無動(dòng)力防倒灌器在水環(huán)境治理工程中的應(yīng)用

熊別，申明川，移志東

(中國水利水電第五工程局有限公司，成都，610066)

0 引言

“黑臭在水里，根源在岸上，關(guān)鍵在排口，核心在管網(wǎng)”。當(dāng)前很多城市由于各類污水排水口、下水管道與檢查井的建設(shè)和維護(hù)不當(dāng)，導(dǎo)致大量地下水等外來水會(huì)通過排水口、管道和檢查井的各種結(jié)構(gòu)性缺陷進(jìn)入埋設(shè)在地下水位以下的排水管道中，加之雨污混接和污水直排，削弱了“控源截污”措施應(yīng)有的作用，成為制約黑臭水體整治工作的瓶頸；同時(shí)，也造成污水處理廠污水濃度偏低，導(dǎo)致城市排水系統(tǒng)應(yīng)有的排水和治污功能不能充分發(fā)揮[1]。因此，亟需通過排水口改造、排水管道建設(shè)和完善、排水管道及檢查井各類缺陷修復(fù)、雨污混接改造、排水設(shè)施管理強(qiáng)化等一整套措施，實(shí)現(xiàn)消除晴天污水直排、削減雨天溢流，提升污水處理效益、減少污水外滲，降低系統(tǒng)運(yùn)行水位、恢復(fù)截流倍數(shù)等多重目標(biāo)[1]。

隨著城市建設(shè)快速發(fā)展，防倒灌器成為城市管網(wǎng)防倒灌污染的重要手段，尤其在長期歷史原因和社會(huì)原因形成的“城中村”合流區(qū)，在城市建設(shè)的不斷發(fā)展過程中更是成為城市發(fā)展的焦點(diǎn)，結(jié)合現(xiàn)狀條件，既考慮近期發(fā)展，又兼顧長遠(yuǎn)發(fā)展，受排水改造環(huán)境限制選擇的措施手段極為有限。無動(dòng)力防倒灌器有效地解決了“城中村”合流區(qū)污水倒灌的問題，施工方便、受條件限制小，節(jié)省大量人力、物力，達(dá)到整治效果。

1 無動(dòng)力防倒灌器介紹

無動(dòng)力防倒灌器是指用特殊混合硅膠MVQ或聚醚基聚氨酯制成膜瓣，“即時(shí)自動(dòng)保護(hù)”在差壓下自主工作，無需人工操作，無需電力，無需持續(xù)維護(hù)。

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

無動(dòng)力防倒灌器主要由四部分組成，即殼體密封件、膜瓣、雙向卡圈及緊固件。其外殼密封件主要為“海洋級”不銹鋼材質(zhì)和高強(qiáng)度橡膠；內(nèi)部為特殊混合硅膠MVQ或聚醚基聚氨酯制成的膜瓣，具有對各種化學(xué)品和溫度變化的高耐受性；雙向卡圈主要為方便安裝進(jìn)管道入口或出口；緊固件為高品質(zhì)不銹鋼材質(zhì)，將防倒灌器緊固至現(xiàn)有管道。無論現(xiàn)有管道質(zhì)量如何，都能完美結(jié)合，耐腐蝕性強(qiáng)，使用時(shí)間長，成本低，安裝方便。無動(dòng)力防倒灌器結(jié)構(gòu)組成如圖1所示。

圖1 無動(dòng)力防倒灌器組件

1.2 工作原理

正常情況下，當(dāng)上游來水時(shí)，水流沖擊膜瓣，使膜瓣與外殼間產(chǎn)生縫隙，水流流向下游管道，見圖2所示。

圖2 無動(dòng)力防倒灌器工作示意

當(dāng)下游水位上漲，高于上游時(shí)，水壓使得膜瓣緊密閉合，防止管道回流，完全不用人工控制，實(shí)現(xiàn)了自然力的自動(dòng)化，見圖3所示。

圖3 無動(dòng)力防倒灌器工作示意

1.3 技術(shù)特性

(1)膜瓣制作材料：特殊混合硅膠MVQ或聚醚基聚氨酯。

混合硅膠MVQ具有耐老化性能、耐臭氧性、防潮、電絕緣性、表面不粘性、憎水性、壓縮變形小、耐飽和蒸汽性、耐高低溫性，可在-50℃～250℃下長期工作。

聚醚基聚氨酯具有優(yōu)異的耐老化性、耐油性、耐臭氧性能、耐低溫性及很好的耐磨性、加工性能優(yōu)良。

(2)硬度：各部分硬度不同，外殼為“海洋級”不銹鋼材質(zhì)，內(nèi)部膜瓣為混合硅膠，無動(dòng)力防倒灌器為加強(qiáng)一體結(jié)構(gòu)。不銹鋼外殼部分承受壓力最大，膜瓣部分最軟。

(3)公稱直徑：一般為DN100～DN1800。

2 無動(dòng)力防倒灌器的優(yōu)點(diǎn)及水力特性

2.1 無動(dòng)力防倒灌器的優(yōu)點(diǎn)

無動(dòng)力防倒灌器與其他防倒灌設(shè)施相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)防倒灌器內(nèi)部膜瓣采用特殊混合硅膠MVQ或聚醚基聚氨酯材料，除外殼采用“海洋級”不銹鋼材質(zhì)外，其內(nèi)部不含任何金屬配件，不會(huì)腐蝕生銹，且耐磨損性特強(qiáng)﹐沒有機(jī)械故障的憂慮，無需維護(hù)[2]。

(2)作為一體化結(jié)構(gòu)防倒灌器，可以滿足施工所采用的任何管道尺寸，安裝簡單，適用性強(qiáng)。

(3)防倒灌器膜瓣特別柔韌，工作時(shí)沒有噪音，非常安靜，減少噪音對周邊環(huán)境的影響。

(4)防倒灌器為流體驅(qū)動(dòng)止回式，流道區(qū)域?yàn)檩喞鸩娇s小的形式，允許流體從一個(gè)方向流過而阻止倒流，提供了高效的流量條件及最低的水頭損失，既保持最快的排水速度，又保證防倒灌的要求。

(5)由于其獨(dú)特的材質(zhì)和結(jié)構(gòu)，即使被固體物質(zhì)夾塞，也依然關(guān)閉嚴(yán)密。

(6)不需要任何電力或人力，工作便利，因而對防止倒灌來說是最佳選擇。

(7)可視具體工況條件進(jìn)行垂直或傾斜安裝。

(8)密封性能好，膜瓣關(guān)閉時(shí)，滲漏量為零。

(9)結(jié)構(gòu)簡單，無復(fù)雜裝置，節(jié)省材料，經(jīng)濟(jì)指標(biāo)好。

2.2 無動(dòng)力防倒灌器的水力特性

2.2.1 開啟特性

(1)開啟壓力小，一般大于0.01m(相當(dāng)于0.001MPa)的水頭就能打開，并可在靜態(tài)下開啟[2-3]。

(2)一般條件下，水頭損失可以降到較小的程度。

測試水頭損失數(shù)據(jù)較困難，因?yàn)闇y試程序很少并且數(shù)據(jù)很容易受到波動(dòng)。因此，下列的測試結(jié)果，是嚴(yán)格控制在相同的設(shè)施中進(jìn)行的，具有很多相同的參考點(diǎn)，是可比較的。測試結(jié)果表明，在DN300mm/NPS12管道型無動(dòng)力防倒灌器流量接近150L/s時(shí)，水頭損失不到1.0m；流量接近200L/s時(shí)，水頭損失比其他形式的防倒灌低65%，測試結(jié)果對比見圖4。

圖4 流量-水頭損失曲線對比

2.2.2 關(guān)閉特性

當(dāng)下游管外壓大于管內(nèi)壓力時(shí)，水壓使得膜瓣緊密閉合，防止管道回流。

3 無動(dòng)力防倒灌器的安裝

3.1 安裝方式

無動(dòng)力防倒灌器的安裝方式多種多樣，根據(jù)使用目的、接口大小及形式、開啟及關(guān)閉壓力要求、安裝環(huán)境、氣溫等要求不同，一般有內(nèi)聯(lián)安裝、管內(nèi)裝置、出口安裝及法蘭安裝等(見圖5)。

圖5 無動(dòng)力防倒灌器應(yīng)用示意

3.2 應(yīng)用形式

無動(dòng)力防倒灌器主要應(yīng)用于城市截污管網(wǎng)系統(tǒng)及城市排洪體系中，防止排水管水流倒灌，常見的使用及安裝方式主要有管內(nèi)裝置、出口安裝及法蘭安裝。當(dāng)在溢流井作防倒灌止回閥，在合流制截污管網(wǎng)暴雨時(shí)，需要通過溢流井內(nèi)的溢流堰將超過污水處理廠負(fù)荷的水除去，但如果外面水體的水位急速增高，污水就可能倒灌回溢流井以至截污管網(wǎng)內(nèi)，因此在排放口安裝無動(dòng)力防倒灌器，可以絕對杜絕倒灌問題[2]。內(nèi)聯(lián)安裝主要作多組止回閥使用，在很多情況下，單獨(dú)使用一個(gè)超大口徑的防倒灌器并不實(shí)際，而采用多個(gè)小口徑防倒灌器可以大大節(jié)省投資，而且可以承受更大的下游水壓力，因?yàn)樾】趶降姆赖构嗥魉艹惺艿乃畨阂葐我怀罂趶椒赖构嗥鞔蟮枚郲2]。

無動(dòng)力防倒灌器安裝流程如圖6所示。

圖6 無動(dòng)力防倒灌器安裝流程示意

3.3 安裝要求

(1)防倒灌器施工前做好現(xiàn)場圍擋，下井作業(yè)前必須進(jìn)行通風(fēng)工作和有毒氣體檢測。在進(jìn)行氣體檢測前應(yīng)首先進(jìn)行自然通風(fēng)，然后把氣體探測儀吊入井底進(jìn)行有毒氣體檢測，待各氣體數(shù)值符合規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)后，方能下井作業(yè)，否則采用通風(fēng)設(shè)備對井內(nèi)及管道進(jìn)行通風(fēng)直至達(dá)到安全標(biāo)注值。

(2)防倒灌器為一體化設(shè)備，可以從垂直到水平任何角度安裝。安裝角度越大，自清洗效果越有效。在雨水管道中安裝時(shí)，最小坡度為1%；在污水管道中安裝時(shí)，最小坡度為1.5%。

(3)將一體化防倒灌器安裝于現(xiàn)狀管道后，保證防倒灌器順流，將支架臨時(shí)固定于井壁上，待調(diào)試運(yùn)行無誤后，對緊固件進(jìn)行加固。

圖7 無動(dòng)力防倒灌器安裝示意

(4)在進(jìn)行無動(dòng)力防倒灌器安裝時(shí)，首先根據(jù)管道現(xiàn)狀情況進(jìn)行預(yù)處理，包括管道清理、裂縫變形處理等，混凝土管裂縫可采用微膨脹材料進(jìn)行填充，其他根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行處理，保證防倒灌器有安裝位置和空間。

(5)安裝完成后，進(jìn)行過流測試和防倒灌測試，最后進(jìn)行管壁封口，對無動(dòng)力防倒灌器外殼與現(xiàn)狀管道之間縫隙進(jìn)行封堵，根據(jù)縫隙大小可采用防水砂漿、細(xì)石混凝土等材料將縫隙封堵密實(shí)。

(6)法蘭式安裝時(shí)，無動(dòng)力防倒灌器帶有襯墊金屬法蘭，可以與金屬法蘭自然連接，直接安裝于管道、井壁等結(jié)構(gòu)上。安裝連接時(shí)，法蘭與連接法蘭尺寸相對應(yīng)，法蘭與連接法蘭之間視具體情況加防水膠，保證連接緊固后絕對密封[2]。

4 無動(dòng)力防倒灌器的應(yīng)用實(shí)例

深圳市光明區(qū)全面消除黑臭水體治理工程施工過程中，白沙坑支流3上游暗涵段存在城中村合流區(qū)，在合流區(qū)污水干管高水位運(yùn)行時(shí)，污水干管污水通過截污管溢流至河道，嚴(yán)重影響白沙坑水質(zhì)。為防止污水倒灌溢流，對白沙坑支流3上游李松蓢東、西片區(qū)城中村合流區(qū)進(jìn)行點(diǎn)截污，設(shè)置DN200～DN600mm防倒灌器，解決合流區(qū)污水溢流問題。

該工程于2020年10月26日開工，于2020年11月3日完工。施工過程中施工員發(fā)現(xiàn)截污井內(nèi)污水管雖然低于截污井雨水管管位，但暴雨等特殊情況下截污井井內(nèi)污水水位高于截污井內(nèi)雨水管情況，如不采取措施，必將造成污水倒流，導(dǎo)致污水不但沒有被截掉，反而增加了雨水管中的污水，最后初雨溢流至河道，影響河道水質(zhì)。經(jīng)現(xiàn)場多次排查，該情況是造成白沙坑支流3河道水質(zhì)不達(dá)標(biāo)的主要原因。為解決污水倒灌問題，經(jīng)參建單位研究，決定在截污井管線上加裝無動(dòng)力防倒灌器解決污水倒灌問題。本次施工選用瑞典Wapro管中型無動(dòng)力防倒灌器，安裝極為方便，工期短，成效快。經(jīng)過近兩年的運(yùn)行檢驗(yàn)，證明開關(guān)自如，防倒灌效果良好。

圖8 無動(dòng)力防倒灌器使用現(xiàn)場

5 結(jié)語

本文針對城中村合流區(qū)末端總口點(diǎn)截污治理問題，總結(jié)施工經(jīng)驗(yàn)，引進(jìn)瑞典Wapro管中型無動(dòng)力防倒灌器，有效實(shí)現(xiàn)消除晴天污水直排、削減雨天溢流，提升污水處理效益，減少污水外滲，降低系統(tǒng)運(yùn)行水位等多重目標(biāo)，為城市水環(huán)境治理截污、限流等提供較強(qiáng)的應(yīng)用價(jià)值。