負壓排水技術在皖南山區農村生活污水治理工程中的應用

楊超 馬成浩 豐興帥

（1. 安徽新宇環保科技股份有限公司，安徽合肥 230051；2. 安徽鋼豐環保科技有限公司，安徽合肥 231600；3. 中節能國禎環保科技股份有限公司，安徽合肥 230031）

1 引言

負壓排水技術最早是于19 世紀由荷蘭人Liernur 提出，由于當時的多相流輸送理論和控制技術的發展水平有限［1］，直至二十世紀五六十年代才有了顯著提升，并在歐美國家被逐步廣泛使用。我國對負壓排水技術的研究開始于20 世紀90 年代，21世紀才開始逐漸應用，從2014 年開始，負壓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。住建部發布的GB/T 51347—2019《農村生活污水處理工程技術標準》［2］中提到，敷設重力管網有困難的地區，可采用非重力排水系統。

負壓排水系統主要由收集箱、真空管道、真空泵站等組成，通過真空設備使真空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［3］。其適用于排放點位分散、地勢起伏大、排水距離較長或地下水位較高等重力流難以下管的地區。

2 皖南山區排污現狀

我國農村生活污水收集大多采用傳統重力流結合提升泵站的方式，此方式一般適用于地勢較為平坦的地區，在重力埋管相對困難的區域，采用此方式存在施工難度較大、施工周期長、費用高、會產生臭氣等問題［4］。特別是在黃山市歙縣等皖南山區，采用重力流排水收集污水時會有如下問題：（1）鄉鎮村落整體風貌較好，有與景區相結合的古村落特色，大規模開挖管網和提升泵站會破壞整體風貌。（2）房屋建筑密集，缺乏統一規劃，新舊建筑無序發展，出戶排水管道大小不一，接駁方式較多。（3）村落地形復雜，地勢起伏大，村內道路狹窄，寬1～3 m，且多為巷道和石板階梯，路面下巖層較厚。（4）村落內雨污合流，多利用自然排水溝排水，部分村落無化糞池，污水未經處理直接排放現象較為嚴重。

3 項目概況

A 村和B 村皆位于黃山市歙縣新安江畔，相距約8 km。其中，A 村設計范圍內有住宅255 戶，多為空房及危房，常住人口351 人；村莊位于新安江南岸，沿江呈狹長狀分布，地勢南高北低，中間高東西低；村內道路全部硬化，主干道為水泥路面，從村南穿村而過，寬3～5 m，巷道寬1～3 m，部分巷道和階梯由青石板鋪就而成，房屋間距較小且布置不規整，地質結構多為粉砂和巖石，大部分路段可以用機械開挖；自來水普及率90%以上，生活用水主要用于洗漱、做飯和洗滌；村戶有較多旱廁，改廁率約70%，以磚砌式三格化糞池和玻璃鋼化糞池為主；部分路段建有雨水管網，沒有統一的雨污水排水系統，生活污水順地勢直接排入新安江。

B 村設計范圍內有住宅224 戶，多為空房及危房，常住人口311 人；村莊位于新安江北岸，依山而建，房屋依山路布置，分布于主干道兩邊，整體地勢北高南低，東西方向因山勢呈波浪起伏狀，無法依靠純重力流方式收集污水；村內道路全部硬化，主干道為柏油路，從村南穿村而過，寬5.5 m，巷道寬1～2 m，大部分巷道和階梯由青石板鋪就而成，房屋間距較小，地質結構多為巖石，開挖難度較大，常規機械難以實施；自來水普及率90%以上，生活用水主要用于洗漱、做飯和洗滌；村戶有較多旱廁，改廁率約80%，以磚砌式三格化糞池和玻璃鋼化糞池為主；沒有統一的雨污水排水系統，生活污水順地勢直接排入新安江，不具備雨污分流改造條件。

4 設計方案

4.1 A 村設計方案

根據A 村地形地勢，劃分為4 片區域，分別是村東片、村中東片、村中西片和村西片，采用重力流排水結合提升泵站的污水收集方式。在住宅庭院內敷設DN100 和DN50 入戶管，材質為U-PVC（硬聚乙烯）平壁管，承接化糞池、廚房和洗浴污水；沿村內道路鋪設DN200 污水干支管，材質為HDPE 雙壁波紋管，設置提升泵站3 座，其中村西片污水管自東向西敷設，設置人工濕地1 座；村中西片、村中東片和村東片污水經3 座提升泵站依次提升，最終排入村委會旁邊的污水處理站內。污水處理站采用A2/O 處理工藝，處理能力60 t/d，出水排入附近池塘。A 村污水收集工藝流程見圖1。

圖1 A 村污水收集工藝流程

4.2 B 村設計方案

根據B 村地形地勢，采用重力流排水和負壓排水相結合的污水收集方式。將B 村按照地形地勢和村中道路劃分為8 塊區域，每個區域內的污水采用重力流排水收集，將污水匯集到最低點后，通過設置真空收集箱，將污水進行提升。各個真空收集箱的真空負壓污水管逐次合并，最終統一輸送至真空泵站，再經真空泵站輸送到終端處理設施。

負壓排水收集系統由收集單元、管道單元、真空泵站單元3 部分組成，收集單元包括重力流管道和真空收集箱，主要用于匯集污水；管道單元包括真空主管和真空支管，利用真空抽吸的方式將真空收集箱內的污水輸送至真空泵站；真空泵站包括真空罐、真空泵、污水泵及配套的閥門管件和控制系統，可以暫時儲存污水，是負壓排水系統的核心。主要方案是在住宅庭院內敷設DN100 和DN50 入戶管，材質為U-PVC 平壁管，承接化糞池、廚房和洗浴污水；沿村內道路敷設DE63-DE90 真空污水干支管，材質為PE 管，管壁承壓≥1.25 MPa。B 村共設計有8 套真空收集箱、1 座真空泵站和1 套一體化污水處理設備，一體化污水處理設備采用A3/O+MBBR 工藝，處理能力50 t/d，出水排入新安江。B 村污水收集工藝流程見圖2。

圖2 B 村污水收集工藝流程

4.3 設計方案對比分析

A 村和B 村的地形地貌與處理規模都基本相近，分別采用了重力流排水和負壓排水2 種污水收集方式，兩者具有一定的對比性。其對比結果見表1。

表1 A 村和B 村設計方案對比

B 村采用了重力流排水和負壓排水相結合的污水收集方式，先依靠重力流將污水匯集到最低點，再通過負壓抽吸的方式將污水提升至終端處理設施，因此不需要考慮遠距離輸送問題，降低了管道埋深，減少了土方開挖量及回填量；而且不受地形限制，負壓管管徑小，可以隨意敷設，降低了施工難度，減少了施工周期；同時因為沒有設置提升泵站，節約了大量征地資金，且對周圍環境影響較小。

5 施工方案

5.1 入戶管安裝

入戶管主要用于承接廚房、洗浴及化糞池等庭院內污水，地埋敷設于住宅庭院內，材質為U-PVC平壁管，平均埋深50 cm，管壁用素混凝土包裹，在每戶入戶管末端設置檢查井1 座。

5.2 污水干支管安裝

干支管用于匯集入戶管排出的污水，并在重力作用下輸送到提升泵站和真空收集箱，材質為HDPE 雙壁波紋管，管環剛度≥8 KN/m2，管徑為DN200。運用明挖開槽法，采用放坡開挖的方式，結合明渠降水，必要時采用支護開挖加輕型井點降水法施工。

干支管沿村中道路地埋敷設，埋深大于1 m，坡度≥3‰，管溝深度超過1.5 m 時開始放坡，放坡系數按1∶0.3 控制，超過3 m 時分層開挖。當管道位于通車道路下時，在管底做90° C15 混凝土基礎，其余均做砂墊層。在管道方向改變處、管道匯流處、變坡處以及每間隔20 m 處設置檢查井1 座，施工順序如下：施工準備—測量放樣—管道溝槽—開挖—止水導水和排水施工措施—安管—接口—閉水試驗—回填—質量驗收。

5.3 負壓污水管安裝

負壓污水管用于將真空收集箱內的污水抽送至真空泵站，沿村內道路地埋敷設，埋深≥0.3 m，材質為PE 管，管壁承壓≥1.25 MPa，熱熔連接。在穿越公路段時加設套管，套管為鍍鋅鋼管，在橋梁或河岸邊壁掛敷設時，管道外應包裹保溫層，保溫層為硬質聚氨酯泡沫塑料，并固定牢靠，注意以下技術要點：

（1）管道施工應保證密閉性，管道連接處應保證管道內部光滑，負壓管道不得采用90°彎頭、三通，應采用45°彎頭、斜三通［5］，支管與主管相連接時，支管應高于主管。

（2）當需要穿越障礙物時，應從障礙物的下方穿過或者從側面繞過，避免從障礙物頂端直接越過［6］。

（3）負壓排水管道宜采用鋸齒型敷設方式，2 個相鄰鋸齒型提升彎之間的管道坡度不應小于2‰，負壓排水主管爬坡累積高度不宜大于5 m［5］。

（4）應在凍土層以下0～300 mm 深度范圍內敷設，可在一定高差內逆坡，負壓管道每間隔200 m 左右設置1 個檢查口。

5.4 污水提升泵站安裝

污水提升泵站為地埋式鋼筋混凝土結構，設置于遠離居民住宅至少30 m 遠的空地上，泵站采用小型挖掘機械開挖，并預留300 mm 保護層由人工開挖至設計高程，降排水采用底部基坑積水坑的方式，水泵抽排基坑積水；然后進行墊層、底板、墻體及頂板的澆筑；待混凝土達到設計要求后進行土方回填，并安裝提升泵、格柵等設備。

5.5 真空泵站安裝

真空泵站設置在污水處理站內，與污水處理站合并建設，真空泵站包括真空罐、真空泵、污水泵、控制系統、閥門管件及配套儀表，其中真空泵2 臺，用于將真空收集箱內的污水抽吸至真空罐，真空罐暫時儲存污水，真空罐內的最高液位不超過其有效高度的50%；污水泵2 臺，用于將真空罐內的污水抽至一體化處理設備進行處理，所有設備安置在設備間內。

在真空收集箱附近安裝設置監控模塊箱，監控模塊箱內設有壓力檢測模塊和監控模塊，各監控模塊通過網絡線連接至真空泵站，真空泵站內設置監控系統1 套，用于對各管線內的壓力是否正常進行監測。

5.6 管網部分主要工程量

A 村管網部分主要工程量見表2。

表2 A 村管網部分主要工程量

B 村管網部分主要工程量見表3。

表3 B 村管網部分主要工程量

6 工程效益分析

經測算，A 村采用重力流排水方式收集生活污水，管網部分施工預算約為118 萬元，解決了255 戶村民的污水問題：B 村采用重力流排水和負壓排水相結合的污水收集方式，包括負壓真空系統在內的管網部分施工預算約為74 萬元，解決了224 戶村民的污水問題。因此，對于地形地勢以及處理規模都比較相近的A 村和B 村，相較于傳統的重力流排水，采用負壓排水技術可節省工程投資約44 萬元，有較為顯著的經濟效益。

7 結語

與傳統的重力流排水相比，負壓排水系統具有對周圍環境影響小、管徑小、管網鋪設靈活、施工工期短、不易淤堵、維護方便等優勢。皖南山區農村普遍存在地形復雜、地勢起伏大、房屋密集、道路狹窄、巖層深等特點，采用傳統重力流排水方式會存在施工周期長、施工難度大、工程投資高、對居民生活影響大等缺點，因此，負壓排水技術更適用于皖南山區農村生活污水治理工程，具有較好的市場前景。