O ile wiadomo już, że nie ze wszystkich zobowiązań inwestycyjnych względem Unii Europejskiej Polska wywiąże się w zadeklarowanych okresach, co może być dla nas kosztowne, o tyle należy przyznać, że jesteśmy krajem, który do swoich aktów prawnych bardzo szybko wdraża prawodawstwo europejskie. Przykładem potwierdzającym tę tezę jest przyjęcie europejskiej normy EN 752:2008 „Drain and sewer systems outside buildings” ze stycznia 2008 roku, która w marcu 2008 roku uzyskała statut Polskiej Normy PN:EN:752, pod tytułem „Zewnętrzne systemy kanalizacyjne”[5].
    Zgodnie z rysującą się od szeregu lat tendencją, w normie zawarte są głównie wymagania co do projektowania i eksploatacji, a mało jest informacji na temat metodyki rozwiązywania szczegółowych problemów projektowych, co pozostawiono wiedzy zawodowej projektantów, wykonawców i eksploatatorów. Norma ta zasadniczo różni się metodycznie od dotychczas obowiązujących w Polsce zasad projektowania kanalizacji, ale też wielu spraw nie rozstrzyga w sposób ostateczny i pozostawia dużo swobody poszczególnym krajom w stosowaniu zaleceń miejscowych.

Przepełnienie kanalizacji
    Dotychczas w Polsce stosowane były metody racjonalne projektowania, do których należy zaliczyć zarówno metodę zmiennych i stałych natężeń deszczu, jak i ich modyfikacje. Norma PN:EN:752 [5] dopuszcza w dalszym ciągu stosowanie takich metod przy projektowaniu małych systemów kanalizacyjnych o niedużym wpływie na stan wód powierzchniowych i zaleca modelowanie w czasie rzeczywistym układów kanalizacyjnych obejmujących większy obszar albo znaczącą liczbę mieszkańców. Przez modelowanie w czasie rzeczywistym należy rozumieć zastosowanie oprogramowania opartego na równaniach opisujących ruch nieustalony wolnozmienny zarówno dla spływów powierzchniowych, jak i przepływów w przewodach kanalizacyjnych. Ten sposób prowadzenia obliczeń wymaga danych co do zmienności w czasie i w przestrzeni natężenia opadu deszczu. Chociaż wymagania te nie były sformułowane w krajowych przepisach, to jednak w kilku większych miastach w Polsce, takich jak Kraków, Warszawa, Łódź i inne, zbudowano już takie modele numeryczne, i są one obecnie w trakcie weryfikacji i uzupełniania. Stosowanym w tym celu oprogramowaniem jest najczęściej Mike Urban, a w mniejszych miejscowościach, które chcą uniknąć kosztów zakupu oprogramowania komercyjnego, udostępniany bez opłat przez Agencję Ochrony Środowiska U.S.A. program Storm Water Management Model (SWMM). Jednak to nie oprogramowanie, tylko zbieranie danych do obliczeń, decyduje o koszcie budowy
i tarowania modelu.

Kanalizacja deszczowa
    Dotychczas w projektowaniu przewodów kanalizacyjnych dobierano tak ich przepustowość, aby w czasie deszczu miarodajnego zwierciadło wody we wpustach deszczowych układało się nie wyżej niż pół metra poniżej powierzchni terenu. Tymczasem norma PN:EN:752 [5]. zdecydowanie rozróżnia dwa przypadki przepełnienia. Jednym jest przekroczenie przepustowości kanału i w wyniku tego jego praca pod ciśnieniem. Podane w normie prawdopodobieństwa opadu deszczu w roku, którego te przekroczenia dotyczą, nie różnią się w drastyczny sposób od przyjmowanych dotychczas w kraju i wynoszą 100% dla kanału deszczowego w terenie niezabudowanym, 50% w zabudowie mieszkalnej, 20% w centrach miast oraz 10% dla podziemnych przejść, metra, szybkiego podziemnego tramwaju. Odpowiada to czasom nawrotu deszczu odpowiednio 1, 2, 5 i 10 lat. Natomiast dla większych sieci kanalizacyjnych lub przy zagrożeniach zdrowotnych norma PN:EN:752 [5] dodatkowo określa prawdopodobieństwa wylania na powierzchnię terenu albo niemożności odprowadzenia ścieków. Tym razem wartości częstotliwości nawrotu deszczu, zalecane przez normę do obliczeń, są na tyle duże, że projektowane dotychczas w Polsce kanały w zdecydowanej większości przypadków nie są w stanie ich spełnić. Dla terenów niezamieszkałych zalecane jest przyjęcie 10% prawdopodobieństwa wylania w roku, co odpowiada częstotliwości nawrotu deszczu obliczeniowego równej 10 lat. Dla terenów zamieszkałych zaleca się przyjmować prawdopodobieństwo wylania w roku równe 5%, dla centrów miast 3% i dla przejść i obiektów podziemnych 2%. Te wartości należy uznać za wymagane w przypadku braku innych uregulowań prawnych w skali krajowej dotyczących dopuszczalnej częstotliwości podtopień terenu przez kanalizację. Natomiast w przypadku ustalenia takich uregulowań norma daje im pierwszeństwo. Tak więc jeżeli w Polsce do takich odrębnych uregulowań prawnych nie dojdzie, to projektanci będą zmuszeni do projektowania większych systemów kanalizacji na intensywniejsze opady niż dotychczas. Gdyby przyjąć za słuszny wzór Błaszczyka na średnie w czasie natężenie opadu deszczu, to byłoby ono proporcjonalne do trzeciego pierwiastka z częstotliwości nawrotu deszczu w latach. Norma PN:EN:752 [5] nie jest jedynym dokumentem, który zaleca wysokie wymagania w odniesieniu do zabezpieczenia terenu przed wylaniem ścieków z kanalizacji, gdyż Ramowa Dyrektywa Wodna wylania takie traktuje jako zjawiska powodziowe.

Tab. 1. Zastosowania poszczególnych metod obliczeniowych zalecane w normie PN:EN:752 [5]

Kanalizacja ogólnospławna
    Jak powszechnie wiadomo podtopienia terenu przez kanalizację ogólnospławną stwarzają znacznie większe zagrożenie sanitarne niż podobnej skali podtopienia przez kanalizację deszczową [2],[7]. Ten od dawna znany fakt był uwzględniany w metodzie granicznych natężeń deszczu, w której dla tego samego rodzaju kanału i spadku terenu wymagane w projektowaniu były większe wartości częstotliwości nawrotu deszczu obliczeniowego dla kanałów ogólnospławnych i krótsze czasy retencji terenowej niż dla kanałów deszczowych. Tak więc w metodzie tej czas retencji terenowej nie był nigdy traktowany wyłącznie dosłownie, jako czas potrzebny na spływ powierzchniowy wód opadowych do wpustów deszczowych i dalej do kanału, ale pełnił również rolę parametru zabezpieczającego przy projektowaniu kanałów ogólnospławnych w porównaniu z kanałami deszczowymi.
    Tym bardziej dziwi fakt, że w normie przewiduje się identyczny sposób obliczania ilości ścieków deszczowych w kanalizacji ogólnospławnej jak w deszczowej. Oczywiście w kanalizacji ogólnospławnej należy jeszcze dodać ścieki bytowo-gospodarcze, ale w typowych sytuacjach jest ich kilkadziesiąt razy mniej niż deszczowych, a więc mają one większe znaczenie przy doborze spadków minimalnych kanałów ogólnospławnych niż przy wyznaczaniu obliczeniowych przepływów maksymalnych. Uzasadnione jest przyjęcie, że w kanalizacji ogólnospławnej zawsze występuje zagrożenie sanitarne, a więc powinno się sprawdzać warunki wylania ścieków nawet dla niedużych inwestycji kanalizacyjnych.

Samooczyszczanie kanałów
    W normie PN:EN:752 [5] występuje stwierdzenie, że naprężenia ścinające powinny być wystarczająco duże, aby w kanałach nie gromadziło się zbyt dużo osadów. Tak więc norma przewiduje, że dobór spadków minimalnych oparty będzie o wartości naprężeń ścinających na granicy ściana kanału – przepływające ścieki. Ten sposób doboru spadków minimalnych [2], powszechnie stosowany w krajach skandynawskich, już od wielu lat zyskiwał zwolenników w różnych krajach, zastępując stosowanie prędkości samooczyszczania, która jest zarówno funkcją wielkości kanału, jak i jego napełnienia [2]. Podawanie w literaturze krajowej różnych pojedynczych wartości prędkości samooczyszczania, niezależnych od wielkości i napełnienia kanału nie jest zgodne z obecnym stanem wiedzy.

Przelewy burzowe
    W Polsce udział długości kanałów ogólnospławnych w całej długości odcinków sieci kanalizacyjnych jest w widoczny sposób mniejszy niż w większości pierwotnych członków Unii Europejskiej [1]. Powodem tego jest to, że większość systemów odprowadzania ścieków w kraju budowana była znacznie później, a więc wówczas gdy zwracano już uwagę na szkodliwy wpływ przelewów burzowych, bez których nie można budować systemów ogólnospławnych odprowadzania ścieków. Spływy z terytorium Polski trafiają do Bałtyku, który jest szczególnie zanieczyszczonym morzem. Tymczasem wymagania dotyczące przelewów burzowych są u nas znacznie łagodniejsze od stawianych w krajach, które wcześniej zostały członkami Unii Europejskiej. Porównania wymagań stawianych przelewom burzowym przeprowadzono między innymi w książce [2]. Obecnie w Polsce z przelewów burzowych kanalizacji ogólnospławnej wolno dokonywać zrzutów wyłącznie do wód płynących przy średniej krotności nieprzekraczającej 10 razy do roku, a dla zlewnikanalizacyjnych o mniejszej wartości Równorzędnej Liczby Mieszkańców niż 100 000, przy braku informacji co do krotności zrzutów, wymagane jest zachowanie wartości współczynnika początkowego rozcieńczenia co najmniej 3, w odniesieniu do średniego przepływu ścieków w okresie bezdeszczowym. Należy podkreślić, że Rozporządzenie Ministra Środowiska [9], zmieniające rozporządzenie [8], nakazuje ustalanie średniej liczby zrzutów przez przelewy burzowe kanalizacji ogólnospławnej dla RLM ≥ 100.000 na podstawie zweryfikowanych modeli numerycznych, a więc wymaga budowy i tarowania modeli w czasie rzeczywistym dużych sieci ogólnospławnych. Natomiast dla mniejszych sieci ogólnospławnych ustala, że czas obserwacji opadów na podstawie których oblicza się krotność działania przelewów powinien wynosić co najmniej 10 lat ale z niewytłumaczonych powodów można ten warunek zastąpić wynikami obserwacji pracy przelewów w ciągu dwóch lat. Biorąc pod uwagę to, że występują lata suche i mokre należy uznać czas dwuletniej obserwacji jako zbyt krótki. Norma PN:EN:752 [5] bardziej zaleca i informuje, niż nakazuje, zastosowanie jednego z dwóch wymagań, a mianowicie działanie przelewu dopiero po przekroczeniu natężenia opadu deszczu wybranego z przedziału 10 l/(s·ha) -30 l/(s·ha) oraz działanie przelewu dopiero po przekroczeniu pięciokrotnego do ośmiokrotnego rozcieńczenia ścieków bytowo-gospodarczych ściekami deszczowymi.
    Przypomnieć należy, że nie tak dawno wymagano w Polsce, aby przelewy burzowe nie działały zanim nie zostanie przekroczone tak zwane natężenie spłukujące w ilości 6 l/(s·ha). Aktualne Rozporządzenie Ministra Środowiska [8] [9] nie zawiera tego wymagania. Ustawienie wymagań dotyczących wartości natężenia opadu deszczu powyżej wartości natężenia spłukującego, po przekroczeniu którego przelewy mogą działać, powinno być uzależnione od długości głównych kanałów kanalizacyjnych nad przelewem, o czym nie wspomina norma PN:EN:752 [5]. O ile powierzchnie dachów wymiarowane są w Polsce tradycyjnie na opady 300 l/(s·ha), krótkie odcinki kanałów deszczowych na deszcze dziesięciominutowe, a więc dla Polski centralnej dla natężeń opadu około 130 l/(s·ha), to główne kanały zmierzające do oczyszczalni ścieków wymiaruje się w wielkich miastach na deszcze kilkugodzinne, a więc często na natężenia opadu poniżej 10 l/(s·ha). W Montrealu główne kanały deszczowe przeliczane są na deszcze 24. godzinne. Tak więc, rozpatrując wielkość natężenia opadów, przy których mogą się rozpocząć zrzuty z przelewów burzowych, należy mieć na uwadze, czy dotyczy to przelewów zlokalizowanych w górnej czy w dolnej części dużych sieci kanalizacyjnych. Natomiast powinny to być wartości przekraczające natężenie spłukujące deszczu, a więc takie, po przekroczeniu którego zmniejszają się znacznie ładunki transportowanych kanałami zanieczyszczeń.
    Wymagania dotyczące początkowego pięciokrotnego do ośmiokrotnego rozcieńczenia ścieków bytowo-gospodarczych są ostrzejsze od wymagań ministra środowiska [8]. Oznacza to, że w najbliższych latach Polska może zostać zmuszona do znacznego zwiększenia retencji kanałowej przez budowę zbiorników retencyjnych oraz stosowanie innych metod zmniejszania odpływów wód opadowych i oczyszczania ich w miejscu opadu.

Wymagania co do sposobu prowadzenia obliczeń
    W ostatnich trzech dekadach tak duże środki finansowe w Europie i w USA zostały przeznaczone na modelowanie transportu masy w przewodach kanalizacyjnych, iż nie stanowi zaskoczenia, że norma PN:EN:752 [5] w przypadku projektowania dużych sieci kanalizacyjnych zaleca metody modelowania spływów i przepływów w czasie rzeczywistym. Przeciwnie, wydaje się niezrozumiałe, że nie sformułowano w niej wymagań dotyczących obliczeń ładunków transportowanych do dużych przelewów burzowych zanieczyszczeń. W normie PN:EN:752 [5] przewidziano trzy sposoby prowadzenia obliczeń, a mianowicie: metodami uproszczonymi (racjonalnymi), w oparciu o metodę fali kinematycznej oraz w oparciu o metodę fali dynamicznej. Ostatnia z tych metod wykorzystuje pełny układ równań Saint Venanta i pozwala na modelowanie przepływów z uwzględnieniem cofki i podtopień. Zalecenia co do zakresu stosowania poszczególnych metod obliczeniowych zebrano w normie PN:EN:752 [5] w postaci tabeli E.1, przytoczonej tutaj w języku polskim jako tabela 1. Jak idzie o obliczanie oporów przepływu na długości przez przewody kanalizacyjne, to norma PN:EN:752 [5] poleca stosowanie, tak jak dotychczas, równań Manninga lub Colebrook’a-White’a. Natomiast zalecane jest obliczanie oporów miejscowych w studzienkach kanalizacyjnych, co było zazwyczaj pomijane w krajowych projektach sieci kanalizacyjnych. Bardzo ogólnie scharakteryzowano w normie PN:EN:752 [5] wartości współczynników spływu i nie uzależniono ich od ilości deszczu, który spadł na powierzchnię zlewni. Tak więc wartości tego współczynnika zostały przyjęte jako wartości ustalone w czasie opadu, tak jak w dotychczasowych przepisach krajowych. Przyjęcie to w wielu przypadkach nie odpowiada rzeczywistości.

Kanalizacja sanitarna
    Nie podano zaleceń co do przyjmowanych w projektowaniu wartości średniego dobowego odpływu ścieków bytowo-gospodarczych ani też wielkości współczynników nierównomierności przepływu, które zależą od wielkości jednostek osadniczych. Powodem tego jest zapewne znaczne zróżnicowanie klimatyczne i różne przyzwyczajenia ludności Unii Europejskiej. Zamiast tego opisano pokrótce zasady ustalania tych wartości stosowane w kilku krajach. Średni dobowy odpływ ścieków bytowo-gospodarczych w przeliczeniu na mieszkańca na dobę według normy PN:EN:752 [5] wynosi w Czechach 100-150 l/(mk·d), w Danii 120-150 l/(mk·d), we Francji 150-200 l/(mk·d), w Niemczech 150-300 l/(mk·d), w Portugalii 120-350 l/ (mk·d), w Szwajcarii 170-200 l/(mk·d) i w Wielkiej Brytanii 150-300 l/(mk·d). W większości przypadków podane wartości średnich dobowych odpływów nie uwzględniają wód infiltracyjnych i przypadkowych, które projektant powinien przyjąć w oparciu o stan techniczny przewodów kanalizacyjnych. Dla wymiarowania przekrojów kanalizacyjnych według przedmiotowej normy przyjmuje się: w Danii odpływ od 4 do 6 l/s na każdy tysiąc mieszkańców, we Francji średni dobowy odpływ ścieków mnoży się przez współczynnik zawarty w granicach od 1,5 do 4, zależnie od wielkości kanału, jego spadku, wielkości miasta itp., w Niemczech przyjmuje się 4 l/s na każdy tysiąc mieszkańców i dodaje wody infiltracyjne, w Portugalii mnoży średni dobowy odpływ przez współczynnik zawarty pomiędzy 2 a 5, w Szwajcarii przyjmuje wartość przepływu 6 l/s do 7 l/s na każdy tysiąc mieszkańców, a uwzględniając usługi od 8 l/s do 10 l/s na tysiąc mieszkańców, a w Wielkiej Brytanii mnoży średni dobowy odpływ razy współczynnik mniejszy lub równy 6, w zależności od wielkości zlewni kanalizacyjnej. W normie nie zostały podane wysokości napełnień kanałów sanitarnych odpowiadające tym przepływom, co uniemożliwia ocenę wymagań. Według krajowych wytycznych z lat sześćdziesiątych dwudziestego wieku napełnienia te powinny zawierać się pomiędzy 0,6 a 0,8 wysokości przekroju z uwagi na bezwzględną konieczność zapewnienia przewietrzania i natleniania ścieków. Jednakże dla celów ułatwiających obliczenia zalecano, po opcjonalnym zmniejszeniu maksymalnego godzinowego poboru wody o 20%, dodanie aż 100% na wody infiltracyjne i przypadkowe. Dla tak określanych wartości przepływów kanały dobierano na pełne napełnienie. Nie oznaczało to bynajmniej przyjęcia 100% wód infiltracyjnych za dopuszczalne ani dopuszczenia pełnych napełnień przekroju. Ten sposób postępowania miał na celu w okresie przed upowszechnieniem komputerów ułatwić dobór kanału, tak aby przy rzeczywistych dopływach wód infiltracyjnych pracował on z właściwym napełnieniem, zapewniając przewietrzanie kanałów sanitarnych.

Korozja siarczanowa
    Norma PN:EN:752 [5] zawiera stwierdzenie o potrzebie ograniczenia odorów i wydzielania siarkowodoru. Niestety nie podaje wymagań co do dopuszczalnych stężeń poszczególnych gazów nad powierzchnią ścieków. Wśród parametrów ścieków decydujących o korozji siarczanowej norma wymienia dostępność siarczanów, co w rzeczywistości ma znaczenie jedynie w przypadku ścieków bogatych w węgiel organiczny i ubogich w siarczany [3], [4], gdyż redukcja siarki zachodzi nie w anaerobowych ściekach przepływających kanałami, lecz w biofilmie i osadach, w których namnożyły się bakterie prowadzące do tej redukcji. W przeciętnych ściekach bytowo-gospodarczych transport na drodze dyfuzji do osadów węgla organicznego jest mniej efektywny w stosunku do potrzeb tych bakterii niż transport siarczanów. Dlatego stężenie siarczanów w ściekach przepływających kanałami ma zazwyczaj drugorzędne znaczenie w kształtowaniu kinetyki tworzenia siarkowodoru i w rezultacie potencjalnej korozji siarczanowej sklepienia przewodów. W normie [5] nie wyjaśniono roli pH ścieków i wieku betonu w kształtowaniu szybkości przebiegu korozji siarczanowej kanałów betonowych i żelbetowych.

 

* * *

    Norma PN:EN:752 [5] nakazuje stosowanie dla celów projektowych dużych sieci kanalizacyjnych obliczeń przepływów nieustalonych w czasie rzeczywistym i zaleca określony sposób wprowadzania uproszczeń do tych obliczeń, w zależności od celu, któremu mają one służyć. Norma w sposób kompleksowy podsumowuje informacje dotyczące projektowania, budowy, eksploatacji i renowacji sieci kanalizacyjnych wraz z założonymi na nich urządzeniami. Niestety stopień ogólności tej normy jest bardzo duży, a informacje w niej podane nie zawsze odzwierciedlają obecny stan wiedzy i nie wystarczają dla celów projektowych. Istotną nowością w stosunku do dotychczasowych przepisów krajowych jest określenie dla dużych systemów kanalizacyjnych wymaganych częstotliwości nawrotu deszczy w projektowaniu kanałów na przepełnienia, które skutkują wylaniem lub nieprzyjęciem dopływających do kanalizacji ścieków. Wartości tych częstotliwości zalecane w normie są duże w stosunku do dotychczasowych zasad obliczeniowych. Jednakże norma dopuszcza możliwość ustalenia innych wartości w unormowaniach o charakterze krajowym.

Literatura
[1] Błaszczyk P., Strategia rozwoju miejskich systemów kanalizacyjnych w dostosowaniu do wymagań dyrektywy Unii Europejskiej 91/271/ EEC w sprawie oczyszczania ścieków z terenów zurbanizowanych oraz II Konwencji Helsińskiej, IV Kongres Kanalizatorów Polskich, POLKAN 99, Łódź ,1999,8-10 listopad, 77-86.
[2] Dąbrowski W., Oddziaływanie sieci kanalizacyjnych na środowisko, Wydawnictwa Politechniki Krakowskiej, Kraków 2004, str. 218.
[3] Dąbrowski W., Czy stężenie siarczanów ma istotny wpływ na korozję siarczanową?, część I – podstawy prognozowania, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna” 2010,11.
[4] Dąbrowski W., Czy stężenie siarczanów ma istotny wpływ na korozję siarczanową?, część II – Rzeczywisty przykład obliczeniowy, „Gaz, Woda i Technika Sanitarna”, 2010,12,34-38.
[5] EN 752:2008 „Drain and sewer systems outside buildings”, styczeń 2008, (PKN 2008).
[6] PN-EN 752-1do 7, Zewnętrzne systemy kanalizacyjne (PKN 2000- 2002).
[7] Kotowski A., Podstawy bezpiecznego wymiarowania odwodnień terenów, Seidel-Przywecki, Warszawa 2011, str. 527.
[8] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 24 lipca 2006 roku w sprawie warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziemi oraz w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego, Dz. U. 137, poz. 984.
[9] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 28 stycznia 2009 r. zmieniające rozporządzenie w sprawie warunków, jakie należy spełnić przy wprowadzaniu ścieków do wód lub do ziemi, oraz w sprawie substancji szczególnie szkodliwych dla środowiska wodnego, Dz.U.27, poz.169.

 

Autor: Wojciech Dąbrowski, Politechnika Krakowska

Artykuł został opublikowany w magazynie "Ochrona Środowiska" nr 5/2012

Źródło fot.: www.sxc.hu