ΔΙΑΘΕΣΗ ΕΚΡΟΩΝ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ

5 ΔΙΑΘΕΣΗ ΕΚΡΟΩΝ ΥΓΡΩΝ ΑΠΟΒΛΗΤΩΝ Ν.Ε.Κωτσοβίνος και Π.Β.Αγγελίδης Πολυτεχνική Σχολή, Δημοκρίτειο Πανεπιστήμιο Θράκης, 67100 Ξάνθη 5.1. Εισαγωγή Ένα σημαντικό αντικείμενο της διαχείρισης των αστικών υγρών αποβλήτων αποτελεί η διάθεση των εκροών τους, δηλαδή των επεξεργασμένων υγρών αποβλήτων. Υπάρχουν δύο κύριες δυνατότητες διάθεσης των υγρών αποβλήτων: (α) Η πρώτη δυνατότητα είναι η διάθεση των υγρών αποβλήτων στο έδαφος σε συνδυασμό με την επαναχρησιμοποίηση για άρδευση ή εμπλουτισμό των υπόγειων υδροφορέων και λοιπών σχετικών δράσεων. (β) Η δεύτερη δυνατότητα είναι η διάθεση των εκροών σε υδατικό αποδέκτη που γειτνιάζει με την εγκατάσταση καθαρισμού υγρών αποβλήτων (λίμνη, ποτάμι και θάλασσα). Η διάθεση των επεξεργασμένων υγρών αποβλήτων στο έδαφος έχει εξελιχθεί σε μία σύγχρονη οικολογική αντίληψη για τη διαχείριση των επεξεργασμένων αποβλήτων και παρουσιάζεται τόσο τεχνολογικά όσο και νομοθετικά σε άλλα Κεφάλαια του παρόντος Εγχειριδίου. Για το σκοπό αυτό εδώ θα πραγματευθούμε κυρίως την διάθεση των εκροών αποβλήτων σε υδατικούς αποδέκτες. Πολλές παραθαλάσσιες πόλεις, οικισμοί και ξενοδοχειακές μονάδες διοχετεύουν τις εκροές των αποβλήτων τους σε υδατικούς αποδέκτες μέσα από υποβρύχιους αγωγούς σε συνδυασμό με διαχυτήρες. Τα υγρά απόβλητα είναι

επεξεργασμένες εκροές από δεξαμενές δευτεροβάθμιας καθίζησης με σύγχρονη νιτροποίηση-απονιτροποίηση. Η αποφωσφώρηση πρέπει να διενεργείται σε θαλάσσιες περιοχές, όπου η διερεύνηση της ανανέωσης των νερών του αποδέκτη καταδεικνύει την πιθανότητα ανάπτυξης συνθηκών ευτροφισμού. Αποφωσφώρηση είναι περιττή για διάθεση σε ανοικτή θάλασσα με ικανοποιητικά ρεύματα, όπως είναι η θάλασσα του Αιγαίου, που θεωρείται ολιγοτροφική. Τα οικιακά υγρά απόβλητα και τα βιομηχανικά απόβλητα είναι συνήθως ελαφρύτερα του θαλασσινού νερού (πυκνότητα περίπου 1.025 gr/cm³), γιατί βασικά η πυκνότητά τους είναι περίπου η πυκνότητα του φυσικού γλυκού νερού (πυκνότητα περίπου 1.0 gr/cm³). Κατά συνέπεια, τα υγρά απόβλητα υφίστανται άνωση εξαιτίας της διαφοράς πυκνότητας από το θαλασσινό περιβάλλον τους και ανέρχονται προς την επιφάνεια της θάλασσας, στην οποία διασπείρονται και φθάνουν στην ακτή, την οποία και μπορούν να ρυπάνουν. Φυσικά η συγκέντρωση των ρυπαντών ή των μικροβίων (αριθμός των μικροβίων ανά cm³), που στην έξοδο του αποχετευτικού αγωγού είναι πολύ μεγάλη, μειώνεται καθώς απομακρυνόμαστε από το σημείο εκροής, γιατί τα υγρά απόβλητα αναμειγνύονται με το "καθαρό" θαλασσινό νερό. Από την εισαγωγή αυτή φαίνεται, ότι ο σχεδιασμός σύγχρονων έργων διάθεσης επεξεργασμένων υγρών αποβλήτων διαχωρίζεται σε δύο μεγάλες κατηγορίες προβλημάτων: (α) στο αρχικό πεδίο εκροής, που είναι περιοχή δυναμικής μείξης των υγρών αποβλήτων σε περιβάλλον στρωματισμένο ή αστρωμάτιστο, και όπου δημιουργούνται ροές ανωστικών φλεβών (buoyant jets) και (β) στην οριζόντια διασπορά και παθητική διάχυση και μεταφορά των υγρών αποβλήτων εξαιτίας θαλάσσιων ρευμάτων ή της τύρβης της θάλασσας. Η εξάπλωση αυτή λαμβάνει χώρα είτε στην επιφάνεια της θάλασσας είτε (αν υπάρχει αρκετή "στρωμάτωση") εντός αυτής (βυθισμένη οριζόντια εξάπλωση). Οι εκροές από τα επεξεργασμένα αστικά υγρά απόβλητα μεταφέρουν ένα ευρύ φάσμα ρυπαντών και μικροβίων και οφείλουν, όταν διατίθενται σε υδατικό αποδέκτη, να διατίθενται διαμέσου ενός υποβρύχιου αγωγού κατάλληλου μήκους, που θα καταλήγει σε διαχυτήρα πολλαπλών οπών σε κατάλληλο βάθος. Μια ταχεία αραίωση των εκροών είναι πολύ σημαντική για να επιτευχθούν χαμηλές συγκεντρώσεις στο περιβάλλον, οπότε να μπορεί να εξασφαλισθεί ο αυτοκαθαρισμός του υδατικού αποδέκτη. Οι τυρβώδεις ανωστικές φλέβες (ή τυρβώδη ανωστικά πλούμια) αποτελούν τον απλούστερο και αποτελεσματικότερο φυσικό μηχανισμό για να επιτευχθεί ικανοποιητική αρχική αραίωση. Η διάθεση των εκροών σε υδατικό αποδέκτη παρουσιάζεται στις Εικόνες 5.1 και 5.2, όπου η πυκνότητα του αποδέκτη είναι παντού η ίδια (ομοιόμορφη), οπότε τα επεξεργασμένα υγρά απόβλητα ως ελαφρότερα ανέρχονται στην ελεύθερη επιφάνεια

της θάλασσας, και εξαπλώνονται πάνω σε αυτή. Η περίπτωση διάθεσης των εκροών σε υδατικό αποδέκτη, όπου η πυκνότητα του αποδέκτη αυξάνει με το βάθος (στρωματισμένος αποδέκτης), οπότε τα επεξεργασμένα υγρά απόβλητα ως ελαφρότερα ανέρχονται, αναμειγνύονται με νερά μεγαλύτερης πυκνότητας κοντά στον πυθμένα, στη συνέχεια σε κάποιο βάθος αποκτούν πυκνότητα ίση με την πυκνότητα περιβάλλοντος στο βάθος αυτό παρουσιάζεται στις Εικόνες 5.3 και 5.4. Έτσι, αναστέλλεται η ανοδική ροή και ενισχύεται η οριζόντια ροή στον θαλάσσιο αποδέκτη (Εικόνα 5.5). Η μελέτη τέτοιων έργων θα πρέπει να απαντά: (α) Πόσο μακριά από την ακτή πρέπει να γίνεται η διάθεση των υγρών αποβλήτων στη θάλασσα, ώστε οι ακτές να μη ρυπαίνονται και να μπορούν να χρησιμοποιηθούν για κολύμβηση; (β) Ποια η κατάλληλη διάμετρος του υποβρύχιου αγωγού και από τι υλικό; Πόλη Εγκατάσταση καθαρισμού των λυμάτων Υποβρύχιος αγωγός Θάλασσα Υγρά λύματα Εικόνα 5.1. Σχηματική παρουσίαση της διάθεσης υγρών αποβλήτων μέσω υποβρύχιου αγωγού σε υδατικό αποδέκτη ομοιόμορφης πυκνότητας. (γ) (δ) (ε) (ζ) Τι μήκος και τι διαμέτρους πρέπει να έχει ο διαχυτήρας, πόσες οπές και ποίας διαμέτρου; Πως υπολογίζομε την αραίωση των υγρών αποβλήτων, που εξέρχονται των οπών του διαχυτήρα για αστρωμάτιστη και στρωματισμένη θάλασσα, με ρεύματα και χωρίς ρεύματα; Σε ποιο βάθος πρέπει να γίνει η διάθεση των υγρών αποβλήτων; Ποιος είναι ο αναγκαίος βαθμός καθαρισμού των υγρών αποβλήτων πριν τη διάθεσή τους στη θάλασσα;

(η) Σε περίπτωση στρωματισμένου αποδέκτη, σε ποιο βάθος παγιδεύονται τα υγρά απόβλητα; Εικόνα 5.2. Σκαρίφημα της δημιουργούμενης ανωστικής φλέβας από εκροή από μια οπή σε αστρωμάτιστο υδατικό αποδέκτη. Η μελέτη της ρευστομηχανικής της μείξης εκροής με το περιβάλλον ως συνάρτηση των αρχικών χαρακτηριστικών της εκροής (ταχύτητα, διαφορά πυκνότητας από το περιβάλλον και ορμή) και των χαρακτηριστικών του αποδέκτη (στρωμάτωση, ρεύματα), είναι ένα σημαντικό επιστημονικό αντικείμενο για την κατανόηση των μηχανισμών αραίωσης (Κωτσοβίνος και Αγγελίδης, 2003). Στο παρόν εγχειρίδιο έμφαση δίνεται στην παρουσίαση των σχετικών εξισώσεων, που χρησιμοποιούνται από τον μελετητή υδραυλικό μηχανικό.

Φρεάτιο φόρτισης Αγωγός Παθητική διάχυση Οριζόντια εξάπλωση Δυναμική μίξη Ανωστική φλέβα Εικόνα 5.3. Σχηματική παρουσίαση της διάθεσης υγρών αποβλήτων μέσω υποβρύχιου αγωγού σε υδατικό αποδέκτη στρωματισμένης πυκνότητας. Παρουσιάζεται σχηματικά η βυθισμένη παγίδευση των εκροών, η βυθισμένη οριζόντια εξάπλωση και παθητική διάχυση των υγρών αποβλήτων. Εικόνα 5.4. Σκαρίφημα της δημιουργούμενης ανωστικής φλέβας από εκροή από μια οπή σε στρωματισμένο υδατικό περιβάλλον.

Εικόνα 5.5. Φωτογραφία εργαστηριακής προσομοίωσης της εκροής υγρών αποβλήτων σε στρωματισμένο υδατικό αποδέκτη. 5.2.Ποιοτικά Χαρακτηριστικά Εκροών για Διάθεση σε Υδατικό Αποδέκτη Ο καθαρισμός των υγρών αποβλήτων πριν από τη διάθεσή τους στον υδατικό αποδέκτη είναι προφανώς επιθυμητός, ο βαθμός όμως της επεξεργασίας εξαρτάται από τα χαρακτηριστικά του αποδέκτη. Καταρχάς η διάθεση υγρών αποβλήτων σε ξεροχείμαρους ή ποταμούς οφείλει να γίνεται οπωσδήποτε μετά από δευτεροβάθμια επεξεργασία των αποβλήτων. Η σύγχρονη αντίληψη για τη διάθεση των εκροών σε θαλάσσια περιοχή (που είναι και συνήθης στον Ελληνικό χώρο εξαιτίας του εκτεταμένου μήκους των ακτών, παραθαλάσσιων πόλεων, οικισμών, παραθεριστικών συγκροτημάτων και ξενοδοχειακών μονάδων) είναι ότι είναι απαραίτητη η δευτεροβάθμια επεξεργασία. Σημειώνεται, ότι ο αρχικός σχεδιασμός, κατασκευή και λειτουργία για αρκετά χρόνια των έργων διάθεσης των υγρών αποβλήτων της Αθήνας (έργα Ψυτάλλειας) περιοριζόταν σε έργα μόνο πρωτοβάθμιας επεξεργασίας, και διάθεσης στον Σαρωνικό δια μέσου υποβρύχιου αγωγού-διαχυτήρα. Η δευτεροβάθμια επεξεργασία υιοθετήθηκε μετά από τις εισηγήσεις και πιέσεις διαφόρων φορέων. Τα ποιοτικά χαρακτηριστικά των εκροών, που διατίθενται σε μια θαλάσσια περιοχή μέσα από υποβρύχιο αγωγό διαχυτήρα, οφείλουν να προσδιορίζονται στη μελέτη περιβαλλοντικών επιπτώσεων (ΜΠΕ), τα οποία όταν υιοθετηθούν από το αρμόδιο ελεγκτικό όργανο, δεσμεύουν τον φορέα της εγκατάστασης καθαρισμού υγρών αποβλήτων. Ο μελετητής που θα συντάξει την ΜΠΕ οφείλει να λάβει υπόψη τα χαρακτηριστικά της θαλάσσιας περιοχής, δηλαδή αν είναι κλειστή λεκάνη, αν

υπάρχει τάση ευτροφισμού, αν υπάρχει ικανοποιητική ανανέωση των νερών της θαλάσσιας περιοχής με τα νερά της ανοικτής θάλασσας, αν γίνεται τουριστική χρήση των γειτονικών ακτών για κολύμβηση, αν υπάρχουν καλλιέργειες οστράκων, αν η περιοχή είναι προστατευόμενη από διεθνείς συνθήκες (όπως Ramsar και Natura). Από υγειονομικής πλευράς, δεν προδιαγράφονται τιμές στην είσοδο του υποθαλάσσιου αγωγού. Επί πλέον δεν υπάρχουν σχετικές απαγορευτικές οδηγίες σχετικά με το θέμα αυτό. Συνεπώς ο αναγκαίος βαθμός απολύμανσης των επεξεργασμένων υγρών αποβλήτων στην εγκατάσταση καθαρισμού υγρών αποβλήτων εξαρτάται αποκλειστικά από το αν ικανοποιούνται οι Ελληνικοί υγειονομικοί κανονισμοί στη θαλάσσια περιοχή. Στην Ελλάδα και διεθνώς δεν υπάρχουν κανονισμοί που να επιβάλλουν ανώτατο όριο στην εκροή του αγωγού στην θάλασσα στους διάφορους δείκτες. Πλήθος ερευνητών συμφωνούν για τις επικίνδυνες, καρκινογόνες και βιοσυσσωρεύσιμες οργανοχλωριομένες ενώσεις, που δημιουργούνται με την χλωρίωση. Γι αυτό η χλωρίωση δεν πρέπει να θεωρείται ως «ανώδυνη» προστασία για το περιβάλλον, αλλά απεναντίας ως απειλή που δημιουργεί παθήσεις πολύ επικίνδυνες (καρκίνους) στον ευρύτερο πληθυσμό, που καταναλώνει ψάρια. Ως παράδειγμα, αναφέρεται η ΔΕΥΑ Καβάλας (Κωτσοβίνος, 1988) στις δύο εγκαταστάσεις της (Άσπρη Άμμο και Παλιό), διαθέτει τις εκροές της με δύο υποβρύχιους αγωγούς μήκους 900 m χωρίς χλωρίωση. Οι μετρήσεις όλων των μικροβιακών δεικτών κοντά στις ακτές δείχνουν απόλυτη συμμόρφωση με τα επιτρεπόμενα όρια. Αυτό επιτυγχάνεται με την ικανοποιητική αραίωση με διαχυτήρα και με τις συνθήκες στρωμάτωσης που επικρατούν στην περιοχή. Γι αυτό είναι η προοδευτική κατάργηση της χλωρίωσης με μερική απολύμανση με όζον ή με υπεροξείδιο του υδρογόνου, ή με UV (ultraviolet) θα πρέπει να λαμβάνεται σοβαρά υπόψη. Επίσης, σε όσες περιπτώσεις διάθεσης στην θάλασσα εκροών που έχουν υποστεί χλωρίωση, θα πρέπει να υπάρχει εγκατάσταση αποχλωρίωσης, πριν τη διάθεση των εκροών. 5.3.Κανονισμοί για την Υγιεινή του Θαλασσίου Νερού Αναψυχής Η διάθεση των εκροών πρέπει να διασφαλίζει την υγιεινή του θαλάσσιου νερού. Ο μελετητής οφείλει να αποδείξει υπολογιστικά, ότι θα ικανοποιούνται οι υφιστάμενοι κανονισμοί. Για τουριστικές περιοχές το ζητούμενο είναι να εξασφαλισθεί, ότι τους καλοκαιρινούς μήνες η εκροή δεν θα επιβαρύνει τις ακτές της θαλάσσιας περιοχής με μικρόβια και βακτηρίδια, και συνεπώς δεν θα αποτελεί κίνδυνο για την υγεία των λουομένων. Πλήθος εργασιών έχει δημοσιευθεί για την έρευνα των τιμών εκείνων των παραμέτρων, που θα καθορίζουν αν μια θαλάσσια περιοχή είναι κατάλληλη για

κολύμβηση. Οι δείκτες (μετρήσεις) αυτοί αναφέρονται στη μέτρηση στα νερά με τα οποία έρχεται σε επαφή ο λουόμενος. Όπως φαίνεται από τους Πίνακες 5.1, 5.2 και 5.3, υπάρχει πληθώρα οδηγιών διεθνώς για τις αποδεκτές τιμές των δεικτών, για την ενδεχόμενη επικινδυνότητα, και την υφιστάμενη διεθνώς μεγάλη απόκλιση στις παραδεκτές τιμές και στην αποδεκτή παράμετρο. Υπάρχουν συγγραφείς που υποστηρίζουν, ότι οι κανονισμοί και οι οδηγίες πρέπει να στηρίζονται αποκλειστικά στις μετρήσεις των κοπρωδών στρεπτόκοκκων, άλλοι ερευνητές υποστηρίζουν να λαμβάνονται υπόψη τα κοπρώδη κολοβακτηρίδια, ενώ άλλοι, οι περισσότεροι, δέχονται την κλασσική μέτρηση των κολοβακτηριοειδών (ολικών κολοβακτηριδίων) ως αξιόπιστο δείκτη της ενδεχόμενης μόλυνσης των νερών με ανθρώπινα περιττώματα. Έτσι, σύμφωνα με τους κανονισμούς αυτούς, τα δείγματα του θαλασσινού νερού θα πρέπει να λαμβάνονται περιοδικά από τμήμα των ακτών που χρησιμοποιούνται για κολύμβηση. Οι μετρήσεις κατά τη διάρκεια της ημέρας ανταποκρίνονται καλύτερα στη χρήση των νερών αναψυχής. Αναλυτικότερα, ο Πίνακας 5.1 μας δείχνει τα όρια για τους μικροοργανισμούς, όπως έχουν τεθεί από διάφορες αρχές παγκοσμίως, ο Πίνακας 5.2 μας δίνει τα όρια που δίνει η Ελληνική νομοθεσία, ενώ τα όρια της ΕΕ δίνονται από τον Πίνακα 5.3. Σύμφωνα με την ΚΥΑ 46399/4352/86 (ΦΕΚ 438Β/3-7-86), η οποία εξεδόθη σε συμμόρφωση με τις οδηγίες του Συμβουλίου των Ευρωπαϊκών Κοινοτήτων 75/440/EEC, 76/160/EEC, 78/659/EEC, 79/923/EEC και 79/869/EEC, το επιθυμητό όριο του συνόλου των κολαβακτηριοειδών /100 cm³ είναι 500, ενώ το ανώτατο όριο είναι 10.000. Πίνακας 5.1. Διεθνή κριτήρια για τα νερά κολύμβησης Διεθνή Κριτήρια Συνολικά Έντερο Κοπρώδη Κοπρώδης Υπόλοιπα Νερών Κολοβακτηρίδια Κολοβακτηρίδια Κολοβακτηρίδια Στρεπτόκοκκος Παθογενή Κολύμβησης (/100 cm³) (/100 cm³) (/100 cm³) (/100 cm³) Μικρόβια WHO Οδηγία 1.000 - - - - 1977 EC Οδηγία 1976 Οδηγία 1981 500 10.000-100 1 Σαλμονέλα, Εντεροϊός Γαλλία Κριτήρια 1969 Π. Καλά Καλά Μέτρια <50 50 500 500 5.000 <20 20 200 200 2.000 - - - - - - - - - Βραζιλία 1976 80%<5.000-90%<1.000 - - Κούβα 1986 1.000-200, 90%<400 - - ΗΠΑ 1978 - - 90%<400 - -

1986 - - 200 35 Ιαπωνία 1981 1.000 - - - - ΕΣΣΔ 1977 100 - - - - Καλιφόρνια, 1943 1.000 - - - - Πίνακας 5.2. Κατηγορία νερών κολύμβησης. Ελληνικά κριτήρια-υγειονομική διάταξη ΕΙ/221/1965 Κατηγορία νερών κολύμβησης Μέσος όρος κολλοβακτηριοειδών σε 100 cm³, κατά την διάρκεια της κολυμβητικής περιόδου Α κατάλληλα 0 50 Β παραδεκτά με επιφύλαξη 51 500 Γ ύποπτα μη συνιστώμενα 501 1000 Δ ακατάλληλα Πάνω από 1000

Πίνακας 5.3. Κριτήρια Ευρωπαϊκής Ένωσης για τα επιτρεπτά όρια νερών κολύμβησης Οργανισμοί Κολοβακτηριοειδή (100 cm³) Επιθυμητό αριθμητικό όριο Επιθυμητό εκατοστιαίο ποσοστό δειγμάτων κάτω του ορίου Ανώτερο επιτρεπτό αριθμητικό όριο 500 80 10.000 95 Κολοβακτηρίδια 100 80 2.000 95 (100 cm³) Εντερόκοκκοι (100 cm³) 100 90 - - Σαλμονέλα (100 cm³) 0 0 0 0 Ανώτερο επιτρεπτό εκατοστιαίο ποσοστό δειγμάτων του ορίου κάτω 5.4.Τεχνικά Στοιχεία για την Επιλογή και Σχεδιασμό των Υποβρύχιων Αγωγών και Διαχυτήρων Διάθεσης Υγρών Αποβλήτων στη Θάλασσα Τα κύρια τεχνικά χαρακτηριστικά των υποβρύχιων αγωγών είναι το φρεάτιο φόρτισης, το μήκος, η διάμετρος, ο διαχυτήρας και το υλικό κατασκευής. 5.4.1. Φρεάτιο φόρτισης-κεφαλή και μήκος υποβρυχίου αγωγού Η μεταφορά των υγρών αποβλήτων από το φρεάτιο εξόδου (ή δεξαμενή αναρύθμισης) των εγκαταστάσεων καθαρισμού υγρών αποβλήτων στον υδατικό αποδέκτη με τη βοήθεια ενός υποβρύχιου αγωγού αποτελεί βασικό αντικείμενο μελέτης ενός έργου διάθεσης εκροών υγρών αποβλήτων. Κατ αρχήν, ο σχεδιασμός του φρεατίου φόρτισης στην κεφαλή του αγωγού πρέπει να διασφαλίζει: (α) το μηδενισμό της ενέργειας του αγωγού προσαγωγής και την ομαλή ροή προς τον υποβρύχιο αγωγό, (β) την αποτροπή εισαγωγής αέρα στον αγωγό και (γ) ικανό φορτίο αυτοκαθαρισμού. Για το μηδενισμό της ενέργειας των υγρών αποβλήτων από τον αγωγό προσαγωγής χρησιμοποιείται στον πυθμένα του φρεατίου, όπου προσκρούει η ροή, μαντεμένια πλάκα πάχους 3 cm για την προστασία του σκυροδέματος. Στη σύνδεση του φρεατίου με τον αγωγό τοποθετείται τμήμα από χάλυβα τουλάχιστον 1.5 m, για καλύτερη πρόσφυση στο σκυρόδεμα του φρεατίου.

Το μήκος του υποθαλάσσιου αγωγού είναι συνάρτηση της παροχής εκροής, του βαθμού επεξεργασίας των υγρών αποβλήτων, της βυθομετρίας της θαλάσσιας περιοχής, της επιτυγχανόμενης αραίωσης από τον διαχυτή, και της εκτίμησης της ανανέωσης των νερών του αποδέκτη. Δεν υπάρχουν συγκεκριμένοι κανονισμοί για την επιλογή του μήκους του υποβρύχιου αγωγού. Για μεγάλες πόλεις, ο υποβρύχιος αγωγός έχει μεγάλο μήκος (ως παράδειγμα αναφέρεται ότι ο υποβρύχιος αγωγός της πόλης του Los Angeles έχει μήκος περίπου 6.7 km, ο υποβρύχιος αγωγός της πόλης της Αθήνας έχει μήκος 4 km, από την Ψυτάλλεια προς τον Σαρωνικό και ο υποβρύχιος αγωγός της πόλη της Καβάλας που είναι 900 m. Το μήκος του υποβρύχιου αγωγού, ακόμη και για τις μικρές παραθαλάσσιες πόλεις, κοινότητες ή ξενοδοχειακές εγκαταστάσεις δεν πρέπει να είναι μικρότερο από 600 m, με βέλτιστη τιμή της τάξεως των 750 έως 1200 m από την ακτή και βάθος εκροής τουλάχιστον 20 m. Τα μήκη αυτά είναι αναγκαία για επίτευξη ικανοποιητικής αραίωσης στην ακτή με τους μηχανισμούς της δυναμικής μείξης στην «κοντινή περιοχή», και της οριζόντιας εξάπλωσης και της παθητικής διάχυσης στη «μακρινή περιοχή». Ο ρυπαντής που κυρίως θεωρείται, είναι ο αριθμός κολοβακτηριοειδών των αστικών υγρών αποβλήτων, που θα πρέπει με βάση την ισχύουσα Οδηγία να βρίσκεται κάτω από συγκεκριμένη τιμή στην ακτή, που χρησιμοποιείται για κολύμβηση. Το ικανοποιητικό βάθος διάθεσης είναι απαραίτητο για την προστασία του διαχυτήρα από το στερεοφορτίο κοντά στον πυθμένα, που συνοδεύει μια μεγάλη θαλασσοταραχή. Επί πλέον η απόσταση και το βάθος αυτό είναι αναγκαία για τη μακροπρόθεσμη προστασία των ακτών από την ιλύ, που αργά αλλά σταθερά εναποτίθεται πλησίον των διαχυτήρων. Πράγματι τα επεξεργασμένα υγρά απόβλητα εξακολουθούν να έχουν ένα (μικρό) φορτίο αιωρούμενων στερεών, συχνά σε μορφή κολλοειδή, τα οποία με την έξοδό τους στο θαλασσινό περιβάλλον και τη δημιουργούμενη τύρβη της ανωστικής ροής του πλουμίου συσσωματώνονται, αποκτούν μεγαλύτερη διάμετρο και καθιζάνουν στην περιοχή γύρω από τον διαχυτήρα. 5.4.2. Διάμετρος αγωγού Η επιλογή της διαμέτρου του υποβρύχιου αγωγού οφείλει να γίνεται (όπου είναι δυνατόν) με τρόπο, που το διαθέσιμο πιεζομετρικό ύψος του φρεατίου αναρύθμισης να επαρκεί για την υδραυλική λειτουργία του συστήματος υποβρύχιου αγωγούδιαχυτή, χωρίς πρόσθετες δαπάνες εγκατάστασης αντλιοστασίου για το έτος-στόχο, που οφείλει να είναι η 40ετία. Παροχή σχεδιασμού οφείλει να είναι η μέγιστη ωριαία παροχή της 40ετίας. Για τον υπολογισμό των γραμμικών απωλειών μέσα στον

υποβρύχιο αγωγό ο συντελεστής τριβής f μπορεί να υπολογιστεί από τον ρητό τύπο του Chen (1979), που δίνεται στην Εξ. 5.1: 1 f k 5,0452 2log D 10 log 10 A4 3,7065 Re k 1,1098 0, 8981 7,149 όπου D 4 2,8257 Re k=ύψος τραχύτητας, D=διάμετρος του αγωγού, Re =ο αριθμός Reynolds = V D n 5.1 5.4.3. Ταχύτητα στον υποβρύχιο αγωγό-διαχυτήρα Η ταχύτητα μέσα στον διαχυτή πρέπει να είναι αρκετά μεγάλη για να εμποδίσει την εναπόθεση των αιωρούμενων φερτών της ιλύος και των λιπών. Επισημαίνεται, ότι για αγωγούς που μεταφέρουν ανεπεξέργαστα υγρά απόβλητα η ελάχιστη αποδεκτή ταχύτητα είναι 60 cm/s, για την αποφυγή καθίζησης των φερτών ιλών. Δεδομένου όμως, ότι τα υγρά απόβλητα θα υποβληθούν σε δευτεροβάθμια επεξεργασία και συνεπώς θα είναι απαλλαγμένα από άμμο και από ευκόλως καθιζάνοντα στερεά σωματίδια, η ελάχιστη αποδεκτή ταχύτητα μπορεί να είναι πολύ μικρότερη, καθώς τα στερεά σωματίδια με πυκνότητα 2.6 gr/cm³ δεν μπορούν να εισέλθουν στον υποβρύχιο αγωγό, γιατί θα έχουν ήδη συγκρατηθεί στον εξαμμωτήρα και στη δευτεροβάθμια δεξαμενή καθίζησης. Μια μέθοδος υπολογισμού της ταχύτητας U της έναρξης μετακίνησης σωματιδίων διαμέτρου d και πυκνότητας ρ s, δίνεται από την Εξ. 5.2 (Bagnold, 1966): w - > = 5.2 f 1.25 8 0.5 U 2.26 f w όπου w η ταχύτητα καθίζησης του σωματιδίου και f ο συντελεστής τριβής. Για συντελεστή τριβής f=0.01 βρίσκομε U > 22.6 w 5.3

Τα αιωρούμενα σωματίδια που εκρέουν από την δευτεροβάθμια δεξαμενή καθίζησης (SS) έχουν πυκνότητα πολύ κοντά στην πυκνότητα του νερού, μικρότερη από 1.05 gr/cm³ και διαμέτρους μικρότερες από 0.1 mm. Τα σωματίδια αυτά των επεξεργασμένων υγρών αποβλήτων, που ενδεχομένως να εισέλθουν στον υποβρύχιο αγωγό, δεν καθιζάνουν αλλά παρασύρονται εύκολα με ταχύτητα 10 cm/sec. Όμως, πάντοτε υφίσταται ο κίνδυνος εισόδου στερεών και διαφόρων θαλάσσιων οργανισμών (όπως είναι τα μύδια) από τη θάλασσα στον υποβρύχιο αγωγό μέσα από τους διαχυτήρες κάτω από κατάλληλες συνθήκες, όπως είναι οι παροχές πολύ χαμηλές τις βραδινές ώρες, άμμος σε αιώρηση λόγω θαλασσοταραχής και άλλα. Για να δοθεί δυνατότητα έκπλυσης του υποβρύχιου αγωγού διαχυτήρα, το άκρον του διαχυτήρα έχει μια κατεύθυνση προς την ελεύθερη επιφάνεια και σφραγίζονται με κατάλληλο κάλυμμα και ανοξείδωτες βίδες. Ο καθαρισμός από τις διάφορες εναποθέσεις μπορεί να γίνει με τη ροή αυξημένων παροχών δια μέσου του διαχυτή με το άκρο (κάλυμμα) ανοικτό. Ακόμη και σε περιπτώσεις ορθά σχεδιασμένων διαχυτών, απαιτείται καθαρισμός μετά από λειτουργία μερικών ετών. Το χρονικό διάστημα καθαρισμού εξαρτάται από το επίπεδο επεξεργασίας των υγρών αποβλήτων προ της διοχέτευσής τους στη θάλασσα. Αν υπάρχουν εγκαταστάσεις δεξαμενών καθίζησης, λιποσυλλεκτών και δευτεροβάθμιας επεξεργασίας, τότε το χρονικό διάστημα για τον καθαρισμό του διαχυτή μειώνεται στο ελάχιστο. 5.4.4. Υλικό κατασκευής υποβρύχιου αγωγού Τα συνήθη υλικά που χρησιμοποιούνται για τους υποβρύχιους αγωγούς είναι: (α) το υψηλής πυκνότητας πολυαιθυλένιο (ΗDPE), (β) χάλυβας, (γ) σκυρόδεμα, (δ) πλαστικό με ενίσχυση ινών υάλου. Ο υποβρύχιος αγωγός (διαμέτρου έως και 1 m κατάλληλος για τις περισσότερες περιπτώσεις στον Ελληνικό χώρο) σκόπιμο είναι να επιλέγεται από πολυαιθυλένιο HDPE, 10 atm. Το μεγάλο πλεονέκτημα που προσφέρει το HDPE είναι, ότι με τις κατάλληλες συγκολλήσεις μπορεί να σχηματίσει ένα συνεχόμενο αγωγό. Η ικανότητα αυτή επιτρέπει τη χρησιμοποίηση μεθόδων πόντισης, όπως είναι η ρυμούλκηση (tow out) και η φορτηγίδα (lay barge) για αγωγούς διάθεσης εκροών (Εικόνα 5.6).

Εικόνα 5.6. Υποθαλάσσιος αγωγός από HDPE (PIPELIFE) στο Santander Sea, (Santander Sea Outfall) στην Ισπανία. Έτος κατασκευής 1999. Διάμετρος σωλήνα 1400 mm, μήκος υποθαλάσσιου αγωγού 2690 m. To HDPE (υψηλής πυκνότητας, 0.945 0.965 gr/cm³) έχει ευλυγισία, υψηλή αρχική αντοχή σε μηχανική καταπόνηση και υψηλή αντοχή σε χημική διάβρωση. Τα κυριότερα πλεονεκτήματα ενός σωλήνα πολυαιθυλενίου είναι η υψηλή αντίσταση στη διάβρωση και η ευλυγισία. Το ΗDΡΕ δεν σκουριάζει, δεν διαβρώνεται (και αποφεύγεται η δημιουργία οπών στα τοιχώματά του), και δεν χάνει το πάχος του τοιχώματός του από την επίδραση χημικών ή ηλεκτρικών αντιδράσεων, όταν βυθίζεται σε θαλασσινό νερό ή αστικά υγρά απόβλητα. Το HDΡΕ δεν υποστηρίζει, ούτε και επηρεάζεται από την ανάπτυξη οργανισμών πάνω του. Είναι όμως πιθανό να προσκολληθεί στα τοιχώματά του θαλάσσια χλωρίδα πανίδα παρά την λεία επιφάνεια του. Η επιλογή υποβρύχιου αγωγού αντοχής των 10 atm γίνεται για πρόσθετη ασφάλεια των αγωγών σε μηχανικές καταπονήσεις και όχι για αντοχή τους σε τέτοιες πιέσεις (Εικόνες 5.7 και 5.8). Γενικά, ο υποβρύχιος αγωγός και ο διαχυτήρας διαστασιολογούνται υδραυλικά για τη μέση σημερινή ωριαία παροχή, τη σημερινή μέγιστη ωριαία και τη προβλεπόμενη μέγιστη ωριαία του έτους.

Εικόνα 5.7. Ο υποθαλάσσιος αγωγός από HDPE (μήκος 900 m, διάμετρος 60 cm) της Καβάλας στο στάδιο πόντισης. Εικόνα 5.8. Υποθαλάσσιος αγωγός από HDPE (PIPELIFE) στο Fylde Sea της Αγγλίας (U.K.). Έτος κατασκευής 1995. Διάμετρος σωλήνα 1400 mm, μήκος υποθαλάσσιου αγωγού 5200 m και μήκος διαχυτήρα 1100 m. 5.5.Τεχνικά Στοιχεία Σχεδιασμού Διαχυτήρων Διάθεσης Εκροών Αποβλήτων στη Θάλασσα Η διάθεση αποβλήτων στη θάλασσα δια μέσου ενός υποβρυχίου αγωγού μπορεί να γίνει είτε απευθείας από το ελεύθερο άκρο του υποβρυχίου αγωγού, είτε από πολλές μικρές οπές στο τελευταίο τμήμα του υποβρυχίου αγωγού, αφού προηγουμένως σφραγιστεί το ελεύθερο άκρο. Το τελευταίο αυτό τμήμα του υποβρυχίου αγωγού με τις κατάλληλες οπές το ονομάζουμε διαχυτή (ή διαχυτήρα). Είναι προφανές, ότι με την εγκατάσταση ενός διαχυτή αυξάνει σημαντικά η αραίωση των υγρών αποβλήτων. Ο ορθός σχεδιασμός του διαχυτή με σκοπό τη μεγιστοποίηση της αραίωσης των υγρών αποβλήτων με το ελάχιστο οικονομικό κόστος (μήκος του διαχυτή και βάθος εκροής) είναι ένα εξειδικευμένο υδραυλικό πρόβλημα. Ο σχεδιασμός του διαχυτή πρέπει να ικανοποιεί τις εξής απαιτήσεις: Η εκροή από τις οπές του διαχυτή οφείλει να είναι κατά το δυνατόν ομοιόμορφη, για κάθε πιθανή διακύμανση της συνολικής παροχής των υγρών αποβλήτων. Όλες οι οπές πρέπει να έχουν συνεχή ροή για να εμποδίζουν την αντίστροφη είσοδο της θάλασσας εντός του διαχυτή. Όταν παρατηρείται ροή θαλασσινού νερού μέσα στο διαχυτή, τότε (ως βαρύτερο που είναι) εξαπλώνεται σε μια πρακτικά ακίνητη στρώση του διαχυτή και διευκολύνει την εναπόθεση φερτών

ιλών εντός αυτού. Αυτό μειώνει την υδραυλική δυνατότητα του διαχυτή κυρίως υπό μεγαλύτερες παροχές. Όταν το διαθέσιμο υψομετρικό φορτίο για την παροχέτευση των υγρών αποβλήτων στη θάλασσα δια μέσου του διαχυτή είναι μεγαλύτερο και το αναγκαίο ύψος πίεσης στην αρχή του υποθαλάσσιου αγωγού εξασφαλίζεται με εγκατάσταση αντλιοστασίου, αυτό πρέπει να λαμβάνεται υπόψη στην τεχνικοοικονομική μελέτη επιλογής διαμέτρου του διαχυτή. Οι οπές εκροής μπορεί να έχουν διάφορες μορφές. Η απλούστερη είναι να ανοιχθούν κυκλικές οπές στον διαχυτή, χωρίς σωλήνες προέκτασης ή άλλες ειδικές κατασκευές για την διαμόρφωση στομίων. Ο τρόπος αυτός είναι εφαρμόσιμος για μεγάλης διαμέτρου διαχυτές (όπως αυτές άνω των 80 cm), για εκροή σε μεγάλα βάθη (όπως αυτά άνω των 30 m), για υποστρώματα αρκετά ευσταθή για να δεχθεί επιφανειακά το διαχυτή και κυρίως για περιοχές χωρίς μεταφορές φερτών υλών. Για το σκοπό αυτό, είναι σκόπιμο οι θυρίδες να βρίσκονται σε σωλήνες που συγκολλούνται πάνω στον διαχυτή (risersανυψωτήρες), συνήθως μήκους από 1 έως 4 m. Το μήκος των σωλήνων αυτών πάνω από τον πυθμένα εξαρτάται από τις ειδικές συνθήκες, αλλά ως τυπικό μήκος μπορεί να θεωρείται ένα μέτρο περίπου. Οι διαχυτήρες είναι το πιο ευάλωτο τμήμα των αγωγών και κινδυνεύουν από τις άγκυρες και τα δίκτυα των πλοίων. Υπάρχουν πολλές κατασκευαστικές λεπτομέρειες, που μπορούν να γίνουν για την προστασία των διαχυτήρων και των ανυψωτήρων. Άλλοι ανυψωτήρες έχουν ένα συγκεκριμένο αδύνατο σημείο, έτσι ώστε όταν θραύονται να αντικαθίστανται από το ανταλλακτικό τους. Πολλοί αγωγοί έχουν θόλους για την προστασία των ανυψωτήρων από σκυρόδεμα ή ατσάλι, που εδράζονται κάτω από τον αγωγό. Έτσι τα δίκτυα και οι άγκυρες ολισθαίνουν πάνω στον θόλο χωρίς να προκαλούν ζημιά. Σε άλλες περιπτώσεις, τοποθετούνται πλησίον των ανυψωτήρων μεγάλα βάρη από σκυρόδεμα πάνω στα οποία έχουν εμφυτευτεί χαλυβδοσωλήνες, οι οποίοι συγκρατούν τα δίχτυα. Στο παρελθόν οι ανοικτές οπές θεωρούνταν πιο κατάλληλες. Σήμερα, χρησιμοποιούνται εκτεταμένα ειδικά εξαρτήματα (ελαστικές βαλβίδες), για την αποφυγή εισόδου φερτών και θαλάσσιων οργανισμών στον ανυψωτήρα του διαχυτή. Αυτά, προσαρμόζονται στην άκρη των θυρίδων-ανυψωτήρων, που εμποδίζουν (ή μειώνουν) την είσοδο φερτών, θαλάσσιων μικροοργανισμών και θαλασσινού νερού σε χαμηλές παροχές εκροών (Εικόνα 5.13). Υπάρχουν διάφοροι τύποι τέτοιων βαλβίδων. Οι βαλβίδες είναι αποτελεσματικές στην αποτροπή διείσδυσης του νερού, αυξάνουν όμως τις απώλειες του φορτίου. Συγχρόνως μετατρέπεται η κυκλική έξοδος σε ορθογωνική, το εμβαδόν της οποίας μεταβάλλεται με την μείωση της παροχής, διασφαλίζοντας έτσι μονίμως υψηλή αρχική ταχύτητα.

Εικόνα 5.9. Ο διαχυτήρας του υποθαλάσσιου αγωγού της Καβάλας από HDPE μήκους 90 m. Διακρίνονται οι 60 ανυψωτήρες μήκους ενός μέτρου ο καθένας και εσωτερικής διαμέτρου 6.2 cm.

Εικόνα 5.10. Ο διαχυτήρας υποθαλάσσιου αγωγού μικρής κωμόπολης. Διακρίνονται οι ανυψωτήρες και η τμηματική μείωση της διατομής του διαχυτήρα Επίσης, οι διαχυτήρες χρειάζονται τακτική συντήρηση, αφού είναι το πιο ευάλωτο τμήμα ενός αγωγού, και πρέπει στην επιφάνεια της θάλασσας να τοποθετείται σημαντήρας στο άκρο του διαχυτήρα. Εικόνα 5.11. Ανάπτυξη μυδιών στους ανυψωτήρες του διαχυτήρα Καβάλας. Εικόνα 5.12. Βάρος από σκυρόδεμα με χαλυβδοσωλήνες που ποντίζεται κοντά στον διαχυτήρα για την προστασία του. 5.6.Υδραυλική Ανάλυση του Διαχυτή Ο υδραυλικός υπολογισμός ενός διαχυτή με πολλές οπές είναι ένα πολύπλοκο και εξειδικευμένο υδραυλικό πρόβλημα, που θα πρέπει να θεωρεί την ομοιόμορφη και αποτελεσματική διασπορά των υγρών αποβλήτων στο θαλασσινό περιβάλλον. Στη

συνέχεια θεωρούνται οι βασικές συνιστώσες του προβλήματος αυτού. 5.6.1. Διαφορά πυκνότητας υγρών αποβλήτων και θάλασσας Όπως έχει προαναφερθεί, η πυκνότητα των υγρών αποβλήτων είναι περίπου 1gr/cm³, ενώ η πυκνότητα της θάλασσας 1.025gr/cm³. Συνεπώς, αν η εκροή των υγρών αποβλήτων από τις οπές δεν διενεργείται με ικανοποιητική αρχική ταχύτητα τότε η θάλασσα, ως βαρύτερη θα εισρέει εντός του διαχυτή συγχρόνως με την εκροή. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα έρευνας του Rouse, ο αρχικός πυκνομετρικός αριθμός Froude πρέπει να είναι μεγαλύτερος από 0.59 για να μη εισρέει το βαρύτερο υγρό πυκνότητας ρ α μέσα στην κυκλική οπή από όπου εκρέει ελαφρύτερο υγρό πυκνότητας ρ ο (Κωτσοβίνος και Αγγελίδης, 2003). Εικόνα 5.13. Ειδικά εξαρτήματα (ελαστικές βάνες τύπου Tideflex της εταιρίας Red Valve) στην έξοδο των ανυψωτήρων.

Για την ύπαρξη κάποιου συντελεστή ασφαλείας συνίσταται αριθμός Froude σε όλες τις οπές F>1. Όταν η συνθήκη αυτή ισχύει για κάθε οπή, τότε το θαλασσινό νερό που θα εισρέει στο διαχυτή και στον παραθαλάσσιο αγωγό κατά την βύθισή του, θα παρασυρθεί από την ροή των υγρών αποβλήτων και δε θα είναι δυνατόν να ξαναεισρεύσει. Κατά τους υδραυλικούς υπολογισμούς λαμβάνεται υπόψη ότι η πραγματική πίεση μέσα στον διαχυτή είναι η διαφορά πίεσης του νερού μέσα στον διαχυτή και της πίεσης της θάλασσας στην αντίστοιχη θέση. Όταν υπολογίζουμε την πίεση από το πιο απομακρυσμένο (και βαθύτερο) σημείο του διαχυτή προς τα αβαθή σημεία, τότε η μείωση του βάθους τείνει να αυξήσει την διαφορά πίεσης, παρά το γεγονός ότι η πίεση τόσο των υγρών αποβλήτων, όσο και της θάλασσας μειώνεται. Στο εξής, όταν αναφέρεται πίεση και πιεζομετρικό ύψος θα εννοείται η διαφορά πίεσης υγρών αποβλήτων και θάλασσας. Η μεταβολή αυτού του πιεζομετρικού ύψους εξαιτίας μεταβολής του υψομέτρου του πυθμένα κατά Δz είναι ίση με (ρ α -ρ ο ) Δz/ρ ο. 5.6.2 Χαρακτηριστικά ροής από μια οπή Η υδραυλική ανάλυση ενός διαχυτή είναι ουσιαστικά μια, βήμα προς βήμα, διαδικασία υπολογισμών ξεκινώντας από την τελευταία οπή στο άκρο του διαχυτή. Υποτίθεται ότι η ροή μιας οπής δεν επηρεάζει την ροή στις πλησιέστερες οπές. Η υπόθεση αυτή ικανοποιείται με την διασφάλιση απόστασης μεταξύ των οπών μεγαλύτερης από 10 φορές την διάμετρό τους. Η παροχή εκροής από κάθε οπή υπολογίζεται ξεχωριστά. Η αύξηση του πιεζομετρικού ύψους μεταξύ δύο γειτονικών οπών (αύξηση από τα κατάντι προς τα ανάντι) είναι ίση με την απώλεια της πίεσης εξαιτίας τριβών και διαφοράς πυκνότητας (Δρ/ρ)Δz. Το βασικό πρόβλημα ανάγεται στον υπολογισμό της παροχής q από μια οπή. Γενικά η παροχή q υπολογίζεται από την Εξ. 5.4: q c S 2g n D E 5.4 n όπου: q n : η παροχή C D : συντελεστής παροχής της οπής S: εμβαδόν οπής, ίσο με πd 2 /4 g: επιτάχυνση βαρύτητας 2 v n Pn E n 2g 0g ΔΡ n - διαφορά πίεσης ανάμεσα στο εσωτερικό και το εξωτερικό του διαχυτή στη θέση της οπής. ρ o -πυκνότητα των υγρών αποβλήτων

V-μέση ταχύτητα μέσα στον σωλήνα d-διάμετρος της οπής n-δείκτης που δείχνει τον αύξοντα αριθμό των οπών από τα κατάντι (δηλαδή από το άκρο του διαχυτή) στα ανάντι. Γενικά, υποτίθεται ότι δεν υπάρχει τοπική απώλεια ενέργειας της κύριας ροής κατά μήκος του διαχυτή. Με άλλα λόγια, η επίδραση της εκροής από τη θυρίδα περιορίζεται στη μείωση της κινητικής ενέργειας στα κατάντη. Ο συντελεστής παροχέτευσης C D δεν είναι σταθερός κατά μήκος του διαχυτή, αλλά μειώνεται καθώς το ύψος της κινητικής ενέργειας V²/2g γίνεται μεγαλύτερο ποσοστό της συνολικής ενέργειας Ε. Επίσης, εξαρτάται από το αν η θυρίδα βρίσκεται απ ευθείας στα τοιχώματα του διαχυτή ή αν βρίσκεται στην άκρη ανυψωτήρα σωλήνα. Για θυρίδες που βρίσκονται απ ευθείας πάνω στο τοίχωμα του διαχυτή και με στρογγυλεμένη είσοδο ο συντελεστής παροχέτευσης δίνεται από την Εξ. 5.5: 2 V /2g 3/8 c 0.975(1 ) 5.5 D E 5.7. Επιλογή της Διαμέτρου του Διαχυτή και των Ανυψωτήρων Κατά τη διαδικασία των υπολογισμών ο μελετητής έχει την ελευθερία να επιλέγει τη διάμετρο της κάθε θυρίδας, τη διάμετρο του διαχυτή και την απόσταση των θυρίδων. Συχνά για να διατηρηθεί η ταχύτητα μέσα στο διαχυτή αρκετά υψηλή (για να αποφευχθεί η εναπόθεση φερτών υλών) είναι αναγκαίο να μειωθεί η διάμετρος του διαχυτή προς τα κατάντι, σε ένα ή περισσότερα βήματα. Η διάμετρος των θυρίδων μπορεί να μεταβάλλεται από θέση σε θέση, για να επιτευχθεί καλύτερη ομοιομορφία στην παροχή εκροής από κάθε θυρίδα. Αυτό συνήθως παρουσιάζει κατασκευαστικές δυσχέρειες και ο διαχυτής σχεδιάζεται για μια σχετική ομοιομορφία, μεταβάλλοντας τη διάμετρό του κατά βήματα, όπως αναφέρθηκε. Η τελική επιλογή γίνεται αφού εξετασθούν διάφορες διατάξεις για διάφορες συνολικές παροχές διάθεσης των υγρών αποβλήτων. Όταν ο διαχυτής τοποθετηθεί σε μια ισοβαθή, τότε η σχετική κατανομή των παροχών στις διάφορες θυρίδες διατηρείται η ίδια για όλες τις ολικές παροχές. Αυτό επιτυγχάνεται από την απλή σχέση ότι: «όλοι οι όροι απωλειών ενέργειας είναι ανάλογοι του τετραγώνου της ταχύτητας». Στην περίπτωση αυτή, δηλαδή όπου δεν υπάρχουν διαφορές στα υψόμετρα του πυθμένα, ένας υπολογισμός με μια ολική παροχή είναι αρκετός για να προβλεφθεί η συμπεριφορά του διαχυτή σε κάθε άλλη παροχή. Για παράδειγμα, διπλασιασμός της ολικής παροχής δίνει τον

τετραπλασιασμό όλων των ενεργειακών υψών (πιεζομετρικών και ολικών) και διπλασιασμό όλων των ταχυτήτων και παροχών από τις θυρίδες. Υπενθυμίζεται ότι το άκρο του διαχυτή οφείλει να είναι κλειστό για να διασφαλίζεται ροή των εκροών από τις θυρίδες. Τέλος σημειώνεται, ότι η εμπειρία έχει δείξει, ότι το συνολικό εμβαδόν όλων των θυρίδων οφείλει να είναι μικρότερο από το εμβαδόν μιας διατομής του διαχυτή. Ο λόγος αυτός λαμβάνεται συνήθως από 0,40 έως 0,66. Μικρές τιμές του λόγου αυτού βελτιώνουν την ομοιομορφία της παροχής εκροής από τις διάφορες θυρίδες, αυξάνουν όμως το ολικό ύψος ενέργειας που απαιτείται για τη λειτουργία του διαχυτή. Όταν το ολικό ύψος διατίθεται χωρίς πρόσθετες δαπάνες (όπως είναι το υψόμετρο εγκαταστάσεων ΜΕΑΥΑ υψηλό, λόγω τοπογραφίας της περιοχής), τότε είναι προτιμότερο να εκλεγεί ο λόγος αυτός ½ ή και ακόμη μικρότερος. 5.8. Μήκος του Διαχυτή Το συνολικό μήκος του διαχυτή εξαρτάται από την ολική ημερήσια παροχή υγρών αποβλήτων. Μερικές τιμές «φορτίου» του διαχυτή (m 3 /s/m διαχυτή) σε γνωστούς κατασκευασμένους διαχυτές δίνονται στον Πίνακα 5.4. 5.9.Ελάχιστη Αραίωση για Εκροή από Διαχυτήρα Ο πρωταρχικός σκοπός ενός συστήματος διάθεσης υγρών αποβλήτων σε υδατικό περιβάλλον είναι η επίτευξη ταχείας αρχικής ανάμιξης υγρών αποβλήτων και περιβάλλοντος ρευστού στην γειτονική περιοχή. Στην πραγματικότητα μόνο η αρχική ανάμιξη στην γειτονική περιοχή βρίσκεται κάτω από τον έλεγχο του μηχανικού, αφού η τυρβώδης διάχυση και διασπορά, που ακολουθούν, εξαρτώνται πρωταρχικά από τη ροή στο υδατικό περιβάλλον. Η ελάχιστη αραίωση, s m σε οριζόντιο επίπεδο πάνω από την εκροή των υγρών αποβλήτων ορίζεται ως ο λόγος, c o /c m, όπου c o και c m είναι αντιστοίχως οι συγκεντρώσεις οποιουδήποτε ρύπου στην εκροή και στο εξεταζόμενο οριζόντιο επίπεδο του υδατικού αποδέκτη (θάλασσας). Η ελάχιστη αραίωση s m, στην επιφάνεια της θάλασσας πάνω από την εκροή του υποβρύχιου αγωγού οποιουδήποτε μεγέθους των υγρών αποβλήτων αντιστοιχεί στη μέγιστη συγκέντρωση του ρυπαντή. Για μικρές κοινότητες, είναι δυνατή η επίτευξη αραίωσης ακόμα και πάνω από 1,000 φορές. Για εκροή από μία μόνο οπή διαμέτρου D-αξισυμμετρική ανωστική φλέβασυνιστάται ο υπολογισμός της ελάχιστης αραίωσης s m με τη χρήση της Εξ. 5.6

s 2 2 1 / 3 m 0.205( x / D )(1 0.246( x / D ) F 0 ) 5.6 Πίνακας 5.4. Τιμές φορτίου διαχυτή No 3 Sanitatio n Districts Hyperion Outfall L. Angel. San Diego Californi a No 4 Sanitatio n Districts Orange Country Californi a Honolulu (Sand Island) Καβάλα Εσωτερική 228 366 274 305 305 213 58.14 διάμετρος υποβρυχίου αγωγού (cm) Ολικό μήκος 3170 6705 4323 3620 6522 2780 838 υποβρυχίου αγωγού (m) Μέση παροχή 6.3 17.7 6.14 9.71 12.2 4.64 0.6 υγρών αποβλήτων για το έτος στόχο, Q (m³/s) Ύψος πίεσης 4.3 4.87 7 4.26 - - 15 (m) στην αρχή του αγωγού Συντελεστής 0.016 0.018 0.016 0.013 - - 0.02 Εσωτερική διάμετρος διαχυτή (cm) Μήκος διαχυτή L (m) Διάμετρος οπών(θυρίδων ), (cm) 152 261/18 3 198 305/25 9 /183 - - 58.1 39.9 27.9 731 2414 819 1353 1830 1031 90 16.5 17-20.6 16.5 5-9.1 7.5-10.5 7.6-8.97 6.12 Αριθμός οπών 100 168 56 740 500 282 60 Βάθος 61 59.4 61 50-58 53-59 67-71 20 θάλασσας στον διαχυτή (m) Απόσταση μεταξύ οπών στον διαχυτή, (m) 7.3 14.3 14.3 1.82 3.66 3.66 1.5

Q/L (m³/s, παροχή υγρών αποβλήτων ανά m διαχυτή) 0.0073 0.0075 0.0072 0.0067 0.004 0.008 όπου x είναι η κατακόρυφη απόσταση από την εκροή F o είναι ο αρχικός αριθμός Froude, που ορίζεται από την Εξ. 5.7: U o 5.7 F o g D 0 0 όπου U o είναι η αρχική ταχύτητα εκροής των υγρών αποβλήτων, ρ α είναι η πυκνότητα του περιβάλλοντος ρευστού, ρ o είναι η πυκνότητα των υγρών αποβλήτων και g είναι η επιτάχυνση της βαρύτητας. Η επιλογή της κατάλληλης διαμέτρου της οπής εκροής, δίδεται από το νομογράφημα της Εικόνας 5.14, στο οποίο υπολογίζεται η αραίωση ως συνάρτηση του ενδεικτικού πληθυσμού (ή της παροχής), για διάφορες διαμέτρους από 5 έως 40 cm και για βάθος θάλασσας ίσο με 20 m. Στο νομογράφημα αυτό υποτέθηκε ημερήσια κατανάλωση του εξυπηρετούμενου πληθυσμού ίση με 150 L νερού ανά κάτοικο, πυκνότητα υγρών αποβλήτων ρ o =1 gr/cm³ και πυκνότητα θάλασσας, ρ α =1.024 gr/cm³. Από αυτό παρατηρείται ότι η επιτυγχανόμενη αραίωση για πληθυσμό μικρότερο της τάξεως των 6.000 είναι πρακτικά ανεξάρτητη από τη διάμετρο της οπής. Παρατηρούμε, επίσης, ότι για πληθυσμό μεγαλύτερο της τάξεως του 2.000, δεν είναι δυνατό να επιτευχθεί αραίωση μεγαλύτερη από 400. Συνεπώς, για πληθυσμούς μεγαλύτερους της τάξεως του 2.000 είναι απαραίτητη η εγκατάσταση διαχυτήρα. Η επιτυγχανόμενη αραίωση από ένα διαχυτήρα υγρών αποβλήτων εξαρτάται από την παροχή των αποβλήτων, το μήκος του διαχυτήρα, τη διάμετρο των οπών, τη μεταξύ τους απόσταση, το βάθος διάθεσης καθώς και από την ύπαρξη ρευμάτων και στρωμάτωσης πυκνότητας, που οφείλεται συνήθως στη μεταβολή της θερμοκρασίας με το βάθος. Από όλες αυτές τις παραμέτρους, το μήκος του διαχυτήρα, η διάμετρος των οπών, η μεταξύ τους απόσταση καθώς και το βάθος διάθεσης βρίσκονται κάτω από τον έλεγχο του μηχανικού και πρέπει να προσδιοριστούν από τη διαδικασία σχεδιασμού. Η δυσμενέστερη περίπτωση από υγειονομικής πλευράς είναι η θεώρηση της θάλασσας χωρίς στρωμάτωση (ομογενές περιβάλλον), οπότε τα επεξεργασμένα υγρά

απόβλητα φθάνουν στην επιφάνεια της θάλασσας. Επιπλέον υποτίθεται πλήρης απουσία ρευμάτων. Η ροή πάνω από διαχυτήρα μήκους L, με Ν οπές, διαμέτρου d, σε μεταξύ τους τυπική απόσταση από 1,0 έως 1,5 m, αντιστοιχεί στη ροή Ν μεμονωμένων αξισυμμετρικών ανωστικών φλεβών, που αλληλεπικαλύπτονται μετά από απόσταση από 3 έως 4 m από το διαχυτήρα, δημιουργώντας μια διδιάστατη τυρβώδη ανωστική φλέβα. Η τυπική απόσταση από 1,0 έως 1,5 m προκύπτει από την απαίτηση αλληλοκάλυψης των αξισυμμετρικών μεμονωμένων φλεβών, έτσι ώστε να δημιουργηθεί διδιάστατη τυρβώδης ανωστική φλέβα. Μετά την αλληλοεπικάλυψη των αξισυμμετρικών φλεβών, η ροή είναι ισοδύναμη με τη διδιάστατη ανωστική φλέβα, που προέρχεται από σχισμή μήκους L και εμβαδού ίσου με το εμβαδόν των Ν οπών. Μια ακριβής σχέση για τον υπολογισμό της ελάχιστης αραίωσης, s m σε επίπεδο κάθετο στον άξονα της ροής και σε απόσταση κατά μήκος του άξονα της ροής, s δίδεται από την Εξ. 5.8:

ΠΑΡΟΧΗ (lit/sec) 1 10 100 ΑΡΑΙΩΣΗ ΣΤΗΝ ΕΠΙΦΑΝΕΙΑ ΤΗΣ ΘΑΛΑΣΣΑΣ 1000 100 D=20,30,40cm D=5cm D=10cm 10 100 1000 10000 100000 ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΟΣ ΠΛΗΘΥΣΜΟΣ Εικόνα 5.14. Αραίωση στην επιφάνεια της θάλασσας από διάθεση υγρών αποβλήτων σε βάθος 20 m από υποβρύχιο αγωγό με διάμετρο οπής D από 5 έως 40 cm. 2/3-4/3 1/2-2 -4/3 3/2 1/3 sm 0.66F 0 (ζ 1.36F 0 ). 1 1.59F 0 (ζ 1.36F 0 ) 5.8 ζ όπου 4/3 s 0.51F0 b 5.9 και b είναι το πλάτος της σχισμής μήκους L της ισοδύναμης διδιάστατης ροής, που εξομοιώνει την εκροή από Ν οπές διαμέτρου d, που ισούται με:

b = N(πd²/4)/L. F 0 είναι ο αρχικός αριθμός Froude οριζόμενος από την σχέση U o 5.10 F o 0 g b 0 Η παραπάνω σχέση (5.8) είναι το αποτέλεσμα της ανάλυσης ενός ημιεμπειρικού μοντέλου, αντίστοιχο του οποίου δεν αναφέρεται στη διεθνή βιβλιογραφία, και ισχύει όχι μόνο για κατακόρυφα εκτοξευόμενες ανωστικές φλέβες αλλά και για οριζόντια ή υπό γωνία εκτοξευόμενες. Το μοντέλο αυτό έχει επαληθευτεί με πειραματικά αποτελέσματα διαφόρων ερευνητών για τις προαναφερθείσες γεωμετρίες εκτόξευσης. Η σημαντική φυσική απόρροια αυτού του μοντέλου είναι, ότι η αραίωση εξαρτάται με ρητή σχέση μόνο από την αδιάστατη παράμετρο ζ κατά μήκος του άξονα της ροής και η εξάρτηση από την αρχική γωνία εκτόξευσης είναι έμμεση δια μέσου του μήκους της τροχιάς s. Συνεπώς, για δεδομένες αρχικές συνθήκες ο φυσικός μηχανισμός της αραίωσης είναι πρακτικά ανεξάρτητος από την καμπύλη διαδρομή της ροής και μόνο το μήκος της διαδρομής είναι σημαντικό. Επίσης, η παραπάνω σχέση ισχύει για κάθε αρχικό πυκνομετρικό αριθμό Froude, δηλαδή για ροή φλέβας, για ροή πλουμίου καθώς και για την ενδιάμεση μεταβατική περιοχή. 5.10. Τυποποίηση Σχεδιασμού Διαχυτήρα για Εκροή Αποβλήτων σε Ομογενή Ακίνητο Αποδέκτη Η διαδικασία σχεδιασμού ενός διαχυτήρα είναι κατά βάση επαναληπτική και ο τελικός σχεδιασμός, που θα επιλεγεί, είναι συνήθως η κατάληξη πολλών δοκιμών. Για την αποφυγή κοπιωδών και χρονοβόρων επαναληπτικών δοκιμών παρουσιάζεται στη συνέχεια το νομογράφημα της Εικόνας 5.15, το οποίο έχει βασιστεί στη Σχέση (5.8) και με το οποίο είναι δυνατή η απευθείας επιλογή του διαχυτήρα (Κωτσοβίνος, και Αγγελίδης, 2000). Yποτέθηκε ημερήσια κατανάλωση 150 L νερού ανά κάτοικο, απόσταση μεταξύ των οπών του διαχυτήρα 1,25m και διάμετρος οπών 4.56cm. Για κατακόρυφη διάθεση των υγρών αποβλήτων (Εικόνα 5.15), με βάση τον ενδεικτικό πληθυσμό, είναι δυνατό να επιλεγεί ο διαχυτήρας για τρεις επιθυμητές αραιώσεις (300, 350, 400) και για βάθη 15, 20, 25, 30, 35 και 40 m. Με βάση τον ενδεικτικό πληθυσμό σχεδιασμού, που βρίσκεται στον κάτω οριζόντιο άξονα, ή την αντιστοιχούσα παροχή υγρών αποβλήτων, που βρίσκεται στον άνω οριζόντιο άξονα, μετακινούμαστε κατακόρυφα στο σχήμα αυτό μέχρι να συναντήσουμε την τεθλασμένη με την επιθυμητή αραίωση και το διαθέσιμο βάθος και στη συνέχεια

οριζόντια και αριστερά προσδιορίζεται ο αριθμός των οπών. Το μήκος του διαχυτήρα σε m ισούται με L=(Ν-1) x 1.25, όπου Ν ο αριθμός των οπών. Έστω, για παράδειγμα, ότι στόχος μας είναι η επιλογή διαχυτήρα μιας πόλης 10.000 κατοίκων. Αν η επιθυμητή αραίωση είναι 350, τότε αυτό είναι εφικτό με διαχυτήρα μήκους 21,25m με 18 οπές για βάθος διάθεσης 15m ή με διαχυτήρα μήκους 13,75m με 12 οπές για βάθος διάθεσης 20m ή με διαχυτήρα μήκους 10m με 9 οπές για βάθος διάθεσης 25m ή με διαχυτήρα μήκους 6,25m με 6 οπές για βάθος διάθεσης 35m. Έτσι, έχουμε τη δυνατότητα όχι μόνο απευθείας επιλογής του διαχυτήρα, αλλά και εναλλακτικών λύσεων αναφορικά με το βάθος για τις συνήθεις περιπτώσεις μικρών πόλεων (έως 15.000 κατοίκους). Η τελική επιλογή γίνεται με κριτήρια το κόστος κατασκευής, την τοπογραφία του πυθμένα και την εκτίμηση της ανανέωσης των νερών της θαλάσσιας περιοχής. Τέλος, τονίζεται ότι η εμπειρία έχει δείξει ότι το συνολικό εμβαδό όλων των θυρίδων οφείλει να είναι μικρότερο από το εμβαδό μιας διατομής του διαχυτήρα. Ο λόγος αυτός λαμβάνεται συνήθως από 0,4 έως 0,66. Μικρές τιμές του λόγου αυτού βελτιώνουν την ομοιομορφία της παροχής εκροής από τις διάφορες θυρίδες, αυξάνουν όμως το απαιτούμενο ολικό ύψος ενέργειας (Κωτσοβίνος και Αγγελίδης, 2003).

35 ΠΑΡΟΧΗ (lit/sec) 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 26 sm=400,h=15 30 ΑΡΙΘΜΟΣ ΟΠΩΝ ΔΙΑΧΥΤΗΡΑ 25 20 15 10 sm=350,h=15 sm=400,h=20 sm=300,h=15 s m =350,H=20 sm=400,h=25 sm=300,h=20 sm=350,h=25 sm=300,h=25 sm=300,h=30 sm=400,h=40 sm=350,h=35 sm=300,h=35 5 0 0 5000 10000 15000 ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΟΣ ΠΛΗΘΥΣΜΟΣ Εικόνα 5.15. Επιλογή διαχυτήρα (για πληθυσμούς έως 15.000 κατοίκους) με βάση τον ενδεικτικό πληθυσμό, την επιθυμητή αραίωση και το διατιθέμενο βάθος H. Υποτέθηκε ημερήσια κατανάλωση 150 lit/άτομο, απόσταση οπών 1,25 m και διάμετρος οπών 4,56 cm. Σε περίπτωση επεξεργασίας υγρών αποβλήτων χωρίς χλωρίωση, όπου ως γνωστόν ο αριθμός των ολικών κολοβακτηριοειδών είναι της τάξεως των 10.000 ανά cm³, τότε με 1.000 φορές αραίωση επιτυγχάνεται στην επιφάνεια της θάλασσας μέγιστη συγκέντρωση 10 ανά cm³. Η τιμή αυτή, σύμφωνα με τον Πίνακα 5.2 είναι 2 φορές μεγαλύτερη από την παραδεκτή με επιφύλαξη τιμή καταλληλότητας νερών για κολύμβηση του Ελληνικού κανονισμού. Συνεπώς είναι φανερό, ότι αν ληφθεί υπόψη και η πρόσθετη αραίωση από τον διαχυτήρα μέχρι την ακτή, είναι δυνατό με τον κατάλληλο σχεδιασμό του διαχυτήρα να αποφευχθεί η χλωρίωση των

επεξεργασμένων υγρών αποβλήτων, η οποία έχει επιπτώσεις στο περιβάλλον με τις χλωραμίνες (οργανοχλωριομένες ενώσεις). Από την Εικόνα 5.16 με βάση τον ενδεικτικό πληθυσμό ή την παροχή υγρών αποβλήτων είναι δυνατό να επιλεγεί ο απαιτούμενος αριθμός οπών, ώστε να επιτευχθεί αραίωση 1.000 ή 1.200 για βάθη εκροής 15m ή 20m. Για οριζόντια διάθεση των υγρών αποβλήτων επιτυγχάνεται, για τις ίδιες αρχικές συνθήκες, καλύτερη αραίωση στην επιφάνεια της θάλασσας σε σχέση με την κατακόρυφη διάθεση, καθώς για μεγαλύτερο μήκος καμπύλης τροχιάς s σε σχέση με την κατακόρυφη απόσταση, προκύπτει από την Εξ. 5.8 μεγαλύτερη αραίωση. Έτσι έστω ότι είναι επιθυμητή αραίωση s m και το διατιθέμενο κατακόρυφο βάθος είναι x. Ο κατάλληλος διαχυτήρας με βάση τον ενδεικτικό πληθυσμό σχεδιασμού για κατακόρυφη διάθεση των υγρών αποβλήτων είναι δυνατό να επιλεγεί από τις Εικόνες 5.15 και 5.16. Αν, αντί της κατακόρυφης εκτόξευσης, τα υγρά απόβλητα διατεθούν οριζόντια, τότε για μήκος της καμπύλης τροχιάς s μεγαλύτερο της κατακόρυφης απόστασης x θα επιτευχθεί μεγαλύτερη αραίωση s' m η οποία δίδεται από την Εξ. 5.11: s ' m s m (s/x ) 5.11 Η μόνη δυσκολία για τον μελετητή είναι να υπολογίσει το μήκος της καμπύλης τροχιάς s κατά μήκος του άξονα της ροής. Για την υπό γωνία εκτοξευόμενη διδιάστατη ανωστική φλέβα έχει αναπτυχθεί ένα ολοκληρωματικό μοντέλο (Angelidis, 2002). Αυτό το μοντέλο προβλέπει με ικανοποιητική ακρίβεια τα πειραματικά αποτελέσματα σχετικά με την αξονική αραίωση και την τροχιά. Με βάση το αριθμητικό αυτό μοντέλο, έχει σχεδιαστεί στην Εικόνα 5.17 η αδιάστατη αξονική απόσταση (s/b) ως συνάρτηση της αδιάστατης κατακόρυφης απόστασης (x/b) για διάφορους αρχικούς αριθμούς Froude F 0 για οριζόντια εκτοξευόμενη ανωστική φλέβα. Έτσι ο μελετητής μηχανικός μπορεί να επιλέξει από τις Εικόνες 5.15 και 5.16 τον διαχυτήρα για κατακόρυφη διάθεση των υγρών αποβλήτων, στη συνέχεια να υπολογίσει από την Εικόνα 5.17 το μήκος της καμπύλης τροχιάς s, και τέλος να υπολογίσει από την Εξ. 5.11 την αραίωση που θα επιτευχθεί σε περίπτωση οριζόντιας διάθεσης με τον ίδιο διαχυτήρα. Παράδειγμα 5.1 Έστω για παράδειγμα ότι για ενδεικτικό πληθυσμό σχεδιασμού 10.000 κατοίκων είναι επιθυμητή αραίωση 350 και το διατιθέμενο βάθος είναι 20m. Λύση Από την Εικόνα 5.15 επιλέγεται διαχυτήρας με 12 οπές μήκους 13,75m.

20 ΠΑΡΟΧΗ (m 3 /ημέρα) 0 50 100 150 200 250 300 19 18 17 sm=1000,h=15 16 ΑΡΙΘΜΟΣ ΟΠΩΝ ΔΙΑΧΥΤΗΡΑ 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 sm=1200,h=20 sm=1000,h=20 5 4 3 2 1 0 0 250 500 750 1000 1250 1500 1750 2000 ΕΝΔΕΙΚΤΙΚΟΣ ΠΛΗΘΥΣΜΟΣ Εικόνα 5.16. Διαμόρφωση διαχυτήρα (για πληθυσμούς έως 2.000) με βάση τους κατοίκους (ή την παροχή), την επιθυμητή αραίωση και το διατιθέμενο βάθος για μικρές κοινότητες με ενδεικτικό πληθυσμό της τάξεως έως 2.000. Υποτέθηκε ημερήσια κατανάλωση 150 L/κάτ., απόσταση οπών 1,25 m και διάμετρος οπών 4,56 cm.

Εύκολα μπορούν να υπολογιστούν το ισοδύναμο πλάτος σχισμής b=0,142cm, η αρχική ταχύτητα των υγρών αποβλήτων u o =88,6cm/sec και ο αρχικός αριθμός Froude F o =48,5 (διαφορά πυκνότητας θάλασσας και υγρών αποβλήτων περίπου 0.024 gr/cm³). Από την Εικόνα 5.17 για αδιάστατη κατακόρυφη απόσταση x/b=2.000/0,142=14.084 και για F o =48,.5 προκύπτει αδιάστατο μήκος καμπύλης τροχιάς s/b=14.650 και συνεπώς s=20,80m. Άρα, αν η διάθεση των υγρών αποβλήτων γίνει οριζόντια με τον ίδιο διαχυτήρα, τότε θα επιτευχθεί αραίωση s' m =350 x (20,80/20)=364. 35000 30000 Fo=190 ΜΗΚΟΣ ΤΡΟΧΙΑΣ (s/b) 25000 20000 15000 10000 Fo=10 5000 F 0 = 10, 30, 50, 70, 90, 110,130,150,170,190 0 0 10000 20000 30000 ΚΑΤΑΚΟΡΥΦΗ ΑΠΟΣΤΑΣΗ (x/b) Εικόνα 5.17. Υπολογισμός του μήκους τροχιάς (s/b) ως συνάρτηση του βάθους (x/b) για οριζόντια εκτοξευόμενη ανωστική φλέβα.

5.11. Διάθεση Εκροών σε Εγκάρσια Ροή. Στη συνέχεια, αναπτύσσονται διάφορα μοντέλα τα οποία προσομοιώνουν τις τροχιές και την αραίωση των εκροών υγρών αποβλήτων σε εγκάρσια ροή (Εικόνες 5.18 και 5.19). Οι περιπτώσεις εκροής υγρών αποβλήτων που μελετήθηκαν προηγουμένως αναφέρονται σε υδατικό αποδέκτη (λίμνη ή θάλασσα) ακίνητο. Πολλές φορές όμως ο υδατικός αποδέκτης δεν είναι ακίνητος (όπως είναι τα θαλάσσια ρεύματα και ο ποταμός). Στην περίπτωση αυτή μας ενδιαφέρει όχι μόνο η ελάχιστη αραίωση στην επιφάνεια του αποδέκτη πάνω από το διαχυτή, αλλά και η επιφανειακή αραίωση των υγρών αποβλήτων, που παρασύρονται από το ρεύμα. Η ελάχιστη επιφανειακή αραίωση πάνω από τον διαχυτή μπορεί να εκφρασθεί με την ακόλουθη Εξ. 5.12. sq L M f(f,, ) uh H 5.12 Όπου : S m = c 0 / c m η επιφανειακή αραίωση c 0 = συγκέντρωση ρυπαντών στην εκροή c m = συγκέντρωση ρυπαντών στην επιφάνεια q = παροχή υγρών αποβλήτων ανά μονάδα μήκους του διαχυτή Η = το βάθος της θάλασσας στη θέση εκροής u = ταχύτητα ρεύματος F = είναι ο τροποποιημένος αριθμός Froude, που ορίζεται ως 3 F= u ( ρ/ρ)gq Δρ = διαφορά πυκνότητας αποδέκτη και υγρών αποβλήτων ρ = πυκνότητα αποδέκτη θ = γωνία που σχηματίζει ο διαχυτής με το θαλάσσιο ρεύμα L = μήκος διαχυτή

Εικόνα 5.18. Διάθεση εκροών σε στρωματισμένο περιβάλλον και σε εγκάρσια ροή. Σύμφωνα με τα πειραματικά αποτελέσματα η ελάχιστη αραίωση είναι ανεξάρτητη του L/Η όταν 3,7 < L/Η < 30. Ο Robert (1979) προτείνει για την αδιάστατη αραίωση τον παρακάτω τύπο, ο οποίος ισχύει για F<0.1 και για οποιαδήποτε γωνία θ του διαχυτή ως προς το ρεύμα: s m q =0.27F -1/3 5.13 uh Για F > 0,1 η αραίωση υπολογίζεται από την Εικόνα 5.22. Στην Εικόνα αυτή φαίνονται τα πειραματικά αποτελέσματα του Robert (1979) για διάφορους τροποποιημένους αριθμούς Froude F και για γωνίες θ=0, 45, 90.

Εικόνα 5.19. Πειραματική προσομοίωση της εκροής υγρών αποβλήτων σε θαλάσσιο ρεύμα (Α Εργαστήριο Υδραυλικής ΔΠΘ). Εικόνα 5.20. Κάτοψη της επιφανειακής εξάπλωσης-διάχυσης των εκροών υγρών αποβλήτων εξαιτίας οριζόντιου ρεύματος Για ρεύμα κάθετο στον διαχυτή το πλάτος W του πεδίου ρύπανσης σε απόσταση x από τον διαχυτή δίνεται από την Εξ. 5.14: W 1/2 x+x0 1.18(F 0.35) ( ) 5.14 L L όπου L 1/2 x= 0 F-0.35 1.18 ( ) 5.15

Για ρεύμα παράλληλο προς τον διαχυτή και για F>1 ισχύει για το πλάτος W του πεδίου ρύπανσης η Εξ. 5.16: W x 1.36 L L F ( 1-0.68F ) -1/3-1/3-1/2 5.16 h(x) U Y H ρ 1 Q x Εικόνα 5.21. Κατακόρυφη τομή της επιφανειακής εξάπλωσης των υγρών αποβλήτων και παράσυρσης λόγω ρεύματος 5.12. Τεχνικές Λεπτομέρειες της Τοποθέτησης του Υποβρύχιου Αγωγού και του Διαχυτή από HDPE. Οι σωλήνες κατασκευής υποθαλάσσιου αγωγού από HDPE θα πρέπει να πληρούν κατ ελάχιστο τις απαιτήσεις των εξής προτύπων: (α) DIN 16934 ως προς την χημική αντοχή των σωλήνων (β) DIN 8074 ως προς τις διαστάσεις των σωλήνων (γ) DIN 8075 ως προς τις γενικές απαιτήσεις ποιότητος και μεθόδους δοκιμής. Ο υποθαλάσσιος αγωγός διαμορφώνεται δια θερμοσυγκολλήσεως στην ξηρά. Ομοίως δια θερμοσυγκολλήσεως σωλήνων από υψηλής πυκνότητας πολυαιθυλένιο θα πρέπει να διαμορφωθούν και τα απαιτούμενα ειδικά τεμάχια (σωλήνες ανυψωτήρων διαχυτήρα, συστολές κ.λ.π.).

Εικόνα 5.22. Διάγραμμα ελάχιστης επιφανειακής αραίωσης από εκβολή διαχυτή σε θαλάσσιο ρεύμα (Roberts, 1979) Κάθε ανυψωτήρας θα φέρει και στα δύο άκρα του φλάντζες από υψηλής πυκνότητας πολυαιθυλένιο, κατάλληλης αντοχής. Στις θέσεις που προβλέπονται ανυψωτήρες τοποθετούνται δια θερμοσυγκολλήσεως επί του διαχυτήρα κατάλληλες υποδοχές από σωλήνες της αυτής διαμέτρου και πάχους, όπως οι ανυψωτήρες, μήκους 10 12,5 cm (μετρουμένου από την εξωτερική παρειά του διαχυτήρα). Στην ένωση με τον διαχυτήρα θα πρέπει να έχει ανοιχθεί οπή στο σωλήνα του διαχυτήρα ίσης διαμέτρου με την εξωτερική διάμετρο του ανυψωτήρα. Τα τμήματα του αγωγού που σχηματίζονται με θερμοσυγκόλληση, υφίστανται προ της ποντίσεώς τους δοκιμή πιέσεως. Τα υλικά για την σύνδεση που χρησιμοποιούνται πρέπει να μην υφίστανται διάβρωση από το θαλασσινό νερό και τις εκροές των υγρών αποβλήτων. Οι κυριότεροι παράγοντες που σταθμίζονται όταν επιλέγεται η μέθοδος κατασκευής, περιλαμβάνουν το μέγεθος του σωλήνα, το υλικό του σωλήνα, το μήκος του αγωγού, τον χώρο που διατίθεται στην ακτή για αποθήκευση και συναρμολόγηση των σωλήνων, τα ρεύματα παλίρροιας ή καταιγίδας και το διαθέσιμο κατασκευαστικό εξοπλισμό. Οι κατασκευαστικές μέθοδοι για αγωγούς μήκους > 600 m προβλέπουν είτε έλξη στην οριστική θέση από τον εργοταξιακό χώρο της ακτής, είτε τοποθέτηση από πλωτά μέσα. Οι μέθοδοι κατασκευής περιλαμβάνουν: (α) συναρμολόγηση στον πυθμένα, (β) συναρμολόγηση πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας και πόντισμα στο βυθό από το πλωτό μέσο, (γ) έλξη από το ένα άκρο (bottom pull) και (δ) επιφανειακή έλξη

(surface pull). Οι φορτηγίδες μεταφοράς και κατασκευής (lay barges) κυμαίνονται από πολύ απλές μονάδες για μικρής διαμέτρου έργα ή έργα σε ρηχά νερά, έως πλωτά εργοστάσια συναρμολόγησης. Στην μέθοδο έλξης από το ένα άκρο (bottom pull), ο σωλήνας έλκεται κατά μήκος της τελικής γραμμής του αγωγού. Η μέθοδος αυτή απαιτεί ένα ελάχιστο εξοπλισμό από πλωτές κατασκευές και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε διάφορες περιοχές και υπό διαφορετικές θαλάσσιες συνθήκες. Η μέθοδος επιφανειακής έλξης (surface pull), είναι ουσιαστικά η ίδια με την προηγούμενη, εκτός από το ότι ο σωλήνας είναι αρκετά ελαφρύς, ώστε να επιπλέει είτε μόνος του είτε με βοήθεια πλωτήρων. Αφού συρθεί στην προβλεπόμενη θέση, γεμίζεται ο σωλήνας με νερό και ποντίζεται στον πυθμένα, εντός τάφρου που έχει ανοιχθεί κατά μήκος της πορείας του αγωγού. Η επικρατέστερη μέθοδος κατασκευής υποβρύχιου αγωγού διάθεσης εκροών υγρών αποβλήτων είναι η έλξη στην επιφάνεια (surface pull method), που εφαρμόζεται σε αγωγούς από σωλήνες HDPE και χάλυβα. Οι σωλήνες συναρμολογούνται σε τμήματα μεγάλου μήκους, και προσαρμόζονται πλωτήρες παράλληλα προς τη διεύθυνση συναρμολόγησης. Οι σωλήνες από HDPE συναρμολογούνται στην ακτή, σε κομμάτια των 200-300 m. Σε κάθε σειρά τοποθετείται έρμα από βάρη σκυροδέματος σε αποστάσεις 2-3 m, ανάλογα με τη διάμετρο του σωλήνα. Σε κάθε άκρο στερεώνεται φλάντζα. Το έρμα είναι συνήθως το 90-95% της άνωσης του γεμάτου αέρα σωλήνα, ώστε να επιπλέει. Εικόνα 5.23. Φωτογραφία από την πόντιση του αγωγού διάθεσης εκροών Καβάλας Η σειρά των σωλήνων βυθίζεται στο νερό με την βοήθεια γερανού και οδηγείται δια πλεύσης στη θέση της. Όταν φθάσει στη θέση της, η σειρά των σωλήνων ποντίζεται προσεκτικά στον πυθμένα ή σε τάφρο. Η τελική πόντιση του

έρματος μπορεί να γίνει με τεμάχια από σκυρόδεμα. Η τοποθέτηση ξεκινά από την ακτή, που σημαίνει ότι η πρώτη σειρά σωλήνων είναι πακτωμένη στη στεριά. Οι επόμενες σειρές ρυμουλκούνται και ποντίζονται στη θέση τους, όπου οι φλάντζες συνδέονται με κατάλληλες βίδες. Η μέθοδος είναι ευπαθής σε τρικυμία, ενώ σε περιπτώσεις ρευμάτων-ισχυρών κατά μία διεύθυνση- τοποθετούνται πάσσαλοι. Η όλη επιχείρηση απαιτεί μερικούς έμπειρους δύτες και σκάφος, του οποίου το μέγεθος εξαρτάται από το μέγεθος του αγωγού. Η πόντιση του αγωγού γίνεται με σταδιακή πλήρωσή του με νερό. Προ της ενάρξεως της ποντίσεως του αγωγού ή τμήματός αυτού έχουν ολοκληρωθεί οι προβλεπόμενες εργασίες στον πυθμένα της θάλασσας (εκσκαφή και άλλες). Εικόνα 5.24. Φωτογραφία από την πόντιση του αγωγού διάθεσης υγρών αποβλήτων Χίου. Μετά την πόντιση του αγωγού ή τμήματός του γίνονται οι απαραίτητες εργασίες προστασίας του και στερεώσεώς του (όπως προστατευτικές επιχώσεις και ογκόλιθοι στηρίξεως). Το παρά την ακτογραμμή τμήμα του υποθαλάσσιου αγωγού θα πρέπει να προστατευθεί κατάλληλα από αγκυροβόλια, κυματισμούς και ρεύματα. Ο υποθαλάσσιος αγωγός τοποθετείται σε όρυγμα κατάλληλων διαστάσεων μέχρις βάθος θάλασσας 15 m για προστασία από κύματα. Από το βάθος των 15 m έως και τον διαχυτήρα ο υποθαλάσσιος αγωγός μπορεί να τοποθετηθεί επιφανειακά πάνω στον πυθμένα και να στερεωθεί με αγκυρώσεις και με στεφάνες από σκυρόδεμα τετραγωνικής διατομής. Για παράδειγμα, για αγωγό διαμέτρου 355 mm, οι στεφάνες έχουν πλευρά 60 cm, πλάτος 16 cm, και βάρος 78 κιλών στον αέρα (50 kg βυθισμένες στη θάλασσα) και τοποθετούνται ανά 4 m. Ο υποβρύχιος αγωγός τοποθετείται στο όρυγμα και στον πυθμένα (μετά τα -15 m ) εδραζόμενος στις παραπάνω στεφάνες από σκυρόδεμα. Οι στεφάνες αυτές χρησιμεύουν επίσης στην υπερνίκηση της άνωσης του αγωγού κατά το στάδιο της πόντισης.

Ο υποβρύχιος αγωγός πρέπει να προστατευθεί τόσο από τα κύματα (τρικυμιώνκαταιγίδων), όσο και από ανθρώπινη παράκτια δραστηριότητα. Για παράδειγμα έχουν αναφερθεί καταστροφές υποβρυχίων αγωγών από άγκυρες πλοίων και από πλοία τα οποία ψαρεύουν με τράτα (που ουσιαστικά οργώνουν το βυθό). Για τους λόγους αυτούς ο υποβρύχιος αγωγός, για βάθος θάλασσας μικρότερο από 15 m, οφείλει να τοποθετηθεί μέσα σε σκάμμα. Το βάθος του σκάμματος εξαρτάται από την αντοχή του εδάφους του βυθού, από τη διάμετρο του αγωγού, από το βάθος της θάλασσας και από την ταχύτητα των ρευμάτων κοντά στο βυθό (όπως είναι ρεύματα από καταιγίδα ή παλίρροια). Επί πλέον πρέπει να ληφθεί υπόψη, ότι άγκυρες σχετικά μικρές (βάρους περίπου 100 kg), μπορούν να εισχωρήσουν σε αμμώδη βυθό σε βάθος μέχρι 1,5 m και σε λασπώδη βυθό μέχρι 2,5 m. Μια μεγάλη άγκυρα βάρους 3.000 kg εισχώρησε σε αμμώδη βυθό σε βάθος 2 m. Για την προστασία του υποβρύχιου αγωγού μέσα στη ζώνη θραύσης το ορθότερο είναι να τοποθετηθεί σε όρυγμα βάθους 3-4 m κάτω από τον πυθμένα σ όλο το πλάτος της ζώνης θραύσεως. Εικόνα 5.25. Σκαρίφημα τοποθέτησης αγωγού σε όρυγμα. Επισημαίνουμε ότι ο εγκλωβισμός του αγωγού σε μεγάλου μήκους άκαμπτη κατασκευή από σκυρόδεμα, χωρίς να έχει ο αγωγός την δυνατότητα να ολισθήσει ή να καμφθεί, εγκυμονεί κίνδυνο. Η διαφορική καθίζηση ή καταπόνηση (σε περίπτωση μεγάλης θαλασσοταραχής) του ορύγματος μπορεί να θραύσει το χυτoσκυρόδεμα. Στην περίπτωση αυτή, ο αγωγός δεν μπορεί να ολισθήσει ή να καμφθεί και έτσι το χυτοσκυρόδεμα με τους πολλούς τόνους βάρος που έχει θραύει και τον αγωγό στο σημείο.

5.13. Σχεδιασμός συστημάτων διάθεσης υγρών αποβλήτων με τη χρήση μοντέλων Η/Υ Η σημαντική πολυπλοκότητα των διαδικασιών ανάμιξης στο υδατικό περιβάλλον, που απορρέουν από τη μεγάλη ποικιλία εκροών και συνθηκών περιβάλλοντος και απαιτούν προχωρημένες γνώσεις σε ένα ειδικό τμήμα της υδροδυναμικής, η έκδοση από την Αμερικανική Υπηρεσία Προστασίας του Περιβάλλοντος (ΕΡΑ) πρόσθετων κανονισμών για τη διάθεση τοξικών εκροών. Σήμερα, η διαθεσιμότητα νέων τεχνολογιών λογισμικού, όπως των αποκαλούμενων έμπειρων συστημάτων, έδωσαν ώθηση στην ανάπτυξη μοντέλων Η/Υ για την επίλυση των προβλημάτων αυτών. Έτσι γίνεται προσιτή στον μηχανικό, μέσα από ένα απλό περιβάλλον προσωπικού υπολογιστή, ειδική γνώση και εμπειρία για τη μελέτη πολύπλοκων προβλημάτων μηχανικής ρευστών. Βεβαίως δεν είναι δυνατό να υποκατασταθεί η ανθρώπινη γνώση και η εμπειρία, αλλά ο σκοπός κάθε τέτοιου μοντέλου είναι να περιορίσει την απαιτούμενη προσπάθεια. Τις κρίσιμες αποφάσεις τις παίρνει ο χειριστής, ενώ το λογισμικό κάνει ελέγχους, προτάσεις και υποδείξεις ανάλογα την περίπτωση. Τα σπουδαιότερα μοντέλα που υπάρχουν σήμερα στη διεθνή αγορά είναι τα εξής: (α) το έμπειρο σύστημα CORMIX, (β) το μοντέλο «Οπτικού Πλουμίου», και (γ) το μοντέλο VISJET. Ακολουθεί μια σύντομη περιγραφή των μοντέλων αυτών και των δυνατοτήτων τους.

Εικόνα 5.26. Φωτογραφία από την πόντιση του αγωγού διάθεσης υγρών αποβλήτων Παλιού Καβάλας. Εικόνα 5.27. Φωτογραφία από την πόντιση του αγωγού διάθεσης Reykjavik Sea Outfall, Iceland, έτος 2001. Διάμετρος αγωγού 1400 mm, μήκος 5690 m. 5.13.1. Έμπειρο σύστημα CORMIX Το Cornell Mixing Zone Expert System (CORMIX) είναι ένα έμπειρο σύστημα, δηλαδή είναι ένα δομημένο λογισμικό που χρησιμοποιεί γνώσεις και μεθόδους που προέρχονται από τη βασική έρευνα στα θέματα της διασποράς ρυπαντών, για την ανάλυση, την πρόβλεψη και τον σχεδιασμό της διάθεσης συντηρητικών ή τοξικών ρυπαντών σε υδατικούς αποδέκτες. Έτσι οι χρήστες μπορούν να χρησιμοποιήσουν τις δυνατότητές του, να διενεργούν λεπτομερείς προβλέψεις των συνθηκών στη ζώνη μείξης, να ελέγξουν την ικανοποίηση των προβλεπομένων συγκεντρώσεων με τους κανονισμούς και τελικά να διερευνήσουν τη συμπεριφορά εναλλακτικών διαχυτήρων. Το σύστημα CORMIX αντιπροσωπεύει μια αυτοματοποιημένη, δυνατή και πολύπλευρη μεθοδολογία για την πρόβλεψη τόσο των ποιοτικών χαρακτηριστικών (όπως είναι η ταξινόμηση ροής) όσο και των ποσοτικών χαρακτηριστικών (όπως είναι η αραίωση και η τροχιά) των υδροδυναμικών διεργασιών ανάμειξης για διάφορες διατάξεις εκροής και για όλους τους τύπους υδατικών αποδεκτών,