工業(yè)園區(qū)壓力式污水收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)

陸國(guó)鋒，顧 潔，王樹東，黃天寅

（1.蘇州聯(lián)創(chuàng)工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，江蘇 常熟 215500；2.蘇州科技學(xué)院環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，江蘇 蘇州 215011）

0 引言

傳統(tǒng)重力污水管道歷史悠久，技術(shù)成熟，但凡遇到開挖巖石，重力流排水系統(tǒng)管道的深基坑會(huì)導(dǎo)致過(guò)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(duì)重力流排水不利的自然地形。當(dāng)排水戶之間的間距較大時(shí)，各戶之間所形成的長(zhǎng)管線更是會(huì)導(dǎo)致無(wú)法接受的昂貴建設(shè)成本。同時(shí)，傳統(tǒng)重力污水管道還不可避免地存在滲漏，當(dāng)管道內(nèi)輸送的是污染嚴(yán)重的工業(yè)廢水時(shí)，這個(gè)缺陷就變得不可接受。

對(duì)于這些傳統(tǒng)重力式污水收集系統(tǒng)無(wú)法實(shí)施的特殊情況，美國(guó)、歐洲、日本都先后開發(fā)出了真空式與壓力式下水道系統(tǒng)作為傳統(tǒng)重力排水系統(tǒng)的補(bǔ)充。日本水道協(xié)會(huì)修訂的《下水設(shè)施計(jì)劃與設(shè)計(jì)指針》1994年版亦收入了真空式與壓力式下水道[1]，而在我國(guó)暫時(shí)還沒(méi)有針對(duì)該兩種系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行和管理的完善的規(guī)范支持，也還鮮有采用該兩種系統(tǒng)方法的完善的工程實(shí)例。

蘇南某工業(yè)園區(qū)一期建設(shè)的污水收集系統(tǒng)采用了重力式污水收集系統(tǒng)，其土層2 m以下均為流塑狀態(tài)的淤泥質(zhì)亞粘土或亞砂土，容許承載力不到50 kPa。在如此惡劣的地質(zhì)條件下，污水管道施工過(guò)程中遇到了前所未有的困難，對(duì)施工質(zhì)量和施工安全均提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，工程造價(jià)也比正常情況大大的增加。為此，該工業(yè)園區(qū)在后續(xù)的污水管道工程建設(shè)中亟須探索一種新的污水收集方法以解決這一難題。針對(duì)該工業(yè)園區(qū)的情況，考慮到工業(yè)園區(qū)各企業(yè)均自備廢水預(yù)處理工藝和排放泵站，這為園區(qū)后續(xù)的工業(yè)廢水收集采用壓力式污水收集系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)踐，提供了良好的條件。

1 壓力式污水收集系統(tǒng)

非重力式污水收集系統(tǒng)主要有兩種：真空式污水收集系統(tǒng)和壓力式污水收集系統(tǒng)。由于園區(qū)對(duì)各企業(yè)廢水排放管理的需要，要求各企業(yè)廢水必須經(jīng)過(guò)預(yù)處理后通過(guò)水泵壓力方式排出，并且須通過(guò)園區(qū)的在線水質(zhì)監(jiān)測(cè)后才能排入園區(qū)下水道系統(tǒng)；另外，考慮到一個(gè)真空工作站服務(wù)半徑一般也只有2～3 km，不適合這種大規(guī)模的工業(yè)園區(qū)，同時(shí)真空式污水收集系統(tǒng)初期投資及運(yùn)行管理維護(hù)費(fèi)用高昂，也缺少相應(yīng)成熟的設(shè)備和技術(shù)支持，因此工業(yè)園區(qū)的工業(yè)廢水收集采用壓力式污水收集系統(tǒng)方案比真空式污水收集系統(tǒng)更為有利。

1.1 壓力式污水收集系統(tǒng)的特點(diǎn)

壓力式污水收集系統(tǒng)是以壓力管道輸送污廢水的系統(tǒng)，相對(duì)于重力式污水收集系統(tǒng)，壓力式污水收集系統(tǒng)具有以下主要特點(diǎn)：

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

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

（3）對(duì)園區(qū)遠(yuǎn)期發(fā)展適應(yīng)性強(qiáng)，在管徑滿足遠(yuǎn)期水量要求的情況下可隨意延伸，而無(wú)須擔(dān)心高程接入的問(wèn)題。

軟土地區(qū)壓力式污水收集系統(tǒng)與重力式污水收集系統(tǒng)對(duì)比見(jiàn)表1。

1.2 壓力式污水收集系統(tǒng)的形態(tài)

壓力式污水收集系統(tǒng)主要有兩種形態(tài)（見(jiàn)圖1）：

（1）蒲公英型

由企業(yè)廢水調(diào)蓄泵站、壓力支管、水質(zhì)水量遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)設(shè)備、轉(zhuǎn)輸泵站與壓力干管組成。各企業(yè)自備廢水調(diào)蓄泵站，企業(yè)泵站的壓力出水支管排出廠區(qū)后，先接至園區(qū)預(yù)留水質(zhì)水量監(jiān)測(cè)井，監(jiān)測(cè)合格后排入轉(zhuǎn)輸泵站，否則關(guān)閉監(jiān)測(cè)井閥門停止收水，轉(zhuǎn)輸泵站污水壓力干管排入污水廠自流干管，最終進(jìn)入污水處理廠處理。整個(gè)壓力式收集系統(tǒng)呈蒲公英狀，可以稱之為蒲公英型壓力式污水收集系統(tǒng)。

表1 軟土地區(qū)壓力式污水收集系統(tǒng)與重力式污水收集系統(tǒng)對(duì)比

圖1 壓力式污水收集系統(tǒng)圖

（2）魚骨型

由企業(yè)廢水調(diào)蓄泵站、壓力支管、水質(zhì)水量遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)設(shè)備與壓力干管組成。沿工業(yè)區(qū)主干道布置污水壓力干管，各企業(yè)自備廢水調(diào)蓄泵站，企業(yè)泵站的壓力出水支管排出廠區(qū)后，先接至園區(qū)預(yù)留水質(zhì)水量監(jiān)測(cè)井，監(jiān)測(cè)合格后排入污水壓力干管，否則關(guān)閉監(jiān)測(cè)井閥門停止收水。一條污水壓力干管上接有多條企業(yè)壓力支管，污水壓力干管排入污水廠自流干管，最終進(jìn)入污水處理廠處理。整個(gè)壓力式收集系統(tǒng)呈魚骨狀，可以稱之為魚骨型壓力式污水收集系統(tǒng)。

2 工藝設(shè)計(jì)

蒲公英型壓力式污水收集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路按一般常規(guī)泵站即可，而魚骨型壓力式污水收集系統(tǒng)有兩種設(shè)計(jì)思路：一是各個(gè)企業(yè)廢水分時(shí)段錯(cuò)時(shí)排放，采用這種方法根據(jù)各個(gè)企業(yè)的廢水量確定其各自的排放時(shí)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(qū)水泵參數(shù)，工藝運(yùn)行恒定簡(jiǎn)單，適用廠區(qū)比較少的情況；二是各個(gè)廠區(qū)廢水同時(shí)并聯(lián)排放，采用這種方法根據(jù)各個(gè)廠區(qū)同時(shí)排放的廢水流量及其匯集后的流量變化系數(shù)來(lái)計(jì)算管徑和確定各廠區(qū)水泵參數(shù)，壓力管輸送廢水為非恒定流，運(yùn)行工況變化較大，適用廠區(qū)比較多的情況。考慮工業(yè)園遠(yuǎn)期進(jìn)駐企業(yè)較多，我們主要采用第二種設(shè)計(jì)思路，即各廠區(qū)同時(shí)排放，設(shè)計(jì)關(guān)鍵在于多個(gè)企業(yè)的泵站共用一條壓力排水干管，各企業(yè)泵站的排水規(guī)模、揚(yáng)程都不盡相同，需對(duì)整個(gè)系統(tǒng)壓力進(jìn)行平衡控制，以減少各企業(yè)泵站運(yùn)行時(shí)互相干擾，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2.1 廢水量計(jì)算

工業(yè)區(qū)基本都是先規(guī)劃設(shè)計(jì)，將“生地”做成“熟地”，即將規(guī)劃范圍內(nèi)的道路、給排水、通訊、煤氣、電力工程等“七通一平”完成。建設(shè)初期，由于招商引資的相對(duì)滯后，往往難以準(zhǔn)確確定進(jìn)駐企業(yè)的性質(zhì)、企業(yè)規(guī)模、工藝流程、職工人數(shù)等，往往帶有較大的盲目性和不確定性，無(wú)法按單位產(chǎn)品的生產(chǎn)用水指標(biāo)精確計(jì)算；再者，由于市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)情況下工業(yè)項(xiàng)目的性質(zhì)、生產(chǎn)管理、項(xiàng)目期限等都有不確定性，所以給排水設(shè)計(jì)手冊(cè)按行業(yè)及規(guī)模確定單位產(chǎn)品用水量，在設(shè)計(jì)中無(wú)法實(shí)際使用。

據(jù)對(duì)現(xiàn)狀企業(yè)排水量的調(diào)查，平均日單位面積污水量為1 380 m3/（km2·d），參考其他工業(yè)園區(qū)的用水量規(guī)模，考慮到企業(yè)的擴(kuò)產(chǎn)增產(chǎn)的可能性、地塊的進(jìn)一步開發(fā)完善和其他不確定因素，最終確定新材料工業(yè)區(qū)的平均日廢水量指標(biāo)為2 000m3/（km2·d）。

2.2 污水壓力泵站的設(shè)計(jì)

由于工業(yè)園區(qū)中各企業(yè)比較分散，位于工業(yè)園區(qū)邊緣的企業(yè)一般離污水廠較遠(yuǎn)，企業(yè)廢水往往要經(jīng)過(guò)長(zhǎng)距離的輸送，才能使污水排出，因此由泵站、長(zhǎng)距離壓力管和附屬構(gòu)筑物組成的壓力排水形式是壓力式污水收集系統(tǒng)的主要體現(xiàn)形式，泵站揚(yáng)程較高、壓力管距離較長(zhǎng)，這也是污水壓力泵站和普通污水提升泵站的最大區(qū)別。

污水壓力泵站的設(shè)計(jì)方法一般在普通污水泵站的基礎(chǔ)上參照給水二級(jí)泵站設(shè)計(jì)，但兩者在設(shè)計(jì)理念上還是存在較大的差異。給水二級(jí)泵站不能停機(jī)，須隨時(shí)保證其供水壓力，因此其水泵選型時(shí)大小兼顧，大流量時(shí)開大泵，小流量時(shí)開小泵，并采用調(diào)速來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)配的靈活，其主要目的就是為了實(shí)現(xiàn)節(jié)能；而污水泵站為間歇運(yùn)行，當(dāng)集水池為最低水位時(shí)可停機(jī)，依靠集水池來(lái)進(jìn)行流量調(diào)蓄，因此水泵選型時(shí)一般采用幾臺(tái)相同型號(hào)水泵，以力求污水泵站運(yùn)行管理和維護(hù)檢修的便利。但問(wèn)題是由于受給水泵站設(shè)計(jì)的影響，現(xiàn)在在污水壓力泵站設(shè)計(jì)中存在著這樣一個(gè)思維的誤區(qū)，認(rèn)為水泵臺(tái)數(shù)越多越節(jié)能，小流量時(shí)少開泵，大流量時(shí)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(fā)現(xiàn)這種設(shè)計(jì)方法存在著一些弊端，值得商榷。

以一座規(guī)模為1萬(wàn)t/d的污水壓力泵站為例，泵站設(shè)計(jì)流量為500 m3/h，DN400球墨鑄鐵壓力管長(zhǎng)度2 km，如果水泵三用一備，通過(guò)數(shù)學(xué)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(tǒng)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(lián)工作工況圖。

圖2 三泵并聯(lián)工作工況圖

在設(shè)計(jì)流量下水泵三用一備時(shí)，此時(shí)為水泵的設(shè)計(jì)工況，通過(guò)數(shù)解法可計(jì)算得出總流量Q設(shè)=136.48 L/s，每臺(tái)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(tái)水泵單獨(dú)運(yùn)行時(shí)，通過(guò)數(shù)解法可計(jì)算得出流量Q=76.348 L/s，H=12.595 m，此時(shí)的流量為三臺(tái)泵運(yùn)行時(shí)每臺(tái)水泵額定流量的1.7倍，工況已遠(yuǎn)超該水泵的高效段，在不采用調(diào)速裝置的情況下，水泵振動(dòng)、噪聲會(huì)比較大，電動(dòng)機(jī)有過(guò)載的危害，會(huì)影響水泵的壽命。

另外，從節(jié)能角度考慮，計(jì)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(guī)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(wú)論是通過(guò)小泵長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)作的方式還是大泵短時(shí)間運(yùn)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(guān)。但是，我們?cè)诓樵兯脴颖緯r(shí)卻發(fā)現(xiàn)，大功率水泵比小功率水泵效率要高，比如同規(guī)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(shí)間運(yùn)作的方式反而更為節(jié)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(yùn)行安全節(jié)能。

2.3 污水壓力干管

污水壓力管設(shè)計(jì)先進(jìn)行平面定線、劃分產(chǎn)污面積，從而計(jì)算污水壓力管設(shè)計(jì)管段的設(shè)計(jì)流量、確定管徑，然后根據(jù)壓力污水干管的走向及地形標(biāo)高，選定整個(gè)系統(tǒng)的控制點(diǎn)（注意控制點(diǎn)不一定為最遠(yuǎn)點(diǎn)，也有可能為地形最高點(diǎn)），再根據(jù)控制點(diǎn)的高程、管徑、管材及設(shè)計(jì)水量等因素計(jì)算出沿程全線各點(diǎn)的壓力高程線，該壓力高程線為系統(tǒng)壓力平衡的基礎(chǔ)，也是各廠區(qū)廢水泵選型的依據(jù)。圖3為蘇南某工業(yè)區(qū)壓力式污水干管平面圖。

圖3中黑點(diǎn)處橋梁高點(diǎn)為該壓力式污水收集系統(tǒng)的控制點(diǎn)，圖中管道沿線的壓力高程線是以控制點(diǎn)為起點(diǎn)對(duì)每段管道進(jìn)行計(jì)算的結(jié)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(nèi)壓等級(jí)不小于0.8 MPa。

（1）管道總水頭損失計(jì)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(jì)算公式

式（2）中:λ——沿程阻力系數(shù)；

l——管道長(zhǎng)度，m；

dj——管道計(jì)算內(nèi)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(jì)算公式

式（3）中:i——管道單位長(zhǎng)度的水頭損失（水力坡降）；

C——流速系數(shù)；

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(shù)。

圖3 蘇南某工業(yè)區(qū)壓力式污水干管平面圖

根據(jù)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(hù)管理和事故檢修，污水壓力管道全線每隔100～200 m可設(shè)置壓力檢查井，管道設(shè)計(jì)流速低的應(yīng)減小井距，壓力檢查井可采用三通或四通來(lái)設(shè)置，砌筑井室并預(yù)留沖洗接口；管道埋設(shè)宜具有一定坡度，沿線高點(diǎn)設(shè)置自動(dòng)排氣閥、低點(diǎn)設(shè)置排泥閥；各支管在接入壓力干管前設(shè)置閘閥和止回閥，這樣可減少互相干擾，支管檢修時(shí)不影響干管使用。

3 運(yùn)行管理

壓力式污水收集系統(tǒng)不同于普通壓力排水系統(tǒng)，特別是對(duì)于魚刺型系統(tǒng)，對(duì)其日常維護(hù)管理也提出了更高要求。壓力干管的工況狀態(tài)按所有企業(yè)泵站全部運(yùn)行的狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)，而一根壓力主管上容納的企業(yè)可能會(huì)有10家以上。由于各企業(yè)接入廢水壓力干管的時(shí)間有先后，各企業(yè)排污的高峰時(shí)段也不盡相同，因此在管理上要根據(jù)各企業(yè)排污的規(guī)律，統(tǒng)籌安排，優(yōu)化運(yùn)作，在實(shí)際運(yùn)行時(shí)根據(jù)需要可通過(guò)調(diào)節(jié)壓力干管或支管閘門的開啟度來(lái)進(jìn)行水量節(jié)流，調(diào)整系統(tǒng)流量。

為避免增加系統(tǒng)調(diào)節(jié)難度，同時(shí)納入一根壓力主管系統(tǒng)的企業(yè)不宜過(guò)多，一般不宜超過(guò)10家，若有多家小型企業(yè)時(shí)宜采用蒲公英型系統(tǒng)進(jìn)行收集。

壓力式污水收集系統(tǒng)須定期維護(hù)。管理人員應(yīng)定期抄取排水時(shí)段壓力管道上壓力表及流量計(jì)讀數(shù)，據(jù)此分析管道的淤塞程度及部位，必要時(shí)可采用高壓水進(jìn)行沖洗、疏通[2]。

4 結(jié)語(yǔ)

蘇南某工業(yè)園壓力式污水收集系統(tǒng)自2008年開工建設(shè)以來(lái)，陸續(xù)補(bǔ)充完善，現(xiàn)已有10多家企業(yè)接入該系統(tǒng)，運(yùn)行情況良好，取得了較好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。壓力式污水收集系統(tǒng)對(duì)于軟土地基區(qū)域的工業(yè)園區(qū)，具有較強(qiáng)的針對(duì)性，已達(dá)到技術(shù)和經(jīng)濟(jì)的最優(yōu)化，可以取代傳統(tǒng)的重力式廢水收集系統(tǒng)。

[1]伊學(xué)農(nóng)，任群，王國(guó)華，王雪峰.給水排水管網(wǎng)工程設(shè)計(jì)優(yōu)化與運(yùn)行管理[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)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(wǎng)設(shè)計(jì)探討[J].給水排水，2006（32）：197-199.