Обоснование оптимальной с экологической и экономической точек зрения системы водоотведения для малых населенных пунктов с плоским рельефом местности

Актуальность. Несмотря на то, что существующие канализационные системы имеют низкий уровень надежности, а их стоимость составляет около 80 % от общей стоимости всего комплекса системы канализации [1], интерес к альтернативным видам канализационных систем довольно низкий. Только в последнее время, в связи с ростом цен на энергоносители, интерес к ним несколько возрос. К таким системам в первую очередь следует отнести следующие системы водоотведения: самотечная система малого сечения, напорная, вакуумная.

В развитых странах отношение к традиционным самотечным канализационным системам было пересмотрено еще в начале 70-х годов во время знаменитого нефтяного кризиса. В итоге они перешли к экологически более рентабельному обслуживанию системы канализации, которая имеет более низкую стоимость строительства, эксплуатации, обслуживания и ремонта.

Цель и задачи работы. Цель работы - выбор оптимальной системы водоотведения для малых населенных пунктов с плоским рельефом местности.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

• 1.    Проанализированы существующие системы водоотведения и принципы их проектирования.

• 2.    Выполнено технико-экономическое сравнение вариантов строительства различных систем канализации.

Предмет исследования. Технико-экономические показатели строительства различных систем водоотведения.

Методы и методики. Технико-экономические расчеты выполнены при помощи программного комплекса АВК 3 (редакция 2.1.1).

Применена методика СН 509-78 для сравнения экономической эффективности вариантов проектных решений.

Научная новизна работы. Принципиально обоснована целесообразность использования вакуумной канализации для малых населенных мест с плоским рельефом местности.

Практическая ценность работы. Полученные результаты могут быть использованы для проектирования новых канализационных систем малых населенных пунктов с плоским рельефом местности.

Систему и схему канализации выбирают как комплекс инженерных сооружений для надежного и длительного обслуживания жилых, производственных и сельскохозяйственных объектов с учетом принятой системы водоснабжения, рационального использования водных ресурсов, санитарно-гигиенических и технико- экономических требований.

Результаты и их обсуждение. Самотечная канализационная сеть состоит из выпусков домовой сети, смотровых и контрольных колодцев, очистных сооружений, насосных станций, а также разветвленной сети подземных труб, диаметры которых обычно 2001000 мм.

Схема канализации населенного места определяется главным образом рельефом территории и намечаемым местом для размещения очистных сооружений и выпуска сточных вод.

При проектировании канализационных сетей приходится учитывать максимально и минимально допустимые глубины заложения сети. От максимальной глубины заложения сети зависят наличие и количество насосных станций, способы производства работ и последующие эксплуатационные расходы.

За последние десятилетия сущность проектирования гравитационных водоотводящих сетей практически не изменилась, за исключением уточнения отдельных расчетных параметров.

Основными недостатками традиционной системы водоотведения является:

• •    относительно большие диаметры труб. Строительные нормы предписывают наименьший диаметр внутреннего прохода труб самотечной канализации для уличной сети 200 мм;

• •    продолжительные сроки строительства;

• •    инфильтрация грунтовых вод в самотечную сеть из-за негерметичности раструбных стыков. В результате разбавления стоков необоснованно завышаются производительность и стоимость очистных сооружений;

• •    при прокладке самотечных коллекторов требуется соблюдать непрерывный уклон, что ведет к постепенному заглублению траншеи до 6–8 м;

• •    неравномерность поступления стоков в канализационную сеть;

• •    при неблагоприятных условиях проектирования, возникает необходимость в большом количестве напорных (подъемных) станций, и инвестиции возрастают до нереальных сумм [2].

Напорная канализационная система представляет собой трубопровод малого диаметра и неглубокого заложения, который копирует рельеф местности. Диапазон диаметров канализационных магистралей составляет 50-200 мм. Общепринятым материалом служит поливинилхлорид. Трубы обычно укладывают в грунт на большую из двух глубин: максимальную глубину промерзания или глубину в 0,75 м. В системах напорной канализации основным узлом являются уже не громоздкие очистные сооружения, а одна или несколько канализационных насосных станций (КНС). Насосная станция представляет собой единое комплектное изделие, состоящее из коррозионно-стойкой и долговечной накопительной емкости из полимерного материала, насосов, трубопроводов и автоматической станции управления. Одна КНС способна обеспечить отвод сточных вод как отдельного коттеджа, так и целого микрорайона в несколько тысяч жителей.

Основным недостатком напорной системы водоотведения является несоответствие ее санитарно гигиеническим требованиям из-за наличия септиков или приемных резервуаров.

В настоящее время вакуумная канализационная система представляет определенный интерес для малых населенных пунктов и особенно для курортных городов, так как она дешевле традиционной самотечной системы водоотведения [1]. Это наглядно иллюстрирует город Бердянск, в котором планируется построить первую на Украине вакуумную канализацию [3].

Идея строительства вакуумной канализационной системы появилась еще в XIX столетии, но массово она стала применяться только с начала 70 гг. XX века. В мире с 1972 года было установлено более чем 700 систем и 80000 клапанов; при этом строительство вакуумных систем с каждым годом постоянно увеличивается [4].

Основными составляющими вакуумной канализационной системы являются вакуумные колодцы и вакуумная станция. Стоки по самотечным трубопроводам поступают в вакуумный колодец из которого по вакуумным трубопроводам транспортируются на вакуумную станцию, а затем и на очистные сооружения [5]. Транспортировка стоков в вакуумной канализации осуществляется путем использования перепада давлений: атмосферного давления в придомовом канализационном колодце и разряжения (отрицательного давления) в канализационной сети и вакуумном баке, накапливающем сточные воды (рис.1). Сточные воды направляются гравитационной системой в канализационный колодец (сборную камеру). Там, под воздействием импульса гидростатического давления, создаваемого поступающими стоками, открывается установленный в колодце выпускной клапан и происходит опорожнение колодца.

Рисунок 1 - Схема вакуумной канализации

Открытие выпускного клапана позволяет впустить в канализационную систему, кроме стоков, порцию воздуха, который проталкивает жидкость в направлении вакуумно-нагнетательной станции. По системе коллекторов, имеющих характерный пилообразный профиль, сточные воды перемещаются динамично, не позволяя каким-либо веществам осесть на стенках трубопровода. Конечным пунктом их пути является вакуумный бак в вакуумно- нагнетательной станции, из которого стоки перекачиваются нагнетательными насосами в приемник, такой как очистная станция или другой санитарный коллектор. Вакуумная канализация является более экономичной альтернативой безнапорной канализации [6], когда применение последней связано с высокими затратами (прежде всего в сельской местности). Вакуумная канализация применяется преимущественно при:

• -    недостаточном уклоне местности;

• -    неблагоприятных почвенных условиях;

• -    низкой плотности заселения;

• -    пересечении водных преград;

• -    высоком уровне грунтовых вод.

Основными преимуществами вакуумной канализационной системы по сравнению с самотечной системой водоотведения являются:

• •    Экономичность. Резкое уменьшение стоимости и сроков строительно-монтажных работ. Только за счет снижения диаметров пластиковых труб с Ø 200–800 мм на Ø 90–300 мм общая стоимость проекта может быть уменьшена в 2–3 раза.

• •    Минимальные объемы земляных работ. При прокладке самотечных коллекторов требуется соблюдать непрерывный уклон, что ведет к постепенному заглублению траншеи до 6–8 м. В то же время, при прокладке вакуумных труб объем разрабатываемого грунта минимален — профиль укладки напорного трубопровода следует рельефу местности на глубине промерзания (около 1,0 м от поверхности земли) [7].

• •    Малые сроки строительства. При поставке комплектных насосных станций и неглубокой укладке напорных водоводов сроки строительства не превышают 1–3 месяцев.

• •    В отличие от самотечной системы, засорение, отложение жиров и масел в вакуумном трубопроводе не происходит, так как скорость движения стоков составляет 4,5-5,0 м/с.

• •    Герметичность. Система не оказывает негативного воздействия на окружающую среду.

• •    Простота в монтаже. З акрытая система трубопровода. Центральное оборудование в простом производственном здании. Колодец домового ввода с пневматическим поршневым вытяжным вентилем, который не требует подвода электроэнергии. Отсутствие люков [6].

• •    Надежность. Чтобы гарантировать надежность трубопроводов, испытание на герметичность проводятся ежедневно в течение всего строительного периода. Также проводится проверка станции 3 раза в неделю. Части системы подлежат постоянному контролю качества и хорошо зарекомендовали себя на практике при обычном техобслуживании как в Европе, так и в других странах мира.

• •    Незаметность. Колодцы домовых вводов, оснащенные блоком управления и вытяжным вентилем, располагаются вблизи зданий, например в палисадниках, под тротуарами, на проезжей части. Вакуумный колодец может обслуживать 2-4 дома.

• •    Энергосбережение. Потребляет как минимум на 20% меньше электроэнергии, чем обычная система [5].

Помимо выше изложенного она имеет весьма значимое преимущество в виде аэробного состояния сточных вод транспортируемых сетью на очистные сооружения [5].

Технико-экономическое сравнение стоимости различных вариантов систем водоотведения выполнено для малого населенного пункта с численностью населения 9500 человек, для которого были запроектированы и рассчитаны три различные системы водоотведения: вакуумная, самотечная и напорная.

Поселок расположен в южной части Донецкой области. По конфигурации в плане имеет прямоугольную форму, общей площадью 228,5 га, без значительных перепадов высот (рис 2). Плотность населения составляет 42 чел/га. Населенный пункт разбит на несколько кварталов, в которых присутствует как мало- так и многоэтажная застройка. В поселке также находятся административнобытовые здания, предприятия обслуживания, развлекательный центр, учебный центр, спортивные комплексы и сооружения, хозяйственные зоны и т.д.

Рисунок 2 - Генплан населенного пункта

Выбор оптимальной системы водоотведения производился при помощи программы АВК 3 версия 2.1.1. Были составлены локальные сметы (ЛС) и выполнено технико-экономическое сравнение вариантов согласно методике расчета экономической эффективности СН 509-78.

Базовыми вариантами в расчете выступали следующие системы канализации:

• -    устройство самотечной канализации (В1 баз )

• -    устройство напорной канализации (В2 баз )

Новая технология будет заключаться в устройстве вакуумной канализации (В3 нов).

Результаты расчета приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Технико-экономическое сравнение вариантов

№ п/п	Показатели	Ед. изм.	Количество по вариантам			Обосно вание
			В1 баз	В2 баз	В3 нов
1	2	3	4	5	6	7
1.	Себестоимость, в т.ч.:	грн.	1596853	1508400	1442124	Расчет (а+б)
а)	прямые затраты, из них:	грн.	1379242	1240317	1382665	ЛС № 6.1.1., 6.1.2, 6.1.3
б)	общепроизводст венные расходы	грн.	217611	268083	59459	ЛС № 6.1.1., 6.1.2, 6.1.3
2.	Стоимость материалов, изделий      и конструкций (Зс)	грн.	753741	559474	579091	ЛС № 6.1.1., 6.1.2, 6.1.3
3.	Стоимость монтажных работ (З)	грн.	1060145	1154216	762917	ЛС № 6.1.1., 6.1.2, 6.1.3

На основании расчета видно, что основным преимуществом вакуумной канализации, по сравнению с самотечными системами водоотведения, является ее более низкая стоимость строительства в населенных пунктах с маловыраженным рельефом местности. Об этом свидетельствует следующее:

• 1.    Объемы земляных работ при прокладке вакуумной канализации в 7,3 раза меньше чем при прокладке самотечной (рис. 3), в результате чего уменьшаются сроки строительства.

• 2.    Стоимость материалов, изделий и конструкций, необходимых для ее строительства, на 3,5 % больше стоимости

  напорной системы и на 23,2 водоотведения (рис. 4).

  
  
  

• 3.    Вакуумная

• 4.    Даже при более высокой стоимости материалов и изделий, необходимых для ее строительства себестоимость вакуумной канализации на 4,4 % меньше стоимости напорной системы и на 9,7 % -традиционной самотечной

% ниже самотечной системы

канализационная система имеет самую низкую стоимость монтажа и самый короткий срок выполнения строительномонтажных работ (рис.5).

системы водоотведения.

Рисунок 4 - Стоимость материалов, изделий и конструкций

Рисунок 5 - Стоимость монтажных работ систем

Вакуумные канализационные системы имеют более низкую стоимость строительства по сравнению с традиционными самотечными системами канализации, так как для них характерны следующие преимущества:

• -    малая глубина заложения;

• -    небольшие диаметры трубопроводов;

• -    использование облегченных пластмассовых труб;

• -    применение прочистных люков;

• -    низкая стоимость обслуживания и ремонта;

• -    высокий уровень надежности за счет сглаживания неравномерности поступления сточных вод.

Вывод

В экологическом и санитарно-гигиеническом отношении вакуумная система водоотведения является наиболее приемлемой для территорий с недостаточным уклоном местности, неблагоприятными почвенными условиями, низкой плотностью застройки и высоким уровнем грунтовых вод.

ЛНР, г. Луганск, Институт строительства архитектуры и ЖКХ Луганского университета им.Владимира Даля,

ЛНР, г. Луганск, Институт строительства архитектуры и ЖКХ Луганского университета им.Владимира Даля Астахов Сергей Михайлович, кандидат технических наук, доцент

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Орловский государственный аграрный университет»),

The technical and economic comparison of variants shows, that vacuum system of the sewage system is the most optimal for the small settlements, located on territories with the small slopes of locality, unfavorable ground terms, subzero closeness of building and high level of underwaters, there is a