真空排污系統在城區生態改造中的應用

尹立新，高戰爭，薛國強，任國俊

（1.常熟理工學院，江蘇 常熟 215500；2.常熟市住建局，江蘇 常熟 215500；3.蘇州安省設計有限公司，江蘇 常熟 215500）

1 引言

真空排水系統是一種新型的非重力排水系統，與傳統重力排水系統相比，污水真空收集系統不但能節約用水、保護環境，而且具有管徑相對較小、不受地形限制、管網安裝方便、不易堵塞、經濟性能好等優點[1]。與現行常規節水便器相比，糞尿分離真空便器沖廁耗水減少80%～90%，且產生的糞尿總量相應減少[2]。此系統己在歐美國家日益得到重視，用于城鎮居民區、生態旅游區以及缺水和修建重力排污系統困難的地區[3]。室外真空排水系統由真空站（包括真空泵等真空源、排污泵及真空罐等）、收集室（包括真空閥門和控制裝置的界面單元）以及真空管道組成。它使用收集坑（井）貯存污廢水，通過真空閥門的開閉使污廢水在壓力差驅動和大流速氣流裹挾條件下從收集坑室抽吸入真空管道，期間通過逐級提升的布管技術實現遠距離輸送至真空泵站中的真空罐，最后排入處理系統[4]。

真空排污是一種具有很大潛力的工程技術，應用十分范圍廣泛。1987年洛蒂格公司在無須改變原內部房屋的重力排污系統的基礎上，首次將真空收集運用到戶外排污系統[5]。美國的第一套民用真空排污系統建于1970年，在維吉尼亞州弗雷德里克斯堡附近的湖區。至今，美國有多達500套的不同規模的真空排污系統在運行或建設之中。美國國家環保局己指定真空排污系統為推廣普及的新技術，用于替代傳統的重力式排污管道系統。澳大利亞、英國等歐洲國家至今也有上千套的真空排污系統。1997年英國公共標準協會制定了真空排污系統的規范BS EN1091∶1997。目前室外真空排污系統己在歐美漸呈流行趨勢。日本于20世紀90年代開始研宄真空排污系統，并較快地實現了實用化，《下水道設施計劃與設計指針》1994年版收入了真空排污系統。

隨著真空排污系統設備的國產化、系統設計水平的提高以及人們對環境問題的日益關注，真空排污系統作為一種新的替代型排污管道，正在逐漸引起關注。位于長三角地區的常熟市在生態城市建設和改造中，引進真空排污技術，首先應用于舊城改造，改變了常熟后桃花村區的原始排污方式，采用污水重力流進入積水井，井內真空輸水裝置將污水經真空管道收集至真空站的真空罐，再用污水泵排污至市政處理設施的排水方式。該項目取得了較好的成果，常熟市政府部門進一步推進節能減排，將真空排污技術與土壤滲濾工藝相結合，在城市景區排污改造上進行了應用，探索了一條生態城市排污改造的新思路。

2 真空收集系統方案

2.1 真空收集系統原理

真空集便器技術是一種高效的、依靠真空負壓來實現污物收集及轉儲的技術。系統由真空集便器、真空管網、真空工作站（包括真空泵組、容錯過渡罐、停電保障系統、控制箱、配電箱等）、GSM無線監控報警系統和污水處理設備組成。該技術體現在：真空產生、真空收集、污物粉碎、污物傳輸均在同一個過程中完成，從少到一個便器終端，多到數百個便器終端，都可以靈活設計成不同的系統解決方案。

水沖式公廁的生活污水主要分為兩種：大小便產生的污水（簡稱“黑水”）和盥洗產生的污水（簡稱“灰水”）以及廁所打掃衛生產生的污水（簡稱“灰水”）。根據水沖式公廁的污水調查結果來看，黑水與灰水各占總污水量50%左右。但是灰水COD、TSS、N、P、K的指標分別占5%、8%、2%、10%、8%；黑水 COD、TSS、N、P、K 的指標分別占95%、92%、98%、90%、92%。通過上述分析可知：黑水和灰水的水量雖然基本相等，但水質卻相差很大。傳統的水沖式公廁將黑水和灰水混合排放，從而使得輕污染的灰水也變成了重污染的黑水，增加了黑水產生的總量，增加了收集與處理的成本。因此，采用真空源分離技術應先從源頭將黑水和灰水分離，然后對黑水和灰水分別處理。

2.2 真空收集系統特點

傳統排污管道系統大部沿用重力排污系統，重力排污系統存在許多弊端，如易受地形限制，不能靈活地與其他專業管線進行綜合協調，管道直徑大，需較大的坡度和埋深，需設置大量污水檢查井、提升泵站或倒虹吸管等附屬構筑物，致使施工難度、建設成本、運行維護成本大幅度增加。

分散式真空污水收集技術是一種新技術，其核心為真空集便系統。

在真空收集過程中，負壓不但有良好的隔臭性能，同時能夠撕裂、粉碎和攪拌污物而無堵塞管道之虞，可減小管道直徑，且方便其布置。真空工作站無視地形高差可直接將污水排放到黑水箱，發酵后可形成經濟廉價的有機肥，變廢為寶。真空集便器每次沖洗只需0.5L水，比傳統的水沖廁所節約90%以上的水（傳統抽水馬桶沖洗水量約為6～12L／次），并且收集的高濃度黑水可用于堆肥、發酵等，具有節水和資源化的優點。由盥洗池、清潔廁所等產生的灰水則由滲濾系統進行簡單處理，然后進行中水回用，這就基本實現了該公廁的污水零排放。

由于用水量大大降低，因此污水的總容積也大大縮小。在相同終端數目的情況下，黑水收集箱的體積遠遠小于傳統的化糞池的體積。現狀化糞池容積可利用改造成發酵池。真空集便器系統在正常情況下處于等待的狀態，只有在按下沖水按鈕以及管道內真空度不足的情況下，真空泵才會運轉。據調查，真空集便器每使用一次的耗電量僅為0.005kW·h左右，所消耗的電能費用遠遠小于傳統水沖式廁所多消耗的水資源費用。

2.3 與真空收集系統配套的土壤滲濾工藝

土壤滲濾工藝是一種人工強化的污水生態工程處理技術，它充分利用在地表下面的土壤中棲息的土壤動物、土壤微生物、植物根系，以及土壤所具有的物理、化學特性將污水凈化，屬于小型的污水土地處理系統。日本在20世紀80年代開發出土壤毛管浸潤溝污水凈化工藝，處理生活污水的出水水質優于二級處理出水。美、法、德、以色列等發達國家也部在大力推行與土壤滲濾技術相關的土地處理工藝，美國大約有36%的農村及零星分散建造的家庭住宅采用了此類技術處理生活污水。

土壤滲濾系統設備簡單、投資少、操作管理方便、能耗低、凈化效果好，特別適用于污水管網不完備的區域，處理分散排放的生活污水。

3 工程概況

3.1 工程簡介

維摩山莊位于虞山半山腰，是虞山尚湖旅游度假區及市民休閑聚集景點之一。每周人流量1200人左右。該處地面黃海標高約172.0m，城區地面標高2.6m左右。維摩山莊現狀有一座傳統水沖式廁所，污水進化糞池后外運。該處市政污水重力自流管無法到達，且遠期無污水規劃。本次維摩山莊整體綜合改造，污水收集與處理是建設單位考慮的重點之一。

3.2 設計方案

圖1 污水收集與處理系統

本工程擬采用土壤滲濾工藝：灰水通過進水布管進入土壤滲濾系統，首先在植物的作用下得到初步凈化，然后逐步下滲，經過土壤的時候，在土壤毛細管作用以及土壤內微生物的降解作用下，灰水得到進一步的凈化，然后由排水管排出。為防止灰水不斷下滲污染地下水，土壤滲濾系統的底部鋪有防水層。

經過專家論證，確定采用黑水真空集便源分離收集及灰水土壤滲濾處理工藝，實現“節水、零排放、資源化”的綜合治理目標。主要思路是：公廁小便、大便產生的黑水通過真空系統收集至黑水儲存罐，發酵產生有機肥就地利用，或結合盥洗及廁所打掃衛生產生的灰水通過土壤滲濾系統處理，流入下游進行中水回用。

根據景區調查確定設計參數：總黑水量1029L／d，總灰水量6.9m3／d。維摩公廁污水收集與處理，通過采用真空蹲便器、真空坐便器、真空殘疾人便器、真空小便斗等終端，利用真空管對人糞、尿的這部分高濃度的污水進行密閉收集，并經真空工作站存儲到黑水收集箱發酵。黑水發酵完成為高濃度有機肥，而像盥洗盆排出的污染程度較低的灰水，可以通過滲濾系統進行處理，然后到下游缽孟潭進行中水回用。高濃度有機肥結合中水稀釋后可作為肥料，如圖1所示。

3.3 系統運行保障

本方案從設置、施工以及監控三方面來保障整個系統的安全性。

在管路設計方面，該系統在每一個終端及節點均設置一球閥。若某一終端出現故障，則可將該終端上的閥門進行手動關閉，從而防止某一點的故障對整個系統造成影響。也就是說，終端之間部是相互獨立，互不干涉的，這就保證了整個系統的安全穩定運行。

在施工方面，該技術保證管道的優質施工。管道外部均采用混凝土包裹以增加管道強度，防止出現由于管道破裂產生的真空度受損問題。在管道必須過路的情況下，須在管道外部加套鋼管，使管道能夠承受車輛的重量。整個管線每隔一定距離設置一檢查井，以定期進行檢查。在整個施工完成之后，須對整個系統進行24h的測試才能投入運行。該系統采用GSM實時監控，24h監測系統的正常運行。在正常情況下，監控中心每日將收到2條關于真空度等參數的信息。一旦系統監測到故障，將立即將故障信息反饋給監測中心，再由監測中心立即派專人維修，以使故障在最短的時間內被排除，保證系統的穩定高教運行。

3.4 系統后期維護

在整個系統建設完全并穩定運行以后，工作人員將定期對系統進行檢查和維護，具體操作為：每周檢查真空過濾罐內污物是否超過容積的1／2，超過則需要及時清理；每天觀察真空泵內水位是否大于1／2，如果水位不夠，及時加水；巡檢時，讀取真空表數值，并做好記錄；檢查真空泵站控制箱，工作指示燈是否點亮，有無報警信號。

每個真空便器使用頻率為n＝1200×3÷7÷14＝37次／d，真空便器每次沖洗收集的污水量為2L，按照10年的服務期限，對維護費用進行統計。真空站除橡膠易損件外，其余固件使用壽命在20年左右。

4 結語

真空排污系統是新型的污水收運系統，它是利用真空負壓產生的壓差來強制性輸送污水，與現行的重力排污系統相比，真空排污系統具有眾多優勢：適用范圍廣，節約水資源，系統綜合費用較低。因此在舊城區改造中有特有的優越性。真空收集系統的耗水量僅為傳統水重力方式的1／10，采用該系統進行分離收集，可以將高濃度的黑水變為有機肥，實現高濃度黑水的資源化再利用，具有很好的經濟效益。同時也減少了污水的排放量，減輕了對水環境的污染。濃縮黑水的資源化利用也減少了對空氣和土壤的污染，有效地保護了環境。

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