城鎮(zhèn)污水負(fù)壓收集與源分離系統(tǒng)應(yīng)用與發(fā)展探析

王 苑，常聞捷，孫兆海，蔡 穎，吳天祺，朱曉曉，聶慧君

（1.江蘇省環(huán)境工程技術(shù)有限公司；2.江蘇省重點(diǎn)行業(yè)減污降碳協(xié)同控制工程研究中心，南京 210019）

“十四五”時期，我國水環(huán)境污染治理發(fā)生重大轉(zhuǎn)向，從原有的以污染末端治理為主，轉(zhuǎn)向服務(wù)于國民經(jīng)濟(jì)的綠色化改造。城鎮(zhèn)生活污水富含氨氮和磷酸鹽，對其進(jìn)行資源分離和循環(huán)利用成為綠色化改造的重要途徑之一。重力排水系統(tǒng)是目前我國城鎮(zhèn)污水收集的主要方式，但其存在混排、漏排、錯排等弊病，污水收集率難以突破70%～80%的上限，且不可避免地存在滲漏、沉積、結(jié)垢而引發(fā)的環(huán)境污染問題，進(jìn)一步阻礙污水資源化利用技術(shù)的發(fā)展。探索綠色低碳關(guān)鍵技術(shù)成為生活污水資源化利用的重要研究方向。

污水負(fù)壓收集系統(tǒng)作為常規(guī)重力排水系統(tǒng)的重要補(bǔ)充，最先從19世紀(jì)的歐洲興起，20世紀(jì)60年代作為常規(guī)重力排水技術(shù)的重要補(bǔ)充，得到美國環(huán)境保護(hù)署的推廣[1]。1987年，美國洛蒂格公司首次將負(fù)壓收集技術(shù)應(yīng)用于戶外排污系統(tǒng)中。21世紀(jì)初，我國第一套負(fù)壓排水系統(tǒng)應(yīng)用于上海國際賽車場廁所污水收集項(xiàng)目[2]。之后，該技術(shù)主要被應(yīng)用于高鐵、地鐵、隧道等因條件限制需要強(qiáng)制排水的區(qū)域[3]。近年來，該技術(shù)逐漸由交通領(lǐng)域向民用市政排水領(lǐng)域拓展[4]，并在污水源分離與資源化利用方面有較為廣泛的應(yīng)用。

本文從城鎮(zhèn)污水負(fù)壓收集與源分離系統(tǒng)的先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)適用性角度出發(fā)，通過對理論研究進(jìn)展的分析，結(jié)合工程應(yīng)用的改進(jìn)，對比分析了負(fù)壓收集系統(tǒng)的優(yōu)勢與不足。其間從管徑選取、連接方式、地形條件、運(yùn)行維護(hù)和資源化利用等方面分析了負(fù)壓收集技術(shù)與傳統(tǒng)重力排水技術(shù)的經(jīng)濟(jì)適用性，指出該技術(shù)目前的經(jīng)濟(jì)適用條件，并針對該技術(shù)發(fā)展存在的制約因素提出展望，以期為工程研究提供參考。

1 污水負(fù)壓收集與源分離系統(tǒng)的先進(jìn)性分析

1.1 理論可靠性

污水負(fù)壓收集與源分離系統(tǒng)具有先進(jìn)性，其理論可靠性主要體現(xiàn)在3 個方面。一是管內(nèi)流體形態(tài)，二是管網(wǎng)布置形式，三是管路水頭損失。

1.1.1 管內(nèi)流體形態(tài)

污水負(fù)壓收集與源分離技術(shù)通過抽吸管內(nèi)空氣的方式，利用污水和空氣在管內(nèi)的壓差，由高速氣相帶動較低速的液相向終端流動。根據(jù)管路系統(tǒng)啟閉模式的不同，管內(nèi)流態(tài)分為環(huán)狀流、彈狀流、波狀流和層流[5-6]。當(dāng)系統(tǒng)處于開啟階段時，污水和空氣在壓差作用下一同被吸入管道，由于氣體流動速度遠(yuǎn)高于液體，氣相在管道中心流動，而液相則貼著管壁流動，部分液滴夾雜在氣流中向前運(yùn)動，此時的流態(tài)為環(huán)狀流。隨著系統(tǒng)趨于穩(wěn)定運(yùn)行，液相在管道中的占比增加，液相和氣相運(yùn)動速度趨于一致，尤其在管道提升段及其附近，污水與空氣交替出現(xiàn)，此時彈狀流為負(fù)壓管中的主要流態(tài)。隨著運(yùn)行時間的不斷增加，系統(tǒng)中的真空度逐步下降，空氣難以對污水產(chǎn)生足夠的剪切推動力，污水回落到管道底部，在氣液交界面形成波狀流。當(dāng)系統(tǒng)逐步停止抽吸空氣后，污水基本停止向前運(yùn)動，管道內(nèi)僅余空氣在管道上部流動，流體呈分層流形態(tài)[7]。

1.1.2 管網(wǎng)布置形式

為了避免形成封閉水柱造成堵塞，負(fù)壓管道以鋸齒形方式布置，整個系統(tǒng)存在多處提升段，每個提升段由45°彎頭和一根直管組成。此種布設(shè)方式能夠使系統(tǒng)暫停運(yùn)行時，污水分散在各個提升段的最低處，且與管頂仍留有空隙，避免形成封閉水柱造成堵塞，保證下一次抽吸時空氣流通順暢，對液相產(chǎn)生足夠的挾帶動力。設(shè)計(jì)時，為了滿足最低點(diǎn)空氣流通空間的盈余，管道長度、坡度和管徑應(yīng)滿足式（1）的關(guān)系。

式中：L為管道長度，m；I為管道坡度，I≥0.2%；D為管道外徑，mm；d為液面與管內(nèi)上壁間的空隙，mm。

1.1.3 管路水頭損失

污水負(fù)壓收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)的合理性與經(jīng)濟(jì)性往往與管路水頭損失密切相關(guān)。張健等[8]研究了兩相流摩阻損失和壓降的關(guān)系，提出兩相流摩阻梯度關(guān)系式，并推論得出當(dāng)污水流量和管道管徑確定后，液相折算系數(shù)的取值基本固定在2.0 左右。有研究推導(dǎo)出較適用于計(jì)算光滑圓管中水頭損失的Hazen-Williams 公式，該公式也是目前應(yīng)用較為廣泛的負(fù)壓管水頭損失計(jì)算公式之一[9-10]。周敬宣等[11-12]在Hazen-Williams公式基礎(chǔ)上，考慮了氣相流的作用，推導(dǎo)出負(fù)壓管沿程阻力損失的計(jì)算公式。段金明[13]考慮了氣、液兩相流同時存在時液相流截面積的損失、氣相帶動液相所消耗的過多能量，二者相互作用和呈微波狀的液相與管壁之間所增加的摩擦損失，推導(dǎo)出基于分相模型的兩相流牛頓流體摩擦損失計(jì)算公式、非牛頓流體氣液兩相流摩阻壓降梯度計(jì)算公式以及彈狀流摩阻壓降的計(jì)算公式，大大提高了計(jì)算精度。

1.2 技術(shù)可靠性

污水負(fù)壓收集與源分離系統(tǒng)的真空度是維持系統(tǒng)正常運(yùn)行的基本參數(shù)。設(shè)定合適的真空度，能夠避免過快抽吸導(dǎo)致大量空氣涌入而破壞真空度，也可避免抽吸量不足導(dǎo)致下一次啟動無法正常進(jìn)行。大量工程經(jīng)驗(yàn)表明，負(fù)壓收集系統(tǒng)所需真空度為0.05～0.07 MPa[14]。為了維持系統(tǒng)的真空度，負(fù)壓管道內(nèi)需要一直保持有一定體積的空氣，一般情況下，管道內(nèi)空氣體積需要不小于污水體積。氣液比過低會造成氣液兩相界面剪切力不足，污水無法被輸送至終端，而氣液比過大則會造成不必要的能耗產(chǎn)生，因此氣液比是影響真空度的直接參數(shù)。國內(nèi)外工程實(shí)踐表明，氣液比的大小與管長成正比，其可參考表1取值。

表1 最大管線長度與氣液比的對應(yīng)關(guān)系

氣液比的選擇除了與管線長度相關(guān)外，還與管線的服務(wù)人口密度相關(guān)。有研究[7]在管線長度與氣液比的關(guān)系基礎(chǔ)上，結(jié)合服務(wù)人口密度細(xì)化了氣液比的取值，如表2所示。

表2 管線長度、服務(wù)人口密度與氣液比的對應(yīng)關(guān)系

1.3 工程可靠性

污水負(fù)壓收集與源分離系統(tǒng)中，維持真空度的關(guān)鍵設(shè)備是真空界面閥，用于控制整個系統(tǒng)的真空度。目前，國內(nèi)常用的真空界面閥有浮球式界面閥、電磁式界面閥、氣壓式界面閥三種。

1.3.1 浮球式界面閥

浮球式界面閥是國內(nèi)最早使用的一種真空啟閉裝置，主要設(shè)備有浮球觸發(fā)裝置、拉桿、隔膜閥及進(jìn)氣三通。當(dāng)收集箱內(nèi)液位上升到一定高度時，浮球帶動拉桿打開隔膜閥，實(shí)現(xiàn)對污水和空氣的抽吸；箱內(nèi)污水抽吸完畢時，液位回落，浮球帶動隔膜閥將負(fù)壓通道關(guān)閉。由于控制精度較差、設(shè)備所占空間較多、有效收集污水量較低、零部件更換頻率過高等缺點(diǎn)，此種啟閉方式已逐步被淘汰。

1.3.2 電磁式界面閥

電磁式界面閥通過磁翻板液位計(jì)感應(yīng)真空收集箱體中的污水液位，將信號傳輸至可編程邏輯控制器（PLC），從而控制電動蝶閥開啟或關(guān)閉。該系統(tǒng)控制精度較高，但需要不間斷供電，且需要應(yīng)對防雨、防潮以及突發(fā)斷電等問題。必要時需要為其準(zhǔn)備備用電源，否則嚴(yán)重情況下會破壞整個系統(tǒng)的真空度，一旦系統(tǒng)真空度被破壞，則恢復(fù)需要較長時間。此種界面閥較適用于有條件提供控制箱和保護(hù)措施的場所。

1.3.3 氣壓式界面閥

氣壓式界面閥通過壓力傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)化為電信號控制閥門啟閉。當(dāng)真空收集箱內(nèi)的污水上升至一定高度時，箱體內(nèi)的氣體被壓縮，界面閥自動開啟，污水在負(fù)壓條件下被空氣裹挾著進(jìn)入負(fù)壓管道中。當(dāng)真空收集箱的液位隨著抽吸作用逐漸下降后，收集箱內(nèi)氣壓逐漸降低，真空界面閥自動閉合，維持管道的真空度并等待下一次抽吸。考慮到管道內(nèi)氣液比的穩(wěn)定，一般設(shè)計(jì)會在界面閥處設(shè)置延時控制，使其在收集箱污水抽吸完畢后仍留有一定工作時長，抽吸足夠的空氣來滿足下一次系統(tǒng)運(yùn)行所需的氣液比。氣壓式界面閥利用污水上升在管內(nèi)形成的正壓作為啟動動力，利用上下壓差替代液位觸發(fā)裝置，且無須外部持續(xù)供電，有效克服了前兩種控制裝置的弊端。

有研究[7]對比了電磁式界面閥與氣壓式界面閥的流通能力、氣液比和局部壓力損耗等性能參數(shù)。試驗(yàn)結(jié)果表明，在相同的初始壓力下，二者流通能力相差不大，均在3～7 L/s，但氣壓式界面閥比電磁式界面閥的初始流量高出0.25 倍。氣壓式界面閥啟動中同時進(jìn)水進(jìn)氣，管內(nèi)氣液比的調(diào)節(jié)更多地依賴氣體壓差，相對地，可控制范圍較小。電磁式界面閥和氣壓式界面閥局部壓力損耗主要由抽吸空氣造成，相比較而言，電磁式界面閥抗壓力損耗能力更強(qiáng)。而在耐久性測試中，電磁式界面閥表現(xiàn)出較好的密閉性和完整性，但氣壓式界面閥出現(xiàn)局部腐蝕或生銹現(xiàn)象，影響閥門的靈敏性。

真空界面閥的故障頻次占整個系統(tǒng)故障發(fā)生頻次的80%以上。通過在多次工程實(shí)踐中的研究與改進(jìn)，目前，真空界面閥的性能已得到一定提高。有的通過在隔膜上增加耐屈度及強(qiáng)度的骨架強(qiáng)化層來對抗磨損；有的則通過設(shè)計(jì)雙管路并聯(lián)、雙真空隔膜閥串聯(lián)抽吸的備用模式來維持故障時系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2 污水負(fù)壓收集與源分離系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)適用性分析

2.1 管徑選取

污水負(fù)壓收集系統(tǒng)相較于重力排水系統(tǒng)，在管徑選取上更具有經(jīng)濟(jì)性。負(fù)壓收集系統(tǒng)管徑取75～250 mm，土方開挖和回填量少，開挖淺，無須做支護(hù)，施工較為簡單，工期短；重力流排水系統(tǒng)管徑一般取200～1 500 mm，敷設(shè)時需要設(shè)置一定的坡度，隨著管線長度的增加，埋深逐漸增大，施工需要做邊坡支護(hù)，施工復(fù)雜度較高，工期長。以設(shè)計(jì)中采用較多的管徑為例，管徑200 mm 的聚乙烯（PE）實(shí)壁管綜合造價（考慮管材采購、開挖、回填和鋪設(shè)）約為550 元/m，管徑800 mm 的PE 實(shí)壁管綜合造價約為750 元/m，相比前者，單位成本可節(jié)約26%。由于管徑小、布置方式靈活，負(fù)壓收集系統(tǒng)在沿河截污中起到至關(guān)重要的作用。例如，2011年，常州市在北市河2 km 濱河生活帶利用負(fù)壓管對28 處雨污合流排口進(jìn)行截污改造[15]；2020年，佛山市在新松涌1.25 km的岸線兩側(cè)敷設(shè)負(fù)壓管道1 610 m，使該區(qū)域截污率提升至90.05%[16]。

2.2 連接方式

由于連接方式的不同，負(fù)壓收集系統(tǒng)相較于重力排水系統(tǒng)，可節(jié)約一定的檢查井設(shè)置成本。重力管道每隔25 m 左右以及在管道轉(zhuǎn)彎和連接處均需要設(shè)置檢查井，負(fù)壓管道在鋸齒處一般采用承插熱熔連接，需要間隔約300 m 設(shè)置一座檢測井，用以檢查系統(tǒng)真空狀態(tài)。相同收集范圍內(nèi)，重力系統(tǒng)檢查井設(shè)置數(shù)量約為負(fù)壓系統(tǒng)的15～20 倍，成本增加2～3 倍。若重力排水系統(tǒng)埋深過大時，還需要設(shè)置中途提升泵站，則成本將增加4～5 倍。

2.3 地形條件

在某些受地形條件限制的地區(qū)，施工條件較為苛刻，導(dǎo)致重力流的投資費(fèi)用大幅上升，此時采用負(fù)壓收集技術(shù)能夠有效降低投資成本。例如，2016年，休寧縣傳統(tǒng)古村落祖源村建設(shè)1 529 m 負(fù)壓收集管道，總收集戶數(shù)為140 余戶，極大解決了古村落的排水難題。2019年，黃山市龍門村建成8 897 m 負(fù)壓收集管道，總收集戶數(shù)為285 戶，極大降低了當(dāng)?shù)厣钗鬯疂B漏對水源保護(hù)地的污染。2020年，浙江省歷史文化名村芹川村建成2 000 m 負(fù)壓收集管道，總收集戶數(shù)超過500 戶，避免大面積開挖青石板路對人文風(fēng)貌的破壞。通過工程費(fèi)用的測算對比，蘇州市吳中區(qū)甪直鎮(zhèn)張巷村采用負(fù)壓排水技術(shù)的工程投資較傳統(tǒng)重力排水系統(tǒng)降低約25%；杭州市良渚文化村采用負(fù)壓排水技術(shù)的總體投資則比傳統(tǒng)重力流排水系統(tǒng)降低至少30%。

2.4 運(yùn)行維護(hù)

負(fù)壓管內(nèi)污水流速較高（4.5～6.0 m/s），不易沉積，且該管道在高速氣體（20～45 m/s）的作用下能夠?qū)崿F(xiàn)自清洗，相比重力管，省去清掏疏浚的費(fèi)用。以2 km 范圍內(nèi)管道疏通、巡檢和維護(hù)的年費(fèi)用對比，負(fù)壓系統(tǒng)相較于重力系統(tǒng)可節(jié)約管道養(yǎng)護(hù)費(fèi)用約40%。負(fù)壓收集系統(tǒng)需要依靠負(fù)壓動力中心和負(fù)壓收集器控制運(yùn)行，這在重力系統(tǒng)中是沒有的。根據(jù)污水收集規(guī)模的不同，增加的費(fèi)用有所不同，有項(xiàng)目測算，負(fù)壓系統(tǒng)噸水綜合成本較重力系統(tǒng)高出0.83 元/m3。此外，負(fù)壓中心的主要設(shè)備（真空泵、排污泵、控制柜等）運(yùn)行需要消耗一定電量，負(fù)壓系統(tǒng)電費(fèi)支出為重力系統(tǒng)的1.2～2.0 倍。

2.5 污水源分離與資源化利用

負(fù)壓收集系統(tǒng)應(yīng)用于生活污水源分離與資源化利用，這是目前較為流行的污水再生利用途徑之一，通過綠色、低碳、循環(huán)化資源配置方式可實(shí)現(xiàn)技術(shù)成本的降低。例如，邯鄲市農(nóng)村地區(qū)利用負(fù)壓排水系統(tǒng)將生活污水源分離，黑水經(jīng)厭氧消化后產(chǎn)生農(nóng)用沼氣，灰水經(jīng)人工濕地處理后回灌農(nóng)田。采用負(fù)壓收集系統(tǒng)后，年運(yùn)維費(fèi)用較重力排水系統(tǒng)可以減少3.7 元/（月·戶）[17]。污水負(fù)壓收集系統(tǒng)具有埋深淺、溝槽開挖量小、建造成本低、施工周期短等優(yōu)勢。在基礎(chǔ)條件較差、施工作業(yè)面較窄、周圍建（構(gòu)）筑物保護(hù)要求較高的區(qū)域，其具有較高的經(jīng)濟(jì)適用性。

3 存在的問題及展望

我國污水負(fù)壓收集技術(shù)從引進(jìn)、發(fā)展到逐步成熟已經(jīng)歷20 余年，應(yīng)用范圍和領(lǐng)域也逐步得以拓展，在理論和實(shí)踐上已具備一定深度和規(guī)模。但是，其在市政排水領(lǐng)域仍存在應(yīng)用的局限性，技術(shù)完善程度難以提高，導(dǎo)致決策部門對該技術(shù)的成熟度、可靠性和經(jīng)濟(jì)性仍存在疑慮。雖然《農(nóng)村生活污水處理工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB/T 51347—2019）建議敷設(shè)重力管網(wǎng)有困難的地區(qū)可采用非重力排水系統(tǒng)，但實(shí)際決策往往更傾向于采用傳統(tǒng)重力排水模式解決問題，這也制約了污水負(fù)壓收集技術(shù)的大規(guī)模應(yīng)用與發(fā)展。目前，污水負(fù)壓收集系統(tǒng)仍存在一定的不足，其在技術(shù)應(yīng)用、標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定、應(yīng)用范圍拓展、全生命周期評價體系研究上還有進(jìn)一步提升的空間。

一是真空界面閥作為維持系統(tǒng)真空度的關(guān)鍵部件，其密閉性和耐損耗性能仍有待提高。在其材料選擇上，可充分結(jié)合新型材料研發(fā)與應(yīng)用，在維持系統(tǒng)負(fù)壓狀態(tài)上進(jìn)行創(chuàng)新與突破，盡可能減少真空界面閥的作用，采取無機(jī)械控制方式維持真空度，降低系統(tǒng)投入和維護(hù)成本。

二是我國現(xiàn)有污水負(fù)壓收集技術(shù)系統(tǒng)性設(shè)計(jì)規(guī)范《室外真空排水系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》（CECS 316—2012）編制較早，對目前實(shí)際工程的指導(dǎo)意義逐步下降。大多數(shù)設(shè)計(jì)人員主要依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì)，可能會造成工程造價偏高、投入余量過大等。污水負(fù)壓收集技術(shù)在驗(yàn)收和運(yùn)維中可以參考的規(guī)范十分有限，導(dǎo)致驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)參差不齊，運(yùn)維要求難以統(tǒng)一，后期運(yùn)行管理不到位，使負(fù)壓收集系統(tǒng)難以發(fā)揮其成效。因此，其在設(shè)計(jì)規(guī)程、調(diào)試要求、驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)、運(yùn)維服務(wù)管理標(biāo)準(zhǔn)等方面還有待完善。

三是就目前應(yīng)用條件而言，污水負(fù)壓收集技術(shù)由于各方面因素的限制，應(yīng)用范圍較小。隨著農(nóng)村生活污水治理和資源循環(huán)利用的大力推進(jìn)，有必要將負(fù)壓收集技術(shù)與農(nóng)村污水治理相結(jié)合，探索農(nóng)村生活污水“負(fù)壓收集—集中處理—資源化回用”的經(jīng)濟(jì)型模式，拓展負(fù)壓排水技術(shù)的服務(wù)范圍，突破其提升高度的限制，使負(fù)壓排水技術(shù)與海綿城市、尾水濕地建設(shè)、生態(tài)緩沖帶構(gòu)建等工程有機(jī)結(jié)合，提高其在綠色、低碳、循環(huán)發(fā)展中的重要作用。

四是項(xiàng)目全生命周期評價有待完善，這有利于負(fù)壓排水技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展。在已有研究和工程實(shí)踐的基礎(chǔ)上，制定符合項(xiàng)目特點(diǎn)的全生命周期評價標(biāo)準(zhǔn)，完善污水負(fù)壓收集與源分離技術(shù)全生命周期評價體系，使決策者更全面、系統(tǒng)、客觀地理解和認(rèn)識該技術(shù)，并在合適的條件下做出合理選擇，從而提高工程建設(shè)成效，降低工程建設(shè)和運(yùn)維的成本，實(shí)現(xiàn)工程的低碳、綠色、經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

4 結(jié)論

污水負(fù)壓收集系統(tǒng)作為常規(guī)重力排水系統(tǒng)的重要補(bǔ)充，近年來，該技術(shù)逐漸由交通領(lǐng)域向民用市政排水領(lǐng)域拓展，并在污水源分離與資源化利用方面有較為廣泛的應(yīng)用。本文分析了城鎮(zhèn)污水負(fù)壓收集與源分離系統(tǒng)的先進(jìn)性和經(jīng)濟(jì)適用性，指出了負(fù)壓收集系統(tǒng)的優(yōu)勢與不足，并展望其未來發(fā)展方向，以期更好地推進(jìn)工程研究的發(fā)展。