真空排水系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

真空排水系統(tǒng)的設(shè)計與應(yīng)用

長期以來，很多污水管道都采用了重力污水管道。然而,重力排污系統(tǒng)存在眾多弊端:易受地形限制、不能靈活與其他專業(yè)管線進行整體協(xié)調(diào)需較大的坡度和埋深,需設(shè)置大量污水檢查井、提升泵站或倒虹吸管等附屬構(gòu)筑物,致使施工難度、建設(shè)和維護成本大幅增加。真空排水系統(tǒng)正是在這一背景下應(yīng)運而生的新型壓力流污水收集系統(tǒng)。真空排水系統(tǒng)是由真空泵在密閉的排水管網(wǎng)中形成真空條件,通過各收集井中的真空閥控制,利用真空負(fù)壓產(chǎn)生的壓差來實現(xiàn)污水流向污水罐,最后排至市政污水管網(wǎng)或污水處理設(shè)備,屬于壓力流排水系統(tǒng)。與傳統(tǒng)重力排水系統(tǒng)相比,真空排水系統(tǒng)只需保證覆土深度,對管道坡度要求較低,管道的布置具有很大的靈活性,可用于地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜(不穩(wěn)定地面、地下水位高、巖石地層等),地形坡度不夠(平原),及對排水有特殊要求的地區(qū)(如賽車場、高檔住宅區(qū)、地下商場、別墅區(qū))。1真空網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的組成真空排污系統(tǒng)主要由污水真空收集閥井、真空排污管網(wǎng)、真空站三大部分組成,如圖1所示。1.1污水收集閥污水真空收集閥井是真空排水系統(tǒng)的起點設(shè)備,通常設(shè)于單體建筑物附近。污水真空收集閥井(見圖2)包括污水收集井和真空接觸閥,污水收集井用來臨時收集建筑物內(nèi)的污水,真空接觸閥安置在污水收集井內(nèi),且與建筑下水道及支管相連,是真空排水系統(tǒng)的動力裝置。數(shù)棟建筑可共用一個污水真空收集閥井。建筑物內(nèi)的污水一般通過重力管道排到污水真空收集閥井中。當(dāng)污水收集井內(nèi)的水位升高時,真空接觸閥感應(yīng)管內(nèi)空氣受到壓縮,氣壓上升,當(dāng)感應(yīng)管內(nèi)氣壓與真空管道內(nèi)的壓差達到設(shè)定值時,真空接觸閥開啟,收集井中污水在壓差作用下通過抽吸管進入接觸閥后的真空管道中。隨著集水井中污水?dāng)y帶的空氣進入和污水中空氣的逸出,井內(nèi)水位回落,使得感應(yīng)管中的氣壓下降,當(dāng)感應(yīng)管中的氣壓降低到一定值時,壓力開關(guān)自動關(guān)閉,系統(tǒng)的一個工作周期結(jié)束,將進入下一個循環(huán)周期。1.2真空管道管道鋪設(shè)及提升段外來管道真空排水管網(wǎng)包括干管和支管,管徑一般為5~20cm,用于連接閥井和真空站內(nèi)的污水收集罐。污水由真空污水收集閥井經(jīng)支管、干管,再由主干管進入真空站,整個管網(wǎng)呈枝狀分布。在真空收集閥剛打開的瞬間,抽吸作用將污水吸出排水支管。同時,收集井內(nèi)的空氣被吸入排水管網(wǎng)中,導(dǎo)致管道內(nèi)真空度逐漸降低,管內(nèi)與外界壓差逐漸減小,管道內(nèi)流速也將逐漸減小。當(dāng)管內(nèi)外壓力趨于平衡時,真空收集閥關(guān)閉,管內(nèi)污水將處于重力流狀態(tài)。此時由于失去了抽吸動力,污水將匯集到管網(wǎng)末段的最低點。因此,真空排水管道應(yīng)按段敷設(shè)成波浪形或鋸齒狀,以便匯集部分污水,用作產(chǎn)生真空提升時所需的水封。故污水在真空管道中輸送,并不是一次性到達真空站,每一次啟動只有一部分污水被輸送到真空站,一部分則停留在管線的各提升段的低洼處,等待下次啟動。盡管真空排污系統(tǒng)的管道不易堵塞,但為預(yù)防意外情況,在提升段的低洼處設(shè)置清淤孔,管道堵塞時打開清淤孔,通過外界大氣壓力來疏通管道內(nèi)的堵塞物。污水管網(wǎng)鋪設(shè)坡度大于0.2%,一方面保證具有足夠的重力水頭;另一方面,使波段有最低點,形成柱塞水封段。管道埋深過大時,通過兩個45度彎頭和一根直短管的提升段來提升高度。當(dāng)采用多級提升時,第一級提升距起始端至少15m,之后每一級提升段之間的間距至少為6.1m,且多級提升不得超過5級。干管每間隔500m需設(shè)截止閥一個,以便維修。1.3污水真空收集罐真空站(見圖3)是真空排水系統(tǒng)的核心部分。一般配有真空泵、排污泵各2臺(均為一用一備,自動交替運行)、大型污水真空收集罐1座。此外還配備了真空壓力監(jiān)測儀、故障監(jiān)控系統(tǒng)、電控系統(tǒng)及除臭設(shè)施等。真空排水系統(tǒng)運行時,由真空泵提供和維持管道及真空罐內(nèi)負(fù)壓狀態(tài)(35~50kPa)。為避免水蒸氣及雜物進入真空泵,降低真空泵的壽命,在真空泵和收集罐之間設(shè)置真空儲能罐。一個污水真空收集罐可同時服務(wù)幾條主管,每根主管通過截止閥與污水真空收集罐相連。系統(tǒng)工作后,污水與空氣經(jīng)管網(wǎng)被抽入污水收集罐,罐內(nèi)氣壓逐漸上升,真空度下降,當(dāng)真空度下降到極限值時,真空泵又自動啟動,將罐內(nèi)空氣抽出,依次循環(huán)工作。當(dāng)真空罐水位達到一定水位時,污水泵啟動排出罐內(nèi)污水。真空泵出口裝有活性炭過濾器以凈化排出的臭氣。1.4水管網(wǎng)真空狀態(tài)監(jiān)控真空排水系統(tǒng)對管道氣密性要求很高。為維持管道內(nèi)的真空狀態(tài),保證系統(tǒng)的正常運作,需對真空排水管網(wǎng)的真空狀態(tài)進行監(jiān)控。在管網(wǎng)施工確保正常、系統(tǒng)管網(wǎng)通過密閉測試的情況下,系統(tǒng)失真空出現(xiàn)通常是由于真空接觸閥不能正常關(guān)閉造成的。通過在真空接觸閥上安裝反映閥啟閉狀態(tài)的感應(yīng)器,并與監(jiān)控系統(tǒng)連接,可實現(xiàn)對真空接觸閥啟閉狀態(tài)的監(jiān)控,對不能正常關(guān)閉的接觸閥進行準(zhǔn)確定位。2真空排污系統(tǒng)人工感染的目(1)不受地形限制,適用范圍廣。由于管道采用壓力輸送污水,不需要保持嚴(yán)格的管道坡降,易于污水提升,從而使管道布置更具靈活性。真空排污系統(tǒng)除適用采用重力排污系統(tǒng)的地區(qū)(例如,工商業(yè)區(qū)、城鎮(zhèn)居民區(qū))外,還適用于重力排污系統(tǒng)修建困難的地區(qū),例如生態(tài)旅游區(qū)、低洼、地勢平坦、地勢陡峭、淺巖、流沙區(qū)、沼澤地帶等。(2)有利于環(huán)境保護。一方面,很高的氣密性管道經(jīng)常保持真空狀態(tài),可避免污染地下水和土壤;另一方面,污水流速遠(yuǎn)大于重力系統(tǒng)中的自凈流速,管道不易發(fā)生堵塞,因此在管道沿線不需設(shè)置檢查井,避免檢查井中的臭氣和溢水污染環(huán)境。(3)系統(tǒng)綜合費用較低。真空排污系統(tǒng)管徑相對較小,管道敷設(shè)無坡度要求,能比較自由地沿著地形實現(xiàn)管道的淺埋。因此,與重力排污系統(tǒng)相比,真空排污系統(tǒng)在管材、土方開挖量和回填量以及搬遷補償?shù)确矫尜M用都得到大幅度降低。而且,真空排污系統(tǒng)只需在真空站設(shè)置動力電源,而在地勢平坦和爬坡地區(qū)的重力排污系統(tǒng)往往需設(shè)立多級污水提升站,因此,真空排污系統(tǒng)既可節(jié)省運行費,又可減少管理維護上的麻煩,一般來說,真空排污系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠,系統(tǒng)一旦出問題能被及時監(jiān)測,維護費用遠(yuǎn)低于重力排污系統(tǒng)。3關(guān)于真空排水系統(tǒng)1987年洛蒂格公司在未改變原先內(nèi)部房屋的重力排污結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,將真空收集原理運用到戶外排污系統(tǒng),這一利用空氣作為傳輸介質(zhì)的理念,使室內(nèi)、外排污系統(tǒng)設(shè)計更完美、經(jīng)濟地得到發(fā)揮。之后,AIRVAC、ENVIROVAC、WPCF等公司對真空排污系統(tǒng)進行了研究,取得了一定的成果,申請了許多專利。美國的第一套民用真空排污系統(tǒng)建于1970年,在維吉尼亞州弗雷德里克斯堡附近的湖區(qū)。至今,美國有多達500套的不同規(guī)模的真空排污系統(tǒng)在運行或建設(shè)之中。美國國家環(huán)保局已將真空排污系統(tǒng)列為推廣普及的新技術(shù),用于替代傳統(tǒng)的重力排污系統(tǒng)。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(tǒng)。1997年英國公共標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會制定了真空排污系統(tǒng)的規(guī)范BSEN1091∶1997。目前真空排污系統(tǒng)已在歐美漸呈流行趨勢。日本于上世紀(jì)90年代年開始研究真空排污系統(tǒng),并較快地實現(xiàn)了應(yīng)用,日本下水道協(xié)會修訂的《下水道設(shè)施計劃與設(shè)計指針》加入了真空排污系統(tǒng)。目前我國仍沒有真空排水系統(tǒng)設(shè)計、施工和驗收規(guī)范,通常都參照歐洲或美國的真空排水系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范。1996年,弗羅里達州西南部的Englewood住宅區(qū)安裝了第一套真空排污系統(tǒng),第一期工程服務(wù)1500用戶。后來,在該地區(qū)又興建5套真空排污系統(tǒng),服務(wù)人數(shù)達到8000戶。在該項目的建設(shè)過程中,真空下水道系統(tǒng)被證實比重力下水道系統(tǒng)的人均建設(shè)費用節(jié)省25%,運行維護費用與其它已建成的重力排污系統(tǒng)相當(dāng)。待所有項目竣工之后,EnglewoodWaterDistrict將擁有7個真空站,3000個閥井,服務(wù)人數(shù)超過10000人。廣州白云國際會議中心,總建筑面積31.6萬m2,地下室為設(shè)備間和停車場,停車場總長375m,設(shè)有公共衛(wèi)生間7個,化妝間11個。由于集水井潛水泵排水系統(tǒng)為非密封系統(tǒng),地下層衛(wèi)生間會散發(fā)異味,影響周圍的空氣環(huán)境;鑒于衛(wèi)生間和化妝間所在地下室位置的特殊性,不宜采用潛水泵抽升污水的排水方式,因而選用了完全密閉的真空排水系統(tǒng)。該真空排水系統(tǒng)采用了先進的電子監(jiān)測裝置,隨時監(jiān)控整個系統(tǒng)的運行,一旦出現(xiàn)異常,自動控制系統(tǒng)會自動報警指示并反饋控制中心,隔離故障部分,保證其余部分正常工作,減少了工作量,提高了效率和系統(tǒng)運行的可靠性,并且該系統(tǒng)每天耗電量是集水井系統(tǒng)的26%。上海國際賽車場“上”字形賽道總長5.541km,最長的直道賽段為1175m,賽車場沿“上”字形賽道周邊設(shè)置了固定衛(wèi)生設(shè)施共29棟。由于賽車場地為軟土地基,為確保賽道基礎(chǔ)施工質(zhì)量和賽道表面層的平整,不宜全部采用傳統(tǒng)重力排污系統(tǒng),確定賽車場內(nèi)距離污水重力排污管道系統(tǒng)較遠(yuǎn)的22棟固定衛(wèi)生設(shè)施采用真空排污系統(tǒng)。整個真空排污系統(tǒng)共設(shè)2座真空站,分為兩個獨立的系統(tǒng),總管長分別為1714m和1277m。北京南站作為2008年奧運會的標(biāo)志性工程,采用德國洛蒂格公司研制的真空排水系統(tǒng)將站內(nèi)衛(wèi)生間所有的出水與真空排水系統(tǒng)連接。I,III區(qū)設(shè)備間各設(shè)大型真空泵站1處,內(nèi)設(shè)15kW真空排水系統(tǒng)4臺,10m3收集罐2臺,并設(shè)有一體化泵站9個。真空管路系統(tǒng)采用HDPE管材,電熱熔連接。重力系統(tǒng)部分采用PVC管材,膠粘連接。對于北京南站來說,主站房若采用傳統(tǒng)的重力排水系統(tǒng),就需要設(shè)置伸頂通氣立管,嚴(yán)重破壞建筑的整體視覺效果;而真空排水系統(tǒng)本身無需伸頂通氣立管,并且系統(tǒng)密閉、無異味,具有高度的衛(wèi)生性及安全性。上海鐵路南站廣場工程以站屋為中心,將主要功能建筑設(shè)于地下,分為南北廣場,共兩層;南廣場地下建筑面積42190m2,使用26套潛水泵(121.8kW·h)和一套360-3型泵一體化真空本站(17kW),系統(tǒng)總造價分別為249.298萬元和303.264萬元;北廣場地下建筑面積71165m2,使用42套潛水泵(202.8kW·h)和一套360-3型泵一體化真空泵站(17kW),系統(tǒng)總造價分別為249.298萬元和303.264萬元。真空排水系統(tǒng)雖然在造價上比傳統(tǒng)的排水方式高20%~30%,但其能耗低,運行維護方便,并且在環(huán)境保護方面具有明顯優(yōu)勢。上海銀座大廈地下共四層,主要為商業(yè)用房,各層均設(shè)有衛(wèi)生間,設(shè)計采用真空排水系統(tǒng),取消了地下室污水集水坑。系統(tǒng)設(shè)置真空排水泵站一套,衛(wèi)生間內(nèi)座便器采用真空排水專用座便器,其余為普通衛(wèi)生器具。真空排水專用座便器每次沖洗用水僅1L,相比常用的節(jié)水型座便器的6L沖洗用水量,可節(jié)水80%。系統(tǒng)運行過程中無異味散發(fā)、無污水外溢及管道內(nèi)污物沉積的現(xiàn)象。4真空排水系統(tǒng)的應(yīng)用根據(jù)相關(guān)工程,在城市地下建筑排水系統(tǒng)建設(shè)中,真空排水系統(tǒng)造價約為72元/m2,傳統(tǒng)排水系統(tǒng)造價約