負壓收集系統在甪直農村污水收集工程中的應用設計

仲明明

（上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海 200092）

0 前言

示范工程位于蘇州市吳中區甪直鎮甫南村（見圖1），包括400戶約2000人的生活污水收集。受建筑稠密、街道狹窄、地勢平坦、建筑抗擾動性差等因素的制約，目前村內的污水一般就地排出或接入室外化糞池，污水就地下滲，居民污水難以采用常規的重力方法收集排入周邊市政管網。

圖1 甪直鎮甫南村、南厙村地形圖

1 收集系統模式的選擇

1.1 污水收集技術分析及選擇

重力排水系統不適用于水系密布、房屋密集、道路狹窄、建筑抗擾動性差的地區。因此，該工程不考慮采用。

真空排水系統、壓力排水系統、小管徑重力排水系統和新型負壓污水收集系統均適用于該工程的地形特點，其中真空排水系統和壓力排水系統的用戶端設備均較多，且自控要求高，給日后的維護和管理增加了困難。而小管徑重力排水系統需要在用戶端建設標準較高的截留池，甫南村、南厙村住宅密度大，難以設置截留池。

水封式負壓污水收集技術是針對水鄉城鎮具體情況，結合真空排水和虹吸原理開發的一項新技術，與真空排水相比，設備少、投資省、自控要求低。

綜上所述，該工程推薦采用水封式負壓污水收集技術。

1.2 水封式負壓污水收集系統

1.2.1 系統組成

水封式負壓污水收集技術是上海市政工程設計研究總院研發的一種新型室外污水收集技術。室外負壓收集污水裝置由若干個收集單元、負壓管、負壓站組成。其中收集單元由進水管、收集井、水封管和抽吸管組成，負壓站由負壓收集罐、真空泵、排水抽吸泵及控制裝置組成。該收集系統利用負壓抽吸原理，在正常運行時，家庭內污水重力流到室外污水收集井，在污水收集井作短暫停留，在真空站內真空泵開啟的情況下，污水重力進入水封井，再由抽吸支管匯流到負壓管，再由負壓管流到污水收集罐內。圖2為水封式負壓收集系統圖。

圖2 水封式負壓收集系統圖

1.2.2 特點和適用范圍

負壓污水收集技術是在傳統真空收集技術的基礎上，結合虹吸原理研發的一種新型室外污水收集技術。該技術具有以下特點：

（1）在各收集井采用水封管代替傳統的真空啟動閥，省去了真空監控系統，設備簡單，投資省，易運行維護；

（2）在正常情況下，空氣不進入負壓管道，輸送效率高 ，能耗省，運行費用低；

（3）管道小、埋深較淺，不需要保持嚴格的管道坡降，適用于傳統重力排水難以實施的地區；

（4）無泄漏，利于環境保護；

（5）但在管道實施過程中，與真空系統一樣，對收集管道的氣密性要求高，且為了減少系統靜提升的損失，在管道敷設時，應盡量避免大的起伏，防止氣體在管道中積聚。

2 工程設計

2.1 主要設計參數

2.1.1 污水量

按照《鎮（鄉）村排水工程技術規程》（CJJ124-2008），當糞便污水和其他生活污水混合計算時，每人每天的生活污水量為100～170L/（人·d），當糞便污水單獨計算時，為20～30L/（人·d）。該工程的主要收集對象為糞便污水，考慮到少數居民家中，有部分洗滌廢水與糞便污水合流排放，因此，污水量采用100L/（人·d）。按70戶，平均每戶15人計，人口約1050人設計，每天收集水量約105 m3/d。

2.1.2 系統損失計算

負壓收集系統中流體的壓力損失一般由摩擦損失（沿程阻力損失）、靜提升損失、加速壓力損失和局部損失等四部分組成。

2.1.3 管道縱斷面布置

在負壓收集管道中縱斷面布置時，應盡量避免設置提升段，在該工程中，負壓干管原則上應按水平敷設，不考慮坡度，如現場需要避讓障礙物，需要征得設計部門同意，負壓支管由污水收集井出口按一定坡度坡向污水干管。

2.1.4 系統真空度范圍

新型負壓收集系統的真空度范圍由兩個最不利點控制，一為近端最不利點，即至負壓收集站壓力損失最小的用戶終端；一為遠端最不利點，即至負壓收集站壓力損失最大的用戶終端。

系統真空度上限PH應確保近端最不利點水封不被破壞，系統真空度下限PL應確保遠端最不利點的污水能得到有效收集。

2.1.5 負壓管道最小設計流速

在該工程中，負壓管道最小流速大于不淤流速0.3 m/s。

2.1.6 負壓收集站設計計算

2.1.6.1 污水泵

負壓收集系統中的污水泵選擇無堵塞排污泵。污水泵的流量由系統設計最小污水流量確定。

2.1.6.2 污水收集罐

污水收集罐為不銹鋼板制成，工作真空度按0.02MPa～0.06MPa設計。污水收集罐有效容積計算公式為：

2.1.6.3 真空泵

該工程中系統真空度范圍在0.02MPa～0.045MPa，屬于低真空范圍，選用水環真空泵。

2.2 主要構筑物設計

2.2.1 污水收集井

每個收集井分成三格。第一格為貯泥井，主要進行糞便及顆粒物質的沉積，有效容積：0.28 m3；第二格為貯存井，主要用于短暫貯存住戶排出的污水，有效容積約0.34 m3；第三格檢修操作井，主要用于對水井管、閥門的安裝和維護管理，內設有DN150水封管一根，深度一般為埋入地面以下4.0～4.5 m，管底端封閉。

污水收集井內的水封管采用專用成套裝置，出口接DN65抽吸管，設置DN65手動球閥一只，DN65止回閥一只。

污水收集井一般設置在住戶北面，施工時應滿足以下條件：

（1）就近接入：污水收集井設置在離廁所出口附近，方便廁所廢水就近接入。

（2）方便操作：具有一定空地，并避開人行及交通要道，方便操作管理。

（3）防雨功能：頂板需高出周圍地面約100 mm，防止雨水進入。

（4）防滲功能；收集井內側必須防滲處理，建成后應經滲漏檢驗。即加滿水觀察24 h，其水位的減少，以不超過10 mm為合格。

（5）旁通功能：溢流旁通功能，在收集設備損壞時，污水能夠溢流旁通，溢流管就近下滲或排入附近溝。

（6）設置可開啟蓋板：每格需要設置可開啟式的蓋板，方便清淤和井內設備的管理。

根據以上設計原則，該工程收集井總數28只，污水收集井設置成品蓋板，方便開啟。

2.2.2 收集管網

根據系統服務范圍特點和系統真空度控制要求，確定負壓收集系統管網布局。南厙村被甫澄中路分割為東西兩邊，甫澄中路柯福路口有一處市政污水井，考慮在甫澄中路東側村口綠化帶內設一套真空系統，敷設兩路負壓收集干管，其中西側2＃干管管徑DN200，管中心標高為2.0 m，服務用戶端數量15個，由南側甫澄路橋洞下水平敷設至東側，接入東側1#干管內；東側1#干管管徑DN150，管中心標高為1.8 m，服務用戶端數量13個，接納西側2東側干管后接入設置于村口甫澄路西側的負壓收集站中，收集站出水沿甫澄路向南排入柯福路上現狀DN400污水管內。

該工程埋深較淺，均采用開槽埋管法施工，管材：DN100～D200均采用UPVC給水塑料管，粘結接口。所有管道工作壓力為0.6 MPa。

施工過程中應注意以下幾點：

（1）管網布置宜采用水平布置，在管網施工過程中，應盡可能減少凸起或下凹，防止氣體在管道中積聚導致管網的阻力增加。

（2）應注意管道的密封性，在覆土前應作氣密性試驗。

2.2.3 負壓泵站設備

根據現場條件，該工程負壓泵站設置于南厙村口甫澄中路西側路邊的綠化帶內。

負壓收集站采用成套專用設備，具體參數如下：

負壓收集罐：負壓收集罐共設1臺，負壓收集罐直徑為1.5 m，直段長2.0 m，總長2.5 m，采用臥式安裝方式，負壓收集罐上設置高液位和低液位浮球開關。設負壓開關2只，控制真空罐內的最高真空壓力和最低真空壓力。

污水泵：流量為40 m3/h，H=10 m，P=4 kW，吸水高度7 m，設兩臺(一用一備)。每臺水泵出口設置DN65止回閥和氣動截止球閥。

真空泵：真空泵采用水環式真空泵，壓力為-56.7時，抽氣量為 500 L/min，P=3 kW，設兩臺(一用一備)。

負壓收集站內設置控制箱，系統可根據需要采用定期開啟和常開啟兩種工作模式，同時根據壓力開關控制系統開關，當壓力升至升壓真空開關規定的真空上限時，關閉系統電源，當真空壓力降到降壓真空開關規定的下限時，開啟電源；當貯水池內的液位低于某一液位時，低液位開關接通，水泵關閉，真空泵啟動；當貯水池內的液位高于某一液位時，高液位開關接通，真空泵關閉，水泵啟動。

真空站最大同時啟動功率為6 kW，設備配置功率為18 kW。

2.2.4 泵站控制室

負壓收集站下采用200 mm厚混凝土基礎，收集站安裝完成后，在設備外設置彩鋼房作為控制室，控制室尺寸為3.6 m×5 m，高3.5 m，在真空收集設備完成后再實施。

2.2.5 管道閥門

為檢修及清淤，每隔一段距離設置閥門，在該工程中，負壓管網中的閥門井的最大設置間距約為120 m。

2.2.6 真空站其它配套

真空站需配套DN15自來水，用于清洗和真空泵補充用水，配備供電6 kW。

2.3 運行模式

負壓收集站采用自動運行，無需人員值守，但需設一人負責定期巡視和設備維護。同時負責管網維護和相關維護宣傳工作。

系統控制采用和集中控制模式，集中控制模式下，各污水收集井內閥門全開，由負壓收集站定時啟動真空泵。系統真空度由遠端最不利點和近端最不利點控制，控制原則為完成遠端最不利點抽吸工作的同時，近端最不利點的真空不被破壞。該模式下負壓收集站控制要求如表1所列。

表1 集中控制模式負壓收集站控制要求一覽表

2.4 主要工程數量表（見表2）

表2 主要工程材料表

3 工程驗收

3.1 管道驗收

整體管道的密閉性測試應按下列步序和規定進行：

（1）關閉所有的閥門，用管帽封堵所有管口，保證所檢查范圍的密閉。

（2）將真空泵接入終端檢查管，根據壓力表顯示提供-0.03 MPa負壓，并要求此負壓維持30 min，在此后的4 h內壓力衰減不超過5%即為密閉性合格。

（3）測試時必須有施工方、設計工程師、監理單位到場，并記錄測試結果。

3.2 設備驗收

由于該工程采用負壓新技術，真空泵站內設備及收集井水封管需要采用專用成套設備。

4 結語

生活污水一般采用重力方式進行收集，但大部分農村建筑密集、街道狹窄、建筑抗擾動性差，難以采用重力方式收集生活污水。負壓收集系統所需敷設的管道管徑小（DN100～DN150）、埋深淺（約0.5 m），能夠在農村狹小的街道下敷設，設備運行費用也不高，維護相對簡單，為農村污水收集提供了新的出路。

目前，甪直鎮甫南村南厙區域污水收集工程已基本竣工，現已通水運行，效果良好，為農村生活污水的收集提供了工程示范，表明負壓收集系統具有良好的應用前景。