室外真空排水系统及其在我国农村生活污水治理工程中的应用

农村生活污水的收集需结合当地的地形条件、村落分布,因地制宜地采用不同的模式。室外真空排水系统是一种新型排水技术系统,可解决重力排水管道施工盲区内的污水收集问题,在国外已广泛应用并实现了商业化,在我国目前处于工程推广应用阶段。综述了近几年来室外真空排水系统在我国农村生活污水收集工程中的应用状况,介绍了室外真空排水系统的组成、特点及现有设计标准规范体系。与传统重力排水系统相比,室外真空排水系统具有不受地形限制、适用范围广、节水、隔臭、防堵、管网施工便捷、对周边环境影响小等优势。室外真空排水系统在我国农村厕所改造及生活污水治理工程中具有巨大的应用前景,可作为传统重力排水系统的重要补充。

目前在我国农村生活污水收集处理模式主要采用村集中收集处理、住户分散收集处理、纳入城镇排水管网3种模式,污水收集大多采用重力排水系统法[1,2]。在重力排管困难区域,采用传统重力排水系统收集农村生活污水时,存在施工困难、周期长、费用高、污水收集率低、易产生污泥与淤泥、臭气污水泄漏等问题[3]。针对传统重力排水系统在农村或小城镇应用的局限,国内外开发了一些新的农村生活污水收集技术,包括真空排水系统、压力排水系统等[4]。住房和城乡建设部发布的GB/T 51347—2019《农村生活污水处理工程技术标准》[5]指出:“敷设重力管网有困难的地区,可采用非重力排水系统”。区别于重力排水和压力排水系统,真空排水系统通过真空设备使排水管道内产生一定的真空度,形成空气压差为输送液体提供动力,是一种利用负压原理的排水系统[6]。真空排水系统具有节水、隔臭、无泄漏等优势,近年来备受关注,在我国农村生活污水收集中的工程应用案例逐年增加。笔者系统介绍了室外真空排水系统的组成、特点及其在国内农村生活污水收集工程中的应用案例,以期为我国农村生活污水收集提供借鉴与参考。

1 室外真空排水系统的组成和类型

室外真空排水系统由便器、收集箱、真空管网、真空泵站等组成(图1),具有可采用重力卫生洁具,需专用阀门井、布置特殊的管道等技术特征。收集箱由污水收集室、真空阀、控制器、感应管、箱体等组成。真空泵站含有真空罐、真空泵、污水泵等设备。

真空管网由真空主管、真空支管、真空户管组成。通过真空户管、真空支管、真空主管,将所有的真空终端(收集箱或真空便器)连接起来,利用真空抽吸的方式,将多户家庭的生活污水(灰水、黑水)以“气水固”混合物的形式输送至真空工作站。

根据厕所类型和收集方式,可将室外真空排水系统分为室内重力排污—室外真空源分离污水收集系统、室内重力排污—室外真空源混合污水收集系统、室内真空厕所—室外真空源分离污水收集系统、室内真空厕所—室外真空源混合污水收集系统4种类型[8]。由于我国农村地区室内改厕工程大多采用水冲厕所,通过重力流方式进行排污,因此,为了实现改厕工程与真空排水系统的有效衔接,可采用室内重力排污—室外真空源分离污水收集系统、室内重力排污—室外真空源混合污水收集系统2种污水收集方式,利用收集箱贮存室内重力流排出的污水,并通过真空排水系统抽吸至真空泵站。

2 室外真空排水系统的特点

与传统重力排水系统相比,真空排水系统具有节水、隔臭、无渗漏、收集率高、密闭性好等优点,排水管道具有管径小、埋深浅、能爬坡、防冻防堵、管道铺设灵活,不需要设置检查井,受外部环境限制程度低,不影响周围环境,施工方便快捷、周期短、土建费用低等特点[3,9-10](表1)。

真空排水系统不受地形限制,适用范围广,尤其适用于地形平坦、坡度小、地势起伏大、地下水位高、地质条件差、管网施工难度高等重力排管施工困难区域的污水收集[11],如干旱寒冷地区、南方丘陵山区、古村落、旅游景区、水资源保护区、街巷狭小区等,可以解决我国农村生活污水治理过程中面临的开挖难、无法靠重力流收集污水的难题。

3 室外真空排水系统工程应用

3.1 相关的标准规范

室外真空排水系统应用至今已有30多年,在国内外有较多的工程应用实例,随着技术的成熟,为了保障室外真空排水系统工程的规范设计、施工、安装、调试、验收以及维护管理,国内外制定了一些标准规范文件。如1996年,欧洲制定了EN 1091—1996《室外真空排水系统规范》(Vacuum Sewerage Systems Outside Buildings)[12],英国、德国、法国等相应出台了室外真空排水系统规范BS EN 1091:1997[13]、DIN EN 1091:1997[14]、NF EN 1091:1997[15],澳大利亚水务协会也制定了WSA 06—2008《真空排水系统设计规范》(Vacuum Sewerage Code of Australia)[16]。同时,德国给水、排水及垃圾协会工作手册ATV-DVWK—A116《特殊的排水方法第一部分户外负压排水系统》(2004版)[17]、水环境联合会(WEF)的Alternative Sewer Systems[18]等都为真空排水系统设计、施工、安装和运行提供指导。国内通过借鉴国外标准及国内工程实践经验,发布了CECS 316—2012《室外真空排水系统工程技术规程》[7]、RISN-TG034—2018《污水源分离排水系统工程技术导则》[19]、《给水排水产品系列标准乡村建设应用实施指南》[20]等规范文件,指导我国室外真空排水系统工程实施。

3.2 国外工程应用案例

室外真空排水系统于1987年首次由德国洛蒂格公司提出,在保持原先房屋内重力排水结构的基础上,将真空收集技术运用到室外排水系统中[21]。该技术在欧洲、美国、澳大利亚等发达国家和地区应用较多,广泛应用于室外小区、湖区建筑区等的污水收集与排导。由于技术系统的专业性,真空排水系统设备供应商数量较少,较为知名的包括美国AIRVAC公司、德国洛蒂格公司及英国REDIVAC公司等[22]。真空排水系统主要解决污水收集系统建设时当地重力排管困难问题以及要求施工周期短、对生活影响小等限制因素。如英国林肯郡Wrangle村为了解决由于地势平坦、地下水位高、房屋广泛分布导致的农村污水排水困难问题,通过重力/抽出排水系统与真空排水系统的综合比较评估,选择真空排水系统收集污水,系统包含1个真空站、3 500 m真空管网和76个阀门井,经评估,真空排水系统较重力排水系统节省约40%成本[23]。2003年,根据地区复杂地形与地质特点和管道过河及建设时间短、对正常生活影响小等要求,英格兰Gorefield农村地区选择安装了RediVac真空排水系统,该系统由5 000 m真空管网、105个真空集水井(真空阀)、2个真空站组成,并设计了基于个人计算机的阀门监控控制系统,以便对每个真空接口阀进行监控,快速识别潜在问题[24]。2002年,在迪拜的棕榈岛启动了建设世界上最大的负压排水系统,解决了2 300栋别墅生活污水排水问题,该系统配有1 200个RoeVac真空收集箱,长达40 km的管道和1个由4个真空罐(共100 m3)、16个真空泵和6个排污泵组成的真空泵站,服务人口达23 000人,该系统于2007年初投入使用[25]。针对地下水位高、地形平坦、旅游季节性流量变化大,需开展区域合作、创新的资金使用和获得沿海许可等挑战,北卡罗来纳州Oak Island在污水收集系统建设前,通过对重力收集、真空收集、化粪池系统等进行评估,选择具有施工便捷、无渗漏和较低初始投资成本等优势的真空排水系统,建设了128 km PVC收集系统管道和9个真空泵站,为10 000多座住宅提供服务[11]。

3.3 国内工程应用案例

经过近20年的探索与实践,国内在室外真空排水系统应用方面形成了一批具有核心技术装备的环保企业,如万若(北京)环境工程技术有限公司、湖南真创环保科技有限公司、北京国科绿源环境科技有限公司、山东中车华腾环保科技有限公司、清环拓达(苏州)环境科技有限公司等,其在国内自主研发真空排水技术及设备方面处于领跑地位,并在我国农村生活污水治理中开展了大量的工程应用。2004年,国内首次将室外真空排水系统应用于上海国际赛车场厕所污水收集项目中[26],后续逐步应用至别墅区、景区[27];从2014年开始,真空排水系统逐步在农村生活污水治理项目中得到大规模应用,主要分布在江苏、浙江、安徽、天津、北京、黑龙江等省(市)(表2)。其中,我国规模最大的农村真空负压排水集中处理系统工程位于天津宁河区七里海保护区,该工程于2020年开始建设,惠及造甲镇、东棘坨镇、俵口镇、廉庄镇4个镇27个村共14 115户村民。

3.3.1 北方农村生活污水真空排水系统应用案例

真空排水系统因节水环保、清洁无味,管径细施工量小,冬天不上冻,不受空间地形约束等诸多优势,在北方农村户厕改造和污水收集项目中得到大规模应用。2016年,河北衡水岳良村着力打造岳良村独具历史文化特色的“皇家小镇”,针对村内旱厕卫生条件差、污水渗井排放、农民冬季如厕难等问题,以及房屋高度密集、街道狭窄、住宅地基脆弱、传统重力排水管难以入村入户等改造难题,选用真空厕所及真空排水技术系统进行厕所改建工作,工程以真空厕所替代水冲厕所,共铺设了二十多km的细管、支管、主管、总管四级真空污水管网,建有2个真空泵房、9套工作站,安装真空集便器404套,污水收集箱404个。改造后,岳良村村容村貌得到极大改善,厕所负压隔臭无异味,冬季能正常使用,全村污水收集率接近100%。截至目前,真空排水系统仍运行稳定。河北衡水岳良村(皇家小镇)整村改造真空厕所获评“2017河北十大厕所革命亮点”。2018年、2019年在北京市大兴区李家场村、求贤村分别开展了真空排导新型节水技术应用示范,极大改善了村镇整体形象及居民生活质量。黑龙江七台河四新村厕所改造项目是国内首例在农村高寒高纬度地区应用真空排水系统的案例,为了解决冬季高寒结冰造成厕所无法使用、地形起伏大、难重力引流等问题,于2020年选用真空排水系统对四新村的户厕进行改造,建设真空便器与真空灰水收集器276套、真空管网21.8 km、真空泵房1座,切实解决村民如厕及排水收集问题。项目建成后,四新村获评七台河市生态宜居的美丽乡村示范村。

生活污水源分离负压排水与污水资源化模式是城镇化和新农村建设中新兴的排污排水及处理模式,通过真空源分离技术,将粪尿从混合污水中分离,黑水(粪尿污水)和灰水(杂排水)分别收集处理,实现资源化利用。2008年,在北京小汤山兴寿镇东庄村开展了规模化农村生活污水源分离集水、真空排水、分质资源化处理的生态排水模式应用示范,源头采用真空便器和源分离便器将粪尿污水与灰水分质收集,黄水腐熟杀菌后用于农田,黑水与秸秆、畜禽粪便混合进入沼气池生产沼气,用于照明和做饭,灰水排入人工湿地进行净化。2013年,河北邯郸南界河店村建设了基于源分离排水的生活污水处理系统,将源分离收集技术、负压排水技术、黑水厌氧技术和人工湿地处理技术高效集成化应用,室内负压便器源头收集高浓度粪尿,灰水重力流汇集至室外负压收集器,通过负压管道分别收集黑水、灰水;黑水从负压站排至地埋厌氧消化池进行资源化处理,沼气农用,沼液沼渣作为有机肥应用于周边种植园;灰水经均质、预曝气、沉淀处理后排入人工湿地,出水用作灌溉或绿化用水[7]。

3.3.2 南方农村生活污水真空排水系统应用案例

室外真空排水系统在我国南方农村应用案例主要集中在安徽、浙江、江苏3个省,以服务于古村落、旅游区、水源保护地、老城改造等村落污水收集项目为主,目前已应用于传统古村落景区祖源村、旅游古镇休宁万安镇、水源保护地黄山龙门村、美丽乡村瑶干村、歙县金滩村和烟村、屯溪新潭镇老城区改造等地的污水收集处理工程[28,29,30],切实解决了污水收集困难、收集率不高等难题。

2014年,江苏常熟虞山镇宝岩村为了解决工程所在区域地形起伏大,地下水位高,居民住房以紧密布局的平房和别墅为主,道巷狭窄,社区内不具备重力排水管道施工条件等难题,采用室外真空排水方式对社区污水进行收集,再通过压力管道导入河对岸既有市政排水干管[31]。真空排污系统服务规模1 000户,设计总规模达530 t/d,为当时国内规模最大的示范工程。共安装真空泵站3套,收集箱83套,真空管道约4 000 m,每套收集箱服务于10~15户居民。真空管道采用高密度聚乙烯(HDPE)管材,真空排出管外径为90 mm,真空干管外径为110~250 mm。真空排水系统能自动运行,通过真空泵房监控系统能查询系统运行状态和故障信息,无需专人看守,系统维护简单、易操作。该项目成功实施并起到了有效的示范作用,解决了宝岩村雨污合流入河的污染问题,改善了水环境质量,提升了景区品质。

2016年,针对村内地形起伏大、道路弯曲狭窄、多石板路与多溪流等特点造成污水管网施工难度大的问题,黄山市休宁县传统古村落祖源村采用室外真空排水技术实施生活污水收集处理工程,建设了16座真空收集井、真空管网1 529 m、真空泵站1座,接户率达到92%以上,污水处理量为30 t/d,服务规模达140户,目前已稳定运行5年以上,明显改善了居民生活环境质量[30]。

4 展望

相较于传统重力排水系统,室外真空排水系统具有节水、卫生、无臭无味、低能耗、管网铺设灵活、施工工期短、可资源化等优势,应用范围广泛,不仅可以节约水资源,减少后端污水处理成本,同时真空源分离收集的高浓度废物资源化潜力高,可协同农村农业有机废物处理生产有机肥或者沼气,有利于农村绿色有机农业的发展。近年来,真空排水系统逐渐被大众认可,在我国室外工程应用示范逐年增加,但仍主要局限于在经济较发达、重力排管困难区域的应用。鉴于真空排水系统自身具有的独特优势,随着农村对生活品质要求的提高及农村循环经济的发展,室外真空排水系统在我国农村厕所改造及污水收集治理工程中的应用具有较大的市场前景。