室外真空排水系統(tǒng)及其在我國(guó)農(nóng)村生活污水治理工程中的應(yīng)用

葉美瀛， 王平波， 劉宇奇， 王建鵬， 劉研萍， 李鳴曉*

1.國(guó)家環(huán)境保護(hù)危險(xiǎn)廢物鑒別與風(fēng)險(xiǎn)控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 中國(guó)環(huán)境科學(xué)研究院 2.北京化工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系 3.北京國(guó)科綠源環(huán)境科技有限公司

目前在我國(guó)農(nóng)村生活污水收集處理模式主要采用村集中收集處理、住戶(hù)分散收集處理、納入城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)3種模式，污水收集大多采用重力排水系統(tǒng)法[1-2]。在重力排管困難區(qū)域，采用傳統(tǒng)重力排水系統(tǒng)收集農(nóng)村生活污水時(shí)，存在施工困難、周期長(zhǎng)、費(fèi)用高、污水收集率低、易產(chǎn)生污泥與淤泥、臭氣污水泄漏等問(wèn)題[3]。針對(duì)傳統(tǒng)重力排水系統(tǒng)在農(nóng)村或小城鎮(zhèn)應(yīng)用的局限，國(guó)內(nèi)外開(kāi)發(fā)了一些新的農(nóng)村生活污水收集技術(shù)，包括真空排水系統(tǒng)、壓力排水系統(tǒng)等[4]。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的GB/T 51347—2019《農(nóng)村生活污水處理工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》[5]指出：“敷設(shè)重力管網(wǎng)有困難的地區(qū)，可采用非重力排水系統(tǒng)”。區(qū)別于重力排水和壓力排水系統(tǒng)，真空排水系統(tǒng)通過(guò)真空設(shè)備使排水管道內(nèi)產(chǎn)生一定的真空度，形成空氣壓差為輸送液體提供動(dòng)力，是一種利用負(fù)壓原理的排水系統(tǒng)[6]。真空排水系統(tǒng)具有節(jié)水、隔臭、無(wú)泄漏等優(yōu)勢(shì)，近年來(lái)備受關(guān)注，在我國(guó)農(nóng)村生活污水收集中的工程應(yīng)用案例逐年增加。筆者系統(tǒng)介紹了室外真空排水系統(tǒng)的組成、特點(diǎn)及其在國(guó)內(nèi)農(nóng)村生活污水收集工程中的應(yīng)用案例，以期為我國(guó)農(nóng)村生活污水收集提供借鑒與參考。

1 室外真空排水系統(tǒng)的組成和類(lèi)型

室外真空排水系統(tǒng)由便器、收集箱、真空管網(wǎng)、真空泵站等組成(圖1)，具有可采用重力衛(wèi)生潔具，需專(zhuān)用閥門(mén)井、布置特殊的管道等技術(shù)特征。收集箱由污水收集室、真空閥、控制器、感應(yīng)管、箱體等組成。真空泵站含有真空罐、真空泵、污水泵等設(shè)備。

1—重力排出管；2—真空支管或主管；3—真空罐；4—污水泵；5—透氣管；6—除臭生物濾池；7—真空泵；8—檢查孔；9—真空排出管；10—收集箱；11—污水檢查井圖1 室外真空排水系統(tǒng)示意[7]Fig.1 Schematic diagram of outdoor vacuum sewage system

真空管網(wǎng)由真空主管、真空支管、真空戶(hù)管組成。通過(guò)真空戶(hù)管、真空支管、真空主管，將所有的真空終端(收集箱或真空便器)連接起來(lái)，利用真空抽吸的方式，將多戶(hù)家庭的生活污水(灰水、黑水)以“氣水固”混合物的形式輸送至真空工作站。

根據(jù)廁所類(lèi)型和收集方式，可將室外真空排水系統(tǒng)分為室內(nèi)重力排污—室外真空源分離污水收集系統(tǒng)、室內(nèi)重力排污—室外真空源混合污水收集系統(tǒng)、室內(nèi)真空廁所—室外真空源分離污水收集系統(tǒng)、室內(nèi)真空廁所—室外真空源混合污水收集系統(tǒng)4種類(lèi)型[8]。由于我國(guó)農(nóng)村地區(qū)室內(nèi)改廁工程大多采用水沖廁所，通過(guò)重力流方式進(jìn)行排污，因此，為了實(shí)現(xiàn)改廁工程與真空排水系統(tǒng)的有效銜接，可采用室內(nèi)重力排污—室外真空源分離污水收集系統(tǒng)、室內(nèi)重力排污—室外真空源混合污水收集系統(tǒng)2種污水收集方式，利用收集箱貯存室內(nèi)重力流排出的污水，并通過(guò)真空排水系統(tǒng)抽吸至真空泵站。

2 室外真空排水系統(tǒng)的特點(diǎn)

與傳統(tǒng)重力排水系統(tǒng)相比，真空排水系統(tǒng)具有節(jié)水、隔臭、無(wú)滲漏、收集率高、密閉性好等優(yōu)點(diǎn)，排水管道具有管徑小、埋深淺、能爬坡、防凍防堵、管道鋪設(shè)靈活，不需要設(shè)置檢查井，受外部環(huán)境限制程度低，不影響周?chē)h(huán)境，施工方便快捷、周期短、土建費(fèi)用低等特點(diǎn)[3,9-10](表1)。

表1 傳統(tǒng)重力排水系統(tǒng)與真空排水系統(tǒng)性能對(duì)比Table 1 Comparison of performance between traditional gravity drainage system and vacuum drainage system

真空排水系統(tǒng)不受地形限制，適用范圍廣，尤其適用于地形平坦、坡度小、地勢(shì)起伏大、地下水位高、地質(zhì)條件差、管網(wǎng)施工難度高等重力排管施工困難區(qū)域的污水收集[11]，如干旱寒冷地區(qū)、南方丘陵山區(qū)、古村落、旅游景區(qū)、水資源保護(hù)區(qū)、街巷狹小區(qū)等，可以解決我國(guó)農(nóng)村生活污水治理過(guò)程中面臨的開(kāi)挖難、無(wú)法靠重力流收集污水的難題。

3 室外真空排水系統(tǒng)工程應(yīng)用

3.1 相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范

室外真空排水系統(tǒng)應(yīng)用至今已有30多年，在國(guó)內(nèi)外有較多的工程應(yīng)用實(shí)例，隨著技術(shù)的成熟，為了保障室外真空排水系統(tǒng)工程的規(guī)范設(shè)計(jì)、施工、安裝、調(diào)試、驗(yàn)收以及維護(hù)管理，國(guó)內(nèi)外制定了一些標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范文件。如1996年，歐洲制定了EN 1091—1996《室外真空排水系統(tǒng)規(guī)范》(VacuumSewerageSystemsOutsideBuildings)[12]，英國(guó)、德國(guó)、法國(guó)等相應(yīng)出臺(tái)了室外真空排水系統(tǒng)規(guī)范BS EN 1091:1997[13]、DIN EN 1091:1997[14]、NF EN 1091:1997[15]，澳大利亞水務(wù)協(xié)會(huì)也制定了WSA 06—2008《真空排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)規(guī)范》(VacuumSewerageCodeofAustralia)[16]。同時(shí)，德國(guó)給水、排水及垃圾協(xié)會(huì)工作手冊(cè)ATV-DVWK—A116《特殊的排水方法第一部分戶(hù)外負(fù)壓排水系統(tǒng)》(2004版)[17]、水環(huán)境聯(lián)合會(huì)(WEF)的AlternativeSewerSystems[18]等都為真空排水系統(tǒng)設(shè)計(jì)、施工、安裝和運(yùn)行提供指導(dǎo)。國(guó)內(nèi)通過(guò)借鑒國(guó)外標(biāo)準(zhǔn)及國(guó)內(nèi)工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，發(fā)布了CECS 316—2012《室外真空排水系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》[7]、RISN-TG034—2018《污水源分離排水系統(tǒng)工程技術(shù)導(dǎo)則》[19]、《給水排水產(chǎn)品系列標(biāo)準(zhǔn)鄉(xiāng)村建設(shè)應(yīng)用實(shí)施指南》[20]等規(guī)范文件，指導(dǎo)我國(guó)室外真空排水系統(tǒng)工程實(shí)施。

3.2 國(guó)外工程應(yīng)用案例

室外真空排水系統(tǒng)于1987年首次由德國(guó)洛蒂格公司提出，在保持原先房屋內(nèi)重力排水結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，將真空收集技術(shù)運(yùn)用到室外排水系統(tǒng)中[21]。該技術(shù)在歐洲、美國(guó)、澳大利亞等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)應(yīng)用較多，廣泛應(yīng)用于室外小區(qū)、湖區(qū)建筑區(qū)等的污水收集與排導(dǎo)。由于技術(shù)系統(tǒng)的專(zhuān)業(yè)性，真空排水系統(tǒng)設(shè)備供應(yīng)商數(shù)量較少，較為知名的包括美國(guó)AIRVAC公司、德國(guó)洛蒂格公司及英國(guó)REDIVAC公司等[22]。真空排水系統(tǒng)主要解決污水收集系統(tǒng)建設(shè)時(shí)當(dāng)?shù)刂亓ε殴芾щy問(wèn)題以及要求施工周期短、對(duì)生活影響小等限制因素。如英國(guó)林肯郡Wrangle村為了解決由于地勢(shì)平坦、地下水位高、房屋廣泛分布導(dǎo)致的農(nóng)村污水排水困難問(wèn)題，通過(guò)重力/抽出排水系統(tǒng)與真空排水系統(tǒng)的綜合比較評(píng)估，選擇真空排水系統(tǒng)收集污水，系統(tǒng)包含1個(gè)真空站、3 500 m真空管網(wǎng)和76個(gè)閥門(mén)井，經(jīng)評(píng)估，真空排水系統(tǒng)較重力排水系統(tǒng)節(jié)省約40%成本[23]。2003年，根據(jù)地區(qū)復(fù)雜地形與地質(zhì)特點(diǎn)和管道過(guò)河及建設(shè)時(shí)間短、對(duì)正常生活影響小等要求，英格蘭Gorefield農(nóng)村地區(qū)選擇安裝了RediVac真空排水系統(tǒng)，該系統(tǒng)由 5 000 m真空管網(wǎng)、105個(gè)真空集水井(真空閥)、2個(gè)真空站組成，并設(shè)計(jì)了基于個(gè)人計(jì)算機(jī)的閥門(mén)監(jiān)控控制系統(tǒng)，以便對(duì)每個(gè)真空接口閥進(jìn)行監(jiān)控，快速識(shí)別潛在問(wèn)題[24]。2002年，在迪拜的棕櫚島啟動(dòng)了建設(shè)世界上最大的負(fù)壓排水系統(tǒng)，解決了 2 300 棟別墅生活污水排水問(wèn)題，該系統(tǒng)配有 1 200 個(gè)RoeVac真空收集箱，長(zhǎng)達(dá)40 km的管道和1個(gè)由4個(gè)真空罐(共100 m3)、16個(gè)真空泵和6個(gè)排污泵組成的真空泵站，服務(wù)人口達(dá) 23 000 人，該系統(tǒng)于2007年初投入使用[25]。針對(duì)地下水位高、地形平坦、旅游季節(jié)性流量變化大，需開(kāi)展區(qū)域合作、創(chuàng)新的資金使用和獲得沿海許可等挑戰(zhàn)，北卡羅來(lái)納州Oak Island在污水收集系統(tǒng)建設(shè)前，通過(guò)對(duì)重力收集、真空收集、化糞池系統(tǒng)等進(jìn)行評(píng)估，選擇具有施工便捷、無(wú)滲漏和較低初始投資成本等優(yōu)勢(shì)的真空排水系統(tǒng)，建設(shè)了128 km PVC收集系統(tǒng)管道和9個(gè)真空泵站，為 10 000 多座住宅提供服務(wù)[11]。

3.3 國(guó)內(nèi)工程應(yīng)用案例

經(jīng)過(guò)近20年的探索與實(shí)踐，國(guó)內(nèi)在室外真空排水系統(tǒng)應(yīng)用方面形成了一批具有核心技術(shù)裝備的環(huán)保企業(yè)，如萬(wàn)若(北京)環(huán)境工程技術(shù)有限公司、湖南真創(chuàng)環(huán)?？萍加邢薰?、北京國(guó)科綠源環(huán)境科技有限公司、山東中車(chē)華騰環(huán)保科技有限公司、清環(huán)拓達(dá)(蘇州)環(huán)境科技有限公司等，其在國(guó)內(nèi)自主研發(fā)真空排水技術(shù)及設(shè)備方面處于領(lǐng)跑地位，并在我國(guó)農(nóng)村生活污水治理中開(kāi)展了大量的工程應(yīng)用。2004年，國(guó)內(nèi)首次將室外真空排水系統(tǒng)應(yīng)用于上海國(guó)際賽車(chē)場(chǎng)廁所污水收集項(xiàng)目中[26]，后續(xù)逐步應(yīng)用至別墅區(qū)、景區(qū)[27]；從2014年開(kāi)始，真空排水系統(tǒng)逐步在農(nóng)村生活污水治理項(xiàng)目中得到大規(guī)模應(yīng)用，主要分布在江蘇、浙江、安徽、天津、北京、黑龍江等省(市)(表2)。其中，我國(guó)規(guī)模最大的農(nóng)村真空負(fù)壓排水集中處理系統(tǒng)工程位于天津?qū)幒訁^(qū)七里海保護(hù)區(qū)，該工程于2020年開(kāi)始建設(shè)，惠及造甲鎮(zhèn)、東棘坨鎮(zhèn)、俵口鎮(zhèn)、廉莊鎮(zhèn)4個(gè)鎮(zhèn)27個(gè)村共 14 115 戶(hù)村民。

表2 國(guó)內(nèi)農(nóng)村室外真空排水系統(tǒng)應(yīng)用典型案例Table 2 Typical cases of rural outdoor vacuum drainage system in China

3.3.1北方農(nóng)村生活污水真空排水系統(tǒng)應(yīng)用案例

真空排水系統(tǒng)因節(jié)水環(huán)保、清潔無(wú)味，管徑細(xì)施工量小，冬天不上凍，不受空間地形約束等諸多優(yōu)勢(shì)，在北方農(nóng)村戶(hù)廁改造和污水收集項(xiàng)目中得到大規(guī)模應(yīng)用。2016年，河北衡水岳良村著力打造岳良村獨(dú)具歷史文化特色的“皇家小鎮(zhèn)”，針對(duì)村內(nèi)旱廁衛(wèi)生條件差、污水滲井排放、農(nóng)民冬季如廁難等問(wèn)題，以及房屋高度密集、街道狹窄、住宅地基脆弱、傳統(tǒng)重力排水管難以入村入戶(hù)等改造難題，選用真空廁所及真空排水技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行廁所改建工作，工程以真空廁所替代水沖廁所，共鋪設(shè)了二十多km的細(xì)管、支管、主管、總管四級(jí)真空污水管網(wǎng)，建有2個(gè)真空泵房、9套工作站，安裝真空集便器404套，污水收集箱404個(gè)。改造后，岳良村村容村貌得到極大改善，廁所負(fù)壓隔臭無(wú)異味，冬季能正常使用，全村污水收集率接近100%。截至目前，真空排水系統(tǒng)仍運(yùn)行穩(wěn)定。河北衡水岳良村(皇家小鎮(zhèn))整村改造真空廁所獲評(píng)“2017河北十大廁所革命亮點(diǎn)”。2018年、2019年在北京市大興區(qū)李家場(chǎng)村、求賢村分別開(kāi)展了真空排導(dǎo)新型節(jié)水技術(shù)應(yīng)用示范，極大改善了村鎮(zhèn)整體形象及居民生活質(zhì)量。黑龍江七臺(tái)河四新村廁所改造項(xiàng)目是國(guó)內(nèi)首例在農(nóng)村高寒高緯度地區(qū)應(yīng)用真空排水系統(tǒng)的案例，為了解決冬季高寒結(jié)冰造成廁所無(wú)法使用、地形起伏大、難重力引流等問(wèn)題，于2020年選用真空排水系統(tǒng)對(duì)四新村的戶(hù)廁進(jìn)行改造，建設(shè)真空便器與真空灰水收集器276套、真空管網(wǎng)21.8 km、真空泵房1座，切實(shí)解決村民如廁及排水收集問(wèn)題。項(xiàng)目建成后，四新村獲評(píng)七臺(tái)河市生態(tài)宜居的美麗鄉(xiāng)村示范村。

生活污水源分離負(fù)壓排水與污水資源化模式是城鎮(zhèn)化和新農(nóng)村建設(shè)中新興的排污排水及處理模式，通過(guò)真空源分離技術(shù)，將糞尿從混合污水中分離，黑水(糞尿污水)和灰水(雜排水)分別收集處理，實(shí)現(xiàn)資源化利用。2008年，在北京小湯山興壽鎮(zhèn)東莊村開(kāi)展了規(guī)?；r(nóng)村生活污水源分離集水、真空排水、分質(zhì)資源化處理的生態(tài)排水模式應(yīng)用示范，源頭采用真空便器和源分離便器將糞尿污水與灰水分質(zhì)收集，黃水腐熟殺菌后用于農(nóng)田，黑水與秸稈、畜禽糞便混合進(jìn)入沼氣池生產(chǎn)沼氣，用于照明和做飯，灰水排入人工濕地進(jìn)行凈化。2013年，河北邯鄲南界河店村建設(shè)了基于源分離排水的生活污水處理系統(tǒng)，將源分離收集技術(shù)、負(fù)壓排水技術(shù)、黑水厭氧技術(shù)和人工濕地處理技術(shù)高效集成化應(yīng)用，室內(nèi)負(fù)壓便器源頭收集高濃度糞尿，灰水重力流匯集至室外負(fù)壓收集器，通過(guò)負(fù)壓管道分別收集黑水、灰水；黑水從負(fù)壓站排至地埋厭氧消化池進(jìn)行資源化處理，沼氣農(nóng)用，沼液沼渣作為有機(jī)肥應(yīng)用于周邊種植園；灰水經(jīng)均質(zhì)、預(yù)曝氣、沉淀處理后排入人工濕地，出水用作灌溉或綠化用水[7]。

3.3.2南方農(nóng)村生活污水真空排水系統(tǒng)應(yīng)用案例

室外真空排水系統(tǒng)在我國(guó)南方農(nóng)村應(yīng)用案例主要集中在安徽、浙江、江蘇3個(gè)省，以服務(wù)于古村落、旅游區(qū)、水源保護(hù)地、老城改造等村落污水收集項(xiàng)目為主，目前已應(yīng)用于傳統(tǒng)古村落景區(qū)祖源村、旅游古鎮(zhèn)休寧萬(wàn)安鎮(zhèn)、水源保護(hù)地黃山龍門(mén)村、美麗鄉(xiāng)村瑤干村、歙縣金灘村和煙村、屯溪新潭鎮(zhèn)老城區(qū)改造等地的污水收集處理工程[28-30]，切實(shí)解決了污水收集困難、收集率不高等難題。

2014年，江蘇常熟虞山鎮(zhèn)寶巖村為了解決工程所在區(qū)域地形起伏大，地下水位高，居民住房以緊密布局的平房和別墅為主，道巷狹窄，社區(qū)內(nèi)不具備重力排水管道施工條件等難題，采用室外真空排水方式對(duì)社區(qū)污水進(jìn)行收集，再通過(guò)壓力管道導(dǎo)入河對(duì)岸既有市政排水干管[31]。真空排污系統(tǒng)服務(wù)規(guī)模 1 000 戶(hù)，設(shè)計(jì)總規(guī)模達(dá)530 t/d，為當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)規(guī)模最大的示范工程。共安裝真空泵站3套，收集箱83套，真空管道約 4 000 m，每套收集箱服務(wù)于10～15戶(hù)居民。真空管道采用高密度聚乙烯(HDPE)管材，真空排出管外徑為90 mm，真空干管外徑為110～250 mm。真空排水系統(tǒng)能自動(dòng)運(yùn)行，通過(guò)真空泵房監(jiān)控系統(tǒng)能查詢(xún)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和故障信息，無(wú)需專(zhuān)人看守，系統(tǒng)維護(hù)簡(jiǎn)單、易操作。該項(xiàng)目成功實(shí)施并起到了有效的示范作用，解決了寶巖村雨污合流入河的污染問(wèn)題，改善了水環(huán)境質(zhì)量，提升了景區(qū)品質(zhì)。

2016年，針對(duì)村內(nèi)地形起伏大、道路彎曲狹窄、多石板路與多溪流等特點(diǎn)造成污水管網(wǎng)施工難度大的問(wèn)題，黃山市休寧縣傳統(tǒng)古村落祖源村采用室外真空排水技術(shù)實(shí)施生活污水收集處理工程，建設(shè)了16座真空收集井、真空管網(wǎng)1 529 m、真空泵站1座，接戶(hù)率達(dá)到92%以上，污水處理量為30 t/d，服務(wù)規(guī)模達(dá)140戶(hù)，目前已穩(wěn)定運(yùn)行5年以上，明顯改善了居民生活環(huán)境質(zhì)量[30]。

4 展望

相較于傳統(tǒng)重力排水系統(tǒng)，室外真空排水系統(tǒng)具有節(jié)水、衛(wèi)生、無(wú)臭無(wú)味、低能耗、管網(wǎng)鋪設(shè)靈活、施工工期短、可資源化等優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用范圍廣泛，不僅可以節(jié)約水資源，減少后端污水處理成本，同時(shí)真空源分離收集的高濃度廢物資源化潛力高，可協(xié)同農(nóng)村農(nóng)業(yè)有機(jī)廢物處理生產(chǎn)有機(jī)肥或者沼氣，有利于農(nóng)村綠色有機(jī)農(nóng)業(yè)的發(fā)展。近年來(lái)，真空排水系統(tǒng)逐漸被大眾認(rèn)可，在我國(guó)室外工程應(yīng)用示范逐年增加，但仍主要局限于在經(jīng)濟(jì)較發(fā)達(dá)、重力排管困難區(qū)域的應(yīng)用。鑒于真空排水系統(tǒng)自身具有的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，隨著農(nóng)村對(duì)生活品質(zhì)要求的提高及農(nóng)村循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，室外真空排水系統(tǒng)在我國(guó)農(nóng)村廁所改造及污水收集治理工程中的應(yīng)用具有較大的市場(chǎng)前景。