城镇污水负压收集与源分离系统应用与发展探析

2022-11-04常闻捷孙兆海吴天祺朱晓晓聂慧君

中国资源综合利用 2022年10期

王苑，常闻捷，孙兆海，蔡颖，吴天祺，朱晓晓，聂慧君

（1.江苏省环境工程技术有限公司；2.江苏省重点行业减污降碳协同控制工程研究中心，南京 210019）

“十四五”时期，我国水环境污染治理发生重大转向，从原有的以污染末端治理为主，转向服务于国民经济的绿色化改造。城镇生活污水富含氨氮和磷酸盐，对其进行资源分离和循环利用成为绿色化改造的重要途径之一。重力排水系统是目前我国城镇污水收集的主要方式，但其存在混排、漏排、错排等弊病，污水收集率难以突破70%～80%的上限，且不可避免地存在渗漏、沉积、结垢而引发的环境污染问题，进一步阻碍污水资源化利用技术的发展。探索绿色低碳关键技术成为生活污水资源化利用的重要研究方向。

污水负压收集系统作为常规重力排水系统的重要补充，最先从19世纪的欧洲兴起，20世纪60年代作为常规重力排水技术的重要补充，得到美国环境保护署的推广[1]。1987年，美国洛蒂格公司首次将负压收集技术应用于户外排污系统中。21世纪初，我国第一套负压排水系统应用于上海国际赛车场厕所污水收集项目[2]。之后，该技术主要被应用于高铁、地铁、隧道等因条件限制需要强制排水的区域[3]。近年来，该技术逐渐由交通领域向民用市政排水领域拓展[4]，并在污水源分离与资源化利用方面有较为广泛的应用。

本文从城镇污水负压收集与源分离系统的先进性和经济适用性角度出发，通过对理论研究进展的分析，结合工程应用的改进，对比分析了负压收集系统的优势与不足。其间从管径选取、连接方式、地形条件、运行维护和资源化利用等方面分析了负压收集技术与传统重力排水技术的经济适用性，指出该技术目前的经济适用条件，并针对该技术发展存在的制约因素提出展望，以期为工程研究提供参考。

1 污水负压收集与源分离系统的先进性分析

1.1 理论可靠性

污水负压收集与源分离系统具有先进性，其理论可靠性主要体现在3 个方面。一是管内流体形态，二是管网布置形式，三是管路水头损失。

1.1.1 管内流体形态

污水负压收集与源分离技术通过抽吸管内空气的方式，利用污水和空气在管内的压差，由高速气相带动较低速的液相向终端流动。根据管路系统启闭模式的不同，管内流态分为环状流、弹状流、波状流和层流[5-6]。当系统处于开启阶段时，污水和空气在压差作用下一同被吸入管道，由于气体流动速度远高于液体，气相在管道中心流动，而液相则贴着管壁流动，部分液滴夹杂在气流中向前运动，此时的流态为环状流。随着系统趋于稳定运行，液相在管道中的占比增加，液相和气相运动速度趋于一致，尤其在管道提升段及其附近，污水与空气交替出现，此时弹状流为负压管中的主要流态。随着运行时间的不断增加，系统中的真空度逐步下降，空气难以对污水产生足够的剪切推动力，污水回落到管道底部，在气液交界面形成波状流。当系统逐步停止抽吸空气后，污水基本停止向前运动，管道内仅余空气在管道上部流动，流体呈分层流形态[7]。

1.1.2 管网布置形式

为了避免形成封闭水柱造成堵塞，负压管道以锯齿形方式布置，整个系统存在多处提升段，每个提升段由45°弯头和一根直管组成。此种布设方式能够使系统暂停运行时，污水分散在各个提升段的最低处，且与管顶仍留有空隙，避免形成封闭水柱造成堵塞，保证下一次抽吸时空气流通顺畅，对液相产生足够的挟带动力。设计时，为了满足最低点空气流通空间的盈余，管道长度、坡度和管径应满足式（1）的关系。

式中：L为管道长度，m；I为管道坡度，I≥0.2%；D为管道外径，mm；d为液面与管内上壁间的空隙，mm。

1.1.3 管路水头损失

污水负压收集系统设计的合理性与经济性往往与管路水头损失密切相关。张健等[8]研究了两相流摩阻损失和压降的关系，提出两相流摩阻梯度关系式，并推论得出当污水流量和管道管径确定后，液相折算系数的取值基本固定在2.0 左右。有研究推导出较适用于计算光滑圆管中水头损失的Hazen-Williams 公式，该公式也是目前应用较为广泛的负压管水头损失计算公式之一[9-10]。周敬宣等[11-12]在Hazen-Williams公式基础上，考虑了气相流的作用，推导出负压管沿程阻力损失的计算公式。段金明[13]考虑了气、液两相流同时存在时液相流截面积的损失、气相带动液相所消耗的过多能量，二者相互作用和呈微波状的液相与管壁之间所增加的摩擦损失，推导出基于分相模型的两相流牛顿流体摩擦损失计算公式、非牛顿流体气液两相流摩阻压降梯度计算公式以及弹状流摩阻压降的计算公式，大大提高了计算精度。

1.2 技术可靠性

污水负压收集与源分离系统的真空度是维持系统正常运行的基本参数。设定合适的真空度，能够避免过快抽吸导致大量空气涌入而破坏真空度，也可避免抽吸量不足导致下一次启动无法正常进行。大量工程经验表明，负压收集系统所需真空度为0.05～0.07 MPa[14]。为了维持系统的真空度，负压管道内需要一直保持有一定体积的空气，一般情况下，管道内空气体积需要不小于污水体积。气液比过低会造成气液两相界面剪切力不足，污水无法被输送至终端，而气液比过大则会造成不必要的能耗产生，因此气液比是影响真空度的直接参数。国内外工程实践表明，气液比的大小与管长成正比，其可参考表1取值。

表1 最大管线长度与气液比的对应关系

气液比的选择除了与管线长度相关外，还与管线的服务人口密度相关。有研究[7]在管线长度与气液比的关系基础上，结合服务人口密度细化了气液比的取值，如表2所示。

表2 管线长度、服务人口密度与气液比的对应关系

1.3 工程可靠性

污水负压收集与源分离系统中，维持真空度的关键设备是真空界面阀，用于控制整个系统的真空度。目前，国内常用的真空界面阀有浮球式界面阀、电磁式界面阀、气压式界面阀三种。

1.3.1 浮球式界面阀

浮球式界面阀是国内最早使用的一种真空启闭装置，主要设备有浮球触发装置、拉杆、隔膜阀及进气三通。当收集箱内液位上升到一定高度时，浮球带动拉杆打开隔膜阀，实现对污水和空气的抽吸；箱内污水抽吸完毕时，液位回落，浮球带动隔膜阀将负压通道关闭。由于控制精度较差、设备所占空间较多、有效收集污水量较低、零部件更换频率过高等缺点，此种启闭方式已逐步被淘汰。

1.3.2 电磁式界面阀

电磁式界面阀通过磁翻板液位计感应真空收集箱体中的污水液位，将信号传输至可编程逻辑控制器（PLC），从而控制电动蝶阀开启或关闭。该系统控制精度较高，但需要不间断供电，且需要应对防雨、防潮以及突发断电等问题。必要时需要为其准备备用电源，否则严重情况下会破坏整个系统的真空度，一旦系统真空度被破坏，则恢复需要较长时间。此种界面阀较适用于有条件提供控制箱和保护措施的场所。

1.3.3 气压式界面阀

气压式界面阀通过压力传感器将压力信号转化为电信号控制阀门启闭。当真空收集箱内的污水上升至一定高度时，箱体内的气体被压缩，界面阀自动开启，污水在负压条件下被空气裹挟着进入负压管道中。当真空收集箱的液位随着抽吸作用逐渐下降后，收集箱内气压逐渐降低，真空界面阀自动闭合，维持管道的真空度并等待下一次抽吸。考虑到管道内气液比的稳定，一般设计会在界面阀处设置延时控制，使其在收集箱污水抽吸完毕后仍留有一定工作时长，抽吸足够的空气来满足下一次系统运行所需的气液比。气压式界面阀利用污水上升在管内形成的正压作为启动动力，利用上下压差替代液位触发装置，且无须外部持续供电，有效克服了前两种控制装置的弊端。

有研究[7]对比了电磁式界面阀与气压式界面阀的流通能力、气液比和局部压力损耗等性能参数。试验结果表明，在相同的初始压力下，二者流通能力相差不大，均在3～7 L/s，但气压式界面阀比电磁式界面阀的初始流量高出0.25 倍。气压式界面阀启动中同时进水进气，管内气液比的调节更多地依赖气体压差，相对地，可控制范围较小。电磁式界面阀和气压式界面阀局部压力损耗主要由抽吸空气造成，相比较而言，电磁式界面阀抗压力损耗能力更强。而在耐久性测试中，电磁式界面阀表现出较好的密闭性和完整性，但气压式界面阀出现局部腐蚀或生锈现象，影响阀门的灵敏性。

真空界面阀的故障频次占整个系统故障发生频次的80%以上。通过在多次工程实践中的研究与改进，目前，真空界面阀的性能已得到一定提高。有的通过在隔膜上增加耐屈度及强度的骨架强化层来对抗磨损；有的则通过设计双管路并联、双真空隔膜阀串联抽吸的备用模式来维持故障时系统的正常运行。

2 污水负压收集与源分离系统的经济适用性分析

2.1 管径选取

污水负压收集系统相较于重力排水系统，在管径选取上更具有经济性。负压收集系统管径取75～250 mm，土方开挖和回填量少，开挖浅，无须做支护，施工较为简单，工期短；重力流排水系统管径一般取200～1 500 mm，敷设时需要设置一定的坡度，随着管线长度的增加，埋深逐渐增大，施工需要做边坡支护，施工复杂度较高，工期长。以设计中采用较多的管径为例，管径200 mm 的聚乙烯（PE）实壁管综合造价（考虑管材采购、开挖、回填和铺设）约为550 元/m，管径800 mm 的PE 实壁管综合造价约为750 元/m，相比前者，单位成本可节约26%。由于管径小、布置方式灵活，负压收集系统在沿河截污中起到至关重要的作用。例如，2011年，常州市在北市河2 km 滨河生活带利用负压管对28 处雨污合流排口进行截污改造[15]；2020年，佛山市在新松涌1.25 km的岸线两侧敷设负压管道1 610 m，使该区域截污率提升至90.05%[16]。

2.2 连接方式

由于连接方式的不同，负压收集系统相较于重力排水系统，可节约一定的检查井设置成本。重力管道每隔25 m 左右以及在管道转弯和连接处均需要设置检查井，负压管道在锯齿处一般采用承插热熔连接，需要间隔约300 m 设置一座检测井，用以检查系统真空状态。相同收集范围内，重力系统检查井设置数量约为负压系统的15～20 倍，成本增加2～3 倍。若重力排水系统埋深过大时，还需要设置中途提升泵站，则成本将增加4～5 倍。

2.3 地形条件

在某些受地形条件限制的地区，施工条件较为苛刻，导致重力流的投资费用大幅上升，此时采用负压收集技术能够有效降低投资成本。例如，2016年，休宁县传统古村落祖源村建设1 529 m 负压收集管道，总收集户数为140 余户，极大解决了古村落的排水难题。2019年，黄山市龙门村建成8 897 m 负压收集管道，总收集户数为285 户，极大降低了当地生活污水渗漏对水源保护地的污染。2020年，浙江省历史文化名村芹川村建成2 000 m 负压收集管道，总收集户数超过500 户，避免大面积开挖青石板路对人文风貌的破坏。通过工程费用的测算对比，苏州市吴中区甪直镇张巷村采用负压排水技术的工程投资较传统重力排水系统降低约25%；杭州市良渚文化村采用负压排水技术的总体投资则比传统重力流排水系统降低至少30%。

2.4 运行维护

负压管内污水流速较高（4.5～6.0 m/s），不易沉积，且该管道在高速气体（20～45 m/s）的作用下能够实现自清洗，相比重力管，省去清掏疏浚的费用。以2 km 范围内管道疏通、巡检和维护的年费用对比，负压系统相较于重力系统可节约管道养护费用约40%。负压收集系统需要依靠负压动力中心和负压收集器控制运行，这在重力系统中是没有的。根据污水收集规模的不同，增加的费用有所不同，有项目测算，负压系统吨水综合成本较重力系统高出0.83 元/m3。此外，负压中心的主要设备（真空泵、排污泵、控制柜等）运行需要消耗一定电量，负压系统电费支出为重力系统的1.2～2.0 倍。

2.5 污水源分离与资源化利用

负压收集系统应用于生活污水源分离与资源化利用，这是目前较为流行的污水再生利用途径之一，通过绿色、低碳、循环化资源配置方式可实现技术成本的降低。例如，邯郸市农村地区利用负压排水系统将生活污水源分离，黑水经厌氧消化后产生农用沼气，灰水经人工湿地处理后回灌农田。采用负压收集系统后，年运维费用较重力排水系统可以减少3.7 元/（月·户）[17]。污水负压收集系统具有埋深浅、沟槽开挖量小、建造成本低、施工周期短等优势。在基础条件较差、施工作业面较窄、周围建（构）筑物保护要求较高的区域，其具有较高的经济适用性。

3 存在的问题及展望

我国污水负压收集技术从引进、发展到逐步成熟已经历20 余年，应用范围和领域也逐步得以拓展，在理论和实践上已具备一定深度和规模。但是，其在市政排水领域仍存在应用的局限性，技术完善程度难以提高，导致决策部门对该技术的成熟度、可靠性和经济性仍存在疑虑。虽然《农村生活污水处理工程技术标准》（GB/T 51347—2019）建议敷设重力管网有困难的地区可采用非重力排水系统，但实际决策往往更倾向于采用传统重力排水模式解决问题，这也制约了污水负压收集技术的大规模应用与发展。目前，污水负压收集系统仍存在一定的不足，其在技术应用、标准规范制定、应用范围拓展、全生命周期评价体系研究上还有进一步提升的空间。

一是真空界面阀作为维持系统真空度的关键部件，其密闭性和耐损耗性能仍有待提高。在其材料选择上，可充分结合新型材料研发与应用，在维持系统负压状态上进行创新与突破，尽可能减少真空界面阀的作用，采取无机械控制方式维持真空度，降低系统投入和维护成本。

二是我国现有污水负压收集技术系统性设计规范《室外真空排水系统工程技术规程》（CECS 316—2012）编制较早，对目前实际工程的指导意义逐步下降。大多数设计人员主要依靠经验进行设计，可能会造成工程造价偏高、投入余量过大等。污水负压收集技术在验收和运维中可以参考的规范十分有限，导致验收标准参差不齐，运维要求难以统一，后期运行管理不到位，使负压收集系统难以发挥其成效。因此，其在设计规程、调试要求、验收标准、运维服务管理标准等方面还有待完善。

三是就目前应用条件而言，污水负压收集技术由于各方面因素的限制，应用范围较小。随着农村生活污水治理和资源循环利用的大力推进，有必要将负压收集技术与农村污水治理相结合，探索农村生活污水“负压收集—集中处理—资源化回用”的经济型模式，拓展负压排水技术的服务范围，突破其提升高度的限制，使负压排水技术与海绵城市、尾水湿地建设、生态缓冲带构建等工程有机结合，提高其在绿色、低碳、循环发展中的重要作用。

四是项目全生命周期评价有待完善，这有利于负压排水技术的应用和发展。在已有研究和工程实践的基础上，制定符合项目特点的全生命周期评价标准，完善污水负压收集与源分离技术全生命周期评价体系，使决策者更全面、系统、客观地理解和认识该技术，并在合适的条件下做出合理选择，从而提高工程建设成效，降低工程建设和运维的成本，实现工程的低碳、绿色、经济发展。