真空排污系统在城区生态改造中的应用

尹立新，高战争，薛国强，任国俊

（1.常熟理工学院，江苏 常熟 215500；2.常熟市住建局，江苏 常熟 215500；3.苏州安省设计有限公司，江苏 常熟 215500）

1 引言

真空排水系统是一种新型的非重力排水系统，与传统重力排水系统相比，污水真空收集系统不但能节约用水、保护环境，而且具有管径相对较小、不受地形限制、管网安装方便、不易堵塞、经济性能好等优点[1]。与现行常规节水便器相比，粪尿分离真空便器冲厕耗水减少80%～90%，且产生的粪尿总量相应减少[2]。此系统己在欧美国家日益得到重视，用于城镇居民区、生态旅游区以及缺水和修建重力排污系统困难的地区[3]。室外真空排水系统由真空站（包括真空泵等真空源、排污泵及真空罐等）、收集室（包括真空阀门和控制装置的界面单元）以及真空管道组成。它使用收集坑（井）贮存污废水，通过真空阀门的开闭使污废水在压力差驱动和大流速气流裹挟条件下从收集坑室抽吸入真空管道，期间通过逐级提升的布管技术实现远距离输送至真空泵站中的真空罐，最后排入处理系统[4]。

真空排污是一种具有很大潜力的工程技术，应用十分范围广泛。1987年洛蒂格公司在无须改变原内部房屋的重力排污系统的基础上，首次将真空收集运用到户外排污系统[5]。美国的第一套民用真空排污系统建于1970年，在维吉尼亚州弗雷德里克斯堡附近的湖区。至今，美国有多达500套的不同规模的真空排污系统在运行或建设之中。美国国家环保局己指定真空排污系统为推广普及的新技术，用于替代传统的重力式排污管道系统。澳大利亚、英国等欧洲国家至今也有上千套的真空排污系统。1997年英国公共标准协会制定了真空排污系统的规范BS EN1091∶1997。目前室外真空排污系统己在欧美渐呈流行趋势。日本于20世纪90年代开始研宄真空排污系统，并较快地实现了实用化，《下水道设施计划与设计指针》1994年版收入了真空排污系统。

随着真空排污系统设备的国产化、系统设计水平的提高以及人们对环境问题的日益关注，真空排污系统作为一种新的替代型排污管道，正在逐渐引起关注。位于长三角地区的常熟市在生态城市建设和改造中，引进真空排污技术，首先应用于旧城改造，改变了常熟后桃花村区的原始排污方式，采用污水重力流进入积水井，井内真空输水装置将污水经真空管道收集至真空站的真空罐，再用污水泵排污至市政处理设施的排水方式。该项目取得了较好的成果，常熟市政府部门进一步推进节能减排，将真空排污技术与土壤渗滤工艺相结合，在城市景区排污改造上进行了应用，探索了一条生态城市排污改造的新思路。

2 真空收集系统方案

2.1 真空收集系统原理

真空集便器技术是一种高效的、依靠真空负压来实现污物收集及转储的技术。系统由真空集便器、真空管网、真空工作站（包括真空泵组、容错过渡罐、停电保障系统、控制箱、配电箱等）、GSM无线监控报警系统和污水处理设备组成。该技术体现在：真空产生、真空收集、污物粉碎、污物传输均在同一个过程中完成，从少到一个便器终端，多到数百个便器终端，都可以灵活设计成不同的系统解决方案。

水冲式公厕的生活污水主要分为两种：大小便产生的污水（简称“黑水”）和盥洗产生的污水（简称“灰水”）以及厕所打扫卫生产生的污水（简称“灰水”）。根据水冲式公厕的污水调查结果来看，黑水与灰水各占总污水量50%左右。但是灰水COD、TSS、N、P、K的指标分别占5%、8%、2%、10%、8%；黑水 COD、TSS、N、P、K 的指标分别占95%、92%、98%、90%、92%。通过上述分析可知：黑水和灰水的水量虽然基本相等，但水质却相差很大。传统的水冲式公厕将黑水和灰水混合排放，从而使得轻污染的灰水也变成了重污染的黑水，增加了黑水产生的总量，增加了收集与处理的成本。因此，采用真空源分离技术应先从源头将黑水和灰水分离，然后对黑水和灰水分别处理。

2.2 真空收集系统特点

传统排污管道系统大部沿用重力排污系统，重力排污系统存在许多弊端，如易受地形限制，不能灵活地与其他专业管线进行综合协调，管道直径大，需较大的坡度和埋深，需设置大量污水检查井、提升泵站或倒虹吸管等附属构筑物，致使施工难度、建设成本、运行维护成本大幅度增加。

分散式真空污水收集技术是一种新技术，其核心为真空集便系统。

在真空收集过程中，负压不但有良好的隔臭性能，同时能够撕裂、粉碎和搅拌污物而无堵塞管道之虞，可减小管道直径，且方便其布置。真空工作站无视地形高差可直接将污水排放到黑水箱，发酵后可形成经济廉价的有机肥，变废为宝。真空集便器每次冲洗只需0.5L水，比传统的水冲厕所节约90%以上的水（传统抽水马桶冲洗水量约为6～12L／次），并且收集的高浓度黑水可用于堆肥、发酵等，具有节水和资源化的优点。由盥洗池、清洁厕所等产生的灰水则由渗滤系统进行简单处理，然后进行中水回用，这就基本实现了该公厕的污水零排放。

由于用水量大大降低，因此污水的总容积也大大缩小。在相同终端数目的情况下，黑水收集箱的体积远远小于传统的化粪池的体积。现状化粪池容积可利用改造成发酵池。真空集便器系统在正常情况下处于等待的状态，只有在按下冲水按钮以及管道内真空度不足的情况下，真空泵才会运转。据调查，真空集便器每使用一次的耗电量仅为0.005kW·h左右，所消耗的电能费用远远小于传统水冲式厕所多消耗的水资源费用。

2.3 与真空收集系统配套的土壤渗滤工艺

土壤渗滤工艺是一种人工强化的污水生态工程处理技术，它充分利用在地表下面的土壤中栖息的土壤动物、土壤微生物、植物根系，以及土壤所具有的物理、化学特性将污水净化，属于小型的污水土地处理系统。日本在20世纪80年代开发出土壤毛管浸润沟污水净化工艺，处理生活污水的出水水质优于二级处理出水。美、法、德、以色列等发达国家也部在大力推行与土壤渗滤技术相关的土地处理工艺，美国大约有36%的农村及零星分散建造的家庭住宅采用了此类技术处理生活污水。

土壤渗滤系统设备简单、投资少、操作管理方便、能耗低、净化效果好，特别适用于污水管网不完备的区域，处理分散排放的生活污水。

3 工程概况

3.1 工程简介

维摩山庄位于虞山半山腰，是虞山尚湖旅游度假区及市民休闲聚集景点之一。每周人流量1200人左右。该处地面黄海标高约172.0m，城区地面标高2.6m左右。维摩山庄现状有一座传统水冲式厕所，污水进化粪池后外运。该处市政污水重力自流管无法到达，且远期无污水规划。本次维摩山庄整体综合改造，污水收集与处理是建设单位考虑的重点之一。

3.2 设计方案

图1 污水收集与处理系统

本工程拟采用土壤渗滤工艺：灰水通过进水布管进入土壤渗滤系统，首先在植物的作用下得到初步净化，然后逐步下渗，经过土壤的时候，在土壤毛细管作用以及土壤内微生物的降解作用下，灰水得到进一步的净化，然后由排水管排出。为防止灰水不断下渗污染地下水，土壤渗滤系统的底部铺有防水层。

经过专家论证，确定采用黑水真空集便源分离收集及灰水土壤渗滤处理工艺，实现“节水、零排放、资源化”的综合治理目标。主要思路是：公厕小便、大便产生的黑水通过真空系统收集至黑水储存罐，发酵产生有机肥就地利用，或结合盥洗及厕所打扫卫生产生的灰水通过土壤渗滤系统处理，流入下游进行中水回用。

根据景区调查确定设计参数：总黑水量1029L／d，总灰水量6.9m3／d。维摩公厕污水收集与处理，通过采用真空蹲便器、真空坐便器、真空残疾人便器、真空小便斗等终端，利用真空管对人粪、尿的这部分高浓度的污水进行密闭收集，并经真空工作站存储到黑水收集箱发酵。黑水发酵完成为高浓度有机肥，而像盥洗盆排出的污染程度较低的灰水，可以通过渗滤系统进行处理，然后到下游钵孟潭进行中水回用。高浓度有机肥结合中水稀释后可作为肥料，如图1所示。

3.3 系统运行保障

本方案从设置、施工以及监控三方面来保障整个系统的安全性。

在管路设计方面，该系统在每一个终端及节点均设置一球阀。若某一终端出现故障，则可将该终端上的阀门进行手动关闭，从而防止某一点的故障对整个系统造成影响。也就是说，终端之间部是相互独立，互不干涉的，这就保证了整个系统的安全稳定运行。

在施工方面，该技术保证管道的优质施工。管道外部均采用混凝土包裹以增加管道强度，防止出现由于管道破裂产生的真空度受损问题。在管道必须过路的情况下，须在管道外部加套钢管，使管道能够承受车辆的重量。整个管线每隔一定距离设置一检查井，以定期进行检查。在整个施工完成之后，须对整个系统进行24h的测试才能投入运行。该系统采用GSM实时监控，24h监测系统的正常运行。在正常情况下，监控中心每日将收到2条关于真空度等参数的信息。一旦系统监测到故障，将立即将故障信息反馈给监测中心，再由监测中心立即派专人维修，以使故障在最短的时间内被排除，保证系统的稳定高教运行。

3.4 系统后期维护

在整个系统建设完全并稳定运行以后，工作人员将定期对系统进行检查和维护，具体操作为：每周检查真空过滤罐内污物是否超过容积的1／2，超过则需要及时清理；每天观察真空泵内水位是否大于1／2，如果水位不够，及时加水；巡检时，读取真空表数值，并做好记录；检查真空泵站控制箱，工作指示灯是否点亮，有无报警信号。

每个真空便器使用频率为n＝1200×3÷7÷14＝37次／d，真空便器每次冲洗收集的污水量为2L，按照10年的服务期限，对维护费用进行统计。真空站除橡胶易损件外，其余固件使用寿命在20年左右。

4 结语

真空排污系统是新型的污水收运系统，它是利用真空负压产生的压差来强制性输送污水，与现行的重力排污系统相比，真空排污系统具有众多优势：适用范围广，节约水资源，系统综合费用较低。因此在旧城区改造中有特有的优越性。真空收集系统的耗水量仅为传统水重力方式的1／10，采用该系统进行分离收集，可以将高浓度的黑水变为有机肥，实现高浓度黑水的资源化再利用，具有很好的经济效益。同时也减少了污水的排放量，减轻了对水环境的污染。浓缩黑水的资源化利用也减少了对空气和土壤的污染，有效地保护了环境。

[1]郭 晓，张 杰.中国都市排水系统功能的变革[J].中国给水排水，2005，21（10）：21～24.

[2]张 健，高世宝，章 菁.真空便器与真空排水在节水和污水源分离中的应用[J].给水排水，2008，34（2）.

[3]杨维娟，戴镇生.新型的真空式和压力式下水道[J].给水排水，1996，22（6）：52～55.

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