工業園區壓力式污水收集系統設計

陸國鋒，顧 潔，王樹東，黃天寅

（1.蘇州聯創工程設計咨詢有限公司，江蘇 常熟 215500；2.蘇州科技學院環境科學與工程學院，江蘇 蘇州 215011）

0 引言

傳統重力污水管道歷史悠久，技術成熟，但凡遇到開挖巖石，重力流排水系統管道的深基坑會導致過多的成本。類似的重力流排水管道施工障礙還包括較高的地下水位、軟土地基以及對重力流排水不利的自然地形。當排水戶之間的間距較大時，各戶之間所形成的長管線更是會導致無法接受的昂貴建設成本。同時，傳統重力污水管道還不可避免地存在滲漏，當管道內輸送的是污染嚴重的工業廢水時，這個缺陷就變得不可接受。

對于這些傳統重力式污水收集系統無法實施的特殊情況，美國、歐洲、日本都先后開發出了真空式與壓力式下水道系統作為傳統重力排水系統的補充。日本水道協會修訂的《下水設施計劃與設計指針》1994年版亦收入了真空式與壓力式下水道[1]，而在我國暫時還沒有針對該兩種系統設計、施工、運行和管理的完善的規范支持，也還鮮有采用該兩種系統方法的完善的工程實例。

蘇南某工業園區一期建設的污水收集系統采用了重力式污水收集系統，其土層2 m以下均為流塑狀態的淤泥質亞粘土或亞砂土，容許承載力不到50 kPa。在如此惡劣的地質條件下，污水管道施工過程中遇到了前所未有的困難，對施工質量和施工安全均提出了嚴峻的挑戰，工程造價也比正常情況大大的增加。為此，該工業園區在后續的污水管道工程建設中亟須探索一種新的污水收集方法以解決這一難題。針對該工業園區的情況，考慮到工業園區各企業均自備廢水預處理工藝和排放泵站，這為園區后續的工業廢水收集采用壓力式污水收集系統進行實踐，提供了良好的條件。

1 壓力式污水收集系統

非重力式污水收集系統主要有兩種：真空式污水收集系統和壓力式污水收集系統。由于園區對各企業廢水排放管理的需要，要求各企業廢水必須經過預處理后通過水泵壓力方式排出，并且須通過園區的在線水質監測后才能排入園區下水道系統；另外，考慮到一個真空工作站服務半徑一般也只有2～3 km，不適合這種大規模的工業園區，同時真空式污水收集系統初期投資及運行管理維護費用高昂，也缺少相應成熟的設備和技術支持，因此工業園區的工業廢水收集采用壓力式污水收集系統方案比真空式污水收集系統更為有利。

1.1 壓力式污水收集系統的特點

壓力式污水收集系統是以壓力管道輸送污廢水的系統，相對于重力式污水收集系統，壓力式污水收集系統具有以下主要特點：

（1）可避免重力流污水管道因距離長、管道埋深大而造成在地質條件較差時的施工困難；同時，管道鋪設可不受地形限制，能適用于各種復雜地形及特殊要求。

（2）各企業排出泵站共用一條壓力污水干管，可簡化管網；另外，分散的各企業泵站由各企業自行投資建設，自行管理，可大大減少市政配套的工程投資。

（3）對園區遠期發展適應性強，在管徑滿足遠期水量要求的情況下可隨意延伸，而無須擔心高程接入的問題。

軟土地區壓力式污水收集系統與重力式污水收集系統對比見表1。

1.2 壓力式污水收集系統的形態

壓力式污水收集系統主要有兩種形態（見圖1）：

（1）蒲公英型

由企業廢水調蓄泵站、壓力支管、水質水量遠程監測設備、轉輸泵站與壓力干管組成。各企業自備廢水調蓄泵站，企業泵站的壓力出水支管排出廠區后，先接至園區預留水質水量監測井，監測合格后排入轉輸泵站，否則關閉監測井閥門停止收水，轉輸泵站污水壓力干管排入污水廠自流干管，最終進入污水處理廠處理。整個壓力式收集系統呈蒲公英狀，可以稱之為蒲公英型壓力式污水收集系統。

表1 軟土地區壓力式污水收集系統與重力式污水收集系統對比

圖1 壓力式污水收集系統圖

（2）魚骨型

由企業廢水調蓄泵站、壓力支管、水質水量遠程監測設備與壓力干管組成。沿工業區主干道布置污水壓力干管，各企業自備廢水調蓄泵站，企業泵站的壓力出水支管排出廠區后，先接至園區預留水質水量監測井，監測合格后排入污水壓力干管，否則關閉監測井閥門停止收水。一條污水壓力干管上接有多條企業壓力支管，污水壓力干管排入污水廠自流干管，最終進入污水處理廠處理。整個壓力式收集系統呈魚骨狀，可以稱之為魚骨型壓力式污水收集系統。

2 工藝設計

蒲公英型壓力式污水收集系統的設計思路按一般常規泵站即可，而魚骨型壓力式污水收集系統有兩種設計思路：一是各個企業廢水分時段錯時排放，采用這種方法根據各個企業的廢水量確定其各自的排放時間，以確定最大的流量，從而能比較方便地確定管徑和各廠區水泵參數，工藝運行恒定簡單，適用廠區比較少的情況；二是各個廠區廢水同時并聯排放，采用這種方法根據各個廠區同時排放的廢水流量及其匯集后的流量變化系數來計算管徑和確定各廠區水泵參數，壓力管輸送廢水為非恒定流，運行工況變化較大，適用廠區比較多的情況。考慮工業園遠期進駐企業較多，我們主要采用第二種設計思路，即各廠區同時排放，設計關鍵在于多個企業的泵站共用一條壓力排水干管，各企業泵站的排水規模、揚程都不盡相同，需對整個系統壓力進行平衡控制，以減少各企業泵站運行時互相干擾，保證系統的正常運行。

2.1 廢水量計算

工業區基本都是先規劃設計，將“生地”做成“熟地”，即將規劃范圍內的道路、給排水、通訊、煤氣、電力工程等“七通一平”完成。建設初期，由于招商引資的相對滯后，往往難以準確確定進駐企業的性質、企業規模、工藝流程、職工人數等，往往帶有較大的盲目性和不確定性，無法按單位產品的生產用水指標精確計算；再者，由于市場經濟情況下工業項目的性質、生產管理、項目期限等都有不確定性，所以給排水設計手冊按行業及規模確定單位產品用水量，在設計中無法實際使用。

據對現狀企業排水量的調查，平均日單位面積污水量為1 380 m3/（km2·d），參考其他工業園區的用水量規模，考慮到企業的擴產增產的可能性、地塊的進一步開發完善和其他不確定因素，最終確定新材料工業區的平均日廢水量指標為2 000m3/（km2·d）。

2.2 污水壓力泵站的設計

由于工業園區中各企業比較分散，位于工業園區邊緣的企業一般離污水廠較遠，企業廢水往往要經過長距離的輸送，才能使污水排出，因此由泵站、長距離壓力管和附屬構筑物組成的壓力排水形式是壓力式污水收集系統的主要體現形式，泵站揚程較高、壓力管距離較長，這也是污水壓力泵站和普通污水提升泵站的最大區別。

污水壓力泵站的設計方法一般在普通污水泵站的基礎上參照給水二級泵站設計，但兩者在設計理念上還是存在較大的差異。給水二級泵站不能停機，須隨時保證其供水壓力，因此其水泵選型時大小兼顧，大流量時開大泵，小流量時開小泵，并采用調速來實現調配的靈活，其主要目的就是為了實現節能；而污水泵站為間歇運行，當集水池為最低水位時可停機，依靠集水池來進行流量調蓄，因此水泵選型時一般采用幾臺相同型號水泵，以力求污水泵站運行管理和維護檢修的便利。但問題是由于受給水泵站設計的影響，現在在污水壓力泵站設計中存在著這樣一個思維的誤區，認為水泵臺數越多越節能，小流量時少開泵，大流量時多開泵，因此較多的污水壓力泵站采用三用一備，甚至四用一備的水泵布置形式，我們發現這種設計方法存在著一些弊端，值得商榷。

以一座規模為1萬t/d的污水壓力泵站為例，泵站設計流量為500 m3/h，DN400球墨鑄鐵壓力管長度2 km，如果水泵三用一備，通過數學擬合，得出水泵Q-H特性曲線方程為H=21.278+0.057 883·Q-0.002 247 578·Q2，管道系統特性曲線方程為H=8.945+0.012 55·Q+0.000 461 831·Q2。圖 2為三泵并聯工作工況圖。

圖2 三泵并聯工作工況圖

在設計流量下水泵三用一備時，此時為水泵的設計工況，通過數解法可計算得出總流量Q設=136.48 L/s，每臺水泵流量 Q=45.492 L/s，H=19.26m；而在小流量工況下若只開啟一臺水泵單獨運行時，通過數解法可計算得出流量Q=76.348 L/s，H=12.595 m，此時的流量為三臺泵運行時每臺水泵額定流量的1.7倍，工況已遠超該水泵的高效段，在不采用調速裝置的情況下，水泵振動、噪聲會比較大，電動機有過載的危害，會影響水泵的壽命。

另外，從節能角度考慮，計算污水泵站的電耗值W=γVH/102η,式中，γ為液體容重，V為泵站的規模，H為水頭損失，η為水泵的效率，即提升輸送相同體積的水，無論是通過小泵長時間運作的方式還是大泵短時間運作的方式，其有效作功是相同的，污水泵站能耗只與其水泵的效率有關。但是，我們在查詢水泵樣本時卻發現，大功率水泵比小功率水泵效率要高，比如同規模的泵站，一用一備的Q=500 m3/h、H=19 m的水泵效率約為80.5%，而三用一備的Q=167 m3/h、H=19 m的水泵效率約為69%，因此大泵短時間運作的方式反而更為節能，故建議污水壓力泵站宜采用水泵一用一備或者二用一備的工作方式，其運行安全節能。

2.3 污水壓力干管

污水壓力管設計先進行平面定線、劃分產污面積，從而計算污水壓力管設計管段的設計流量、確定管徑，然后根據壓力污水干管的走向及地形標高，選定整個系統的控制點（注意控制點不一定為最遠點，也有可能為地形最高點），再根據控制點的高程、管徑、管材及設計水量等因素計算出沿程全線各點的壓力高程線，該壓力高程線為系統壓力平衡的基礎，也是各廠區廢水泵選型的依據。圖3為蘇南某工業區壓力式污水干管平面圖。

圖3中黑點處橋梁高點為該壓力式污水收集系統的控制點，圖中管道沿線的壓力高程線是以控制點為起點對每段管道進行計算的結果，污水壓力管管材采用HDPE高密度聚乙烯管和球墨鑄鐵管，內壓等級不小于0.8 MPa。

（1）管道總水頭損失計算公式

式（1）中：hz——管道總水頭損失，m；

hy——管道沿程水頭損失，m；

hj——管道局部水頭損失，m。

（2）塑料管沿程水頭損失計算公式

式（2）中:λ——沿程阻力系數；

l——管道長度，m；

dj——管道計算內徑，m；

v——管道斷面水流平均流速，m/s；

g——重力加速度，m/s2。

（3）球墨鑄鐵管沿程水頭損失計算公式

式（3）中:i——管道單位長度的水頭損失（水力坡降）；

C——流速系數；

R——水力半徑，m。

（4）管道的局部水頭損失

式（4）中:ζ——管道局部水頭損失系數。

圖3 蘇南某工業區壓力式污水干管平面圖

根據污水壓力管水量不斷變化和污廢水氣體較多的條件，為便于日常維護管理和事故檢修，污水壓力管道全線每隔100～200 m可設置壓力檢查井，管道設計流速低的應減小井距，壓力檢查井可采用三通或四通來設置，砌筑井室并預留沖洗接口；管道埋設宜具有一定坡度，沿線高點設置自動排氣閥、低點設置排泥閥；各支管在接入壓力干管前設置閘閥和止回閥，這樣可減少互相干擾，支管檢修時不影響干管使用。

3 運行管理

壓力式污水收集系統不同于普通壓力排水系統，特別是對于魚刺型系統，對其日常維護管理也提出了更高要求。壓力干管的工況狀態按所有企業泵站全部運行的狀態進行設計，而一根壓力主管上容納的企業可能會有10家以上。由于各企業接入廢水壓力干管的時間有先后，各企業排污的高峰時段也不盡相同，因此在管理上要根據各企業排污的規律，統籌安排，優化運作，在實際運行時根據需要可通過調節壓力干管或支管閘門的開啟度來進行水量節流，調整系統流量。

為避免增加系統調節難度，同時納入一根壓力主管系統的企業不宜過多，一般不宜超過10家，若有多家小型企業時宜采用蒲公英型系統進行收集。

壓力式污水收集系統須定期維護。管理人員應定期抄取排水時段壓力管道上壓力表及流量計讀數，據此分析管道的淤塞程度及部位，必要時可采用高壓水進行沖洗、疏通[2]。

4 結語

蘇南某工業園壓力式污水收集系統自2008年開工建設以來，陸續補充完善，現已有10多家企業接入該系統，運行情況良好，取得了較好的經濟和社會效益。壓力式污水收集系統對于軟土地基區域的工業園區，具有較強的針對性，已達到技術和經濟的最優化，可以取代傳統的重力式廢水收集系統。

[1]伊學農，任群，王國華，王雪峰.給水排水管網工程設計優化與運行管理[M].北京：中國建筑工業出版社，2000.

[2]劉超，王澤欽.碧桂園假日半島多支管壓力污水管網設計探討[J].給水排水，2006（32）：197-199.