负压收集系统在甪直农村污水收集工程中的应用设计

仲明明

（上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092）

0 前言

示范工程位于苏州市吴中区甪直镇甫南村（见图1），包括400户约2000人的生活污水收集。受建筑稠密、街道狭窄、地势平坦、建筑抗扰动性差等因素的制约，目前村内的污水一般就地排出或接入室外化粪池，污水就地下渗，居民污水难以采用常规的重力方法收集排入周边市政管网。

图1 甪直镇甫南村、南厍村地形图

1 收集系统模式的选择

1.1 污水收集技术分析及选择

重力排水系统不适用于水系密布、房屋密集、道路狭窄、建筑抗扰动性差的地区。因此，该工程不考虑采用。

真空排水系统、压力排水系统、小管径重力排水系统和新型负压污水收集系统均适用于该工程的地形特点，其中真空排水系统和压力排水系统的用户端设备均较多，且自控要求高，给日后的维护和管理增加了困难。而小管径重力排水系统需要在用户端建设标准较高的截留池，甫南村、南厍村住宅密度大，难以设置截留池。

水封式负压污水收集技术是针对水乡城镇具体情况，结合真空排水和虹吸原理开发的一项新技术，与真空排水相比，设备少、投资省、自控要求低。

综上所述，该工程推荐采用水封式负压污水收集技术。

1.2 水封式负压污水收集系统

1.2.1 系统组成

水封式负压污水收集技术是上海市政工程设计研究总院研发的一种新型室外污水收集技术。室外负压收集污水装置由若干个收集单元、负压管、负压站组成。其中收集单元由进水管、收集井、水封管和抽吸管组成，负压站由负压收集罐、真空泵、排水抽吸泵及控制装置组成。该收集系统利用负压抽吸原理，在正常运行时，家庭内污水重力流到室外污水收集井，在污水收集井作短暂停留，在真空站内真空泵开启的情况下，污水重力进入水封井，再由抽吸支管汇流到负压管，再由负压管流到污水收集罐内。图2为水封式负压收集系统图。

图2 水封式负压收集系统图

1.2.2 特点和适用范围

负压污水收集技术是在传统真空收集技术的基础上，结合虹吸原理研发的一种新型室外污水收集技术。该技术具有以下特点：

（1）在各收集井采用水封管代替传统的真空启动阀，省去了真空监控系统，设备简单，投资省，易运行维护；

（2）在正常情况下，空气不进入负压管道，输送效率高 ，能耗省，运行费用低；

（3）管道小、埋深较浅，不需要保持严格的管道坡降，适用于传统重力排水难以实施的地区；

（4）无泄漏，利于环境保护；

（5）但在管道实施过程中，与真空系统一样，对收集管道的气密性要求高，且为了减少系统静提升的损失，在管道敷设时，应尽量避免大的起伏，防止气体在管道中积聚。

2 工程设计

2.1 主要设计参数

2.1.1 污水量

按照《镇（乡）村排水工程技术规程》（CJJ124-2008），当粪便污水和其他生活污水混合计算时，每人每天的生活污水量为100～170L/（人·d），当粪便污水单独计算时，为20～30L/（人·d）。该工程的主要收集对象为粪便污水，考虑到少数居民家中，有部分洗涤废水与粪便污水合流排放，因此，污水量采用100L/（人·d）。按70户，平均每户15人计，人口约1050人设计，每天收集水量约105 m3/d。

2.1.2 系统损失计算

负压收集系统中流体的压力损失一般由摩擦损失（沿程阻力损失）、静提升损失、加速压力损失和局部损失等四部分组成。

2.1.3 管道纵断面布置

在负压收集管道中纵断面布置时，应尽量避免设置提升段，在该工程中，负压干管原则上应按水平敷设，不考虑坡度，如现场需要避让障碍物，需要征得设计部门同意，负压支管由污水收集井出口按一定坡度坡向污水干管。

2.1.4 系统真空度范围

新型负压收集系统的真空度范围由两个最不利点控制，一为近端最不利点，即至负压收集站压力损失最小的用户终端；一为远端最不利点，即至负压收集站压力损失最大的用户终端。

系统真空度上限PH应确保近端最不利点水封不被破坏，系统真空度下限PL应确保远端最不利点的污水能得到有效收集。

2.1.5 负压管道最小设计流速

在该工程中，负压管道最小流速大于不淤流速0.3 m/s。

2.1.6 负压收集站设计计算

2.1.6.1 污水泵

负压收集系统中的污水泵选择无堵塞排污泵。污水泵的流量由系统设计最小污水流量确定。

2.1.6.2 污水收集罐

污水收集罐为不锈钢板制成，工作真空度按0.02MPa～0.06MPa设计。污水收集罐有效容积计算公式为：

2.1.6.3 真空泵

该工程中系统真空度范围在0.02MPa～0.045MPa，属于低真空范围，选用水环真空泵。

2.2 主要构筑物设计

2.2.1 污水收集井

每个收集井分成三格。第一格为贮泥井，主要进行粪便及颗粒物质的沉积，有效容积：0.28 m3；第二格为贮存井，主要用于短暂贮存住户排出的污水，有效容积约0.34 m3；第三格检修操作井，主要用于对水井管、阀门的安装和维护管理，内设有DN150水封管一根，深度一般为埋入地面以下4.0～4.5 m，管底端封闭。

污水收集井内的水封管采用专用成套装置，出口接DN65抽吸管，设置DN65手动球阀一只，DN65止回阀一只。

污水收集井一般设置在住户北面，施工时应满足以下条件：

（1）就近接入：污水收集井设置在离厕所出口附近，方便厕所废水就近接入。

（2）方便操作：具有一定空地，并避开人行及交通要道，方便操作管理。

（3）防雨功能：顶板需高出周围地面约100 mm，防止雨水进入。

（4）防渗功能；收集井内侧必须防渗处理，建成后应经渗漏检验。即加满水观察24 h，其水位的减少，以不超过10 mm为合格。

（5）旁通功能：溢流旁通功能，在收集设备损坏时，污水能够溢流旁通，溢流管就近下渗或排入附近沟。

（6）设置可开启盖板：每格需要设置可开启式的盖板，方便清淤和井内设备的管理。

根据以上设计原则，该工程收集井总数28只，污水收集井设置成品盖板，方便开启。

2.2.2 收集管网

根据系统服务范围特点和系统真空度控制要求，确定负压收集系统管网布局。南厍村被甫澄中路分割为东西两边，甫澄中路柯福路口有一处市政污水井，考虑在甫澄中路东侧村口绿化带内设一套真空系统，敷设两路负压收集干管，其中西侧2＃干管管径DN200，管中心标高为2.0 m，服务用户端数量15个，由南侧甫澄路桥洞下水平敷设至东侧，接入东侧1#干管内；东侧1#干管管径DN150，管中心标高为1.8 m，服务用户端数量13个，接纳西侧2东侧干管后接入设置于村口甫澄路西侧的负压收集站中，收集站出水沿甫澄路向南排入柯福路上现状DN400污水管内。

该工程埋深较浅，均采用开槽埋管法施工，管材：DN100～D200均采用UPVC给水塑料管，粘结接口。所有管道工作压力为0.6 MPa。

施工过程中应注意以下几点：

（1）管网布置宜采用水平布置，在管网施工过程中，应尽可能减少凸起或下凹，防止气体在管道中积聚导致管网的阻力增加。

（2）应注意管道的密封性，在覆土前应作气密性试验。

2.2.3 负压泵站设备

根据现场条件，该工程负压泵站设置于南厍村口甫澄中路西侧路边的绿化带内。

负压收集站采用成套专用设备，具体参数如下：

负压收集罐：负压收集罐共设1台，负压收集罐直径为1.5 m，直段长2.0 m，总长2.5 m，采用卧式安装方式，负压收集罐上设置高液位和低液位浮球开关。设负压开关2只，控制真空罐内的最高真空压力和最低真空压力。

污水泵：流量为40 m3/h，H=10 m，P=4 kW，吸水高度7 m，设两台(一用一备)。每台水泵出口设置DN65止回阀和气动截止球阀。

真空泵：真空泵采用水环式真空泵，压力为-56.7时，抽气量为 500 L/min，P=3 kW，设两台(一用一备)。

负压收集站内设置控制箱，系统可根据需要采用定期开启和常开启两种工作模式，同时根据压力开关控制系统开关，当压力升至升压真空开关规定的真空上限时，关闭系统电源，当真空压力降到降压真空开关规定的下限时，开启电源；当贮水池内的液位低于某一液位时，低液位开关接通，水泵关闭，真空泵启动；当贮水池内的液位高于某一液位时，高液位开关接通，真空泵关闭，水泵启动。

真空站最大同时启动功率为6 kW，设备配置功率为18 kW。

2.2.4 泵站控制室

负压收集站下采用200 mm厚混凝土基础，收集站安装完成后，在设备外设置彩钢房作为控制室，控制室尺寸为3.6 m×5 m，高3.5 m，在真空收集设备完成后再实施。

2.2.5 管道阀门

为检修及清淤，每隔一段距离设置阀门，在该工程中，负压管网中的阀门井的最大设置间距约为120 m。

2.2.6 真空站其它配套

真空站需配套DN15自来水，用于清洗和真空泵补充用水，配备供电6 kW。

2.3 运行模式

负压收集站采用自动运行，无需人员值守，但需设一人负责定期巡视和设备维护。同时负责管网维护和相关维护宣传工作。

系统控制采用和集中控制模式，集中控制模式下，各污水收集井内阀门全开，由负压收集站定时启动真空泵。系统真空度由远端最不利点和近端最不利点控制，控制原则为完成远端最不利点抽吸工作的同时，近端最不利点的真空不被破坏。该模式下负压收集站控制要求如表1所列。

表1 集中控制模式负压收集站控制要求一览表

2.4 主要工程数量表（见表2）

表2 主要工程材料表

3 工程验收

3.1 管道验收

整体管道的密闭性测试应按下列步序和规定进行：

（1）关闭所有的阀门，用管帽封堵所有管口，保证所检查范围的密闭。

（2）将真空泵接入终端检查管，根据压力表显示提供-0.03 MPa负压，并要求此负压维持30 min，在此后的4 h内压力衰减不超过5%即为密闭性合格。

（3）测试时必须有施工方、设计工程师、监理单位到场，并记录测试结果。

3.2 设备验收

由于该工程采用负压新技术，真空泵站内设备及收集井水封管需要采用专用成套设备。

4 结语

生活污水一般采用重力方式进行收集，但大部分农村建筑密集、街道狭窄、建筑抗扰动性差，难以采用重力方式收集生活污水。负压收集系统所需敷设的管道管径小（DN100～DN150）、埋深浅（约0.5 m），能够在农村狭小的街道下敷设，设备运行费用也不高，维护相对简单，为农村污水收集提供了新的出路。

目前，甪直镇甫南村南厍区域污水收集工程已基本竣工，现已通水运行，效果良好，为农村生活污水的收集提供了工程示范，表明负压收集系统具有良好的应用前景。