Насосные станции и установки для перекачки сточных вод

Гидроэлеваторы, или водоструйные аппараты, в применении к перекачке канализационных стоков отличают такие преимущества, как простота конструкции, надёжность работы, возможность перекачки жидкости с высоким содержанием взвешенных примесей. С их помощью осадок эффективно удаляется из таких установок, как пескоуловители, или перемешивается в метантенках. Гидроэлеваторы находят применение и для других подобных работ.

Фактором, мешающим расширению области применения установок, является только относительно малая величина общего коэффициента полезного действия. Но для откачки канализационных стоков из заглублённых сооружений гидроэлеваторы в некоторых случаях могут оказаться предпочтительнее других механизмов.

Принцип действия

В основе принципа работы гидроэлеватора лежит уравнение Бернулли, которое выражает закон сохранения энергии для жидкости. В соответствии с ним ускорение потока ведёт к уменьшению давления. Увеличивать скорость потока жидкости можно сужением протока.

Гидроэлеватор имеет насадку-сопло с уменьшающимся сечением. При пропускании рабочей жидкости с большой скоростью через приёмную камеру в ней создаётся вакуум. Сточные воды, находящиеся под атмосферным давлением, всасываются внутрь гидроэлеватора. Обе жидкости поступают в камеру смешения и, перемешиваясь, попадают в диффузор. Диаметр диффузора постепенно увеличивается, поэтому в нём скорость смеси понижается. Величина динамического напора падает, а давления растёт соответственно. Под действием этого давления и поднимается перекачиваемая жидкость.

Существуют разные методы расчёта гидроэлеваторов. Наибольшее согласие с практикой имеет метод Фридмана, основывающийся на опытных данных.

При проектировании малых КНС важным является не только расчёт производительности, но и соответствие ряду специфических требований. Заглубленные станции должны быть:

• с высокой живучестью и надёжностью;
• компактными;
• нетребовательными к уровню квалификации обслуживающего персонала;
• рентабельными при малых расходах стоков.

Поэтому малые КНС рекомендуется максимально автоматизировать. Для автоматической станции наиболее приемлемыми являются вертикальные фекальные насосы, которые устанавливаются прямо над жидкостью с приёмном резервуаре.

Стандартная конструкция такой станции состоит из резервуара приёмного, насосного агрегата, систем трубопроводов с арматурой и автоматического управления.

В приёмную часть стекают стоки санузла. Внутри резервуара монтируется сам насос, а прямо на крышке – его электродвигатель. Напорный трубопровод насоса имеет ответвление, через которое в резервуар нагнетается взмучивающий осадок поток. Мощность этого потока регулируется задвижками.

Основной поток откачиваемой жидкости направляется к колодцу – гасителю напора. Далее он самотёком поступает в общий коллектор канализационной сети.

Фекальные насосы включаются и выключаются автоматически сигналами датчиков уровня жидкости в приёмном резервуаре.

Высокая живучесть станции обеспечивается изготовлением приёмного резервуара, труб и арматуры из металлов повышенной прочности и кислотоустойчивости. Наиболее часто используется нержавеющая сталь.

Пневматическая установка

Для откачки небольших расходов стоков пригодна установка системы инженера Гребнёва для сточных вод.

Накопителем, в котором она монтируется, является бетонный колодец диаметром 1 м со стальным сварным резервуаром внутри. Резервуар закрывается крышкой со сливным отверстием с решёткой, через которое поступают стоки.

В резервуаре находится направляющий цилиндр с латунным поплавком внутри. На поплавке расположен конусообразный клапан с резиновым уплотняющим кольцом. К поплавку жёстко присоединён шток. На решётке и на дне резервуара установлены направляющие для вертикального перемещения штока. К верхнему концу штока при помощи шарнира прикреплён рычаг трёхходового воздушного крана. Сточная жидкость выдавливается в напорный трубопровод из ёмкости сжатым воздухом, подаваемым через специальную трубку.

Принцип работы

Установка действует по следующей схеме.

Заполняющая жидкость постепенно поднимает поплавок в резервуаре. По трубке и трёхходовому крану воздух из резервуара удаляется в атмосферу. При перекрытии поплавком собой сливного отверстия, а штоком – воздушного крана, последний переключается на подачу сжатого компрессором воздуха. Этот воздух выдавливает сточную воду во внутренний цилиндр. Здесь жидкость быстро поднимает поплавок, клапаном которого входное отверстие перекрывается. Далее под высоким давлением воздуха сточная вода выдавливается в напорный трубопровод.

По опорожнении резервуара воздух под своим давлением уходит через напорный трубопровод. Давление падает до атмосферного, по мере опускания поплавка сливное отверстие открывается, а подача сжатого воздуха перекрывается. Наступает новый цикл работы.

Технические характеристики стандартной установки:

• ёмкость резервуара (полезная) – 300 л;
• диаметры: входного отверстия – 150 мм, напорного трубопровода – 75 мм, воздушной трубы – 19 мм;
• максимальная производительность – 20 м³/час;
• расход сжатого воздуха на 1 м³ перекачиваемой жидкости: при высоте подъёма 2 м – 1,4 м³, при 18 м – 4 м³;
• вес – около 400 кг.

Установки такого типа отличаются высокими эксплуатационными качествами, безотказностью, долговечностью и надёжностью системы удаления сточных вод. Их главное преимущество состоит в соответствии производительности малому расходу стоков отдельных объектов. В обслуживаемых пневматическими установками сооружениях применение центробежных насосов экономически невыгодно из-за слишком высокой их производительности.

Использование пневматических установок является наиболее целесообразным при наличии в обслуживаемом сооружении компрессорной машины. Компрессор при этом должен иметь возможность снабжения установки сжатым воздухом дополнительно к парку подключенного к нему оборудования.

Системы обеспечения

Энергоснабжение. Канализационные насосные станции должны обеспечиваться электропитанием надёжно и бесперебойно. Для этого их надо запитывать через понижающие трансформаторы от двух независимых электролиний. В зоне кольцевой сети электроснабжения станцию следует подключать фидерами к разным трансформаторным подстанциям.

Водоснабжение. Для обеспечения потребностей в воде станция подключается к ближайшей водопроводной сети. Если вблизи такой сети нет, то для КНС должна быть предусмотрена собственная насосная станция водоснабжения. Она может быть общей с обслуживаемыми очистными сооружениями. При использовании питьевой воды для технических целей санитарные нормы предписывают в обязательном порядке устраивать в подающей водопроводной линии разрыв струи.

Отопление. Технические помещения отапливаются при температуре воздуха ниже +1˚С. Используются обогревательные устройства на наиболее выгодном виде топлива. Автоматические станции лучше всего оснащать электропечами.

Минимальной температурой воздуха в автоматической КНС должна быть +5˚С, в неавтоматизированной – +16˚С.

Вентиляция. В помещении с приёмным резервуаром воздух должен за час полностью обновляться 1-2 раза, в помещениях машинном и решёток – 5-6 раз. Рекомендуемая система вентиляции – приточно-вытяжная. Естественная допустима для маломощных станций с производительностью до 1000 м³/сутки. Используются дефлекторы, фрамуги и другие элементы.

Подземные КНС

Подземные автоматические станции отличает высокие надёжность и живучесть и меньшая стоимость строительства и эксплуатации.

Насосы в таких станциях всегда устанавливаются под залив. Включают и отключают их датчики уровня из приёмного резервуара.

Насосы

Канализационные насосные агрегаты, в основном, имеют центробежную конструкцию с вертикальным или горизонтальным расположением. Наиболее часто применяются горизонтальные устройства марки НФ (2,5 НФ – 8 НФ). Пределы производительности механизмов – 10-250 л/с, напора – 6-50 м. Для откачки из заглублённых резервуаров специально приспособлены погружные насосы серии НФВм.

Чтобы насосные агрегаты сухой установки начинали перекачивать сразу по включении, монтироваться они должны ниже уровня жидкости в резервуаре, т. е. под залив. Тогда автоматическое управление ими будет безотказным.

Для бесперебойности работы станции рабочие насосы следует подстраховывать резервными. У станций с одним или двумя установками в резерве должен быть хотя бы один насос. В КНС с другим количеством агрегатов вполне будет достаточно двух резервных. При использовании трёх насосов серии НФ до 6-й модели хватит одного резервного, но установленного. Другой может храниться на складе готовым к немедленной установке. Резервный насос должен иметь производительность самого мощного из рабочих.

Фекальные насосы монтируются с соблюдением следующих минимальных расстояний:

• 1,0-1,2 м между ними, 1,5 м от электрощита питания;
• 1 м и более по продольной оси от стены.

В малых станциях насосные агрегаты с патрубками диаметром не выше 150 м можно монтировать на общем фундаменте вплотную друг к другу. При этом окружающее пространство должны быть свободно на 1 м по всем направлениям.

Производительность рабочего насоса должна обеспечивать удаление максимального притока стоков.

Трубопроводы

В каждый насосный агрегат КНС с средней и малой производительностью откачиваемая жидкость поступает по своему всасывающему трубопроводу. Чтобы не допускать образования в линии воздушной пробки, труба должна иметь постоянный уклон от насоса к всасывающей воронке. Входная линия агрегата, установленного под залив, запирается задвижкой. Защитная арматура – обратный клапан и сетка – на входе патрубка не устанавливается.

Трубы для внутренних линий насосной станции используются стальные. Соединяют их, в основном, сваркой. Фланцы используются только для монтажа арматуры из чугуна.

Диапазон расчётных скоростей потока жидкости во внутренних трубопроводах:

• всасывающих – 0,7-1,5 м/с;
• напорных – 1,0-2,5 м/с.

Машинное отделение

В этом помещении должен находиться прибор, указывающий уровень воды в приёмном резервуаре. В полу отделения маломощной станции предусматривается приямок для сбора воды, которая может просочиться из каналов прокачки. Для её откачки достаточно использовать ручные насосы.

Объём стоков, перекачиваемых насосной станцией, измеряется расходомерами. Используются приборы дроссельного типа (например: трубка, вставка или расходомер Вентури), монтируемые на напорном трубопроводе в камере за пределами станции.

Для проведения монтажных и ремонтных работ машинное отделение должно быть оборудовано подъёмными и транспортными средствами. Если подлежащие перемещениям детали не тяжелее 2 т, устанавливаются неподвижные балки с талями на кошках. Если груз превышает 2 т, то необходимы краны однобалочные или мостовые.

Наиболее распространённой у канализационных насосных станций является заглублённая конструкция с круглым сечением в плане.

Подземная часть КНС должна иметь надёжную гидроизоляцию и прочность. Материалы исполнения – бетон или железобетон. Эта часть предназначена для размещения приёмного резервуара и машинного отделения.

Помещения вспомогательного и бытового назначения располагают в наземной части. Для их возведения обычно используется кирпич. Возможно применение и любого другого материала с огнестойкостью I и II степеней.

Входная решётка

Это приспособление выполняет функцию грубого фильтра, не пропускающего большеразмерное содержимое сточных вод в приёмный резервуар станции. Размеры отверстий в решётке определяются парком используемых насосов, величиной их свободного прохода.

При задерживании более 0,1 м³ таких примесей в сутки решётки КНС, имеющих производительность большую и среднюю, должны быть снабжены механизмами очистки. Специальные дробилки измельчают крупный мусор и возвращают во входной поток на участок до решётки.

Если канализационные насосные станции производительности небольшой, а объём задерживаемого решёткой мусора в сутки не превышает 0,1 м³, то можно обойтись очисткой вручную. Первым делом из собираемого таким образом мусора в перфорированном корыте отжимается вода. Далее он ручными или электрическими подъёмниками доставляется наверх для сбора в контейнеры. В этих плотно закрываемых контейнерах отбросы эвакуируются в места утилизации отходов, определённые соответствующими местными службами.

Решётки ручной очистки выполняются из стальных полос или стержней толщиной 10-20 мм. Ширину прозора любой решётки, ручной или механизированной очистки, выбирают в соответствии с характеристиками насосных устройств станции. Например, максимальная эта ширина для агрегатов типа 2,5 НФ принимается равной 20 мм, для 4 НФ – 40 мм. Общая площадь отверстий должна вдвое превосходить площадь живого сечения входного коллектора.

Решётка ставится не ближе 0,5 м к лотку подводящего коллектора под углом 60˚-70˚. Для быстроты замены при необходимости рекомендуется съемная конструкция.

Приёмный резервуар

Конструктивно этот входной резервуар является ёмкостью с приямками. Приямки предназначены для расположения в них всасывающих патрубков насосов с воронками. Чтобы сточные воды откачивались полностью, дно резервуара должно выполняться с уклоном к приямкам. Минимальная величина уклона – 0,05-0,1.

Ёмкость резервуара выбирается из следующих соображений. Должны быть исключены выпадение осадков и загнивание стоков. Скорость откачки должна соответствовать средней скорости притока. Для определения величины вместимости приёмного резервуара используют разработанные таблицы и графики. По графикам интегральным находится оптимальная производительность, устанавливаются режимы работы насосных устройств. Существуют и аналитические способы вычисления требуемой ёмкости, формулы для которых можно найти в специализированной технической литературе. Для получения этой величины нужно задать скорость притока, производительность насоса и частоту включения насоса. Скорость откачки принимается равной максимальной скорости притока.

Автоматическая система управления позволяет заметно снизить расчётную ёмкость.

Для сравнительно небольших КНС с производительностью, не превышающей 5000 м³ в сутки достаточно знать только последние две величины из приведённых выше. Приёмный резервуар должен вместить в себя весь приток, поступающий не менее 5 минут при максимальной его величине. Предельное число включений насоса в час не должно превышать: у станций ручного управления – трёх, автоматического – шести. При этих условиях ёмкость резервуара должна быть тем больше, чем больше расхождение между скоростями поступления и откачки стоков. За расчётный часовой приток в этом случае следует принимать его минимальное значение в соответствии с коэффициентом неравномерности, а за производительность насоса – максимальное.

Для удаления образующихся на дне осадков предусмотрены взмучивающие и смывающие их устройства. Осадок взмучивается потоком воды через специальное ответвление нагнетательного патрубка канализационного насоса. По этим же патрубкам напорный патрубок опорожняется при необходимости. Для смыва осадка используется брандспойт.

Состоят, в основном, станции из трёх сооружений:

• приёмных регулирующих резервуаров с защитной решёткой;
• машинных отделений;
• помещений вспомогательного и бытового назначения.

Назначение приёмного резервуара заключается в гашении перепадов в притоке стоков, чтобы агрегаты, главные для канализационных насосных станций, могли работать в равномерном режиме. В нём находится входная решётка, входные патрубки насосов и трубопроводы, поступающая из которых вода взмучивает и смывает осадки. Резервуар отделяется от машинного отделения непроницаемой для воды перегородкой. У помещений входы отдельные.

В машинном отделении устанавливается технологическое оборудование КНС. В его перечень входят: главные насосные агрегаты, трубопроводы, задвижки, вспомогательные насосы или гидроэлеваторы, подъёмно-транспортные механизмы и устройства, контрольно-измерительные аппараты и приборы, система дистанционного и автоматического управления. Главные насосы перекачивают сточные воды, вспомогательные – удаляют пролившуюся жидкость с пола помещения.

Структура вспомогательных и бытовых помещений в здании КНС определяется назначением станции, типом установленного оборудования, системой управления.

Насосные станции в канализационных сетях необходимы для перекачивания сточных вод из участков пониженных в повышенные. Они устанавливаются на оконечных звеньях одного коллектора и подают стоки в другой, расположенный выше, и на очистные сооружения.

Классификация

По назначению канализационные насосные станции бывают главными, районными и малыми.

Главные станции предназначены для перекачки на очистные сооружения общего объёма стоков всей канализационной сети. Районные обслуживают отдельные участки общей сети, соединяя разноуровневые коллекторы или питая локальные очистные сооружения. Малые, называемые также насосными установками, устанавливаются при отдельных сооружениях с накопителями сточных вод.

Схема разделения канализационной сети на отдельные линии, расположенные на разной высоте, позволяет значительно сэкономить средства. Затраты снижаются за счёт существенного снижения объёмов земляных работ, так как самотечные коллекторы можно закладывать на меньшую глубину. Выбор схем реализации сети определяется экономическими факторами.

По расположению различают станции заглубленные и подземные.

По способу управления насосные станции допускают ручное управление, автоматическое и дистанционное. Наиболее экономичными по расходам на эксплуатацию являются станции автоматические. Они имеют также самую высокую надёжность в своём классе.

Месторасположение станций зависит от локального рельефа, схемы канализационной сети, локализации очистных сооружений, обеспеченности бесперебойными источниками энергии, предпочтительно электрической.

Рекомендуется насосную станцию устанавливать максимально близко к наиболее низким точкам территории, охватываемой канализационной сетью. Для исключения вероятности затопления вход на станцию должен быть, по меньшей мере, на полметра выше верхнего горизонта паводковых вод.

Санитарные требования предписывают минимальную дистанцию КНС от жилой и общественной застройки в 25 м. Станция также должна быть окружена зелёной зоной. Снабжающие очистные сооружения станции целесообразно строить в комплексе с ними с общим управлением.

Чтобы при длительной остановке насосную станцию не могли затопить канализационные воды, последний перед ней смотровой колодец на коллекторе оборудуется аварийным выпуском. Задвижкой в колодце перекрывается подводящий коллектор КНС, и происходит сброс стоков в предусмотренную зону рельефа или оборудованный водосток. Аварийный сброс можно производить только в критических условиях.