Bij de afvoer van afvalwater door leidingen kan gekozen worden tussen twee grote groepen van systemen : gravitaire systemen en drukrioolsystemen

3.

DWA-systemen

3.1 Systeemkeuze Bij de afvoer van afvalwater door leidingen kan gekozen worden tussen twee grote groepen van systemen : gravitaire systemen en drukrioolsystemen. Bij gravitaire systemen wordt het afvalwater van de individuele woningen via een buis met kleine diameter naar een lager gelegen punt gebracht, waar een zuivering of een verdere doorvoer van het afvalwater is voorzien (paragraaf 3.2). Daarnaast is het ook mogelijk om te werken met drukriolen (paragraaf 3.5). Hierbij wordt ter hoogte van elke woning of cluster van woningen een kleine pompput voorzien, die het verzamelde afvalwater in een drukleiding pompt. Dat systeem zal bij voorkeur worden gebruikt waar de afstand tussen de aan te sluiten woningen groot is. Een belangrijk uitgangspunt is dat de riolen zoveel mogelijk als zelfreinigend ontworpen dienen te worden. Wanneer afgeweken wordt van deze ontwerpregels zal dat tot gevolg hebben dat de riolen minder zelfreinigend zullen zijn en dat bijgevolg het onderhoud zal moeten worden opgevoerd. Er werden enkele mogelijkheden onderzocht om het zelfreinigend karakter van gravitaire riolen te verbeteren. Het gebruik van inwendige pompen in het DWA-systeem kan een oplossing bieden bij zeer lage vullingsgraden (paragraaf 3.2.3 C). Het gebruik van voorbezinkingsputten kan de vuiltoevoer naar het gravitaire riool beperken (paragraaf 3.4). Verder werd er nagegaan in welke mate regenwater kan gebruikt worden als spoeldebiet (paragraaf 3.3).

Toelichting bij de Code van goede praktijk voor het ontwerp van rioleringssystemen

99

3.2 Gravitaire DWA-riolen 3.2.1 Huishoudelijke DWA-belasting De afvoerdebieten tijdens droog weer variëren sterk met het uur van de dag. Een typisch DWAprofiel is weergegeven in figuur 54. Deze dag-nacht variatie werd opgesteld op basis van DWAmetingen in 17 locaties in het Woluwebekken [Aquafin, 2000c] en 1 in Dessel [Fronteau, 1997]. Afhankelijk van de locatie werd een verschillende piekfactor gevonden, welke de dag-nacht variatie uit figuur 54 versterkt of dempt. In opwaartse delen van een rioolnetwerk zal de DWAcyclus minder uitgevlakt zijn dan in afwaartse delen, omdat niet iedereen tegelijk loost en omdat opwaartse lozingen tijdens de stromingstijd doorheen het riool worden uitgevlakt. Ook de gebruiksfunctie speelt hierbij een rol : in deelgebieden met enkel woningen zal de dag-nacht cyclus minder uitgevlakt worden dan in deelgebieden met ook kantoren, industrie en dergelijke. In figuur 55 wordt voor de verschillende DWA-cycli de piekfactor p weergegeven in functie van het gemiddelde DWA-debiet. De piekfactor is hierbij gedefinieerd als het maximale uurgemiddeld debiet gedeeld door het daggemiddeld debiet. Hierbij werd een variatie tussen 1,3 en 3 vastgesteld op basis van een gemiddeld lozingsdebiet van 150 l/inwoner/dag. De hogere piekfactoren worden bij zeer lage debieten gevonden en bevatten dus een grotere onzekerheid. De vermelde piekfactoren zijn gebaseerd op uurgemiddelden. Ogenblikkelijk kunnen zich nog kortstondige hogere piekfactoren voordoen. Uit figuur 55 blijkt dat de normale variatie aan uurlijkse piekfactoren gelegen is tussen 1,3 en 2,0. Figuur 55 toont ook een lichte correlatie tussen de piekfactor en de gemiddelde DWA (of het aantal InwonerEquivalenten (IE)), maar de spreiding is te groot om dit als een eenduidige relatie te kunnen hanteren. Om deze DWAmetingen voor het Woluwebekken via een hydrodynamisch model te kunnen reproduceren, werd een gelijkaardige dag-nacht variatie gebruikt met een uurlijkse piekfactor gelijk aan 3,2 (d.i. voor een individuele lozing) [Bouteligier et al., 2001]. In principe is er ook nog een verschil in profiel tussen weekdagen en weekenddagen en in functie van het seizoen, maar deze variatie is een grootte-orde kleiner dan de dag-nacht variatie, behalve bij industriegebieden, vakantieoorden en dergelijke. In de literatuur vindt men gelijkaardige variaties terug, zeker wat de piekfactoren betreft; bijvoorbeeld [Butler et al., 1995; Heip et al., 1997; Schlütter, 1999; Piatyszek et al., 2001]. Voor het ontwerpen van DWA-riolen is vooral de kansverdelingsfunctie interessant welke hieruit af te leiden is. Figuur 56 geeft de overschrijdingskans aan van de verhouding n van de DWAdebieten tot het gemiddelde DWA-debiet ( DWA ) in de veronderstelling dat alle dagen dezelfde dag-nacht variatie hebben als getoond in figuur 54. Deze cumulatieve kansverdelingsfunctie G(n) kan benaderd worden door :

G (ϕ ) =

1 ln(a1 ϕ ) a2

of

ϕ =

(

a1 exp a 2 G(ϕ )


)

(14)

100

3

DWA / gemiddelde DWA

2.5

2

1.5

1

0.5

0 0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

22

24

uur van de dag

Figuur 54 : Typische dag-nacht variatie van de droog weer afvoer (piekfactor = 3).

3

piekfactor

2.5

2

1.5

1 0.001

0.01

0.1

1

3

gemiddelde DWA [m /s]

Figuur 55 : Variatie van piekfactoren (verhouding maximaal uurlijks debiet t.o.v. gemiddeld dagelijks debiet) voor verschillende meetlocaties op basis van een lozingsdebiet van 150 l/inwoner/dag.


101

3

DWA / gemiddelde DWA

2.5 meting fitting

2

1.5

1

0.5

100%

96%

92%

88%

83%

79%

75%

71%

67%

63%

58%

54%

50%

46%

42%

38%

33%

29%

25%

21%

17%

13%

8%

4%

0

cumulatieve overschrijdingskans

Figuur 56 : Kansverdelingsfunctie van de DWA-debieten in een woonomgeving (piekfactor = 3). De parameters a1 en a2 worden bepaald uit de voorwaarden dat : S het gemiddelde van de relatieve DWA (n) gelijk moet zijn aan 1 : 1

ϕ =

∫ ϕ dG(ϕ ) = 0

S

(

)

a1 exp(a 2 ) − 1 a2

=

1

(15)

het maximum van de relatieve DWA (n) gelijk moet zijn aan p (p is de piekfactor) : (16) p = ϕ max ( G (ϕ ) = 1) = a1 exp(a 2 )

Of :

p=

a 2 exp(a 2 )

exp(a 2 ) − 1

en

a1 = p − a 2

(17)

Het product van de relatieve DWA (n) met de gemiddelde DWA ( DWA ) geeft de absolute DWAdebieten. De relatieve DWA heeft dus een gemiddelde gelijk aan 1, een minimum gelijk aan a1 en een maximum gelijk aan p = a2 - a1. Figuur 57 geeft de relatie weer tussen minimum (a1) en maximum (p). Indien de piekfactor lager is (dag-nacht cyclus meer uitgevlakt) zal ook de minimum factor a1 groter zijn (d.i. dichter bij 1 liggen). Bij een bepaalde piekfactor kan men de minimum factor a1 aflezen in figuur 57 en daaruit ook de parameter a2 (= p - a1) voor vergelijking 14 bepalen.


102

1 0.9 0.8

minimum factor

0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

2.6

2.8

3

3.2

3.4

piekfactor

Figuur 57 : Relatie tussen piekfactor en minimum factor.


103

3.2.2 Dimensionering DWA-leidingen Traditioneel wordt een DWA-riool ontworpen voor een piek-DWA en voor een halfvolle leiding. Dit ontwerpdebiet wordt berekend als [VMM, 1996a; Berlamont, 1997] : DWAontwerp = p q N [l / dag ] (18) Met :

p = ontwerppiekfactor [-] q = verbruik per inwoner per dag = 150 l/dag per inwoner N = aantal inwoners Als ontwerppiekfactor wordt traditioneel 1,7 genomen bij een halfvolle leiding [VMM, 1996a]. Dit is niet dezelfde piekfactor als gebruikt in paragraaf 3.2.1. Een ontwerppiekfactor gelijk aan 1,7 bij een halfvolle leiding betekent dat een debiet gelijk aan 3,4 keer de gemiddelde DWA kan worden getransporteerd bij een vollopende leiding (er kan dan 2 keer de ontwerp-DWA worden afgevoerd). Het echte maximaal afvoerdebiet ligt nog 7,5 % hoger bij een vullingsgraad van 94 % en is dan 3,66 keer de gemiddelde DWA (indien er geen significante opstuwing is) [Berlamont, 1997]. De variatie van de debieten verloopt bij DWA in het algemeen voldoende traag om een stationaire toestand te veronderstellen. De ontwerp-DWA bij een piekfactor van 1,7 wordt traditioneel DWA14 (ook wel Q14 genoemd) omdat dit overeenkomt met het DWAdagvolume gespreid over 14 uren : p = 24/14 = 1,7. In tabel 15 wordt weergegeven welke piekfactoren en dagverbruiken in het buitenland worden gehanteerd (deze informatie komt uit de Europese Norm EN 752 [BIN, 1997a]). Hierbij wordt zelden of niet vermeld bij welke vullingsgraad deze waarden worden gebruikt bij de dimensionering. Wel wordt in de meeste landen een veiligheid voorzien voor infiltratiedebieten. Het is echter beter deze infiltratiedebieten te vermijden door de waterdichtheid te garanderen, omdat dit tot veel grotere debieten kan leiden. Tabel 15 : Piekfactoren en dagverbruik in Europese landen [BIN, 1997a]. land

piekfactor

dagverbruik per inwoner [l/dag]

Oostenrijk

4,6

200 à 400

Denemarken

2,3 à 3,5

150 à 250

Frankrijk

1,5 à 4

150 à 200

Duitsland

2,9

150 à 300

Portugal

2à5

120 à 350

Zwitserland

3,5 à 4

170 à 200

Groot-Brittannië

tot 6

150 à 300


104

Omdat een DWA-leiding niet mag worden gedimensioneerd voor stroming onder druk, dient de dimensionering bij een vollopende leiding voor het werkelijke piekdebiet te worden bekeken. Dan is men er tenminste zeker van dat de capaciteit van de leiding overeenstemt met het piekdebiet. Indien men wil dimensioneren voor een halfvolle leiding moet men een piekfactor nemen die gelijk is aan de helft van de maximale piekfactor, omdat het debiet bij een vollopende leiding het dubbel is van het debiet bij een halfvolle leiding. In principe kan men voor geen enkel rioleringsnetwerk uitsluiten dat het onder druk komt omwille van afwaartse randvoorwaarden of omwille van kortstondige debieten die groter zijn dan het ontwerpdebiet. De keuze van de piekfactor is dan ook geen exacte wetenschap, maar een risico-evaluatie. De keuze van de piekfactor bij vollopende leidingen lijkt dus van cruciaal belang. Toch mag de ontwerppiekfactor niet te groot worden gekozen om zo de kans van het onder druk komen sterk te beperken. Men kan beter nagaan of het systeem ten gevolge van randvoorwaarden of een hogere belasting onder druk komt, waar en hoeveel en of het systeem dit aankan. Immers bij een te hoge keuze van de ontwerppiekfactor zal men dimensioneren op zeer zeldzame piekdebieten en men zal veel vaker te lage afvoersnelheden bekomen, waardoor er meer sedimentatie kan optreden (zie paragraaf 3.2.4). De DWA-leidingen en verbindingen moeten in elk geval waterdicht zijn, zodat noch infiltratie noch exfiltratie mogelijk zijn. Dit betekent dat een zekere in- en uitwendige druk moet kunnen worden weerstaan. De eisen hiervoor kunnen sterk variabel zijn in functie van de lokale omstandigheden (grondwaterpeil, afwaartse randvoorwaarden, enz...), zodat er telkens een afweging moet gebeuren tussen de lokale vereisten en de toegepaste leidingen. De verliezen bij waterdichtheidsproeven moeten worden beperkt conform het standaardbestek 250 [Anonymus, 2000]. Er mogen in geen geval overstorten worden gebouwd op DWA-riolen om capaciteitsproblemen (met stroming onder druk tot gevolg) op te lossen. De keuze van een piekfactor 3,4 bij vollopende leiding (komt overeen met een piekfactor 1,7 bij halfvolle leiding die wordt gebruikt in de ‘Krachtlijnen voor een geïntegreerd rioleringsbeleid’ van 1996 [VMM, 1996a]) lijkt een aanvaardbare keuze. Dit komt bij een dagverbruik van 150 l/inwoner/dag overeen met een piek-DWA-debiet van 5,9 l/s per 1000 inwoners. Piek-DWAdebieten die groter zijn dan 3,4 keer de gemiddelde DWA komen uiterst zelden voor. In principe zou men zelfs ietwat kleinere piekfactoren kunnen kiezen, maar er wordt hier geopteerd om de piekfactoren uit het verleden te blijven gebruiken. De meetresultaten in paragraaf 3.2.1 tonen lagere piekwaarden, maar dit zijn uurgemiddelde en geen ogenblikkelijke waarden. Bij opwaartse leidingen met een grotere piekfactor zal men toch een grotere capaciteit van de leiding bekomen dan het ontwerpdebiet, omdat men met een minimale diameter moet rekenen. Als minimale diameter voor een DWA-leiding wordt 150 mm aanbevolen. Bij een helling van 5,4 ‰ (voor minimale diameter en hellingen zie paragrafen 3.2.3 en 3.2.4) levert dit een capaciteit op van 11,1 l/s. Bij een piekfactor van 3,4 en een specifiek lozingsdebiet van 150 l/inwoner/dag komt dit overeen met 1890 IE. De kans dat de piekfactor bij een dergelijk grote bevolkingsgroep groter is dan 3,4 is zeer klein. Bovendien zal de stimulering van waterbesparing het gemiddelde lozingsdebiet in de toekomst waarschijnlijk niet toenemen. Om de maximale capaciteit na te gaan, kijkt men dus best naar het piekdebiet bij een vollopende leiding, maar op die manier bekomt men een bovengrens voor de piekfactor. De meer courante piekfactoren zullen veel kleiner zijn. Uit figuur 55 blijkt dat de piekfactor zelfs tot 1,3 kan dalen. In de praktijk is het echter eenvoudiger om voor een halfvolle leiding te dimensioneren bij een meer courante piekfactor, op voorwaarde dat deze piekfactor is afgeleid van de bovengrens voor de piekfactor (namelijk de helft ervan).


105

Er wordt dus voor geopteerd om het ontwerp van een DWA-leiding uit te voeren bij 1,7 keer de gemiddelde DWA voor een halfvolle leiding (d.i. DWA14), wat overeenkomt met 3,4 keer de gemiddelde DWA bij een vollopende leiding. Men rondt wel best naar boven af naar een commercieel beschikbare maat (na afronding van berekende diameter tot op 1 cm nauwkeurig) om de maximale capaciteit niet te sterk te verminderen. De keuze van deze min of meer beperkte piekfactoren leidt tot een beperkte reserve m.b.t. parasitair water. Hierdoor is het absoluut vereist om DWA-riolen waterdicht aan te leggen. Indien er ook industrieel afvalwater in de DWA-riolen terecht komt, kan dit worden ingerekend in de dimensionering door de maximaal vergunde uurlijkse debieten op te tellen bij de huishoudelijke DWA-piekdebieten (bij piekfactor 3,4 of 2 DWA14) en te dimensioneren voor een vollopende leiding (of te dimensioneren voor halfvolle leiding bij de helft van het maximaal vergunde uurlijks debiet plus DWA14). Voor geplande industriezones staat in de ‘Krachtlijnen voor een geïntegreerd rioleringsbeleid’ van 1996 vermeld dat een debiet van 0,25 l/s/ha moet worden gehanteerd [VMM, 1996a]. Het is niet duidelijk wat de herkomst van dit ontwerpdebiet is, maar het lijkt logisch dat deze debieten moeten worden gehanteerd bij halfvolle leidingen. Er wordt immers een equivalente waarde van 85 IE/ha vermeld en dit geeft bij een verbruik van 150 l/IE/dag en een piekfactor van 1,7 een ontwerpdebiet van 0,25 l/s/ha. Voor grote of speciale gebouwen (scholen, ziekenhuizen, hotels, sportcomplexen, kantoren, enz...) dient een detailberekening te gebeuren met een statistische berekeningsmethode om het gemiddelde afvalwaterdebiet en de piekfactor te bepalen [Berlamont, 1997] of met een empirische methode [BIN, 1997a; Berlamont, 1997] (deze berekeningsmethodes zijn in bijlage A integraal overgenomen uit [Berlamont, 1997]). Parasitaire debieten (infiltratie, drainage, beekwater, enz...) horen niet thuis in een DWA-riool. Verkeerde aansluitingen (d.i. regenwateraansluitingen, drainage, enz...) moeten dan ook absoluut vermeden worden aangezien ze een zeer nefaste invloed kunnen hebben op de werking van een DWA-riool. Hiertoe moet ook de waterdichtheid van de DWA-riolen zelf gegarandeerd zijn. Controle op waterdichtheid is dan ook noodzakelijk. Voor de inschatting van het aantal IE wordt voor bestaande woningen het aantal bewoners genomen en voor geplande bewoning 3 IE/woning. Voor speciale gebouwen kunnen ook de cijfers uit het ‘Besluit van de Waalse Regering houdende reglementering van de opvang van stedelijk afvalwater’ een goede richtwaarde bieden (tabel 16) [BS, 1998]. Ook de Nederlandse ‘Leidraad Riolering’ bevat een dergelijke tabel [Rioned, 2002a].


106

Tabel 16 : Inwonerequivalenten voor speciale gebouwen overeenkomstig de Waalse reglementering m.b.t. de opvang van stedelijk afvalwater [BS, 1998]. gebouw of complex

aantal IE

fabriek, werkplaats

1 arbeider = ½ IE

kantoor

1 bediende = a IE

school zonder baden, stortbaden of keuken (externaat) (1)

1 leerling =

1

school met baden en zonder keuken (externaat) (1)

1 leerling =

1

IE

10

IE

5

school met baden en keuken (externaat) (1)

1 leerling = a IE

school met baden en keuken (internaat) (1)

1 leerling = 1 IE

hotel, pension, ziekenhuis, gevangenis

1 bed = 1 IE

camping

1 persoon = ½ IE

kazerne, verblijfscamping

1 persoon = 1 IE

restaurant

1 persoon = ¼ IE (2)

theater, bioscoop, feestzaal

1 plaats =

1

sportpark

1 plaats =

1

30

IE

20

IE

(1)

Voor deze gebouwen of complexen moet het op de grond van de tabel berekend aantal IE verhoogd worden met ½ IE per personeelslid dat in de instelling is tewerk gesteld.

(2)

Aantal IE = ¼ IE × gemiddeld aantal personen per dag

Bij de bepaling van de vereiste nuttige capaciteit moet rekening worden gehouden met een eventuele verhoging (forfaitair op 15 % vastgelegd) van het aantal gebruikers van het aangesloten gebouw of complex.


107

3.2.3 Minimale diameter Als minimale diameter voor DWA-riolen kan 150 mm worden aanbevolen. Indien er een verhoogd risico op verstopping is of men een grotere toegankelijkheid van de leiding wil voor apparatuur en eventueel voor het uitvoeren van herstellingen, kan men de minimale diameter op 200 of 250 mm kiezen, maar dit heeft een invloed op het zelfreinigend vermogen van de leiding en de kostprijs. Ter vergelijking : in Nederland wordt een minimale diameter voor DWA-riolen van 200 mm vooropgesteld [Rioned, 2002a], wat ook in andere bronnen (o.a. uit de Verenigde Staten van Amerika) terug te vinden is. Een minimale diameter van 200 mm leidt echter tot nog meer overgedimensioneerde opwaartse leidingen. Bij DWA-riolen kan een kleinere diameter worden gebruikt dan bij gemengde riolen, omdat er in principe geen grote stukken in terecht kunnen komen die de leidingen kunnen verstoppen. De detailuitvoering van de inlaten van het DWA-systeem is hierbij zeer belangrijk. De minimale diameter zou dus functie kunnen gemaakt worden van de eisen die aan de inlaten van het DWAsysteem worden opgelegd. In de Verenigde Staten van Amerika werden met succes systemen geïmplementeerd met minimale diameters van 100 mm, waarbij een voorbezinkput per aansluiting wordt opgelegd [EPA, 1991]. Bovendien moet men de mogelijkheid voorzien om een DWA-systeem te kunnen spoelen. Hiervoor hoeft het DWA-systeem niet toegankelijk te zijn voor personen, maar volstaan toezichtsputjes die voldoende groot zijn om het inbrengen van een hoge druk spuit toe te laten. Dit kan eenvoudig door een opstaand T-stuk (figuur 10, paragraaf 1.3.2) (of Y-stuk : in de richting van de stroming in het riool (figuur 11)) te voorzien met een buis tot aan het maaiveld [VMM, 2000]. Bij een Y-stuk moet wel de stabiliteit van het toegangsputje voldoende verzekerd worden. Indien het (afwaartse) DWA-riool kleiner is dan 250 mm, dient de diameter van de toezichtsputjes (-schouwen) minimaal 250 mm te zijn, zodat controle- en onderhoudsapparatuur voor de leiding gemakkelijk kunnen in gebracht worden. Dit kan bekomen worden door open afwaarts van de toegangsschouw respectievelijk een verbreding en vernauwing te voorzien met tussenin een T- of Y-stuk (figuur 12) of door een toezichtsputje van diameter 250 mm met aansluitingen voor de betreffende kleinere diameter van de leiding (figuur 13). Voor een (afwaarts) DWA-riool vanaf 250 mm, dient de diameter van de toezichtsputjes (-schouwen) minimaal gelijk te zijn aan de diameter van het (afwaarts) DWA-riool. Voor huisaansluitingen volstaat een minimale diameter van 100 mm en ook toezichtsputjes met dezelfde diameter als het (afwaartse) huisriool, alhoewel het ook hiervoor aan te raden is om een grotere diameter te kiezen (bijvoorbeeld figuur 13). De diameter van de leiding van de huisaansluiting mag niet groter zijn dan deze van het riool waarop het aansluit. Bij een grotere diameter van het huisriool kan een diametervermindering op privéterrein worden uitgevoerd, indien er een toezichtsput ter hoogte van de diametervermindering wordt gebouwd. Eventuele afzetting van grof vuil ter hoogte van de diametervermindering kan dan via deze toezichtsput verwijderd worden. Er zijn geen gravitaire aansluitingen toegelaten van toestellen die onder het gelijkvloers niveau zijn gesitueerd.


108

Als maximale strenglengte tussen twee toezichtsputjes kan 75 m worden aanbevolen. De Nederlandse aanbeveling is 100 m [Rioned, 2002a]. De Amerikaanse EPA (Environmental Protection Agency) geeft een maximale strenglengte van 120 m aan [EPA, 1991], maar voor vlakke gebieden als Vlaanderen en Nederland kan dit beter wat kleiner worden genomen. Bij een verandering van richting, helling, diameter en bij het samenkomen van leidingen moet een toezichtsputje worden voorzien. Op plaatsen waar belangrijke leidingen samenkomen, kan een mantoegankelijke put nuttig zijn. Wanneer men overal mantoegankelijke putten plaatst, stijgen de lokale ladingsverliezen en de kosten. 3.2.4 Minimale schuifspanning en helling A. Zelfreinigende DWA-riolen Om sedimentatie te beperken in rioolleidingen wordt meestal gesteld dat een minimale stromingssnelheid noodzakelijk is. Op basis van deze minimale snelheid kan dan een minimale helling worden bepaald bij een bepaalde vullingsgraad. Deze minimale snelheid is echter afgeleid van het feit dat men een minimale schuifspanning nodig heeft om deeltjes niet te laten bezinken of om bezonken deeltjes terug in suspensie te brengen. Voor gemengde riolen wordt traditioneel een minimale (kritieke) schuifspanning gelijk aan 3 N/m2 aangenomen bij een halfvolle leiding [Berlamont, 1997; VMM, 1996a]. Dit lijkt een vrij hoge waarde indien men dit enkel in het licht van bezinking bekijkt, maar aangezien er ‘s nachts zeer lage debieten voorkomen zal er in de meeste riolen bezinking optreden. De schuifspanningen die nodig zijn om dit bezonken slib terug op te woelen zijn ongeveer 20 keer groter dan deze om de deeltjes te verhinderen om te bezinken (volgens Camp [Berlamont, 1997]). Deze verhouding is voor afvalwater naar alle waarschijnlijkheid sterk overdreven, maar het geeft wel duidelijk aan dat er een onderscheid moet worden gemaakt tussen nodige schuifspanningen voor het verhinderen van bezinking en het bekomen van erosie van bezonken materiaal. Er dient op gewezen te worden dat een voldoende hoge schuifspanning in de leidingen slechts zinvol is indien de stroming ook gelijkmatig kan gebeuren en er dus een continu vloeipeil in de langsrichting is. Lokale hindernissen zijn preferentiële locaties voor sedimentatie en moeizame erosie. De hierna volgende ontwerpregels zijn geldig voor zelfreinigende riolen. Dat betekent dat de systemen relatief onderhoudsvriendelijk zijn, op voorwaarde dat er geen oneigenlijk gebruik van de riolen wordt gemaakt.


109

Voor DWA-riolen kan men lagere minimale schuifspanningen hanteren, omdat er minder zware deeltjes in voorkomen dan in de regenwaterafvoer. In Nederland wordt slechts gerekend met een kritieke schuifspanning (vaak ook kritische schuifspanning genoemd) van 1 tot 1,5 N/m2 [Rioned, 2002a]. Toch vermeldt deze Nederlandse richtlijn dat voor de uitschuring van de bezonken deeltjes een schuifspanning van 2,5 N/m2 nodig is. Koot [1981] en Yao [1974] vermelden een minimale schuifspanning van 1 tot 2 N/m2 voor afvalwaterriolen, tegenover 3 tot 4 N/m2 voor regenwaterriolen en gemengde riolen. Butler & Davies [2000] spreken van een minimale schuifspanning van 2 N/m2 voor erosie van bezonken deeltjes. Veel hangt echter af van de hydraulische condities bij welke deze schuifspanningen worden opgelegd en in mindere mate van de ontwerpwaarde van de buisruwheid (zie paragraaf 3.2.7). De Duitse norm [ATV, 2001] bijvoorbeeld houdt het op een minimale schuifspanning van 1 N/m2, maar vraagt dat deze gedurende een derde van de tijd wordt overschreden bij een variabele DWA-belasting, terwijl de tabellen met de minimale hellingen zijn opgesteld bij een constante belasting van 5 l/s/1000IE (de gebruikte buisruwheid is 1,5 mm). Voor de gebruikte DWA-cyclus (paragraaf 3.2.1) komt dit overeen met een ontwerp bij een schuifspanning van ongeveer 1,2 N/m2. Recentelijk zetten Arthur et al. [1999] bovendien enkele vraagtekens bij de toepasbaarheid m.b.t. zelfreinigende DWA-riolen van het onderzoek van Macke waarop de Duitse ATV-norm is gebaseerd. Ackers et al. [1996] verklaren hierbij wanneer en waarom bepaalde theorieën rond sedimenttransport in riolen toepasbaar zijn (zie ook Butler et al. [2003]). Het gebruik van een minimale schuifspanning volgt uit de veronderstelling dat de kritieke situaties zich voordoen bij al of niet eroderen van bezonken stoffen. Bij het transport van de vervuiling in het water, speelt de concentratie en de aard van de vervuiling een belangrijke rol, maar vooral voor grotere riolen, niet zozeer voor kleine diameters [Ackers et al., 1996; Butler et al., 2003]. De Nederlandse richtlijn specifieert de schuifspanning 1 tot 1,5 N/m2 bij ‘maatgevende afvoer’ [Rioned, 2002a]. In een ander deel van de richtlijn [Rioned, 1999] vinden we dat de ruwheden materiaalafhankelijk worden genomen en variëren van 0,4 à 0,5 mm (voor PVC, PE en gres) en dat de hydraulische belasting ietwat hoger is (120 l/IE over 10 uur). Indien we de hydraulische condities beschouwen welke in deze richtlijnen voor DWA-riolen als ontwerpwaarden worden vooropgesteld, lijkt een minimale schuifspanning van 2 N/m2 een goede ontwerpwaarde. Een schuifspanning van 1 N/m2 wordt vaak gebruikt, maar lijkt voor erosie eerder een ondergrens. Referenties die schuifspanningen hanteren van 1 tot 1,5 N/m2 gaan meestal uit van geen bezinking, wat niet erg realistisch is. Gezien de grote variabiliteit in DWAafvoer gedurende een dag, is het zeker nodig om de schuifspanning zodanig te kiezen dat de bezonken vervuiling terug kan opwoelen. In figuur 58 wordt getoond welke deeltjes (diameter en dichtheid) in suspensie kunnen worden gehouden of kunnen worden opgewoeld bij een schuifspanning van 2 N/m2. De schuifspanning J [N/m2] kan worden berekend als [Berlamont, 1997] : τ = ρ g ℜ Sf Met : D g U Sf

= = = =

(19)

dichtheid van water . 1000 kg/m3 valversnelling = 9,81 m/s2 de hydraulische straal [m] verhang (meestal gelijk aan S0 = de helling van het riool) [-]


110

2600

2200

3

deeltjesdensiteit (kg/m )

2400

2000 1800

uitschuring

sedimentatie

in beweging gehouden, geen uitschuring

1600 1400 1200 1000 0.1

1

10

100

deeltjesdiameter (mm)

Figuur 58 : Diameter en dichtheid van deeltjes die respectievelijk worden uitgeschuurd, in suspensie worden gehouden en bezinken bij een schuifspanning van 2 N/m2 (volgens Camp [Berlamont, 1997]).

De schuifspanning blijkt dus enkel rechtstreeks functie van de helling en de diameter (via de hydraulische straal) en niet (rechtstreeks) van de buis- en bedruwheid. Daarom is de schuifspanning een eenvoudigere parameter om de minimale helling te bepalen dan de stromingssnelheid, welke wel rechtstreeks functie is van de ruwheid. Yao [1974] toonde aan dat voor leidingen met kleine diameter en lage vullingsgraad (< 40 %) een schuifspanningscriterium tot een meer efficiënt ontwerp leidt dan een snelheidscriterium. Deze stelling werd recent bevestigd door Arthur et al. [1999] op basis van een uitgebreide literatuurstudie. Toch wordt een minimale stromingssnelheid vaak als criterium gebruikt om het zelfreinigend vermogen van leidingen te garanderen. In Vlaanderen wordt traditioneel met minimale stromingssnelheden van 0,6 tot 0,7 m/s gerekend [VMM, 1996a]. Het verband tussen minimale schuifspanningen en minimale snelheden wordt getoond in figuur 59 in functie van het aantal aangesloten IE. Het overeenkomstig debiet is : 1,5 l/s + 1,7 × (# IE - 1) × 150 l/dag/IE. Hierbij wordt er aangenomen dat het minimale piekdebiet dat zich dagelijks voordoet in een DWA-leiding 1,5 l/s is, afkomstig van het doorspoelen van 1 WC. Deze formulering voor het debiet geeft een continue overgang tussen individuele pieklozing en pieklozing bij groot aantal IE. Uit figuur 59 blijkt dat een schuifspanning van 2 N/m2 ongeveer overeenkomt met een stromingssnelheid van 0,6 m/s (bij een ruwheid ks van 1,5 mm). Ook de American Society of Civil Engineering (1970) hanteert een minimale snelheid van 0,6 m/s [EPA, 1998]. De British Standards (1987) vermelden een minimale snelheid van 0,75 m/s [Arthur et al., 1999]. Ook in de meer recente Britse richtlijnen van 1996 wordt een omrekening naar minimale snelheden gemaakt [Ackers et al., 1996].


111

0.8 0.7

snelheid (m/s)

0.6 0.5 0.4 0.3

schuifspanning (N/m2) :

0.2 0.1

3 2.5 2 1.5 1

0 0

100

200

300

400

500

600

700

800

aantal IE

Figuur 59 : Verband tussen minimale snelheid en minimale schuifspanning in functie van het aantal aangesloten IE (ruwheid ks = 1,5 mm, diameter = 150 mm). Dat de schuifspanning onafhankelijk is van de ruwheid van de leiding lijkt misschien niet logisch. De ruwheid van de leiding kan een invloed hebben op de onderlinge wrijving tussen een deeltje en de wand, maar de meest kritieke schuifspanning doet zich voor bij onderling contact tussen deeltjes (bijvoorbeeld afzetting van een deeltje op een sedimentlaag). In die zin is het logisch dat de kritieke schuifspanning wordt bepaald in functie van de vuildeeltjes en niet in functie van de wandruwheid. De hydraulische straal U is hetzelfde voor een halfvolle en voor een volle leiding, namelijk gelijk aan ¼ van de diameter. Voor leidingen met een vullingsgraad vanaf 50 %, zal de schuifspanning dus groter dan of gelijk zijn aan de schuifspanning bij een halfvolle (of volle) leiding. In figuur 60 wordt het relatieve verloop van de schuifspanning in functie van de vullingsgraad getoond [Berlamont, 1997]. Indien dan de minimale helling wordt bepaald op basis van een minimale schuifspanning van 2 N/m2 bij een halfvolle (of volle) leiding, wordt voor elke diameter een minimale helling bekomen zoals weergegeven in tabel 17.


112

1

verhouding waterhoogt / leidingdiameter

0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

verhouding schuifspanning / schuifspanning bij een halfvolle leiding

Figuur 60 : Relatief verloop van de schuifspanning met de vullingsgraad van een cirkelvormig riool. Tabel 17 : Uiterste grenzen voor de minimale hellingen voor DWA-riolen en huisaansluitingen om een schuifspanning van 2 N/m2 te bekomen. diameter (mm)

minimale helling bij 1 IE

minimale helling bij 50 % vulling

100

10,1 ‰

8,2 ‰

150

10,8 ‰

5,4 ‰

200

11,6 ‰

4,1 ‰

250

12,3 ‰

3,3 ‰

300

2,7 ‰

350

2,3 ‰

400

2,0 ‰


113

Om blijvende sedimentatie te verhinderen in gravitaire DWA-rioolleidingen wordt dus gesteld dat een minimale schuifspanning gelijk aan 2 N/m2 noodzakelijk is. Afhankelijk van het soort en concentratie van de vervuiling in het afvalwater zal de werkelijk nodige minimale schuifspanning van plaats tot plaats en in de tijd variëren, maar 2 N/m2 wordt als een ontwerpwaarde naar voor geschoven waarmee de meeste problemen kunnen worden vermeden. Deze schuifspanning moet minstens 1 keer per dag voorkomen (er wordt standaard gerekend met uurgemiddelde waarden). De minimale schuifspanning kan daartoe berekend worden op basis van een ontwerppiekfactor gelijk aan 1,7. Het is niet aan te raden om een lagere minimale schuifspanning als criterium aan te nemen, omdat de piekfactor van 1,7 reeds in vele riolen niet wordt bereikt (bijvoorbeeld bij een piekfactor van 1,3 daalt de schuifspanning tot 1,87 N/m2 ten opzichte van 2 N/m2 bij een piekfactor van 1,7 en 50 % vullingsgraad). Voor DWA-afvoer wordt er standaard gerekend met een dag-nacht-cyclus met uurlijkse intervallen. Data over meer kortstondige DWA-variaties zijn zelden of niet voorhanden, waardoor het geen zin heeft om op te leggen dat de schuifspanning gedurende een kortere tijd mag worden bekomen. Indien men een overschrijding van een uurgemiddelde waarde heeft, zal deze waarde binnen dat uur slechts over een gedeelte van dat uur overschreden worden. Bovendien wordt er voor lage DWA-belastingen gerekend met het effect van individuele lozingen (dit is spoeling van 1 toilet; zie tabel 17 : 1 IE). Het voordeel van het dimensioneren voor halfvolle leidingen zit vooral in de bepaling van de minimale helling om een minimale schuifspanning te bekomen, omdat dit gebeurt bij een meer realistische piekfactor van 1,7 en niet bij een bovengrens van 3,4 die zelden of nooit wordt bereikt. Indien men dus een DWA-leiding ontwerpt voor 3,4 keer de gemiddelde DWA bij een vollopende leiding of 1,7 keer de gemiddelde DWA bij een halfvolle leiding en een minimale helling volgens tabel 17, bekomt men een schuifspanning van minimaal 2 N/m2 van zodra de leiding halfvol is. Door de variatie van het DWA-debiet over de dag (figuur 54) en de afronding naar een commercieel beschikbare diameter, zullen de meeste DWA-riolen dagelijks slechts kortstondig of nooit een vullingsgraad van 50 % bereiken welke overeenkomt met de minimale schuifspanning van 2 N/m2 bij de minimale hellingen uit tabel 17. In de figuren 61 en 62 is de variatie van de schuifspanning geïllustreerd voor leidingen van respectievelijk 150 en 200 mm diameter, gedimensioneerd volgens de bovenvermelde regels.


114

2 30 IE 150 IE 500 IE 1000 IE 1902 IE

D = 150 mm

1.8

1.4

2

schuifspanning (N/m )

1.6

1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

Percentage van de tijd dat de schuifspanning overschreden wordt

Figuur 61 : Percentage van de tijd dat een bepaalde schuifspanningsdrempel wordt overschreden voor een leiding met een diameter van 150 mm (helling = 5,4 ‰, p = 1,7) en voor een variërende belasting.

2 50 IE 300 IE 800 IE 1800 IE 3548 IE

D = 200 mm

1.8

1.4

2


1.6

1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%


Figuur 62 : Percentage van de tijd dat een bepaalde schuifspanningsdrempel wordt overschreden voor een leiding met een diameter van 200 mm (helling = 4,1 ‰, p = 1,7) en voor een variërende belasting.


115

Leidingen die een vullingsgraad bij piek-DWA-debiet (piekfactor = 1,7) hebben kleiner dan 50 %, dienen onder een grotere helling te worden geplaatst om de minimale schuifspanning van 2 N/m2 te halen. Er kan worden gesteld dat het minimale piekdebiet dat zich dagelijks voordoet in een DWA-leiding 1,5 l/s is (afkomstig van het doorspoelen van 1 WC). Voor een leiding met een diameter gelijk aan 150 mm levert een debiet van 1,5 l/s een vullingsgraad op van 21 % (bij de minimale helling die net tot een schuifspanning van 2 N/m2 leidt). De nodige helling om een schuifspanning van 2 N/m2 te bekomen is dan 10,8 ‰. De grootste minimale helling die toegepast dient te worden voor de opwaartse gravitaire riolen met minimale diameter van 150 mm is dus 10,8 ‰. Voor andere vullingsgraden wordt de minimale helling in figuur 63 en tabel 18 gegeven voor diameters 150, 200 en 250 mm in functie van het aantal aangesloten IE (150 l/IE/dag en piekfactor = 1,7). Aangezien bij een verandering van helling en diameter een toezichtsputje moet worden voorzien, zal elk DWA-riool tussen twee toezichtsputjes dezelfde diameter en helling hebben. Bij kruisingen met andere leidingen dient erop te worden toegezien dat er geen lokale knik in het langsprofiel zit.

D = 250 mm

1.2%

D = 200 mm D = 150 mm

minimale helling

1.0%

0.8%

0.6%

0.4%

0.2%

0.0% 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

IE

Figuur 63 : Minimale helling bij vullingsgraad < 50 % om een schuifspanning van 2 N/m2 te bekomen (bij een piekfactor van 1,7 en een debiet van 150 l/IE/dag).


116

Tabel 18 : Minimale helling voor volledig gravitaire DWA-riolen bij een vullingsgraad < 50 % om een schuifspanning van 2 N/m2 te bekomen (bij een piekfactor van 1,7 en een debiet van 150 l/IE/dag). diameter 150 mm

diameter 200 mm

diameter 250 mm

aantal IE

minimale helling

aantal IE

minimale helling

aantal IE

minimale helling

1

10,8 ‰

1

11,6 ‰

1

12,3 ‰

10

10,7 ‰

10

11,5 ‰

10

12,2 ‰

20

10,6 ‰

20

11,4 ‰

20

12,0 ‰

50

10,3 ‰

50

11,0 ‰

50

11,7 ‰

100

9,8 ‰

100

10,5 ‰

100

11,1 ‰

200

9,0 ‰

200

9,6 ‰

200

10,1 ‰

300

8,4 ‰

300

8,9 ‰

300

9,4 ‰

400

7,9 ‰

400

8,3 ‰

400

8,8 ‰

500

7,5 ‰

500

7,9 ‰

500

8,3 ‰

600

7,1 ‰

600

7,5 ‰

600

7,8 ‰

800

6,5 ‰

800

6,8 ‰

800

7,1 ‰

1000

6,1 ‰

1000

6,3 ‰

1000

6,6 ‰

1200

5,7 ‰

1200

5,9 ‰

1200

6,1 ‰

1379

5,4 ‰

1400

5,6 ‰

1400

5,8 ‰

1600

5,3 ‰

1600

5,5 ‰

1800

5,0 ‰

1800

5,2 ‰

2000

4,8 ‰

2000

5,0 ‰

2500

4,4 ‰

2500

4,5 ‰

3017

4,1 ‰

3000

4,2 ‰

3500

3,9 ‰

4000

3,7 ‰

4500

3,5 ‰

5206

3,3 ‰


117

Naast de minimale schuifspanning voor erosie en transport van bezinkbare deeltjes is ook de minimale waterhoogte een belangrijke parameter voor het transport van drijvend materiaal. Bij kleine hydraulische belasting hangt de vullingsgraad echter veel nauwer samen met de diameter dan met de helling. De keuze voor een kleine diameter heeft dus veel meer effect dan het verlagen van de minimale helling. Bij zeer kleine hydraulische belasting zal een voldoende vullingsgraad voor continu transport van drijvend materiaal zelden beschikbaar zijn. In dat geval zal er zich drijvend vuil afzetten, waardoor er een kleine ophoping ontstaat. Achter deze ophoping kan er zich een kleine waterhoogte opbouwen. Wanneer deze hoog genoeg is, zal het drijvend vuil weer opgepikt worden en een eindje verder spoelen. Dit intermitterend gedrag maakt transport van drijvend vuil enigszins mogelijk bij lage vullingshoogtes. Bovendien is de DWA sterk fluctuerend op korte tijd, eerder dan een continue gemiddelde afvoer, doordat het een superpositie is van korte lozingen. Uit figuur 63 en tabel 18 blijkt dat bij zeer lage hydraulische belasting de nodige minimale helling om een minimale schuifspanning van 2 N/m2 te bekomen sterk oploopt. Bij hellingen groter dan (ongeveer) 1 % zal er in deze gevallen superkritische stroming optreden (Froudegetal > 1). Dit wordt beter vermeden, aangezien dit gepaard gaat met kleine waterhoogtes en watersprongen, welke het zelfreinigend vermogen niet bevorderen. De minimale helling wordt dus best langs boven beperkt tot 1 % en eventueel dienen er onderhoudsmaatregelen te worden getroffen om het riool schoon te houden (zie paragraaf 3.2.4.B). Belangrijk is ook dat al het vuil dat niet in het riool thuishoort er ook uit wordt gehouden. In Groot-Brittannië heeft men zeer veel last van drijvend vuil omdat er zeer veel in de toiletten wordt gegooid wat eigenlijk in de vuilbak thuishoort (maandverband, tampons, condooms, enz...). Via een campagne onder het motto ‘Don’t flush it, bin it’ (vrij vertaald : ‘spoel het niet door, maar werp het in de vuilbak’) wordt er aan sensibilisering gedaan. Ook moeten de gebruikers er zich van bewust zijn dat DWA-systemen zeer gevoelig zijn voor dit soort grof vuil en dat de gebruikers zelf meestal de oorzaak zijn van verstopping en slecht functioneren van het afvoersysteem. B. Niet-zelfreinigende DWA-riolen In de praktijk is het niet altijd mogelijk om een min of meer zelfreinigend riool aan te leggen, omdat dit kan leiden tot zeer hoge aanleg- en exploitatiekosten in vergelijking met de bijkomende onderhoudskost bij een niet-zelfreinigend riool of dient men bestaande niet-zelfreinigende riolen te behouden. In dat geval kan een lagere minimale schuifspanning worden gehanteerd voor het ontwerp van DWA-riolen in vlakke gebieden, waarbij dan ten gepaste tijd een reiniging moet worden uitgevoerd. De keuze van het type reiniging kan een invloed hebben op het ontwerp, omdat ook tijdens de reiniging bepaalde minimale helling nodig kan zijn om het opgewoelde slib te transporteren.


118

Het ontwerp van niet-zelfreinigende DWA-riolen dient gepaard te gaan met een inventarisatie van de locaties waar de gewenste schuifspanning (zie paragraaf 3.2.4 A) niet wordt bereikt en het opstellen van een onderhoudsplan dat integraal deel uitmaakt van het ontwerp. Dit onderhoudsplan moet de initieel gekozen reinigingstechniek specifiëren. Soms zullen ook aanpassingen aan het ontwerp noodzakelijk zijn om de geplande onderhoudstechniek ook te kunnen toepassen(vermijden overbelasting en realiseren minimale schuifspanning). Bij de aanpassing van de reinigingstechniek moet de hydraulische impact ervan opnieuw worden nagegaan. Daarnaast is het nuttig om toch een absoluut minimale helling op te leggen, teneinde de volledige bezinking van het afvalwater in het riool te vermijden. Indien hiervoor een schuifspanning van 1 N/m2 wordt gehanteerd, zal de minimale helling voor opwaartse uiteinden met weinig aangesloten IE in bepaalde gevallen nog als oneconomisch groot worden beschouwd. Een schuifspanning van 0,5 N/m2 (bij een standaard ruwheid van 1,5 mm) lijkt echter ook voor opwaartse riolen een minimum. Dit geeft voor DWA-riolen met een grotere hydraulische belasting dan weer vrij kleine waarden. Bovendien lijkt het redelijk om een hogere minimale schuifspanning te eisen bij DWA-riolen met een hogere hydraulische belasting dan bij een kleinere hydraulische belasting, teneinde de bezonken hoeveelheden te beperken. Om die reden wordt voorgesteld om voor niet-zelfreinigende riolen een minimale helling van 2 ‰ te hanteren, waarvoor bij DWA-riolen met een kleine belasting de minimale schuifspanning in de buurt van 0,5 N/m2 ligt en voor DWA-riolen met grote belasting de minimale schuifspanning in de buurt van 1 N/m2 ligt (figuren 64 t.e.m. 66). Indien men bij ietwat grotere DWA-riolen (vanaf diameter 250 mm) en een voldoende grote hydraulische belasting een schuifspanning van 1 N/m2 kan bekomen met een minimale helling kleiner van 2 ‰, is dit toegelaten. Hierbij is er wel een minimale helling van 1 ‰ nodig omwille van uitvoeringstechnische redenen. De bovenstaande eisen zijn minimum eisen. De rioolbeheerder heeft er alle baat bij om (waar mogelijk) toch grotere hellingen aan te leggen, ook al worden de nodige hellingen voor zelfreinigende riolen niet gehaald, teneinde de onderhoudskosten te minimaliseren. Indien men een minimale bezinking in het riool toelaat, dient men erop te letten dat dit geen significante invloed heeft op de hydraulische werking van het riool (zie ook paragraaf 5.5.3). Voor automatische reiniging van niet-zelfreinigende riolen wordt verwezen naar paragraaf 3.3.


119

1

D = 150 mm

0.9

0.9

0.8

0.8

0.7

0.7

0.6

0.6

0.5

0.5

0.4

0.4

0.3

0.3

0.2

vullingsgraad h/D

2

schuifspanning τ (N/m )

1

0.2 τ

0.1

0.1

h/D

0 0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

0 650

# inwoner equivalent IE

Figuur 64 : Schuifspanning en vullingsgraad bij een riool met diameter 150 mm bij een helling van 2 ‰.

1

1

0.9

0.9

0.8

0.8

0.7

0.7

0.6

0.6

0.5

0.5

0.4

0.4

0.3

0.3

0.2

0.2 τ

0.1

h/D

0 0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

vullingsgraad h/D

schuifspanning τ (N/m2)

D = 200 mm

0.1 0 2000




120

1.3

1

D = 250 mm

1.2

0.9

1.1

schuifspanning τ (N/m2)

0.9

0.7

0.8

0.6

0.7

0.5

0.6 0.5

0.4

0.4

0.3

0.3

vullingsgraad h/D

0.8

1

0.2

0.2

τ

0.1

h/D

0 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0.1 0 4000




121

3.2.5 Invloed van pompen Indien men een tussenliggend pompstation gebruikt om diepe uitgravingen te beperken, kan men het pompdebiet zodanig kiezen dat de afwaartse leiding bij het draaien van de pomp minstens half gevuld is. In dat geval kan afwaarts van het pompstation de minimale helling sterk beperkt worden ook bij lage aansluitingsgraad (tabel 17). Bijvoorbeeld bij een diameter van 150 mm zal de nodige minimale helling dan nog slechts 5,4 ‰ bedragen, ongeacht het aantal aangesloten IE in plaats van de grotere hellingen uit tabel 18. Het pompdebiet kan bovendien nog verder geoptimaliseerd worden. Indien men een pompdebiet kan creëren dat afwaarts een vullingsgraad tussen 70 en 80 % tot gevolg heeft, zal de schuifspanning nog stijgen ten opzichte van een halfvolle buis en wordt bij lagere hellingen reeds het schuifspanningscriterium van 2 N/m2 gehaald. Hierbij moet wel worden opgelet dat de DWA-piekdebieten die afwaarts van de pomp worden toegevoerd nog kunnen worden afgevoerd. Het verschil tussen dit DWA-piekdebiet en de capaciteit van de leiding kan dan worden aangenomen als optimaal (maximaal) pompdebiet. De overeenkomstige minimale helling kan dan worden bepaald uit het schuifspanningscriterium van 2 N/m2. Dit wordt weergegeven in figuur 67 voor een diameter 150 mm bij een ruwheid van 1,5 mm. De minimale helling kan dus verder beperkt worden tot 4,6 ‰ voor de leiding afwaarts van het pompstation (bij het maximale pompdebiet van 8,7 l/s). Indien men een minimale diameter van 200 mm zou aannemen afwaarts van het pompstation, kan men naar nog lagere hellingen gaan, maar heeft men ook krachtigere pompen nodig (maximaal pompdebiet van 17,4 l/s) (figuur 68). De minimale helling kan dan worden beperkt tot 3,4 ‰ voor de leiding afwaarts van het pompstation. Deze minimale hellingen gelden enkel indien het pompdebiet gelijk is aan het gespecifieerde optimale (maximale) pompdebiet. Bij hogere pompdebieten kunnen de afwaartse leidingen de DWApiekdebieten niet meer afvoeren tijdens het pompen en bij lagere pompdebieten zullen de minimale hellingen terug stijgen. Het maximaal werkingsvolume is gelijk aan a van het dagvolume (50 l/IE × # IE), zodat de verblijftijd in de put beperkt blijft tot maximaal 12 uur (dit is groter dan 8 uur omwille van de dag-nacht-cyclus). Het werkingsvolume is functie van het pompdebiet Qp en is minimaal gelijk aan het volume dat in 1 minuut kan verpompt worden bij het maximale werkingsdebiet van de pomp = Qp (l/s) × 60 s, zodat de pomptijd minimaal 1 minuut bedraagt, tenzij dit bij een laag aantal aangesloten IE niet gehaald kan worden. Hieruit volgt dat de dagelijkse werkingstijd van de pomp minimaal 3 minuten is. Om dit te kunnen realiseren bij een pompdebiet van 8,7 l/s (figuur 67) is een minimaal DWA-afvoer overeenkomstig met 10 IE nodig. Best wordt er echter gestreefd naar een langere dagelijkse werkingstijd van de pomp (bij voorkeur $ 10 minuten). In het geval van een optimaal gekozen pomp, liggen de minimale hellingen in de buurt van deze die bekomen worden bij een gravitair rioolstelsel met voorbezinkingsputten (zie paragraaf 3.4.2). Dit betekent dat voor de inschatting van de toepasbaarheid eerder het voorbeeld uit paragraaf 3.4.3 geldt dan het voorbeeld uit paragraaf 3.2.8. Meer uitleg over het ontwerp van een DWA-pompstations wordt gegeven in paragraaf 5.8.4 D.


122

12

0.5%

10

0.4%

8

0.3%

6

0.2%

4

0.1%

pompdebiet (l/s)

helling

0.6%

2 minimale helling maximaal pompdebiet

0.0% 0

100

200

300

400

500

600

700

0 800

aantal IE (afwaarts)

Figuur 67 : Minimale helling om een schuifspanning van 2 N/m2 te bekomen afwaarts van een pompstation bij het gespecifieerde optimale (maximale) pompdebiet (diameter = 150 mm).

20

0.8%

18

0.7%

16 0.6%

helling

0.5%

12 10

0.4%

8

0.3%

pompdebiet (l/s)

14

6 0.2% 4 minimale helling

0.1%

maximaal pompdebiet 0.0% 0

100

200

300

400

500

600

700

2 0 800

aantal IE (afwaarts)

Figuur 68 : Minimale helling om een schuifspanning van 2 N/m2 te bekomen afwaarts van een pompstation bij het gespecifieerde optimale (maximale) pompdebiet (diameter = 200 mm).


123

3.2.6 Bijkomende vereisten A.

Gronddekking

Voor zuivere DWA-riolen is het risico van vorstschade kleiner dan voor gemengde riolen of regenwaterriolen, omdat het afvalwater meestal warmer is. Toch is er nog een minimale gronddekking nodig om de bovenbelasting (bvb. verkeer) voldoende uit te spreiden, zodat de buizen zelf niet te zwaar belast worden. In functie van de diameter en het materiaal van de buis zullen verschillende bovenbelastingen toegelaten zijn. De specificaties van de fabrikanten dienen hiervoor te worden geconsulteerd. In de praktijk zullen de meeste DWA-riolen toch een vrij grote gronddekking hebben, aangezien men bij gravitaire riolen door de grote minimale hellingen vrij snel een grote diepte bereikt en omdat de huisaansluitingen om praktische redenen al op een zekere diepte aanvangen. Dit alles in acht genomen kan de minimale gronddekking voor gravitaire DWA-riolen worden genomen op 0,5 m, behoudens grotere dekking nodig omwille van stabiliteitsredenen. B.

Aansluitingen

Voor huisaansluitingen kan een minimale diameter van 100 mm worden aanbevolen. In de figuren 14 en 17 (zie paragraaf 1.3.2) worden technische tips gegeven met betrekking tot (huis)aansluitingen [VMM, 2000]. Om opstuwing te voorkomen ter plaatse van een diametertoename in een DWA-systeem, dienen de leidingen met gelijk kruinpeil te worden aangesloten. Bij aansluiting op bodempeil (of met gelijk middelpunt) is er een verhoogde kans op sedimentatie net opwaarts van de diametervergroting. Bij aansluiting op het bodempeil en superkritische stroming zijn dit preferentiële locaties voor een watersprong. Aansluitingen met specifieke hulpstukken waarbij het centrum van de sectie continu doorloopt en het vloeipeil geen knik vertoont zijn evenwel toegelaten. Voor DWA-riolen dienen vermazingen te worden vermeden, tenzij er specifiek wordt op toegezien dat hierbij de stromingsrichting niet kan omkeren en de minimale schuifspanningen gegarandeerd zijn in beide afwaartse leidingen.

C.

Maximale helling

De maximale snelheid voor afvalwaterriolen is traditioneel 3 m/s [VMM, 1996a; Berlamont, 1997]. Dit is niet zozeer om uitschuring van het buismateriaal te voorkomen, maar wel om de stroming stabiel te houden. Nochtans treedt er bij veel lagere snelheden reeds superkritische stroming op (Froude-getal > 1 [Berlamont, 1998a]). In tabel 19 worden de hellingen en bijbehorende snelheden gegeven waarbij er superkritische stroming optreedt voor een brede variatie aan buisdiameters.


124

Tabel 19 : Hellingen respectievelijk bij een snelheid van 3 m/s en waarbij superkritische stroming optreedt (voor een welbepaalde vullingsgraad) en bijbehorende snelheden. Diameter (mm)

Helling bij een snelheid van 3 m/s

Helling met superkritische stroming

Snelheid bij superkritische stroming (m/s)

100

162 ‰

5,5 ‰

0,55

150

93 ‰

4,7 ‰

0,67

200

63 ‰

4,3 ‰

0,77

250

47 ‰

4,0 ‰

0,86

300

37 ‰

3,7 ‰

0,95

350

30 ‰

3,5 ‰

1,02

400

25 ‰

3,4 ‰

1,09

450

22 ‰

3,3 ‰

1,16

500

19 ‰

3,2 ‰

1,22

600

15 ‰

3,0 ‰

1,34

In tabel 19 worden ook de maximale hellingen gegeven bij een snelheid van 3 m/s. Merk op dat de minimale helling (tabel 17) steeds groter is dan de helling bij superkritische stroming voor leidingen met een diameter van 150 mm en kleiner. Afhankelijk van de vullingsgraad kan dit ook het geval zijn voor leidingen met grotere diameter. In deze leidingen zal dus altijd superkritische stroming optreden. Indien er superkritische stroming optreedt, is het onvermijdelijk dat er zich watersprongen voordoen (overgang van superkritische naar subkritische stroming). Dit gaat gepaard met zeer grote lokale turbulentie. De huidig (in Vlaanderen) gebruikte rioleringssoftware Hydroworks [WS, 2001a] laat het nauwkeurig simuleren van superkritische stroming niet toe. De verhanglijnen in de Hydroworks software worden minder nauwkeurig getekend, omdat er geen rekening wordt gehouden met de mogelijkheid van de overgang van super- naar subkritische stroming via een watersprong (vergelijk figuren 69 en 70) [Vaes & Bouteligier, 2001]. Ook de rioleringssoftware Mouse [DHI, 2000] laat geen berekening van superkritische stroming toe. De rioleringssoftware Sobek [DH, 2000] zou wel superkritische stroming kunnen simuleren.


125

Figuur 69 : Overgang van superkritische stroming (opwaarts) naar subkritische stroming (afwaarts) in 1 leiding in Hydroworks. De watersprong wordt niet weergegeven.

Figuur 70 : Overgang van superkritische stroming (opwaarts) naar subkritische stroming (afwaarts) bij een modelverfijning t.o.v. figuur 69. De watersprong wordt niet weergegeven, maar kan duidelijker worden gelokaliseerd : de watersprong situeert zich in leiding 5.1.


126

Daarnaast vermindert bij grote snelheden de capaciteit van de leiding door luchtinsluitsels. Dit zal vooral voor kleinere leidingen een significante invloed hebben. De verhouding $ tussen luchtdebiet Qlucht en vloeistofdebiet Qvloeistof kan worden geschat met [Volkart, 1982; Sinniger & Hager, 1989] :

β=

Qlucht 32 = 0,02 × ( Bou − 6) Qvloeistof

met : Bou = Boussinesq-getal =

(20)

U [-] gℜ

U = snelheid [m/s] (is functie van de h/D-verhouding [Berlamont, 1997]) U = de hydraulische straal [m] (is functie van de h/D-verhouding [Berlamont, 1997]) g = valversnelling = 9,81 m/s2 h = waterhoogte [m] D = leidingdiameter [m] Er kan enkel lucht worden meegesleurd indien het Boussinesq-getal groter is dan 6 of als de snelheid U groter is dan :

U = 6 gℜ

(21)

In figuur 71 wordt getoond bij welke snelheden dit zich kan voordoen in functie van de vullingsgraad en de leidingdiameter. Hieruit blijkt dat een capaciteitsprobleem zich vanaf een snelheid van ongeveer 4 m/s kan beginnen voordoen voor kleine diameters. Indien de snelheid groter is dan deze waarde, betekent dit dat men moet ontwerpen voor een ontwerpdebiet Qd dat groter is dan het vloeistofdebiet Qvloeistof : Qd = ( β + 1) Qvloeistof

(22)

Men kan geen stabiele stroming bekomen van een mengsel van lucht en water met een vullingsgraad groter dan 90 % [Volkart, 1982]. Het blijkt dus dat de luchtopname niet functie is van het Froude-getal, maar van het Boussinesq-getal. Dit is logisch want het Froude-getal evolueert naar 0 voor vullingsgraden die naar 100 % evolueren en dit zou betekenen dat er geen luchtinsluitsels zouden kunnen zijn voor leidingen die (bijna) vol lopen. Men kan dus ook bij subkritische stroming luchtopname hebben als de snelheid en vullingsgraad voldoende groot zijn.


127

7 6

snelheid (m/s)

5 4 3 Diameter (m) : 2 1

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.4

0 0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

waterhoogte/diameter

Figuur 71 : Grenswaarde van de snelheid waarbij er lucht in het water wordt opgenomen in functie van de vullingsgraad en de diameter van een cirkelvormige leiding. Indien de terreinhelling zo groot is dat de maximale snelheden groter worden dan een gewenste limietwaarde, kan men ook vervalschachten toepassen (figuur 72).

Figuur 72 : Vervalschachten bij sterk hellende terreinen.


128

3.2.7 Buisruwheid De buisruwheid heeft een invloed op de stromingssnelheden en dus op de capaciteit van de leidingen. De invloed is slechts evenredig met het logaritme van de verhouding van de ruwheid tot de buisdiameter. Hierdoor zou in principe een gladdere buis met een kleinere diameter volstaan, maar door afrondingen naar commercieel beschikbare maten, maakt dit zelden verschil. Bovendien mag men niet met de werkelijke buisruwheden rekenen, omdat ook lokale ladingsverliezen belangrijk zijn. Lokale ladingsverliezen zijn geen (of slechts in beperkte mate) functie van ruwheid en hebben een belangrijke bijdrage. In principe zou men deze lokale ladingsverliezen allemaal afzonderlijk kunnen berekenen [Berlamont, 1998a; Rioned, 1999], maar bij gebrek aan gegevens is dit meestal moeilijk, zo niet onmogelijk. Deze ruwheden zitten daarom meestal vervat in de globale leidingsruwheden (zeker in het geval van een dimensionering). Om deze reden dient men met hogere ruwheden te rekenen dan de ruwheden van de buizen zelf. Hierdoor vermindert ook het effect van de wandruwheid van de buis. Bijvoorbeeld indien men een ruwe buis heeft met een wandruwheid van 1 mm en een gladde buis met een wandruwheid van 0,1 mm en men lokale ladingsverliezen heeft die overeenkomen met 0,5 mm equivalente extra ruwheid, dan bekomt men globale ruwheden van respectievelijk 1,5 mm voor de ruwe buis en 0,6 mm voor de gladde buis. Aangezien dit slechts via logaritme van de verhouding van de ruwheid tot de diameter een invloed heeft op de afvoerdebieten, dient de logaritme van de verhoudingen beschouwd te worden (volgens de formule van WhiteColebrook [Berlamont, 1998a]). De toename in capaciteit van de gladde buis ten opzichte van de ruwe buis is dan nog 20 % (bij een diameter van 150 mm; de grootste variatie treedt op bij de kleinste diameter). Hierbij komt dan nog dat de ruwheid van een sedimentbed voor de verschillende buismaterialen ongeveer gelijk zal zijn en de capaciteitstoename nog zal verminderen zeker bij lage vullingsgraden waar de ruwheid van het sedimentbed belangrijker is dan de ruwheid van het buismateriaal. Een ruwer sedimentbed zal dus de capaciteit van een gladde buis naar beneden halen. De ruwheidsparameter omvat zowel ladingsverliezen in leidingen als lokale ladingsverliezen, zodat een extra verval ter hoogte van de tussenstukken niet nodig is. De buisruwheid heeft geen rechtstreeks effect op de schuifspanningen, want deze is enkel functie van de hydraulische straal en de helling (vergelijking 19). Wel is de nodige schuifspanning om een deeltje van een glad oppervlak te eroderen kleiner dan bij een ruw oppervlak. Bij een dun sedimentlaagje (d.i. dikte van de grootte-orde van de te eroderen korreldiameter) kan dit dus wel een effect hebben, maar indien men de erosie van deeltjes uit een wat dikkere sedimentlaag beschouwd, heeft de buisruwheid nog weinig invloed. Dit laatste meer kritieke geval moet als ontwerpcriterium worden aangehouden. Het positieve effect van een gladder oppervlak wordt bovendien deels opgeheven doordat de grotere capaciteit van de leiding tot lagere schuifspanningen leidt (kleinere vullingsgraad bij hetzelfde debiet in vergelijking met een ruwere leiding). Bij een verlaging van de ruwheid van 1,5 mm naar 0,5 mm daalt de schuifspanning met 5 tot 10 %. Om dit te compenseren is een debietsverhoging van ongeveer 14 % nodig of een grotere helling (figuur 73). Het rekenen met een grotere ruwheid van 1,5 mm in plaats van de werkelijke ruwheid bij behoud van schuifspanningscriterium, leidt tot kleinere hellingen, waardoor de werkelijke schuifspanning in de gladde buizen kleiner zal zijn dan het schuifspanningscriterium. Het verhogen van de ruwheid voor de berekening komt dus neer op een kleine verlaging van het schuifspanningscriterium.


129

1.2%

0.1 mm 0.5 mm 1.5 mm

1.0%

helling

0.8%

0.6%

0.4%

0.2%

0.0% 0

1

2

3

4

5

6

debiet (l/s)

Figuur 73 : Vergelijking van de nodige helling bij een schuifspanningscriterium van 2 N/m2 voor buizen met ruwheden van 0,1 mm, 0,5 mm en 1,5 mm.

Bovendien blijkt in de praktijk dat de buisruwheid kan toenemen in gebruiksruwheid ten opzichte van de initiële toestand. Recente metingen tonen zeer grote verschillen in gemeten bedrijfsruwheden [Kamma & Van Zijl, 2002]. Er kan dus worden gesteld dat het rekenen met verschillende ruwheden voor verschillende buismaterialen weinig voordelen oplevert. Dit neemt niet weg dat gladdere buizen minder gevoelig zullen zijn voor sedimentatie en het verhinderen van uitschuring van reeds bezonken sedimenten en dus aan te raden zijn. Of dit voordeel zich in de praktijk zal laten voelen, hangt af van parameters waar men bij het ontwerp weinig vat op heeft, voornamelijk de aard en concentratie van het afvalwater. Hierop rekenen lijkt dan ook niet verstandig. Bovendien komt het gebruik van een hogere ruwheid bij de berekening in combinatie met een vaste minimale schuifspanning overeen met het hanteren van een lagere minimale schuifspanning bij een lagere werkelijke ruwheid (figuur 73). Er wordt dus met een standaard ruwheid ks (White-Colebrook) van 1,5 mm gerekend (equivalente Manningcoëfficiënt = 0,013 s/m1/3). Hier zit het effect van lokale ladingsverliezen in vervat. Dit betekent ook dat geen buizen mogen gebruikt worden met een ruwheid die groter is dan 1,5 mm (dus zeker geen buizen die aan de binnenkant dwarsribben hebben).


130

3.2.8 Voorbeeld Dit voorbeeld illustreert het effect van de minimale hellingen, die nodig zijn om de minimale schuifspanning van 2 N/m2 te halen, op de diepteligging van de riolen. Hierbij wordt uitgegaan van 3 types bebouwing met de volgende karakteristieken : S dichte bebouwing : 50 woningen/ha, perceelbreedte 10 m, perceeldiepte 20 m S villa wijk : 10 woningen/ha, perceelbreedte 20 m, perceeldiepte 50 m S verspreide bebouwing : 4 woningen/ha, perceelbreedte 50 m, perceeldiepte 50 m Een perceelbreedte van 10 m betekent dat er om de 10 m aan beide zijden een huisaansluiting is. Het langste rioleringstraject bepaalt de diepteligging. De onderstaande relatie tussen de lengte L van het langste traject en gebiedsgrootte A in functie van de perceeldiepte D (inclusief halve straatbreedte) is gebruikt : A=L×2D×f De factor f geeft de vertakkingsgraad aan en is gedefinieerd als totale lengte riolering gedeeld door de lengte van het langste traject (dit is een zeer ruwe benadering) : S L < 100 m : f=1 S 100 < L < 300 : f lineair variërend tussen 1 en 2 S L > 300 : f=2 In tabel 20 staat aangegeven welke trajectlengte kan worden aangelegd voor een gegeven diepteligging in het afwaartse uiteinde van het traject. Er wordt gestart met een opwaartse diepteligging van 1 m. Ook het bijbehorend aantal woningen en IE (2,5 IE/woning) zijn aangegeven. De hellingen zijn genomen overeenkomstig figuur 63. Dit voorbeeld geldt dus enkel voor volledig gravitaire riolen. Wanneer tussenliggende pompstations worden gebruikt, kunnen lagere hellingen worden gehanteerd afwaarts van het pompstation. Uit tabel 20 blijkt dat de relatie tussen lengte van het langste traject en de diepteligging vrijwel onafhankelijk is van het type bebouwing. Gezien de verschillende aannames geeft tabel 20 enkel zeer benaderende indicatieve resultaten en dit voor een vlak terrein. Tabel 20 : Relatie tussen lengte van het langste traject en diepteligging in functie van het type bebouwing met vermelding van overeenkomstig aantal woningen en IE (hellingen overeenkomstig met figuur 63). type bebouwing dichte bebouwing

villa wijk

verspreide bebouwing

diepte afwaarts (m)

lengte langste traject L (m)

aantal woningen

aantal IE

2

95

19

48

3

194

57

143

4

298

119

397

2

94

9

24

3

189

27

68

4

285

55

137

2

93

4

9

3

187

11

27

4

281

21

54


131

3.2.9 Besluit gravitaire DWA-riolen Het ontwerpen van gravitaire DWA-riolen stuit op heel wat problemen. Om verstopping van de leidingen te voorkomen, dient men minimaal een diameter 150 mm te hanteren. Indien men een verhoogde toegankelijkheid eist voor wat grotere apparatuur of er een verhoogd risico op verstopping is, kan men voor een minimale diameter van 200 mm of 250 mm opteren. Dit heeft een kleine invloed op de vereiste minimale helling en op de kostprijs. Voor vele opwaartse riolen leiden deze minimale diameters tot zeer lage vullingsgraden, waardoor grotere hellingen nodig zijn om de minimale schuifspanning te bekomen. Verder zal de grote variatie aan DWA-debieten gedurende een dag-nacht cyclus ook bij andere riolen voor (in het beste geval) dagelijkse cycli van sedimentatie en resuspensie zorgen. Vele gravitaire DWA-riolen zullen echter niet gegarandeerd zelfreinigend zijn, zelfs niet bij de vrij grote minimale hellingen die vooropgesteld worden. Deze grote minimale hellingen leiden bovendien tot vrij diepe afwaartse DWA-riolen en superkritische stroming, waardoor volledig gravitaire DWA-riolen beperkt zijn tot kleine gebieden. Het gebruik van pompen in het DWA-systeem kan de nodige hellingen sterk beperken. De materiaalkeuze heeft geen significante invloed op het ontwerp, maar een gladdere buis vermindert de gevoeligheid voor sedimentatie en voor het verhinderen van resuspensie van reeds bezonken sediment. De materiaalkeuze wordt bovendien ook bepaald door de weerstand tegen chemische aantasting (bijvoorbeeld biogene zwavelzuuraantasting : zie ook paragraaf 3.5.8). De DWA-stromen zijn immers agressiever dan gemengd afvalwater of regenwater, alhoewel meerdere parameters bepalen in welke mate de riolen op een welbepaalde locatie gevoelig zijn voor dergelijke aantasting. Verder kan ook de afwaartse randvoorwaarde een belangrijke invloed hebben. Indien bijvoorbeeld een gravitair DWA-riool in een pompput terecht komt, bepalen de aanslagpeilen van de pomp(en) in welke mate er opstuwing wordt gecreëerd in de DWA-riolen. Dit heeft een bijkomende invloed op de capaciteit van de leidingen en de schuifspanningen die erin zullen optreden. In principe zou de helling van de piëzometrische lijn gelijk moeten zijn aan de minimale helling om de gewenste schuifspanningen te bekomen. Aangezien bij DWA-riolen in vlakke gebieden de hellingen van de rioolbuizen meestal gelijk zijn aan de minimale hellingen, betekent dit dat de afwaartse randvoorwaarde voor een riool opwaarts van de pompput geen opstuwing mag veroorzaken, tenminste gedurende een significant gedeelte van de tijd. Om de problemen van sedimentatie in DWA-riolen tegen te gaan kunnen er drie ontwerppistes worden gevolgd : S DWA-riolen met een beperkte regenwatertoevoer als spoeldebiet S Opwaartse voorbezinkputten per woning S Drukriolering


132

Ondanks alle voorzorgen met betrekking tot het ontwerp, blijven DWA-systemen gevoelig voor dichtslibbing en verstopping. Daarom is er regelmatig toezicht en onderhoud nodig. De aandacht hiervoor start reeds in de ontwerpfase. Daarom moet een onderhoudsplan integraal deel uit maken van het ontwerp van een DWA-systeem. Dit omvat een inschatting van de kritieke punten van het systeem en van de aard en de frequentie van de kritieke situaties, een planning voor het toezicht op de goede werking van het systeem en een actieplan voor probleemsituaties. Ook de controle op de aansluitingen (enkel DWA, geen regenwater en dergelijke) maken integraal deel uit van het project.


133

3.3 DWA-riolen met beperkte regenwatertoevoer als spoeldebiet 3.3.1 Opwaarts aansluiten van beperkte verharde oppervlakte Om het zelfreinigend vermogen van DWA-riolen te vergroten, zou men eraan kunnen denken om in de opwaartse uiteinden een beperkte hoeveelheid regenwater in het DWA-systeem toe te laten om een regelmatige spoeling te bekomen. De vraag die zich daarbij stelt is : hoeveel (minimaal en maximaal) regenwater moet/mag er worden toegelaten en hoe frequent ? Dergelijke spoelinlaten moeten voorzien zijn van een reukslot. A.

Invloed van de buisdiameter

Indien men bij een DWA-riool een minimale diameter aanneemt van 150 mm met een minimale helling van 5,4 ‰, dan heeft deze leiding een afvoercapaciteit van 11,1 l/s. We bekomen dan eenzelfde schuifspanning van 2 N/m2 bij een halfgevulde leiding als bij een vollopende leiding (figuur 60). Daarom wordt het spoeldebiet best ongeveer gelijk genomen aan het debiet in een halfgevulde leiding om het risico van overbelasting zoveel mogelijk te vermijden. Voor een leiding met een diameter van 150 mm is dit dan 5,5 l/s. De maximale capaciteit van een diameter 100 mm bij de minimale helling van 8,2 ‰ is 4,6 l/s. Een leiding met diameter van 100 mm zou dus gebruikt kunnen worden om een beperkte hoeveelheid regenwater in het DWA-systeem in te brengen (tenminste indien er geen te groot verhang over deze leiding is). Ook andere regelconstructies kunnen hiervoor aangewend worden. Om een spoeldebiet van 5 l/s te bekomen met een frequentie van minstens 1 keer per jaar moet men minimaal 220 m2 (0,022 ha) verharde oppervlakte aansluiten per spoelinlaat (bij een inlooptijd van 5 minuten). Dit is al een vrij grote hoeveelheid verharde oppervlakte. Daarenboven is de frequentie van de optimale spoeling nog slechts 1 keer per jaar indien deze aangesloten verharde oppervlakte wordt gerealiseerd. Bij een grotere gewenste frequentie zijn nog grotere oppervlaktes nodig. Bovendien moet het resterende regenwater kunnen worden afgevoerd zonder het spoeldebiet te beïnvloeden. Bij een vertakt systeem dient men omwille van de maximale capaciteit van de leidingen ervoor te zorgen dat na elke samenvoeging van leidingen er opwaarts niet meer spoelinlaten zijn voorzien dan de afwaartse leiding aan spoelwater aan kan. Om afwaarts van een samenvoeging van twee leidingen met diameter 150 mm nog een diameter 150 mm te kunnen gebruiken moet het spoeldebiet per leiding iets kleiner zijn dan de helft van het maximaal debiet van deze leiding. In figuur 74 wordt het maximaal aantal spoelinlaten weergegeven in functie van de buisdiameter bij een maximaal spoeldebiet van 5 l/s in functie van het resterende DWA die kan worden afgevoerd (weergegeven in aantal IE dat kan worden aangesloten of in piek-DWA-debiet met piekfactor = 3,4).


134

10000

59.0 diameter (mm) :

53.1

150

8000

47.2

200 250

7000

41.3

300

# IE

6000

35.4

350 400

5000

29.5

4000

23.6

3000

17.7

2000

11.8

1000

5.9

0

0.0 0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

piek DWA debiet (l/s)

9000

20

max. # RWA lozingen

Figuur 74 : Maximaal aantal opwaartse inlaten van RWA spoeldebiet in functie van de buisdiameter (piek-DWA = 2 DWA14).

Uit figuur 74 blijkt dat vanaf 3 opwaartse spoelinlaten reeds moet worden overgeschakeld naar een diameter 200 mm en vanaf 5 opwaartse spoelinlaten naar een diameter 250 mm. Er blijkt dus dat vooral het aantal spoelinlaten de dimensionering zal bepalen en dat men in een vertakt rioolnetwerk vrij snel aan vrij grote leidingen komt ook al is er maar een klein DWA-debiet aangesloten. Dit leidt vrij snel tot een netwerk waarin de verhouding RWA over DWA vrij sterk kan oplopen tot waarden die zelfs groter zijn dan wat men voor een gemengd riool aan doorvoer naar een RWZI toelaat. De leidingdiameters zijn wel kleiner dan bij een gemengd riool, omdat men slechts een beperkte hoeveelheid regenwater toelaat en ook de verdunningsgraad zal kleiner zijn dan bij een gemengd riool, maar de debieten zullen groter zijn dan de verwerkingscapaciteit van de RWZI of doorvoerpompen. Er is dus een tijdelijke buffering en/of een noodoverlaat nodig. Dit neigt zeer sterk naar een verbeterd gescheiden rioolstelsel. Eventuele overstortingen vanuit een dergelijk DWA-systeem met spoeling kunnen nog vrij geconcentreerd zijn in vergelijking met gemengde systemen, waardoor ze een grote belasting van het oppervlaktewater betekenen. Hiervoor zullen dus strengere regels moeten worden opgelegd dan voor overlaten van gemengde riolen. In de huidige maatschappelijke context lijkt het aangewezen om dergelijke noodoverlaten naar het oppervlaktewater niet toe te laten, maar enkel een noodlozing open te laten naar een buffervoorziening (welke achteraf wordt geledigd) of een gemengd riool.


135

B.

Invloed van het aantal aangesloten IE

Om noodoverstortingen te vermijden, dient men het maximaal aantal spoelinlaten niet enkel te beperken in termen van afvoercapaciteit, maar ook in termen van aangesloten afvalwater (dit is in functie van het aantal IE). Tabel 21 geeft het maximaal aantal toegelaten opwaartse spoelinlaten in functie van het aan te sluiten aantal IE om te komen tot eenzelfde verhouding RWA/DWA als bij gemengde riolen wordt toegelaten tot de RWZI (6 keer piek-DWA met piekfactor 1,7 [VMM, 1996a]). Dit zijn vrij grote aantallen die in de praktijk moeilijk te verwezenlijken zijn of met andere woorden : het aantal spoelinlaten dat op deze manier kan worden voorzien is zeer beperkt. Tabel 21 : Maximaal aantal toegelaten opwaartse spoelinlaten in functie van het aan te sluiten aantal IE. aan te sluiten aantal IE

maximaal aantal spoelinlaten

< 288

0

288 # # IE < 576

1

576 # # IE < 864

2

864 # # IE < 1152

3

1152 # # IE < 1440

4

1440 # # IE < 1728

5

1728 # # IE < 2016

6

2016 # # IE < 2304

7

2304 # # IE < 2592

8

2592 # # IE < 2880

9

2880 # # IE < 3168

10


136

3.3.2 Intermitterende spoeling Het probleem van overbelasting van het DWA-rioolstelsel zou men kunnen minimaliseren met een systeem van afwisselend spoelen door ter hoogte van de spoelinlaten kleine reservoirs te voorzien die langzaam gevuld worden met regenwater en een plots spoeldebiet loslaten wanneer ze vol zijn (bijvoorbeeld via een sifon of met een pomp). Men creëert dan op iets grotere schaal wat er in een huisaansluiting op kleine schaal gebeurt. Op deze manier worden de leidingen niet allemaal gelijktijdig gespoeld en moeten de afwaartse leidingen niet zo groot worden gedimensioneerd. Hiertoe volstaat bovendien een veel kleinere aangesloten verharde oppervlakte om vrij frequent het nodige spoeldebiet te bekomen. Deze spoeling zou in principe ook met afvalwater kunnen gebeuren, maar dan is er meer risico op verstoppingsgevaar in de spoelreservoirs. De spoeltijd moet kort zijn (1 tot hoogstens enkele minuten) om de kans op grote debieten vanwege meerdere gelijktijdig werkende spoelinlaten te beperken en te grote spoelvolumes te vermijden. Het spoeldebiet wordt best gelijk genomen aan de helft van de capaciteit van de te spoelen leiding. Indien een dergelijk spoeldebiet ongeveer 1 keer per dag kan worden gegenereerd in alle leidingen, kan men de nodige hellingen beperken (d.w.z. hellingen bij 50 % vullingsgraad (zie tabel 17)). Indien meer spoelwater beschikbaar is kan men het spoeldebiet maximaal gelijk nemen aan de capaciteit van de leiding. Men bekomt dan een vullingsgraad van ongeveer 82 %, waarbij de maximale schuifspanning zich voordoet. In figuur 75 wordt het verband aangegeven tussen nodige minimale helling en gecreëerde spoeldebiet om een minimale schuifspanning van 2 N/m2 te bekomen. 1.0%

1 helling vullingsgraad snelheid

0.9

0.8%

0.8

0.7%

0.7

0.6%

0.6

0.5%

0.5

0.4%

0.4

0.3%

0.3

0.2%

0.2

0.1%

0.1

0.0%

0 1

2

3

4

5

6 7 spoeldebiet (l/s)

8

9

10

vullingsgraad of snelheid (m/s)

minimale helling

0.9%

11

Figuur 75 : Combinaties van minimale helling en spoeldebiet (vullingsgraad) die tot een minimale schuifspanning van 2 N/m2 leiden voor een leiding met diameter 150 mm.


137

Indien men enkel gebruik maakt van regen als bron voor het spoelwater, zal men niet in staat zijn om een dergelijke spoeling dagelijks te verwezenlijken. Er is slechts een beperkt aantal dagen per jaar een voldoende grote neerslag om een dergelijke spoeling mogelijk te maken. Bij een opvangoppervlakte van 100 m2 is er gemiddeld slechts 1 keer per week een voldoende groot dagelijks neerslagvolume om een spoeldebiet van 5 l/s gedurende 1 minuut te garanderen [Vaes & Berlamont, 1998d]. Het voorzien van een buffertank kan deze frequentie wat verhogen, maar ook dan zal men gemiddeld enkele dagen per week niet kunnen spoelen. De frequentie kan verder opgedreven worden door ook de opvangoppervlakte te vergroten, maar dat geeft dan weer meer kans op overbelasting van het afwaarts DWA-rioolstelsel door een grotere kans op gelijktijdige spoeling afwaarts van de samenkomende leidingen. Tenzij men een verhang kan creëren dat groter is dan de helling van de te spoelen leiding (DWA-riool lokaal onder druk) heeft deze spoeling enkel effect bij riolen met een vullingsgraad die te beperkt is omwille van een lage hydraulische belasting. Het kan dan geenszins een vervanging betekenen van de vereisten voor de minimale helling bij leidingen die regelmatig voldoende gevuld geraken. Indien men wel een dergelijk groter verhang kan creëren, kan er ook met lagere hellingen voor de DWA-riolen worden ontworpen (figuur 75 geeft dan de relatie tussen verhang en spoeldebiet), maar dan moet men nagaan wat het effect is van het lokaal onder druk komen van het riool. Dit mag niet tot wateroverlast leiden. Verder onderzoek naar dergelijke intermitterende spoelsystemen is nodig om het dynamisch gedrag van het spoelen en de kans op overbelasting te bestuderen. 3.3.3 Besluit DWA-riolen met beperkte regenwatertoevoer als spoeldebiet Er kan dus geconcludeerd worden dat de combinatie van DWA-riolen met opwaartse regenwatertoevoer moeilijk onder controle te houden is. De eisen voor de spoeldebieten liggen binnen vrij strikte grenzen. Dit soort rioolsystemen neigt dan naar een (gedeeltelijk) verbeterd gescheiden rioolstelsel. Een blijvend probleem is de grote diepteligging ten gevolge van de grote nodige hellingen. Omwille van het gevaar voor overbelasting wordt in de Nederlandse richtlijn afgeraden om opwaarts in een DWA-systeem een straatkolk of dakgoot aan te sluiten [Rioned, 2002a]. De mogelijkheid tot spoelen van DWA-leidingen door opwaarts enkele regenwaterinlaten te voorzien is beperkt, omdat voldoende grote spoeldebieten slechts met een lage frequentie of een grote aangesloten verharde oppervlakte zijn te bekomen. Bovendien mogen deze spoeldebieten afwaarts geen capaciteitsproblemen opleveren. Een te groot spoeldebiet na de samenloop van leidingen kan worden opgevangen door een tijdelijk spoeldebiet te genereren ofwel via een pomp die af en toe een korte tijd aanslaat ofwel via een reservoir dat plots leegloopt bijvoorbeeld via een sifon. Algemeen kan dus worden besloten dat het systematisch en dagelijks toepassen van spoeling met regenwater niet of beperkt toepasbaar is. Het wordt daarom bij voorkeur ook enkel aangewend als extra onderhoud, bijvoorbeeld op plaatsen die gevoelig zijn voor slibafzettingen, of om het onderhoud van niet-zelfreinigende riolen te minimaliseren.


138

3.4 Gravitaire DWA-riolen met voorbezinkputten 3.4.1 Dimensionering voorbezinkput Eén van de mogelijkheden om te verhinderen dat er bezinking optreedt in de riolen is het voorzien van een voorbezinkput waarin de deeltjes kunnen bezinken die anders in het riool zouden bezinken. In figuur 76 wordt een schematische voorstelling gegeven van een voorbezinkput. Indien het louter om bezinking gaat kan al het afvalwater (zwart afvalwater (WC) en grijs afvalwater (bad, keuken, enz....)) in dezelfde put terecht komen. Indien men dit wil combineren met een gisting van het zwart afvalwater, dient men 2 compartimenten te voorzien. In het eerste compartiment komt dan het zwart afvalwater toe met een doorvoer naar het tweede compartiment, waarin het grijs water toekomt. In dat geval spreekt men van een septische put (figuur 77). Een voorbezinkput dient regelmatig (ongeveer jaarlijks) geruimd te worden, terwijl een septische put bij een goede gistingswerking verscheidene jaren zonder ruiming kan. Bij een septische put dient bovendien bij de ruiming a van het slib in de put achter te blijven om de gisting zonder onderbreking te kunnen laten verder gaan. Indien de voorbezinkput of septische put meer dan 10 m van de woning gelegen is, is het aan te raden om een vetafscheider (figuur 78) te plaatsen op de afvoerleiding van keukenafvalwater en dit zo ver mogelijk opwaarts (zo dicht mogelijk bij de bron). Voor restaurants en grote keukens is een vetafscheider altijd nodig. Er is een regelmatige controle nodig en vet en olie moeten verwijderd worden telkens de drijflaag een bepaalde dikte heeft bereikt.

Figuur 76 : Schematische voorstelling van een voorbezinkput [VMM, 2000].


139

Figuur 77 : Schematische voorstelling van een septische put [VMM, 2000].

Figuur 78 : Schematische voorstelling van een vetafscheider [VMM, 2000].

De grootte van de voorbezinkput moet van die aard zijn dat deze deeltjes bezinken die anders in het riool zouden bezinken. Voor het geval van een septische put, waarbij het zwart afvalwater in een eerste compartiment toekomt en het grijs afvalwater in het tweede compartiment, geldt deze grootte voor het tweede gedeelte, aangezien ook de deeltjes uit het grijs afvalwater moeten worden weerhouden. Indien we bijvoorbeeld de grens voor de schuifspanning in het riool van 2 N/m2 verlagen naar 1 N/m2 dienen alle deeltjes die niet uitschuren bij een schuifspanning van 1 N/m2 te worden weerhouden. In figuur 79 wordt weergegeven welke deeltjes (diameter en dichtheid) niet uitschuren bij een schuifspanning van 1 N/m2. Dit geldt echter voor niet-cohesieve deeltjes, terwijl in huishoudelijk afvalwater heel wat cohesieve deeltjes zitten. Hierdoor worden de nodige schuifspanningen veel groter om bezonken materiaal terug uit te schuren (dit blijkt bijvoorbeeld uit het empirische diagram van Hjulström (figuur 80) [Berlamont, 1997]). Het is dan ook nodig om voor zeer kleine deeltjes (< 0,1 mm) wat meer reserve te nemen. Bovendien zal omwille van afrondingen naar een commerciële maat niet in elk riool de ontwerpschuifspanning gehaald worden (zie paragraaf 3.4.2). De bezinking wordt vooral bepaald door de oppervlaktebelasting (debiet gedeeld door horizontale oppervlakte). Deeltjes bezinken indien hun bezinkingssnelheid groter is dan de oppervlaktebelasting. Er zal geen ideale stroming in put heersen, waardoor de efficiëntie van de bezinking vermindert. Hiertoe kan de horizontale oppervlakte worden vermeerderd met de grootte van de dode zones rond de in- en uitlaat, zodat de effectieve horizontale oppervlakte (effectieve oppervlaktebelasting) toch groot genoeg is.


140

2600

2200

3

deeltjesdensiteit (kg/m )

2400

2000 1800

in beweging gehouden, geen uitschuring

uitschuring

sedimentatie

1600 1400 1200 1000 0.01

0.1

1

10

100

deeltjesdiameter (mm)

Figuur 79 : Diameter en dichtheid van deeltjes die respectievelijk worden uitgeschuurd, in suspensie worden gehouden en bezinken bij een schuifspanning van 1 N/m2 (volgens Camp [Berlamont, 1997]).

Figuur 80 : Empirische diagram van Hjulström m.b.t. sedimentatie en erosie van deeltjes [Berlamont, 1997].


141

Deze overwegingen leiden tot een minimale putoppervlakte van 0,8 m2 (put met diameter 1 m; 0,15 m2/IE indien meer dan 5 IE) en een minimaal nuttig volume van 1500 l (300 l/IE indien meer dan 5 IE). Dit leidt tot een effectieve oppervlaktebelasting van ongeveer 0,2 m/h. Het minimale putvolume is ook nodig om voldoende capaciteit te hebben om het sediment te stockeren. Bij een septische put waarbij het zwart water in een eerste compartiment toekomt en het grijs water in een tweede, dient aan deze voorwaarden voldaan te worden voor het tweede compartiment.


142

3.4.2 Invloed op dimensionering DWA-riolen Om de sedimentatie in het riool te voorkomen of uitschuring van bezonken materiaal te maximaliseren, werd een minimale schuifspanning van 2 N/m2 vooropgesteld bij gravitaire zuivere DWA-riolen. Dit schuifspanningscriterium kan worden gerelaxeerd tot bijvoorbeeld 1 N/m2, indien een voorbezinkput wordt ingebouwd bij elke huisaansluiting. In de Verenigde Staten hanteert men een minimale snelheid van 0,3 tot 0,45 m/s indien men een voorbezinkput installeert [EPA, 1991], wat overeenkomt met schuifspanningen van 0,5 tot 1,2 N/m2. Deze voorbezinkput moet dan wel aan de minimale vereisten voldoen (zie paragraaf 3.4.1). Dit heeft tot gevolg dat de minimale hellingen van de riolen ook kleiner worden (tabel 22). Op deze manier worden de hellingen ook kleiner dan de hellingen waarbij superkritische stroming optreedt (tabel 19). Omwille van afrondingen naar een commercieel beschikbare maat, zullen de maximale schuifspanningen vaak wel nog lager zijn dan het aangenomen schuifspanningscriterium. In de figuren 81 en 82 wordt weergegeven welk percentage van de tijd een bepaalde waarde van de schuifspanning wordt overschreden voor leidingen met een diameter van 150 en 200 mm (bij de minimale helling bij 50 % vulling, bij een piekfactor gelijk aan 1,7 en voor uurlijkse waarden). Indien er overal een voorbezinkput is geïnstalleerd, daalt het risico op verstopping van de kleine leidingen en is een minimale diameter van 150 mm aan te raden. Wanneer een voorbezinkput wordt geïnstalleerd volgens de minimale vereisten uit paragraaf 3.4.1 zullen de meeste niet-cohesieve deeltjes tegengehouden worden welke uitgeschuurd worden bij een schuifspanning vanaf ongeveer 0,2 N/m2. Tabel 22 : Uiterste grenzen voor de minimale hellingen voor DWA-riolen en huisaansluitingen na een voorbezinkput om een schuifspanning van 1 N/m2 te bekomen. diameter (mm)

minimale helling bij 1 IE

minimale helling bij 50 % vulling

100

4,3 ‰

4,1 ‰

150

4,5 ‰

2,7 ‰

200

4,8 ‰

2,0 ‰

250

5,1 ‰

1,6 ‰

300

5,3 ‰

1,4 ‰

350

5,5 ‰

1,2 ‰

400

5,7 ‰

1,0 ‰


143

1 30 IE 110 IE 400 IE 800 IE 1340 IE

D = 150 mm

0.9

0.7

2


0.8

0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%


Figuur 81 : Percentage van de tijd dat een bepaalde schuifspanningsdrempel wordt overschreden voor een leiding met een diameter van 150 mm (helling = 2,7 ‰, p = 1,7) en met een variërende belasting.

1 60 IE 200 IE 700 IE 1500 IE 2500 IE

D = 200 mm

0.9

0.7

2


0.8

0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%


Figuur 82 : Percentage van de tijd dat een bepaalde schuifspanningsdrempel wordt overschreden voor een leiding met een diameter van 200 mm (helling = 2,0 ‰, p = 1,7) en met een variërende belasting.


144

De minimale hellingen moeten zodanig gekozen worden dat er altijd gedurende een significant gedeelte van de tijd uitschuring kan optreden van niet-cohesieve deeltjes. Bij het gebruik van een schuifspanningscriterium van 1 N/m2 is er nog een voldoende veiligheidsmarge om dit te realiseren (d.w.z. een overschrijding van 0,2 N/m2), tenminste indien de vullingsgraad voldoende groot is (figuren 81 en 82). Voor cohesieve deeltjes kunnen bij benadering dezelfde voorwaarden worden gehanteerd met betrekking tot de minimale schuifspanning indien het slib niet de kans krijgt te consolideren. Indien er dus een dagelijkse cyclus is waarbij deze minimale schuifspanning gedurende een voldoende tijd wordt bereikt, zal hieraan voldaan zijn. Bij de minimale diameter van 150 mm, klopt dit volgens de theoretische vergelijking niet meer voor lage aansluitingsgraden (< 50 tot 100 IE). Bij een klein aantal aangesloten IE op een leiding, zal het ogenblikkelijke debiet echter hoger zijn omwille van de kortstondige lozingen. Immers een toilet doorspoelen geeft een piekdebiet van ongeveer 1,5 l/s (equivalent van 575 IE) en een bad een piekdebiet van ongeveer 1 l/s (equivalent van 385 IE). Dit debiet wordt nog wel afgevlakt doorheen het systeem, maar garandeert toch dat de minimale schuifspanningen ook bij lage aansluitingsgraad gegarandeerd zijn. Dit betekent dat bij een minimale helling die bij 50 % vullingsgraad een schuifspanning van 1 N/m2 geeft, de schuifspanningen normaal gezien altijd boven de 0,2 N/m2 liggen. Toch is het veiliger om de minimale helling zodanig te kiezen dat men ook bij lage belasting een schuifspanning van 1 N/m2 bekomt. De nodige hellingen hiervoor worden weergegeven in tabel 23 en figuur 83.

0.55% D = 250 mm

0.50%

D = 200 mm

0.45%

D = 150 mm

minimale helling

0.40% 0.35% 0.30% 0.25% 0.20% 0.15% 0.10% 0.05% 0.00% 0

400

800

1200

1600

2000

2400

2800

3200

3600

IE

Figuur 83 : Minimale helling bij vullingsgraad < 50 % om een schuifspanning van 1 N/m2 te bekomen (bij een piekfactor van 1,7 en een debiet van 150 l/IE/dag).


145

Tabel 23 : Minimale helling bij vullingsgraad < 50 % om een schuifspanning van 1 N/m2 te bekomen (bij een piekfactor van 1,7 en een debiet van 150 l/IE/dag). diameter 150 mm aantal IE 1 10 20 40 80 100 150 200 250 300 400 500 600 700 800 838

minimale helling 4,5 ‰ 4,5 ‰ 4,4 ‰ 4,3 ‰ 4,2 ‰ 4,1 ‰ 3,9 ‰ 3,8 ‰ 3,6 ‰ 3,5 ‰ 3,3 ‰ 3,1 ‰ 3,0 ‰ 2,9 ‰ 2,8 ‰ 2,7 ‰

diameter 200 mm aantal IE 1 10 20 40 80 100 150 200 250 300 400 500 600 700 800 900 1000 1200 1400 1600 1800 2002

minimale helling 4,8 ‰ 4,7 ‰ 4,7 ‰ 4,6 ‰ 4,4 ‰ 4,3 ‰ 4,1 ‰ 4,0 ‰ 3,8 ‰ 3,7 ‰ 3,5 ‰ 3,3 ‰ 3,1 ‰ 3,0 ‰ 2,8 ‰ 2,7 ‰ 2,6 ‰ 2,5 ‰ 2,3 ‰ 2,2 ‰ 2,1 ‰ 2,0 ‰

diameter 250 mm aantal IE 1 10 20 40 80 100 150 200 250 300 400 500 600 700 800 900 1000 1200 1400 1600 1800 2000 2500 3000 3562


minimale helling 5,1 ‰ 5,0 ‰ 4,9 ‰ 4,8 ‰ 4,7 ‰ 4,6 ‰ 4,4 ‰ 4,2 ‰ 4,0 ‰ 3,9 ‰ 3,6 ‰ 3,4 ‰ 3,2 ‰ 3,1 ‰ 3,0 ‰ 2,8 ‰ 2,7 ‰ 2,5 ‰ 2,4 ‰ 2,3 ‰ 2,2 ‰ 2,1 ‰ 1,9 ‰ 1,8 ‰ 1,6 ‰

146

Om de risico’s van gebrek aan zelfreinigend vermogen nog verder te beperken, zou men eraan kunnen denken om de minimale diameter verder te verlagen tot 100 mm onder strikte voorwaarden van de detaillering van de voorbezinkputten en aansluitingen met betrekking tot verstoppingsgevaar. Het effect op minimale schuifspanning bij een diameter van 100 mm is weergegeven in figuur 84 (bij een piekfactor gelijk aan 1,7). Een diameter kleiner dan 150 mm is echter weinig zinvol, omdat een individuele lozing van een toilet al een equivalent van enkele honderden IE heeft (figuur 84 houdt enkel rekening met de uurlijkse waarden en niet met deze plotse lozingen).

1 D = 100 mm

0.9

15 IE 45 IE 120 IE 300 IE 560 IE

0.7

2


0.8

0.6 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0 0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%


Figuur 84 : Percentage van de tijd dat een bepaalde schuifspanningsdrempel wordt overschreden voor een leiding met een diameter van 100 mm (helling = 4,1 ‰, p = 1,7) en voor een variatie aan de belasting ervan.


147

3.4.3 Voorbeeld Dit voorbeeld illustreert het effect van de minimale hellingen, die nodig zijn om de minimale schuifspanning van 1 N/m2 te halen, op de diepteligging van de riolen. Hierbij wordt uitgegaan van 3 types bebouwing met de volgende karakteristieken : S dichte bebouwing : 50 woningen/ha, perceelbreedte 10 m, perceeldiepte 20 m S villa wijk : 10 woningen/ha, perceelbreedte 20 m, perceeldiepte 50 m S verspreide bebouwing : 4 woningen/ha, perceelbreedte 50 m, perceeldiepte 50 m Een perceelbreedte van 10 m betekent dat er om de 10 m aan beide zijden een huisaansluiting is. Het langste rioleringstraject bepaalt de diepteligging. De onderstaande relatie tussen de lengte L van het langste traject en gebiedsgrootte A in functie van de perceeldiepte D (inclusief halve straatbreedte) is gebruikt : A=L×2D×f De factor f geeft de vertakkingsgraad aan en is gedefinieerd als totale lengte riolering gedeeld door de lengte van het langste traject (dit is een zeer ruwe benadering) : S L < 100 m : f=1 S 100 < L < 300 : f lineair variërend tussen 1 en 2 S L > 300 : f=2 In tabel 24 staat aangegeven welke trajectlengte kan worden aangelegd voor een gegeven diepteligging in het afwaartse uiteinde van het traject. Er wordt gestart met een opwaartse diepteligging van 1 m. Ook het bijbehorend aantal woningen en IE (2,5 IE/woning) zijn aangegeven. De hellingen zijn genomen overeenkomstig figuur 83. Uit tabel 24 blijkt dat de relatie tussen lengte van het langste traject en de diepteligging iets meer variabel is met het type bebouwing dan voor het geval zonder voorbezinking (zie paragraaf 3.2.8). Gezien de verschillende aannames geeft tabel 24 enkel zeer benaderende indicatieve resultaten en dit voor een vlak terrein. Tabel 24 : Relatie tussen lengte van het langste traject en diepteligging in functie van het type bebouwing met vermelding van overeenkomstig aantal woningen en IE (hellingen overeenkomstig met figuur 83).

dichte bebouwing

villa wijk

verspreide bebouwing

diepte afwaarts (m)

lengte langste traject L (m)

aantal woningen

aantal IE

2

234

78

195

3

496

198

496

4

782

313

782

2

228

37

93

3

468

94

234

4

722

144

361

2

224

15

36

3

454

36

91

4

686

55

137


148

3.4.4 Besluit DWA-riolen met voorbezinkputten Uit de analyse van de nodige minimale hellingen blijkt dat het erg voordelig is om voorbezinkputten te installeren. Hierdoor dalen de nodige hellingen drastisch en vergroot de lengte (van het DWA-riool) welke nog praktisch en economisch realiseerbaar is. Hierbij moet wel worden beklemtoond dat het nodig is om op alle opwaartse huisaansluitingen een voorbezinkput te installeren om de kleinere hellingen te kunnen hanteren.


149

3.5 Drukriolering 3.5.1 Inleiding Door het vlakke karakter van Vlaanderen is het niet overal mogelijk om afvalwater onder vrij verval af te voeren. In vele gevallen zou dit immers leiden tot economisch onverantwoorde uitgravingsdieptes. In dergelijke gevallen, vooral in landelijke gebieden met een verspreide bebouwing, kan een drukriolering een oplossing bieden. Het kan hierbij zowel om een onderdrukals om een overdruksysteem gaan. Voor beide systemen wordt het afvalwater voor iedere woning, of voor een klein aantal woningen samen, verzameld in een bufferput. Voor een onderdrukriool, ook wel vacuümriool genoemd, wordt afwaarts in het stelsel door middel van een vacuüm pompstation een onderdruk gecreëerd, waardoor het afvalwater uit de verschillende bufferputten via een verzamelleiding naar afwaarts wordt ‘gezogen’. Bij een overdruksysteem wordt in elke bufferput een pomp geplaatst die ervoor zorgt dat, wanneer er voldoende afvalwater in de bufferput verzameld is, dit afvalwater via de verzamelleiding naar afwaarts wordt verpompt. Beide systemen maken gebruik van leidingen in kunststof en met kleine diameter, waardoor er in aanlegkosten bespaard kan worden. Daarenboven zijn de uitgravingsdieptes kleiner, aangezien bij de aanleg het terreinprofiel in grote mate kan gevolgd worden. Vacuümriolen hebben het voordeel dat ze bij eventuele lekkage, geen verontreiniging van de ondergrond veroorzaken. De gevolgen van een lek zijn echter veel meer nefast dan bij een overdrukriool. Een storing in het systeem betekent immers dat het volledige rioolstelsel buiten werking is, terwijl bij een overdrukriool een storing meestal betekent dat het probleem beperkt blijft tot één of enkele woningen. Omwille van de grotere bedrijfszekerheid worden overdrukriolen veel frequenter toegepast dan onderdrukriolen en om die reden wordt in deze studie enkel het overdruksysteem in detail bestudeerd en in het verder verloop van deze tekst kortweg 'drukriolering' genoemd. De hierna volgende dimensioneringsregels en aandachtspunten zijn conform aan de Europese Norm EN 1671 [BIN, 1997b], welke de belangrijkste principes bij drukrioleringen weergeeft.


150

3.5.2 Belangrijkste componenten van een drukrioolsysteem A.

Pompput

Bij een drukrioolsysteem worden één of meerdere percelen aangesloten op een pompput, van waaruit het verzamelde afvalwater wordt verpompt naar het drukriool. In figuur 85 worden de belangrijkste onderdelen van dergelijke pompput weergegeven.

Figuur 85 : Schematische voorstelling van een pompput : 1 = huisaansluiting, 2 = pomp, 3 = doorvoerleiding.

Het afvalwater komt via de huisaansluiting (1) in de pompput terecht. Zodra het niveau hstart wordt bereikt, treedt de pomp (2) in werking en verpompt het water via de doorvoerleiding (3) naar het drukriool. Van zodra het waterpeil gezakt is tot hstop valt de pomp opnieuw stil. Wanneer de pomp defect is, zal een alarmsignaal gegeven worden wanneer het niveau halarm bereikt wordt. Boven dit niveau is nog een alarmvolume voorzien om nog een zekere hoeveelheid afvalwater te stockeren totdat de pomp weer hersteld is. De pompput zelf wordt door verscheidene firma’s geprefabriceerd aangeboden. De putten bestaan zowel in cilindrische vorm, met diameter variërend van 60 tot 120 cm, als met vierkant grondplan, waarbij de zijde varieert tussen 60 cm en 1 m. Gecombineerd met een totale hoogte van 1 tot 2 m, betekent dit dat de inhoud van dergelijke putten kan variëren van ongeveer 400 liter tot meer dan 2000 liter. Ze worden vervaardigd in gewapend beton, kunststof (polyethyleen, glasvezel…) of staal (RVS, gecoat plaatstaal).


151

B.

Huisaansluiting

Het huishoudelijk afvalwater wordt gravitair naar de pompput afgevoerd. Om verstopping te vermijden, dient deze leiding steeds met een helling van minstens 10 ‰ aangelegd te worden (zie tabel 17). Bij voorkeur wordt de pompput zo dicht mogelijk bij de aangesloten woning(en) geplaatst om zodoende het risico op infiltratie tot een minimum te beperken. Er moet in ieder geval gezorgd worden dat de leiding(en) en de bijbehorende koppelingen naar de pompput waterdicht zijn. Infiltratie kan immers nefast zijn voor een goede werking van het pompgemaal. Verkeerde aansluitingen (bijvoorbeeld dakafvoer) brengen deze goede werking zeker in het gedrang en moeten ten alle prijze vermeden worden. C.

Pomp

Om ervoor te zorgen dat de vaste deeltjes meegevoerd worden naar het drukriool, worden meestal centrifugaalpompen gebruikt. Twee types kunnen worden onderscheiden. Ten eerste kan er een pomp gebruikt worden, die de vaste bestanddelen herleidt tot deeltjes met beperkte afmetingen. Naargelang het principe dat wordt toegepast spreekt men van een versnijdende of een vermalende pomp. Dergelijke pomp haalt meestal een opvoerhoogte van 20 tot 30 m. Anderzijds kan er ook een pomp gebruikt worden met grote vrije doorlaatopening die in staat is om de vaste bestanddelen ineens te verpompen naar de drukleiding. Dit type van pomp levert meestal een kleinere opvoerhoogte (10 tot 20 m). Het gebruik van een versnijdende of vermalende pomp verdient de voorkeur, vermits de vaste bestanddelen die in het drukriool terechtkomen, kleinere afmetingen hebben en er bijgevolg minder risico op verstopping zal zijn. In de VS is het om die reden verplicht om versnijdende of vermalende pompen te gebruiken, tenzij de pompput wordt aangesloten op een voorbezinkput [EPA, 1991]. D.

Doorvoerleiding

In de doorvoerleiding worden de debieten van de individuele pompputten doorgepompt naar het persriool. Deze leidingen worden meestal uitgevoerd in kunststof (HDPE of PVC), waarbij PE het voordeel heeft dat er minder verbindingen moeten worden voorzien. Omwille van de kleine debieten volstaan hier leidingen met een kleine diameter. Hoe kleiner de diameter echter wordt, hoe groter de wrijvingsverliezen in deze leiding worden. In figuur 86 worden deze wrijvingsverliezen voorgesteld in functie van de diameter van de leiding. Deze energieverliezen werden berekend met de formule van Manning met als Manningcoëfficiënt n = 0,01 s/m1/3 (equivalente ruwheid volgens White-Colebrook ks = 0,3 mm bij kleine diameters) [Berlamont, 1997] : 10,08 ⋅ n ⋅ Q  Sf =   8  π ⋅D 3  waarbij:

Sf Q D

= = =

2

(23)

energieverlies per eenheidslengte debiet [m3/s] leidingdiameter [m]


152

10 Q = 2 l/s n = 0,01 s/m1/3

energieverlies Sf [-]

1

0.1

0.01

0.001 0

20

40

60

80

100

120

diameter [mm]

Figuur 86 : Ladingsverliezen in functie van de diameter van de doorvoerleiding.

Wanneer een leiding met een diameter van 32 mm wordt gebruikt, dient er bij een debiet van 2 l/s een energieverlies van 1 mwk (meter water kolom) overwonnen te worden per lopende meter van de leiding. Overgang naar een diameter van 40 mm of 45 mm doet deze verliezen dalen met een factor 3, respectievelijk 10 (figuur 86). Een grotere diameter heeft dan weer tot gevolg dat de gemiddelde stromingssnelheid gaat afnemen. Deze moet nochtans voldoende groot zijn, omdat er lange periodes zijn dat de pomp niet werkt en er dus ook zeker bezinking zal optreden in deze leiding. De aansluiting van de doorvoerleiding op het drukriool gebeurt best door middel van een Y-stuk (figuur 14).


153

3.5.3 Dimensionering van de pompput

De dimensionering van de pompput en de keuze van de pomp vormen in principe een geheel. Een pompput met een groot volume kan immers een langere tijd afvalwater bufferen en bijgevolg is er dus een minder zware pomp vereist. Anderzijds is er bij een pomp die een groot debiet kan verpompen slechts een klein buffervolume nodig, vermits een dergelijke pomp grote ogenblikkelijk binnenkomende debieten kan verwerken. A.

Het ontwerpdebiet

Voor de dimensionering van de pompput moet rekening gehouden worden met ogenblikkelijke pieklozingen en kan dus niet gerekend worden met een gemiddelde dagelijkse lozing per inwoner. Om deze maximale ogenblikkelijke debieten te schatten, werd gebruik gemaakt van typische lozingskarakteristieken van de belangrijkste huishoudtoestellen (tabel 25) [Berlamont, 1997] (zie ook bijlage A). Tabel 25 : Lozingskarakteristieken van de voornaamste huishoudelijke toestellen ()t = gemiddeld tijdsinterval tussen twee opeenvolgende lozingen, T = gemiddelde lozingstijd) [Berlamont, 1997]. toestel

inhoud (l)

T (s)

)t (min)

badkuip

120

120

20

gootsteen

30

60

10

WC

9

6

10

wastafel bidet

10 10

20 20

15 15

Wanneer men deze toestellen een aantal keer na mekaar laat leeglopen, bekomt men het cumulatief afgevoerde volume van figuur 87. De curve kan benaderd worden door een bilineair verband. Het eerste gedeelte, gaande van 0 tot 2 minuten, waarin een volume van 180 l kan geloosd worden (gemiddeld lozingsdebiet = 1,5 l/s), voornamelijk veroorzaakt door het leeglopen van een badkuip. Vanaf 2 minuten wordt het geloosde debiet veel lager en gelijk aan 0,17 l/s.


154

800 700

cumulatief volume V (l)

600 V = 160 + 10 . t

500 400 300 200 100 0 0

10

20

30

40

50

60

tijd t (min)

Figuur 87 : Maximaal verwachte hoeveelheid geloosd afvalwater in functie van de tijd t.

B.

Het benodigde buffervolume

Wanneer het startpeil van de pomp wordt bereikt, gaat de pomp het afvalwater dat de pompput binnenstroomt beginnen te verpompen naar het drukriool. Indien dit pompdebiet lager is dan het binnenkomend debiet, zal het niveau in de pompput verder blijven stijgen. Om te vermijden dat het alarm al te vaak onterecht aanslaat, dient er een zeker buffervolume voorzien te worden. Het buffervolume bevindt zich tussen het ‘pomp-start-niveau’ en het alarm-niveau (figuur 85). In figuur 88 wordt het verband tussen het buffervolume en het pompdebiet, nodig om net geen alarm te genereren, aangegeven. Als binnenkomend debiet wordt de bilineaire curve van figuur 87 aangenomen. Zolang het pompdebiet groter is dan 1,5 l/s is er geen probleem. In principe zou er dan geen buffervolume nodig zijn. Voor een individuele pomp zal dit ontwerpdebiet vaak ook minstens 1,5 l/s zijn. Anders wordt het echter wanneer er meerdere pompen tegelijk gaan draaien (zie paragraaf 3.5.6 B). In dat geval kan het verpompte debiet snel kleiner worden en kan tijdelijk wel lager zijn dan 1,5 l/s. Wanneer er meerdere huizen worden aangesloten op dezelfde pompput, kunnen de pieklozingen groter worden en is er een groter buffervolume nodig om een ongewenst alarm te vermijden. Om dit volume te schatten wordt het bilineair verband van figuur 87 beschouwd als maximaal debiet voor 3 IE. Voor 6 IE wordt de benodigde pompcapaciteit dus dubbel zo groot bij een gelijkblijvend buffervolume. Op die manier worden de buffervolumes van figuur 89 gevonden in functie van het aantal IE en de pompcapaciteit. Een minimaal buffervolume van 10 l/IE × # IE wordt aangeraden om tijdelijk hogere piekdebieten, zoals van een toiletspoeling, op te vangen. Beneden 3 IE worden de buffervolumes niet verder verlaagd, vermits deze vooral worden bepaald door het leeglopen van een badkuip.


155

1.6 1.4 Vbuffer = 0 benodigd pompdebiet (l/s)

1.2 1 0.8 0.6

50

0.4

100

0.2

150 Vbuffer = 200 l

0 0

10

20

30

40

50

60

tijd (min)

Figuur 88 : Verband tussen buffervolume en pompcapaciteit (1 woning).

180 160

buffervolume (l)

140

Qp = 0,5 l/s

120 100

Qp = 1 l/s

Qp = 1,5 l/s

Qp = 2 l/s

Qp > 2 l/s

80 60 40 20 0 0

2

4

6

8

10

12

aangesloten IE

Figuur 89 : Verband tussen buffervolume en pompcapaciteit (meervoudige aansluiting).


156

C.

Het werkingsvolume

Het werkingsvolume is het volume tussen het aan- en het afslagpeil van de pomp. Dit is dus het volume dat in 1 pompcyclus naar de drukleiding wordt verpompt (met verwaarlozing van het extra volume dat tijdens het verpompen de put instroomt). Wanneer er een aantal pompen gelijktijdig in werking treden, zullen de pompdebieten verminderen of, in de limiet, kan een pomp zelfs volledig stilvallen. Om te vermijden dat een pomp te lang moet ‘wachten’, wordt het werkingsvolume best niet te groot gekozen. Als maximaal werkingsvolume wordt voorgesteld om niet groter te gaan dan a van het totale dagvolume. Op die manier blijft de gemiddelde verblijftijd in de put beperkt tot 8 uur (kan oplopen tot ongeveer 12 uur omwille van de tijdsvariabele dag-nacht-cyclus). Dit beperkt het risico op geurhinder. Om de pomp niet te dikwijls te laten aan- en afslaan wordt aangeraden om dit volume minimaal gelijk te nemen aan het volume dat in 1 minuut kan verpompt worden (= Qp × 60 s), tenzij deze voorwaarde in conflict is met het criterium voor de maximale verblijftijd (bij lage aansluitingsgraad). Met bovenstaande voorwaarden kunnen de benodigde werkingsvolumes bepaald worden in functie van pompdebiet en aantal IE, zoals aangegeven in figuur 90. 200 Qp = 3 l/s

180

werkingsvolume (l)

160

Qp = 2,5 l/s

140 Qp = 2 l/s

120 100

Qp = 1,5 l/s

80 Qp = 1 l/s

60 40 20 0 0

2

4

6

8

10

12

aangesloten IE

Figuur 90 : Werkingsvolume in functie van pompcapaciteit en aantal aangesloten IE.


157

D.

Het alarmvolume

Om de hersteldiensten de mogelijkheid te geven binnen een redelijke termijn een defecte pomp te herstellen, is het aangewezen om een zeker alarmvolume te voorzien. Dit volume hangt af van de tijd waarbinnen een interventieteam ter plaatse kan zijn. Om deze volumes te begroten wordt gerekend met een constant lozingsdebiet van 150 l/IE/dag, waarop dan de piekfactoren worden toegepast, zoals ze werden afgeleid in paragraaf 3.2.1. In figuur 91 worden zowel de piekfactoren als de cumulatieve lozingsvolumes voorgesteld in functie van de tijd. Voor een bepaalde waarde van de interventietijd kan het benodigde alarmvolume benaderd worden door een lineair verband : T   Valarm = 50 + 150 × int  × # IE (24) 24   Valarm = Tint =

waarbij :

alarmvolume [l] interventietijd [uur]

4

600

3

450

piekfactor

Valarm [l] = 50 + 150 * Tint / 24 2

300

1

150

piekfactor

verwacht lozingsvolume (l/IE)

Dit lineair verband heeft een waarde van 50 l wanneer de tijdsduur naar 0 gaat. Dit is vrij goed in overeenstemming met de eerder gevonden mogelijke pieklozing van 180 l in 2 minuten voor 1 woning (3 IE) (figuur 87). In figuur 92 worden de benodigde alarmvolumes aangegeven in functie van de benodigde buffertijd (d.i. de gewenste interventietijd) en het aangesloten aantal IE. De volumes voor 3 IE worden als minimaal beschouwd, aangezien deze volumes bepaald werden aan de hand van lozingskarakteristieken van 1 woning, ook al zouden er minder dan 3 personen in wonen.

lozingsvolume

0

0 0

12

24

36

48

60

72

tijd (uren)

Figuur 91 : Maximale piekfactor en overeenkomstige lozingsvolumes per IE in functie van de tijd.


158

2400 interventietijd = 48 u

24 u

36 u

benodigd alarmvolume (l)

2000

1600 12 u 1200

800

400

0 0

2

4

6

8

10

12

aangesloten IE op pompput

Figuur 92 : Benodigd alarmvolume in functie van het aantal aangesloten IE en de interventietijd. De minimale tijd waarbinnen een herstelling kan plaatsvinden, kan op 12 uur geraamd worden. In dat geval dient er een alarmvolume van 125 l/IE voorzien te worden. Indien een interventie binnen de 12 uur niet gegarandeerd is, moet dit alarmvolume Valarm [l] groter worden gedimensioneerd overeenkomstig de duur Tint [uur] binnen dewelke de interventie wordt gegarandeerd (vergelijking 24). De stijging van het vereiste alarmvolume voor een interventietijd van 24 uur ten opzichte van een interventietijd van 12 uur is eerder beperkt (75 l/IE extra of 38 % van het vereiste alarmvolume). E.

Het totaal volume van de pompput

Het totale volume van de pompput wordt verkregen door de som te maken van werkings-, bufferen alarmvolume. De grootte ervan wordt bepaald door het aantal aangesloten IE, het pompdebiet en de benodigde interventietijd voor een herstellingsploeg. In figuur 93 wordt het totale volume uitgezet als functie van het aantal aangesloten IE, voor een interventietijd van 24 uur en voor pompdebieten variërend tussen 0,5 en 3 l/s. Het totale volume van de pompput wordt voor het grootste deel bepaald door het alarmvolume en wordt slechts in geringe mate beïnvloed door het ontwerpdebiet van de pomp. Voor een interventietijd van 24 uur kan het putvolume Vput berekend worden met :

V put [l ] = Vwerking + Vbuffer + Valarm

= 130 + 210 × # IE

(25)


159

Meer algemeen kan vergelijking 25, in functie van de interventietijd Tint, aangepast worden tot :

V put [l ] = 130 + [60 + 6,25 × Tint ] × # IE

(26)

3000

2500 volume pompput (l)

Vput [l] = 130 + 210 * IE 2000

1500

1000 Valarm [l] = 200 * IE 500

0 0

2

4

6

8

10

12

aangesloten IE

Figuur 93 : Volume van de pompput in functie van het aantal aangesloten IE.

Vergelijkingen 25 en 26 kunnen in eerste instantie gebruikt worden om het putvolume te bepalen, onafhankelijk van de gebruikte pomp. Bij deze bepaling is het van belang dat niet alleen wordt rekening gehouden met de momenteel aanwezige bewonersaantallen, maar ook met eventuele toekomstige uitbreidingen. Het instellen van de verschillende niveaus, m.a.w. de opdeling in werkings-, bufferen alarmvolume kan gebeuren aan de hand van de formules en figuren in de vorige paragrafen, en kunnen makkelijk bijgesteld worden, wanneer er zich een verandering voordoet in aansluitingsgraad. Figuur 93 maakt duidelijk dat, voor een interventietijd van 24 uur, het putvolume kan variëren tussen ongeveer 750 l en 2600 l, wanneer er respectievelijk 1 tot 3 à 4 woningen op de pompput worden aangesloten. Een pompput van 450 tot 500 l zou nog kunnen gebruikt worden in het geval er 1 woning wordt aangesloten en er een interventietijd van 12 uur kan gegarandeerd worden. In dat geval moet men er zich echter terdege van bewust zijn dat iedere toekomstige wijziging (bijkomende aansluiting, verhoging van interventietijd naar 24 uur, …) tot gevolg zal hebben dat de bestaande pompput zal moeten vervangen worden door een put met een groter volume. Tenslotte kan er voor de pompput nog op gewezen worden, dat er moet gecontroleerd worden of er geen gevaar voor opdrijven bestaat in het geval van een hoge grondwaterstand. Dit risico zal zeker bestaan wanneer er in dat geval gekozen wordt voor een kunststof pompput. Daarom worden dergelijke putten meestal voorzien van een verbrede zool onderaan.


160

3.5.4 Keuze van de pomp

De keuze van de pomp wordt bepaald door het ontwerpdebiet dat aangenomen wordt voor het ledigen van de pompput en de opvoerhoogte die moet gerealiseerd worden. De keuze van een gepaste pomp gebeurt dan aan de hand van de pompkarakteristiek (zie ook paragraaf 5.8.3). Dit is de curve die voor een bepaalde pomp het verband aangeeft tussen opvoerhoogte en pompdebiet (figuur 94). Meestal wordt er geopteerd voor een pomp die, wanneer er geen enkele andere pomp in werking is, een debiet van ongeveer 2 l/s naar het drukriool verpompt. Om de ontwerpberekeningen te vereenvoudigen kunnen van de gepubliceerde pompkarakteristiek (technische specificaties van de fabrikant) de ladingsverliezen in de doorvoerleiding afgetrokken worden. Op die manier ontstaat de effectieve pompkarakteristiek : deze geeft het verband aan tussen het pompdebiet en de druk in de drukleiding. In figuur 94 zijn de ladingsverliezen aangegeven voor een doorvoerleiding van 50 mm diameter, met een lengte van 10 m en een Manningcoëfficiënt n = 0,01 s/m1/3 (vergelijking 23). Voor deze omstandigheden, zoals ze meestal in de praktijk ook zullen voorkomen, zijn de ladingsverliezen in de doorvoerleiding verwaarloosbaar. Sommige pompen beginnen bij de start van de pompcyclus gedurende een korte tijd het water onderaan in de pompput rond te pompen om zo bezonken slib in de pompput op te woelen. Dit kan het onderhoud van de pompput verminderen.

40

opvoerhoogte H (m)

30 pompkarakteristiek (fabrikant) effectieve pompkarakteristiek 20

ladingsverliezen in de doorvoerleiding (L = 10m)

10

0 0

1

2

3

4

5

6

pompdebiet Q (l/s)

Figuur 94 : Typisch pompkarakteristiek (technische specificaties + effectief).


161

3.5.5 Dimensionering van de doorvoerleiding

De grenzen waarbinnen de diameter van de doorvoerleiding moet gelegen zijn, zouden kunnen bepaald worden aan de hand van een minimaal benodigde schuifspanning enerzijds en een maximaal toegelaten stromingssnelheid anderzijds. De meeste pompen hebben echter een uitgang van 50 mm (buiten)diameter. In figuur 95 worden de grenzen aangegeven waarbinnen de (inwendige) diameter best gelegen is. De maximale diameter Dmax wordt berekend uit een minimale schuifspanning Jmin van 2 N/m2 : Dmax

 ρ ⋅ g  10,08 ⋅ n ⋅ Q  2  = ⋅    4 ⋅τ min  π   

3 13

(27)

Het debiet Q in deze formule is het pompdebiet en de Manningcoëfficiënt is n = 0,01 s/m1/3. Omdat de pompen maar enkele minuten per dag draaien, is het van groot belang dat de schuifspanning voldoende groot is. Tijdens de periodes van stilstaand water in de doorvoerleiding zal er zeker bezinking optreden. De minimale diameter Dmin volgt uit de maximaal toegelaten stromingssnelheid Umax van 3 m/s (Q is het pompdebiet) : 4⋅Q Dmin = (28) U max ⋅ π In figuur 95 zijn beide grenzen aangegeven en wordt ook de optimale, commercieel beschikbare diameter voor PE SDR 17,6 (zie paragraaf 3.5.7) aangegeven. Deze wordt immers best zo dicht mogelijk bij de maximaal toelaatbare diameter gekozen om op die manier de ladingsverliezen te beperken. Door een doorvoerleiding van 50 mm mogen pompdebieten tussen 1 en 4,5 l/s worden toegelaten. In de doorvoerleiding dient ook een terugslagklep voorzien te worden die ervoor zorgt dat er geen afvalwater uit het drukriool naar de pompput kan stromen.


162

100 90 80 φ 90mm

inwendige diameter (mm)

2

Dmax (J = 2 N/m )

70

φ 75mm

60 φ 63mm

50 φ 50mm

40

Dmin (U = 3 m/s)

φ 40mm

30 20 10

toegelaten pompdebieten φ 50mm

0 0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

pompdebiet (l/s)

Figuur 95 : Minimale en maximale inwendige diameter van de doorvoerleiding in functie van het pompdebiet (uitwendige diameter voor PE SDR 17,6 aangegeven).


163

3.5.6 Dimensionering van het drukriool

Het drukriool wordt meestal uitgevoerd in kunststof (HDPE of PVC), waarbij PE in langere lengtes kan worden geleverd (op rollen) en dus het voordeel heeft dat er minder verbindingen moeten worden voorzien. A.

Ontwerpdebiet

Het feit dat er vanuit iedere individuele pompput maar gedurende een beperkte tijd afvalwater verpompt wordt naar de drukleiding, zorgt ervoor dat het ontwerpdebiet voor deze drukleiding anders moet berekend worden dan voor een gravitaire leiding. De kans dat een aantal pompen gelijktijdig draaien is immers klein en een sommatie van alle individuele pompdebieten zou dan ook tot sterk overgedimensioneerde leidingen leiden, met te lage stromingssnelheden en sedimentatie tot gevolg. De kans dat een aantal pompen simultaan in werking zijn, wordt gegeven door [Berlamont, 1997] (zie ook bijlage A) : N −k P[k ] = C Nk ⋅ (1 − K ) ⋅ K k (29) waarbij: P[k] = kans dat er k pompen draaien C Nk = het aantal mogelijke combinaties van N elementen in groepen van k [-] K = de waarschijnlijkheid dat een bepaalde pomp op een bepaald ogenblik in werking is [-] N = aantal aangesloten pompen op de beschouwde persleiding [-] De waarde K kan berekend worden als: tp # IE ⋅ Vdag Q p , dag K = p⋅ = p⋅ = p⋅ 86400 Q p ⋅ 86400 Qp met: tp Vdag p Qp,dag Qp

= = = = =

(30)

totale tijd die 1 pomp in werking is op 1 dag [s] dagelijks te verpompen volume afvalwater [l] = 150 l/IE piekfactor [-] daggemiddeld pompdebiet voor 1 pomp [l/s] pompdebiet voor 1 pomp [l/s]

In figuur 96 worden deze waarschijnlijkheden P[k] grafisch voorgesteld in functie van het aantal aangesloten IE.


164

100%

kans op draaien van X pompen

X=0 X=1 10%

X=2 X=3 X=4 X=5

1%

10 min/dag

X=6 X=7 0,1% 0% 0

200

400

600

800

1000

1200

1400

aangesloten IE

Figuur 96 : Waarschijnlijkheid dat een bepaald aantal pompen X in werking is (Qp = 2 l/s).

De piekfactor p wordt ingevoerd omdat de huishoudelijke lozingen niet gelijkmatig gespreid zijn over een dag (zie paragraaf 3.2.1) en bijgevolg zullen de pompen ook vaker in werking zijn gedurende de periodes van verhoogde lozing. Voor de curven van figuur 96 werd p gelijkgesteld aan 1,7 (analoog aan de piekfactor voor gravitaire riolen : zie paragraaf 3.2.2). Om het drukriool te dimensioneren, is de kennis vereist van het maximale debiet dat kan verwacht worden in de leiding. Dit wordt berekend aan de hand van het maximaal aantal pompen dat gelijktijdig in werking kan zijn per dag en gedurende een bepaalde tijd. De keuze van deze tijdsduur is enigszins arbitrair en hier wordt geopteerd om te werken met een tijdsduur van 10 minuten, hetgeen vergelijkbaar is met de totale draaitijd van 1 pomp per dag (indien het aangesloten dagvolume kleiner is, kan de totale tijdsduur worden verlaagd tot de tijd nodig om het dagvolume te verpompen, maar dit heeft weinig invloed op de onderstaande dimensioneringsmethodiek en het resultaat ervan). Deze tijdsduur mag kleiner zijn dan de uurlijkse waarden bij gravitaire riolen, omdat hier met de werkelijke duur van het maximale debiet wordt gerekend, in tegenstelling tot de uurgemiddelde waarde bij gravitaire riolen. In figuur 96 kan nu het maximaal aantal pompen worden afgelezen dat per dag gedurende een periode van 10 minuten samen in werking kan zijn (dit is een kans van 0,7 %). Deze kans is ook afhankelijk van het pompdebiet van de individuele pompputten. Het maximum aantal pompen in werking gedurende 10 minuten per dag wordt in figuur 97 uitgezet in functie van het aantal aangesloten IE en in functie van het pompdebiet. Omdat Qp veranderlijk is langsheen het traject van het drukriool, wordt hier met Q p gewerkt :


165

Q p = gemiddelde van alle opwaartse pompdebieten Qp, wanneer deze pompen alleen in werking zijn [l/s]

Deze gemiddelde waarde werd ingevoerd omdat vaak dezelfde pompen worden gebruikt voor een (gedeelte van een) stelsel en dan hebben de meer afwaarts gelegen een groter ontwerpdebiet Qp doordat ze minder ladingsverliezen moeten overwinnen. B.

Simultane werking van een aantal pompen

De grenzen in figuur 97 werden opgesteld in de veronderstelling dat het pompdebiet onafhankelijk is van het aantal pompen dat op een bepaald moment in werking is. In werkelijkheid zal dit pompdebiet echter afnemen bij toenemend aantal pompen in werking. Dit heeft tot gevolg dat de pomptijden gaan vergroten en dat het aantal pompen dat op een bepaald moment gelijktijdig in werking is groter is dan de waarden die aangegeven worden in figuur 97.

Qp,s van alle opwaarts gelegen pompen (l/s)

4 Xm = 1

Xm = 2

Xm = 3

3

Xm = 4

2

Xm = 5 Qp 0 = 2 l/s

Xm = 6

1

Xm > 6

0 0

200

400

600

800

1000

aangesloten IE

Figuur 97 : Maximaal aantal pompen Xm simultaan in werking tijdens 10 minuten per dag in functie van Q p en het aantal IE.

De afname van de pompcapaciteit bij simultane werking hangt af van de pompkarakteristiek van de gebruikte pompen en moet dus van geval tot geval bekeken worden. De meest logische aanname voor deze capaciteitsvermindering is in stippellijn aangegeven in figuur 97, voor een ontwerpwaarde van het pompdebiet Q p van 2 l/s. De veronderstelling die werd gemaakt is dat het verwachte aantal pompen in werking evenredig is met het aantal aangesloten IE. Wiskundig kan deze capaciteitsdaling worden benaderd door (figuur 97):


166

Q p ,s =

Qp

(31)

X 0 , 65

waarbij : Q p ,s = gemiddeld opwaarts pompdebiet wanneer meerdere pompen simultaan werken X = aantal pompen simultaan in werking Wanneer deze redenering wordt doorgetrokken naar alle mogelijke pompdebieten Q p , kunnen de grenzen van figuur 97 worden herrekend in functie van deze ontwerpwaarde van het pompdebiet (figuur 98).

Qp,s van alle opwaarts gelegen pompen (l/s)

4 Xm = 1

Xm = 2

Xm = 3

Xm = 4

Xm = 5

Xm = 6

7 8

3

9

A

10

B

2

Xm > 10 1

0 0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

aangesloten IE

Figuur 98 : Maximaal aantal pompen Xm simultaan in werking tijdens 10 minuten per dag indien rekening wordt gehouden met de meest waarschijnlijke capaciteitsdaling.

In de figuren 99 en 100 wordt schematisch het effect op het werkingspunt voorgesteld vanwege de simultane werking van 2 pompen. In figuur 99 worden twee identieke pompen beschouwd, de eerste afwaarts en de tweede opwaarts gelegen. Voor de meer opwaarts gelegen put zijn de ladingsverliezen veel groter en het werkingspunt van de pomp ligt dan ook bij een lager debiet. Wanneer de twee pompen samen draaien, mogen de (effectieve) pompkarakteristieken worden opgeteld. Met behulp van deze ‘samengestelde’ karakteristiek kan de druk ter hoogte van de twee locaties worden bepaald en daarmee kan dan weer het debiet voor elke individuele pomp worden afgeleid. Er kan vastgesteld worden dat het pompdebiet in de meer opwaarts gelegen put procentueel het meest zal afnemen.


167

H (m)

1. = Q1,afw 2. = Q2,afw 3. = Q1,opw 4. = Q2,opw

drukverloop opwaarts

2 pompen drukverloop afwaarts

1 pomp

4.

3.

2.

1.

Q (l/s)

Figuur 99 : Werkingspunten voor open afwaarts gelegen pomp (identieke pompen).

H (m)

1. = Q1,afw 2. = Q2,afw 3. = Q1,opw 4. = Q2,opw

drukverloop opwaarts pompopw

pompafw 2 pompen

4. 2.3. 1.

drukverloop afwaarts

Q (l/s)

Figuur 100 : Werkingspunten voor open afwaarts gelegen pomp (afwaarts lichtere pomp).


168

Voor het ontwerp zou men dus het punt kunnen bepalen waar de grootste opvoerhoogte moet gehaald worden, hiervoor een geschikte pomp bepalen en dit type gebruiken voor alle pompputten van het beschouwde stelsel. Voor de dimensionering van het systeem betekent dit dat men in figuur 98 een stijgende curve moet volgen ter bepaling van de XM-waarden (curve A; de curve is enkel indicatief, de werkelijke helling van de curve dient bepaald te worden aan de hand van de pompkarakteristieken en de optredende ladingsverliezen). Wanneer echter voor de meer afwaartse pompput een lichtere pomp wordt gekozen (figuur 100), blijkt dat de capaciteitsvermindering voor beide pompen nagenoeg gelijk wordt. Optimalisatie van de pompen in het systeem betekent dus niet enkel een besparing door het gebruik van een aantal lichtere pompen, maar houdt ook in dat de meer opwaarts gelegen punten in een stelsel (of de punten waar een grotere opvoerhoogte nodig is) niet benadeeld worden in het geval van het simultaan aanslaan van een aantal pompen. In dit geval bekomt men in figuur 98 een horizontale lijn ter bepaling van de XM-waarden (curve B). C.

Minimale en maximale diameter

Voor de (inwendige) diameter van de persleiding zijn het opnieuw de schuifspanning en de gemiddelde stromingssnelheid die de dimensionering bepalen. Voor de schuifspanning wordt 1,5 N/m2 als limietwaarde gebruikt, indien er versnijdende of vermalende pompen worden gebruikt. Door het afronden naar een commercieel beschikbare diameter zal dit meestal leiden tot schuifspanningen boven 2 N/m2, nodig om bezonken materiaal terug op te woelen. Ook zullen er op de momenten dat er nog meer pompen gelijktijdig werken hogere debieten en grotere schuifspanningen optreden. Voor andere types van pompen (geen vermalende of versnijdende) wordt een minimaal schuifspanningscriterium van 2 N/m2 vooropgesteld. In andere dimensioneringsrichtlijnen (Verenigde Staten, Nederland, ...) wordt de maximale diameter bepaald uit een minimale snelheidsvoorwaarde (0,6 - 0,7 m/s). Deze ontwerpwaarden worden daar reeds geruime tijd succesvol toegepast en het lijkt dan ook niet aangewezen om voor de Vlaamse toestand strengere ontwerpeisen op te leggen. De gemiddelde stroomsnelheid moet opnieuw kleiner blijven dan 3 m/s. De begrenzingen voor de inwendige diameter kunnen opnieuw berekend worden met de vergelijkingen 27 en 28 (figuur 101). Het debiet Q in deze formules is het ontwerpdebiet Qd van de drukleiding en kan benaderd worden met de formule : Q d = X M ⋅ Q p ,s = X 0M, 35 ⋅ Q p (32) De benodigde Xm-waarde, in functie van het aantal aangesloten IE, kan afgelezen worden in figuur 98. De ladingsverliezen ter bepaling van de maximaal toelaatbare diameter werden berekend met een n-waarde (Manning coëfficiënt) gelijk aan 0,01 s/m1/3. Dit is vergelijkbaar met een ks-waarde (White-Colebrook) gelijk aan 0,3 mm voor deze kleine diameters. Beide voorwaarden (Dmin en Dmax) worden in figuur 101 grafisch voorgesteld. Eveneens worden de snelheidsvoorwaarden van 0,6 en 0,7 m/s aangegeven en hieruit blijkt dat deze voorwaarden vrij goed overeenstemmen met het opleggen van een minimale schuifspanning van 1,5 N/m2.


169

Om de ladingsverliezen te beperken is het aangewezen de diameter zo groot mogelijk te kiezen en bij voorkeur wordt dan ook de maximaal toelaatbare, commercieel beschikbare diameter gebruikt. De commercieel beschikbare (uitwendige) diameters aangegeven op figuur 101 zijn de waarden voor PE SDR 17,6 (zie paragraaf 3.5.7).

inwendige diameter (mm)

140

Dmax (J = 1,5 N/m2) U = 0,6 m/s

120

φ 140mm φ 125mm

U = 0,7 m/s

100

φ 110mm

80

φ 90mm

60

Dmin (U = 3 m/s)

φ 75mm φ 63mm

40

φ 50mm

20 0 0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

ontwerpdebiet Qd (l/s)

Figuur 101 : Begrenzingen voor de inwendige diameter van het drukriool in functie van het ontwerpdebiet (uitwendige diameter voor PE SDR 17,6 aangegeven).


170

3.5.7 Waterslag Zowel voor PVC als voor PE bestaan er gestandaardiseerde verhoudingen tussen wanddikte en buisdiameter, die overeenstemmen met een bepaalde ‘drukklasse’ (DIN 8074/75, DIN 8079/80, DIN 8061/62 [DIN, 1988, 1994, 1997, 1999a,b, 2000]). Deze drukklasse, uitgedrukt in een PN-waarde (‘Pression Nominale’) geeft de drukbestendigheid van een bepaalde buis weer bij 20 /C, voor een levensduur van 50 jaren bij het transport van een neutraal medium zoals water. Minder frequent wordt het Nederlandstalige equivalent ND-waarde (‘Nominale Druk’) gebruikt. De SDR-waarde (‘Standard Dimension Ratio’) geeft de verhouding aan van de buitendiameter tot de wanddikte: D SDR = uitw (33) t met: SDR = Duitw = t =

standard dimension ratio [-] uitwendige buisdiameter [mm] wanddikte [mm]

In tabel 26 worden de SDR waarden aangegeven voor PE en PVC voor de belangrijkste drukklassen. Buizen met een hogere sterkte hebben een lagere SDR (grotere wanddikte). Ook valt op dat voor een zelfde druksterke, de wanddikte van een PVC buis ongeveer de helft is van een PE 80 buis. Tabel 26 : SDR-waarden voor PE en PVC. drukklasse (bar)

materiaal PE 80

PE 100

PVC

PN 4

(26)

(41)

(51,2)

PN 6

17,6

27,6

34,2

PN 10

11

17

21

PN 16

7,25

11

13,4

De inwendige druk in de leidingen bestaat uit twee belangrijke componenten : ten eerste is er de ‘normale’ werkdruk die bepaald wordt door de leidingen pompkarakteristieken. Naast deze statische druk zijn er de kortstondige drukstoten (de zogenaamde waterslag) ten gevolge van het aan- en afslaan van de pompen of van het openen en sluiten van kleppen. Het aan- en afslaan van de pompen zorgt voor drukstoten in het drukriool. De maximaal mogelijke drukverhoging )p kan berekend worden als [Berlamont, 1979] : c ∆ p = ⋅ ∆v (34) g


171

met )p c )v g

= = = =

drukvariatie [mwk] voortplantingssnelheid van de drukgolf [m/s] snelheidsverandering [m/s] valversnelling = 9,81 m/s2

De voortplantingssnelheid van de drukgolf kan berekend worden uit de eigenschappen van de drukleiding (materiaal en geometrie) in combinatie met de vloeistof- karakteristieken [Berlamont, 1979] : 1000 1000 c= =  1 D inw   1 SDR − 2  (35)   ρ v ⋅  + ρ v ⋅  + E  Ev t ⋅ E   Ev  waarbij :

Dv

Ev Dinw E

= = = =

dichtheid van de vloeistof [kg/m3] volumetrische elasticiteitsmodulus van de vloeistof [MPa] inwendige diameter van de leiding [mm] elasticiteitsmodulus van het leidingmateriaal [MPa]

In figuur 102 wordt een diagram voorgesteld dat kan gebruikt worden ter bepaling van deze maximale drukstoot (Ev = 2000 MPa, Dv = 1000 kg/m3). De buiseigenschappen (E en SDR) worden gecombineerd in het bovenste gedeelte van figuur 102 en in het onderste gedeelte van de figuur kan vervolgens de in te rekenen drukstoot worden afgelezen in functie van de snelheidsvariatie. Voor een PVC leiding SDR 34 bijvoorbeeld levert het bovenste gedeelte van figuur 102 punt A op en wanneer er voor het afslaan van de pomp een gemiddelde stromingssnelheid van 1,5 m/s heerst, kan er een drukstoot van bijna 5 bar ontstaan. Dergelijke buis heeft echter een PN 6-waarde, zodanig dat er, vooral voor de opwaartse gedeeltes vlug problemen kunnen verwacht worden. Een opvoerhoogte van de pomp van 20 tot 30 m zou hier dus, wanneer er waterslag optreedt, resulteren in een totale druk van 7 tot 8 bar (terwijl PN 6 slechts een werkdruk van 6 bar toelaat). Overgang naar een SDR 21 zou een drukstoot van 6 bar opleveren en een totaaldruk van 8 tot 9 bar, hetgeen toelaatbaar is in dergelijke PN 10-buis (punt B in figuur 102). De beschouwde waterslagberekening zal in de meeste gevallen een overschatting van de te verwachten drukstoot opleveren, aangezien een gedeelte van de energie van de drukgolf wordt gedissipeerd in de verschillende zijvertakkingen van het netwerk. Enkel in het geval van een lange leiding is het gevaar reëel en kan de werkelijk optredende drukstoot de theoretisch te verwachten waarde benaderen. Het verdient aanbeveling om geen leidingen van drukklasse PN 4 te gebruiken. Niet alleen omdat ze bij waterslag vlug beschadigd worden, maar door hun kleine wanddiktes hebben deze buizen het bijkomend nadeel dat ze tijdens de plaatsing makkelijk beschadigingen oplopen. Leidingen met drukklasse PN 6 kunnen wel gebruikt worden, maar er kan knikgevaar zijn. Daarom dient onder alle omstandigheden te worden gecontroleerd of de som van de uitwendige en inwendige belasting niet tot knik leidt. Tot slot kan nog opgemerkt worden dat niet enkel dient rekening gehouden te worden met de inwendige druk, maar dat er ook moet gecontroleerd worden of de leidingen aan de uitwendige belastingen kunnen weerstaan.


172

Elasticiteitsmodulus (Mpa)

A

SDR = 7

SDR = 11

10000

SDR = 26 SDR = 21 SDR = 17

SDR = 34

Voor drukriolering is de minimale gronddekking gelijk aan 0,8 m, omdat door het alternerend stromen en stilstaan van het afvalwater en de kleinere diameters het gevaar voor bevriezing groter is dan bij gravitaire DWA-riolen.

B PVC

1000

PE

100

overdruk )p (mwk)

10

20 30

)v = 0,5 m/s

50 70

)v = 1 m/s )v = 1,5 m/s

)v = 2 m/s

)v = 2,5 m/s

)v = 3 m/s

100

Figuur 102 : Diagram ter bepaling van de maximale overdruk ten gevolge van het aan- en afslaan van een pomp.


173

3.5.8 Andere componenten en aandachtspunten A.

Boosterstation

Wanneer de dimensioneringsrichtlijnen uit vorige paragrafen worden gehanteerd, samen met de karakteristieken van de meest gangbare pomptypes, blijkt dat voor een drukriolering een lengte van ongeveer 3000 m kan gehaald worden. Dit wordt geïllustreerd in figuur 103, waar de benodigde opvoerhoogte in het meest opwaarts gelegen pompput wordt uitgezet in functie van de lengte van het drukriool (voor een vlak gebied). De bovengrens wordt bereikt voor lage pompcapaciteit en lage aansluitingsgraad, terwijl de ondergrens eerder zal optreden wanneer krachtigere pompen worden gebruikt en wanneer de aansluitingsgraad groter is (streepjeslijnen in figuur 103).

opvoerhoogte meest opwaartse punt (m)

80 70 60 50 40 30 20 10 0 0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

4500

5000

indicatieve waarde voor de lengte van de drukleiding (m)

Figuur 103 : Benodigde opvoerhoogte in functie van de lengte van het drukriool.

Voor lengtes groter dan ongeveer 3000 m zal men met de eenvoudigere pompen niet meer in staat zijn de ladingsverliezen te overwinnen. Om grotere lengtes te realiseren bestaan er twee mogelijkheden. Enerzijds kan er geopteerd worden om krachtigere pompen, die een grotere opvoerhoogte halen, te installeren. De andere oplossing bestaat erin om de eenvoudigere pompen te behouden, en vervolgens afwaarts (dus op ongeveer 3000 m van het meest opwaartse punt) een boosterstation te voorzien dat het verzamelde water verder pompt naar een volgend stuk drukriool, een gravitair riool, …


174

B.

Schakelautomaat en centrale sturing

Iedere pompput is voorzien van een schakelautomaat die ervoor zorgt dat de pomp op de voorziene momenten aan- en afslaat. Om vastlopen van de pomp tegen te gaan, wordt er best voor gezorgd dat de pomp regelmatig (eventueel dagelijks) in werking treedt, ook al wordt het startpeil niet bereikt. Indien men een pomp heeft die het water in de pompput kan rondpompen zonder afvoer, is er hierbij geen kans op drooglopen en vermindert de kans op consolidatie van bezonken slib. Op het bedieningsdisplay kunnen meestal allerhande gegevens opgeroepen worden, zoals looptijd, verbruikte stroom, waterniveau in de pompput, laatste storingen, … Het verdient aanbeveling om bij de eerste pompstoring, de pomp enige tijd later automatisch te laten herstarten. Een kleine storing, bijvoorbeeld veroorzaakt door een korte stroomonderbreking, zou immers vaak zorgen voor het nodeloos oproepen van de herstellingsploeg. Ook bij een kortstondig in gebruik nemen van het alarmvolume bij een te klein buffervolume, kan het alarm afgaan zonder dat dit om het falen van het systeem gaat. Ook hiervoor is het nuttig om enige tijd later na te gaan of het niveau nog steeds groter is dan het alarmpeil om het alarm zo te bevestigen of af te zetten. Vaak wordt de werking van de individuele pompen op mekaar afgestemd door een centrale sturing. Deze sturing kan een begrenzing opleggen aan het aantal pompen dat simultaan mag draaien. Op die manier wordt het mogelijk om de maximaal te verwachten drukken en stromingssnelheden te begroten en aan de hand daarvan het netwerk te dimensioneren. Ook kan ervoor gezorgd worden dat na een stroompanne niet alle pompen tegelijk beginnen draaien en op die manier het stelsel overbelasten. C.

Druksensoren

Druksensoren op een aantal strategische plaatsen in het stelsel laten toe om de goede werking van het systeem na te gaan en helpen om de juiste beslissingen te nemen in geval er zich ergens problemen voordoen. D.

Ontluchtingsventielen

Drukleidingen laten zich op flexibele wijze plaatsen en kunnen ook relatief makkelijk onder bepaalde obstakels doorgeleid worden. Op bepaalde hoger gelegen locaties kan er zich dan preferentieel lucht verzamelen. Er bestaan empirische formules die een minimale snelheid geven die noodzakelijk is om luchtinsluitsels mee te voeren in functie van de (dalende) helling en de leidingdiameter (o.a. [Kamma & Van Zijl]). Normaal gezien worden er echter geen ontluchtingsventielen meer voorzien, omdat de kans op storingen van deze ventielen groot is [Rioned, 2002a]. Bij het in bedrijf stellen van het drukriool kan de lucht uit het systeem worden gedrukt met een ‘zware’ pomp. Toch stelt recent onderzoek dat er zich wel degelijk problemen kunnen voordoen met luchtopstapeling in persleidingen [Kamma & Van Zijl, 2002]. De enige valabele oplossing bestaat er dan ook uit om bij het ontwerp zo weinig mogelijk hoge punten in een leidingentraject te voorzien.


175

E.

Biogene zwavelzuuraantasting

Wanneer afvalwater traag stroomt of wanneer het gedurende een voldoende lange periode stationair blijft, kan er een anaëroob milieu ontstaan. Dit is zeker het geval in persleidingen waar, gedurende de periodes dat er geen enkele pomp in werking is, het afvalwater in de leidingen blijft stilstaan. In deze anaërobe omgeving zullen sulfaat-reducerende bacteriën zwavelverbindingen omzetten tot H2S. Op plaatsen waar het drukriool loost in een gravitair riool is er veel turbulentie en komt het H2S vrij in de rioolatmosfeer. Het gas kan dan in deze zuurstofrijkere omgeving omgezet worden tot elementaire zwavel en neerslaan in de condenslaag op de wanden van de rioolbuis. Daar wordt de elementaire zwavel omgezet tot zwavelzuur door aërobe zwaveloxiderende bacteriën. Afhankelijk van de aanwezige nutriënten en de pH van de omgeving zullen de verschillende bacteriën zich op het betonoppervlak ontwikkelen. De bacteriën produceren zwavelzuur waardoor plaatselijk zeer lage pH-waarden kunnen optreden. De inwerking van het zwavelzuur leidt tot degradatie van betonoppervlakken. Op de plaatsen juist afwaarts van een drukriool, bijvoorbeeld waar deze loost in een gravitaire riool, moet dus zeker worden nagegaan of er gevaar bestaat tot biogene zwavelzuuraantasting en moeten desgevallend beschermende maatregelen getroffen worden. Enkele van de mogelijke oplossingen zijn: S een gedeelte van het gravitaire riool uit te voeren in een materiaal met voldoende weerstand tegen deze aantasting. S het aanbrengen van een beschermende coating op de risico-plaatsen. Wanneer de H2S vrijkomt binnen een bebouwde zone moet zeker gecontroleerd worden of de concentraties geen gevaar kunnen opleveren voor de volksgezondheid en moet er, indien nodig, een filterinstallatie geplaatst worden. Kleinere concentraties kunnen ook reeds geurhinder met zich meebrengen en om de overlast daarvan te beperken kan het aangewezen zijn een biofilter te voorzien. Er bestaan modellen om de biogene zwavelzuuraantasting te begroten [Beeldens & Van Gemert, 2001]. Hieruit kan onrechtstreeks ook een schatting worden gemaakt van de invloedszone van deze biogene zwavelzuuraantasting. De huidige statische modellen geven echter slechts een benadering en houden geen rekening met de kinetica van het aantastingsproces en de dynamica van de hydraulica. F.

‘As built’-plannen

Een voordeel van drukriolen is dat onvoorziene hindernissen op het terrein vrij makkelijk kunnen omzeild worden. De kunststof leidingen, met kleine diameter, laten immers zonder al te veel problemen aanpassingen in lengte- en langsprofiel toe. Deze flexibiliteit heeft echter tot gevolg dat de uiteindelijke ligging van de leidingen vaak zal verschillen van de ligging die op de ontwerpplannen werd aangegeven. Daarom is het van groot belang om ook plannen op te maken waarop de uiteindelijk gerealiseerde ligging van het leidingenstelsel is aangegeven. Met het oog op latere uitgravingen kunnen op die manier een aantal problemen worden vermeden.


176

G. Kleur De persriolen dienen een roodbruine kleur te hebben om een onderscheid te kunnen maken met de leidingen van het drinkwaternetwerk (dit wordt trouwens zo gespecifieerd in verschillende normen voor buismaterialen).


177

3.5.9 Besluit drukriolering

Drukriolen kunnen een interessant alternatief zijn voor gravitaire DWA-riolen wanneer de nodige uitgravingen te diep worden. Doordat men met persleidingen werkt en het verhang niet wordt bepaald door de helling van de leidingen (wel door de pompkarakteristiek en de ladingsverliezen), kunnen de leidingen volgens maaiveld topografie worden geplaatst. Diepe uitgravingen zijn dus niet meer nodig. Bovendien kan de minimale diameter verder worden beperkt tot 50 mm voor de kleinste leidingen. Met de huidig beschikbare pompen en rekening houdend met de eisen voor de minimale schuifspanning, kan men drukriolen tot een lengte van ongeveer 3000 m (voor de langste tak) aanleggen. Voor langere drukriolen kan men gebruik maken van een tussenliggend pompstation, wat meestal goedkoper is dan het gebruik van krachtigere pompen ter hoogte van de huisaansluitingen. Onderdrukriolen, meestal vacuümriolen genoemd, werden niet beschouwd omdat dit type riolering weinig bedrijfszeker is.


178

3.6 Conclusies DWA-riolering Als men volledig gravitaire DWA-riolen wil dimensioneren opdat ze zelfreinigend zijn, heeft dit grote consequenties. Voor opwaartse uiteinden met een lage belasting moet men een minimale diameter hanteren om het gevaar op verstopping te beperken. En ook dan nog zullen er maatregelen moeten worden getroffen om het verstoppingsgevaar te beperken (inclusief sensibilisering) en onderhoud eenvoudig toe te laten. Deze minimale diameters leiden tot lage vullingsgraden. Indien men de schuifspanningen wil halen waarbij bezonken slib kan worden geërodeerd, zijn daartoe grote hellingen en diepe uitgravingen nodig. Dit leidt bovendien tot een veralgemeende introductie van superkritische stroming in deze leidingen. Het is dan ook logisch om te stellen dat een volledig gravitair DWA-riool, zonder bijkomende maatregelen om de slibtoevoer naar het riool te beperken, slechts voor kleine afvoergebieden praktisch realiseerbaar is. De combinatie met pompen levert heel wat extra mogelijkheden op. Indien de pompdebieten oordeelkundig worden gekozen, kunnen de hellingen van de afwaartse gravitaire DWA-leidingen sterk beperkt worden. Gravitaire DWA-riolen in combinatie met opwaartse regenwatertoevoer is moeilijk onder controle te houden. De eisen voor de spoeldebieten liggen binnen vrij strikte grenzen, waardoor een dergelijk systeem in de praktijk zelden haalbaar is. Dit soort rioolsystemen neigt dan naar een (gedeeltelijk) verbeterd gescheiden rioolstelsel. Een blijvend probleem is de grote diepteligging omwille van de grote noodzakelijke hellingen. Eventueel kunnen intermitterende spoelingen wel een oplossing bieden, maar dit moet verder worden onderzocht. Voorbezinkputten kunnen een oplossing bieden voor de sedimentatieproblemen bij gravitaire DWA-systemen. Indien voorbezinking veralgemeend wordt toegepast, kunnen de grenzen voor de schuifspanningen en dus ook voor de minimale hellingen worden verlaagd. Hierdoor zijn minder diepe uitgravingen nodig. Bovendien verminderen ook de problemen die zich stellen indien men een minimale diameter van 150 mm moet toepassen bij zeer lage debieten. Een andere oplossing is de drukriolering. Doordat men met persleidingen werkt en het verhang niet wordt bepaald door de helling van de leidingen, kunnen de leidingen volgens maaiveld topografie worden geplaatst. Diepe uitgravingen zijn dus niet meer nodig. Bovendien kan de minimale diameter verder worden beperkt tot 50 mm voor de kleinste leidingen. Er zijn ontwerpregels m.b.t. minimale schuifspanning gespecifieerd geldig voor zelfreinigende riolen. Dat betekent dat deze systemen relatief onderhoudsvriendelijk zullen zijn, op voorwaarde dat er geen oneigenlijk gebruik van de riolen wordt gemaakt. Wanneer afgeweken wordt van deze ontwerpregels zal dat tot gevolg hebben dat de riolen minder zelfreinigend zullen zijn en dat bijgevolg het onderhoud zal moeten worden opgevoerd.


179

Welk systeem het beste compromis is tussen veiligheid en kostprijs, hangt vaak af van de lokale omstandigheden. Elk van deze types van DWA-systemen moet echter op maat worden gedimensioneerd rekening houdend met de hydraulica van pieklozingen en het vereiste zelfreinigend vermogen (niet enkel tijdens de normale afvoer, maar ook tijdens de reiniging). Deze studie geeft voor een aantal basistypes de uitgewerkte ontwerpregels aan, maar voor hybride systemen (dit is de combinatie van verschillende deelsystemen van verschillend type of het gebruik van interne pompen in gravitaire riolen) moet men teruggrijpen naar de oorspronkelijke hydraulische basisprincipes. Ondoordachte extrapolatie kan verstrekkende gevolgen hebben, omdat de dimensionering van DWAsystemen volgens voorliggende ‘Code van goede praktijk’ weinig veiligheidsmarge heeft.

Tenslotte dient men zich bij het aanleggen van DWA-riolen nog steeds af te vragen wat er met de regenwaterafvoer dient te gebeuren. Het volstaat niet om regenwater uit het riool te houden of te halen en te denken dat dit water wel zijn weg zal vinden. Indien men niet systematisch nagaat waar het regenwater naar toe kan bij hevige neerslag, dreigt een vergroting van de overstromingsrisico’s in bewoonde gebieden.


180

Bij de afvoer van afvalwater door leidingen kan gekozen worden tussen twee grote groepen van systemen : gravitaire systemen en drukrioolsystemen

Recommend Documents