и эксплуатацию. Самая крупная система на сегодняшний день реализована в комплексе Tea Gardens в Новом Южном Уэльсе, который в конечном итоге будет обслуживать более 4500 домов. Компания Water Corporation в Западной Австралии считается крупнейшим владельцем вакуумных систем в мире: в настоящее время под их оперативным контролем находится более 30 схем.

Районы с высоким уровнем грунтовых вод

• Соединенное Королевство хорошо обслуживается вакуумными канализационными системами. Наиболее широко обслуживаемый регион — низменные болота на востоке Англии. Высокий уровень грунтовых вод (в некоторых случаях менее 1 метра ниже поверхности) и плохие грунтовые условия привели к тому, что местная компания водоснабжения Anglian Water стала использовать вакуумную канализацию, воспользовавшись требованием системы прокладывать канализационные трубы небольшого диаметра. в неглубоких траншеях, что значительно снижает потребность в насосных станциях, которые требуются для обычных самотечных канализационных систем. Самая крупная система вакуумной канализации в этом регионе обслуживает деревни Аутвелл и Апвелл; четыре станции вакуумного сбора обслуживают около 1500 домов в этой агломерации. Согласно первоначальным расчетам на строительство традиционной самотечной канализации для обслуживания территории, ранее обслуживаемой бытовыми септиками-отстойниками, на объекте потребовалась бы установка 32 насосных станций. С помощью вакуумной канализационной системы это количество насосных станций сократилось до четырех вакуумных станций. Другие компании в Великобритании, такие как Southern Water, также используют вакуумные канализационные системы.
• В северной Германии с 1970-х годов работает несколько сотен систем. Планируется больше. Проект Jenfelder Au в Гамбурге на 770 квартир планировался с использованием вакуумной канализации.
• Город Оушен-Шорс, штат Вашингтон, является хорошим примером надежности и долговечности вакуумной канализации. Вакуумная система города — одна из крупнейших в мире, к тому же она достаточно развита; Большинству его компонентов уже более 20 лет, и они должны работать в сложных условиях эксплуатации вместе с гравитационными канализационными и измельчительными насосными системами.
• Округ Сарасота, Флорида и другие населенные пункты Флориды внедрили вакуумные системы, в некоторых случаях в качестве меры против эвтрофикации .
• Город Гвоздика, Вашингтон разрабатывает систему сбора, включающую вакуумную канализацию.
• Хорошие примеры можно найти на Мальдивах, в проекте ЮНИСЕФ-ООН после цунами WATSAN, где на нескольких островах лучшим вариантом оказались вакуумные канализационные системы. На Мальдивах уже реализовано еще несколько проектов, в основном курортных.
• Провинстаун, Массачусетс, США

Районы с сезонным замерзанием

• Самая большая установка в Европе (несколько вакуумных станций) находится в Герасдорфе (недалеко от Вены), Австрия, где многие преимущества вакуумной канализационной системы помогли преодолеть сложные условия в этой горной местности.
• В Эстонии есть вакуумная канализация.
• В Польше есть вакуумная канализация.

Действующие технические руководящие принципы и нормы

• EN 16932-3:2018 Системы водоотвода и канализации снаружи зданий.
• ДВА-А 120-3
• Альтернативные канализационные системы ВЭФ (Федерация водной среды) (второе издание - 2008 г.)
• WSA 07 (Австралийский кодекс)
• AS 4310–2004 (Австралийский стандарт вакуумного интерфейсного клапана)

См. также

• Самотечная канализация (более распространенная конкурирующая система)
• Компостирующий туалет (приложение для вакуумных туалетно-канализационных систем)
• Пневматика

Ссылки

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. стр. 84–88. EPA 625/R-95/005.
• Гиббс, Стив (30 сентября 2015 г.). «Crystal River работает над спасением ламантинов и местной экономики» . Infrastructure.com . Информированная инфраструктура.
• Гиббс, Стив (18 октября 2016 г.). «Поддержание чистоты океанских берегов: прибрежный город полагается на вакуумную канализацию» . Infrastructure.com . Информированная инфраструктура.