室外真空排水系統及其在我國農村生活污水治理工程中的應用
農村生活污水的收集需結合當地的地形條件、村落分布,因地制宜地采用不同的模式。室外真空排水系統是一種新型排水技術系統,可解決重力排水管道施工盲區內的污水收集問題,在國外已廣泛應用并實現了商業化,在我國目前處于工程推廣應用階段。綜述了近幾年來室外真空排水系統在我國農村生活污水收集工程中的應用狀況,介紹了室外真空排水系統的組成、特點及現有設計標準規范體系。與傳統重力排水系統相比,室外真空排水系統具有不受地形限制、適用范圍廣、節水、隔臭、防堵、管網施工便捷、對周邊環境影響小等優勢。室外真空排水系統在我國農村廁所改造及生活污水治理工程中具有巨大的應用前景,可作為傳統重力排水系統的重要補充。
目前在我國農村生活污水收集處理模式主要采用村集中收集處理、住戶分散收集處理、納入城鎮排水管網3種模式,污水收集大多采用重力排水系統法[1,2]。在重力排管困難區域,采用傳統重力排水系統收集農村生活污水時,存在施工困難、周期長、費用高、污水收集率低、易產生污泥與淤泥、臭氣污水泄漏等問題[3]。針對傳統重力排水系統在農村或小城鎮應用的局限,國內外開發了一些新的農村生活污水收集技術,包括真空排水系統、壓力排水系統等[4]。住房和城鄉建設部發布的GB/T 51347—2019《農村生活污水處理工程技術標準》[5]指出:“敷設重力管網有困難的地區,可采用非重力排水系統”。區別于重力排水和壓力排水系統,真空排水系統通過真空設備使排水管道內產生一定的真空度,形成空氣壓差為輸送液體提供動力,是一種利用負壓原理的排水系統[6]。真空排水系統具有節水、隔臭、無泄漏等優勢,近年來備受關注,在我國農村生活污水收集中的工程應用案例逐年增加。筆者系統介紹了室外真空排水系統的組成、特點及其在國內農村生活污水收集工程中的應用案例,以期為我國農村生活污水收集提供借鑒與參考。
1 室外真空排水系統的組成和類型
室外真空排水系統由便器、收集箱、真空管網、真空泵站等組成(圖1),具有可采用重力衛生潔具,需專用閥門井、布置特殊的管道等技術特征。收集箱由污水收集室、真空閥、控制器、感應管、箱體等組成。真空泵站含有真空罐、真空泵、污水泵等設備。
真空管網由真空主管、真空支管、真空戶管組成。通過真空戶管、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,利用真空抽吸的方式,將多戶家庭的生活污水(灰水、黑水)以“氣水固”混合物的形式輸送至真空工作站。
根據廁所類型和收集方式,可將室外真空排水系統分為室內重力排污—室外真空源分離污水收集系統、室內重力排污—室外真空源混合污水收集系統、室內真空廁所—室外真空源分離污水收集系統、室內真空廁所—室外真空源混合污水收集系統4種類型[8]。由于我國農村地區室內改廁工程大多采用水沖廁所,通過重力流方式進行排污,因此,為了實現改廁工程與真空排水系統的有效銜接,可采用室內重力排污—室外真空源分離污水收集系統、室內重力排污—室外真空源混合污水收集系統2種污水收集方式,利用收集箱貯存室內重力流排出的污水,并通過真空排水系統抽吸至真空泵站。
2 室外真空排水系統的特點
與傳統重力排水系統相比,真空排水系統具有節水、隔臭、無滲漏、收集率高、密閉性好等優點,排水管道具有管徑小、埋深淺、能爬坡、防凍防堵、管道鋪設靈活,不需要設置檢查井,受外部環境限制程度低,不影響周圍環境,施工方便快捷、周期短、土建費用低等特點[3,9-10](表1)。
真空排水系統不受地形限制,適用范圍廣,尤其適用于地形平坦、坡度小、地勢起伏大、地下水位高、地質條件差、管網施工難度高等重力排管施工困難區域的污水收集[11],如干旱寒冷地區、南方丘陵山區、古村落、旅游景區、水資源保護區、街巷狹小區等,可以解決我國農村生活污水治理過程中面臨的開挖難、無法靠重力流收集污水的難題。
3 室外真空排水系統工程應用
3.1 相關的標準規范
室外真空排水系統應用至今已有30多年,在國內外有較多的工程應用實例,隨著技術的成熟,為了保障室外真空排水系統工程的規范設計、施工、安裝、調試、驗收以及維護管理,國內外制定了一些標準規范文件。如1996年,歐洲制定了EN 1091—1996《室外真空排水系統規范》(Vacuum Sewerage Systems Outside Buildings)[12],英國、德國、法國等相應出臺了室外真空排水系統規范BS EN 1091:1997[13]、DIN EN 1091:1997[14]、NF EN 1091:1997[15],澳大利亞水務協會也制定了WSA 06—2008《真空排水系統設計規范》(Vacuum Sewerage Code of Australia)[16]。同時,德國給水、排水及垃圾協會工作手冊ATV-DVWK—A116《特殊的排水方法第一部分戶外負壓排水系統》(2004版)[17]、水環境聯合會(WEF)的Alternative Sewer Systems[18]等都為真空排水系統設計、施工、安裝和運行提供指導。國內通過借鑒國外標準及國內工程實踐經驗,發布了CECS 316—2012《室外真空排水系統工程技術規程》[7]、RISN-TG034—2018《污水源分離排水系統工程技術導則》[19]、《給水排水產品系列標準鄉村建設應用實施指南》[20]等規范文件,指導我國室外真空排水系統工程實施。
3.2 國外工程應用案例
室外真空排水系統于1987年首次由德國洛蒂格公司提出,在保持原先房屋內重力排水結構的基礎上,將真空收集技術運用到室外排水系統中[21]。該技術在歐洲、美國、澳大利亞等發達國家和地區應用較多,廣泛應用于室外小區、湖區建筑區等的污水收集與排導。由于技術系統的專業性,真空排水系統設備供應商數量較少,較為知名的包括美國AIRVAC公司、德國洛蒂格公司及英國REDIVAC公司等[22]。真空排水系統主要解決污水收集系統建設時當地重力排管困難問題以及要求施工周期短、對生活影響小等限制因素。如英國林肯郡Wrangle村為了解決由于地勢平坦、地下水位高、房屋廣泛分布導致的農村污水排水困難問題,通過重力/抽出排水系統與真空排水系統的綜合比較評估,選擇真空排水系統收集污水,系統包含1個真空站、3 500 m真空管網和76個閥門井,經評估,真空排水系統較重力排水系統節省約40%成本[23]。2003年,根據地區復雜地形與地質特點和管道過河及建設時間短、對正常生活影響小等要求,英格蘭Gorefield農村地區選擇安裝了RediVac真空排水系統,該系統由5 000 m真空管網、105個真空集水井(真空閥)、2個真空站組成,并設計了基于個人計算機的閥門監控控制系統,以便對每個真空接口閥進行監控,快速識別潛在問題[24]。2002年,在迪拜的棕櫚島啟動了建設世界上最大的負壓排水系統,解決了2 300棟別墅生活污水排水問題,該系統配有1 200個RoeVac真空收集箱,長達40 km的管道和1個由4個真空罐(共100 m3)、16個真空泵和6個排污泵組成的真空泵站,服務人口達23 000人,該系統于2007年初投入使用[25]。針對地下水位高、地形平坦、旅游季節性流量變化大,需開展區域合作、創新的資金使用和獲得沿海許可等挑戰,北卡羅來納州Oak Island在污水收集系統建設前,通過對重力收集、真空收集、化糞池系統等進行評估,選擇具有施工便捷、無滲漏和較低初始投資成本等優勢的真空排水系統,建設了128 km PVC收集系統管道和9個真空泵站,為10 000多座住宅提供服務[11]。
3.3 國內工程應用案例
經過近20年的探索與實踐,國內在室外真空排水系統應用方面形成了一批具有核心技術裝備的環保企業,如萬若(北京)環境工程技術有限公司、湖南真創環保科技有限公司、北京國科綠源環境科技有限公司、山東中車華騰環保科技有限公司、清環拓達(蘇州)環境科技有限公司等,其在國內自主研發真空排水技術及設備方面處于領跑地位,并在我國農村生活污水治理中開展了大量的工程應用。2004年,國內首次將室外真空排水系統應用于上海國際賽車場廁所污水收集項目中[26],后續逐步應用至別墅區、景區[27];從2014年開始,真空排水系統逐步在農村生活污水治理項目中得到大規模應用,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,我國規模最大的農村真空負壓排水集中處理系統工程位于天津寧河區七里海保護區,該工程于2020年開始建設,惠及造甲鎮、東棘坨鎮、俵口鎮、廉莊鎮4個鎮27個村共14 115戶村民。
3.3.1 北方農村生活污水真空排水系統應用案例
真空排水系統因節水環保、清潔無味,管徑細施工量小,冬天不上凍,不受空間地形約束等諸多優勢,在北方農村戶廁改造和污水收集項目中得到大規模應用。2016年,河北衡水岳良村著力打造岳良村獨具歷史文化特色的“皇家小鎮”,針對村內旱廁衛生條件差、污水滲井排放、農民冬季如廁難等問題,以及房屋高度密集、街道狹窄、住宅地基脆弱、傳統重力排水管難以入村入戶等改造難題,選用真空廁所及真空排水技術系統進行廁所改建工作,工程以真空廁所替代水沖廁所,共鋪設了二十多km的細管、支管、主管、總管四級真空污水管網,建有2個真空泵房、9套工作站,安裝真空集便器404套,污水收集箱404個。改造后,岳良村村容村貌得到極大改善,廁所負壓隔臭無異味,冬季能正常使用,全村污水收集率接近100%。截至目前,真空排水系統仍運行穩定。河北衡水岳良村(皇家小鎮)整村改造真空廁所獲評“2017河北十大廁所革命亮點”。2018年、2019年在北京市大興區李家場村、求賢村分別開展了真空排導新型節水技術應用示范,極大改善了村鎮整體形象及居民生活質量。黑龍江七臺河四新村廁所改造項目是國內首例在農村高寒高緯度地區應用真空排水系統的案例,為了解決冬季高寒結冰造成廁所無法使用、地形起伏大、難重力引流等問題,于2020年選用真空排水系統對四新村的戶廁進行改造,建設真空便器與真空灰水收集器276套、真空管網21.8 km、真空泵房1座,切實解決村民如廁及排水收集問題。項目建成后,四新村獲評七臺河市生態宜居的美麗鄉村示范村。
生活污水源分離負壓排水與污水資源化模式是城鎮化和新農村建設中新興的排污排水及處理模式,通過真空源分離技術,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,實現資源化利用。2008年,在北京小湯山興壽鎮東莊村開展了規模化農村生活污水源分離集水、真空排水、分質資源化處理的生態排水模式應用示范,源頭采用真空便器和源分離便器將糞尿污水與灰水分質收集,黃水腐熟殺菌后用于農田,黑水與秸稈、畜禽糞便混合進入沼氣池生產沼氣,用于照明和做飯,灰水排入人工濕地進行凈化。2013年,河北邯鄲南界河店村建設了基于源分離排水的生活污水處理系統,將源分離收集技術、負壓排水技術、黑水厭氧技術和人工濕地處理技術高效集成化應用,室內負壓便器源頭收集高濃度糞尿,灰水重力流匯集至室外負壓收集器,通過負壓管道分別收集黑水、灰水;黑水從負壓站排至地埋厭氧消化池進行資源化處理,沼氣農用,沼液沼渣作為有機肥應用于周邊種植園;灰水經均質、預曝氣、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 南方農村生活污水真空排水系統應用案例
室外真空排水系統在我國南方農村應用案例主要集中在安徽、浙江、江蘇3個省,以服務于古村落、旅游區、水源保護地、老城改造等村落污水收集項目為主,目前已應用于傳統古村落景區祖源村、旅游古鎮休寧萬安鎮、水源保護地黃山龍門村、美麗鄉村瑤干村、歙縣金灘村和煙村、屯溪新潭鎮老城區改造等地的污水收集處理工程[28,29,30],切實解決了污水收集困難、收集率不高等難題。
2014年,江蘇常熟虞山鎮寶巖村為了解決工程所在區域地形起伏大,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,社區內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社區污水進行收集,再通過壓力管道導入河對岸既有市政排水干管[31]。真空排污系統服務規模1 000戶,設計總規模達530 t/d,為當時國內規模最大的示范工程。共安裝真空泵站3套,收集箱83套,真空管道約4 000 m,每套收集箱服務于10~15戶居民。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。真空排水系統能自動運行,通過真空泵房監控系統能查詢系統運行狀態和故障信息,無需專人看守,系統維護簡單、易操作。該項目成功實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題,改善了水環境質量,提升了景區品質。
2016年,針對村內地形起伏大、道路彎曲狹窄、多石板路與多溪流等特點造成污水管網施工難度大的問題,黃山市休寧縣傳統古村落祖源村采用室外真空排水技術實施生活污水收集處理工程,建設了16座真空收集井、真空管網1 529 m、真空泵站1座,接戶率達到92%以上,污水處理量為30 t/d,服務規模達140戶,目前已穩定運行5年以上,明顯改善了居民生活環境質量[30]。
4 展望
相較于傳統重力排水系統,室外真空排水系統具有節水、衛生、無臭無味、低能耗、管網鋪設靈活、施工工期短、可資源化等優勢,應用范圍廣泛,不僅可以節約水資源,減少后端污水處理成本,同時真空源分離收集的高濃度廢物資源化潛力高,可協同農村農業有機廢物處理生產有機肥或者沼氣,有利于農村綠色有機農業的發展。近年來,真空排水系統逐漸被大眾認可,在我國室外工程應用示范逐年增加,但仍主要局限于在經濟較發達、重力排管困難區域的應用。鑒于真空排水系統自身具有的獨特優勢,隨著農村對生活品質要求的提高及農村循環經濟的發展,室外真空排水系統在我國農村廁所改造及污水收集治理工程中的應用具有較大的市場前景。
原標題：室外真空排水系統及其在我國農村生活污水治理工程中的應用
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