室外真空排水系統(tǒng)及其在我國農(nóng)村生活污水治理工程中的應(yīng)用

全康環(huán)保:農(nóng)村生活污水的收集需結(jié)合當?shù)氐牡匦螚l件、村落分布,因地制宜地采用不同的模式。室外真空排水系統(tǒng)是一種新型排水技術(shù)系統(tǒng),可解決重力排水管道施工盲區(qū)內(nèi)的污水收集問題,在國外已廣泛應(yīng)用并實現(xiàn)了商業(yè)化,在我國目前處于工程推廣應(yīng)用階段。綜述了近幾年來室外真空排水系統(tǒng)在我國農(nóng)村生活污水收集工程中的應(yīng)用狀況,介紹了室外真空排水系統(tǒng)的組成、特點及現(xiàn)有設(shè)計標準規(guī)范體系。與傳統(tǒng)重力排水系統(tǒng)相比,室外真空排水系統(tǒng)具有不受地形限制、適用范圍廣、節(jié)水、隔臭、防堵、管網(wǎng)施工便捷、對周邊環(huán)境影響小等優(yōu)勢。室外真空排水系統(tǒng)在我國農(nóng)村廁所改造及生活污水治理工程中具有巨大的應(yīng)用前景,可作為傳統(tǒng)重力排水系統(tǒng)的重要補充。

目前在我國農(nóng)村生活污水收集處理模式主要采用村集中收集處理、住戶分散收集處理、納入城鎮(zhèn)排水管網(wǎng)3種模式,污水收集大多采用重力排水系統(tǒng)法[1,2]。在重力排管困難區(qū)域,采用傳統(tǒng)重力排水系統(tǒng)收集農(nóng)村生活污水時,存在施工困難、周期長、費用高、污水收集率低、易產(chǎn)生污泥與淤泥、臭氣污水泄漏等問題[3]。針對傳統(tǒng)重力排水系統(tǒng)在農(nóng)村或小城鎮(zhèn)應(yīng)用的局限,國內(nèi)外開發(fā)了一些新的農(nóng)村生活污水收集技術(shù),包括真空排水系統(tǒng)、壓力排水系統(tǒng)等[4]。住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部發(fā)布的GB/T 51347―2019《農(nóng)村生活污水處理工程技術(shù)標準》[5]指出:“敷設(shè)重力管網(wǎng)有困難的地區(qū),可采用非重力排水系統(tǒng)”。區(qū)別于重力排水和壓力排水系統(tǒng),真空排水系統(tǒng)通過真空設(shè)備使排水管道內(nèi)產(chǎn)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(tǒng)[6]。真空排水系統(tǒng)具有節(jié)水、隔臭、無泄漏等優(yōu)勢,近年來備受關(guān)注,在我國農(nóng)村生活污水收集中的工程應(yīng)用案例逐年增加。筆者系統(tǒng)介紹了室外真空排水系統(tǒng)的組成、特點及其在國內(nèi)農(nóng)村生活污水收集工程中的應(yīng)用案例,以期為我國農(nóng)村生活污水收集提供借鑒與參考。

1 室外真空排水系統(tǒng)的組成和類型

室外真空排水系統(tǒng)由便器、收集箱、真空管網(wǎng)、真空泵站等組成(圖1),具有可采用重力衛(wèi)生潔具,需專用閥門井、布置特殊的管道等技術(shù)特征。收集箱由污水收集室、真空閥、控制器、感應(yīng)管、箱體等組成。真空泵站含有真空罐、真空泵、污水泵等設(shè)備。

真空管網(wǎng)由真空主管、真空支管、真空戶管組成。通過真空戶管、真空支管、真空主管,將所有的真空終端(收集箱或真空便器)連接起來,利用真空抽吸的方式,將多戶家庭的生活污水(灰水、黑水)以“氣水固”混合物的形式輸送至真空工作站。

根據(jù)廁所類型和收集方式,可將室外真空排水系統(tǒng)分為室內(nèi)重力排污―室外真空源分離污水收集系統(tǒng)、室內(nèi)重力排污―室外真空源混合污水收集系統(tǒng)、室內(nèi)真空廁所―室外真空源分離污水收集系統(tǒng)、室內(nèi)真空廁所―室外真空源混合污水收集系統(tǒng)4種類型[8]。由于我國農(nóng)村地區(qū)室內(nèi)改廁工程大多采用水沖廁所,通過重力流方式進行排污,因此,為了實現(xiàn)改廁工程與真空排水系統(tǒng)的有效銜接,可采用室內(nèi)重力排污―室外真空源分離污水收集系統(tǒng)、室內(nèi)重力排污―室外真空源混合污水收集系統(tǒng)2種污水收集方式,利用收集箱貯存室內(nèi)重力流排出的污水,并通過真空排水系統(tǒng)抽吸至真空泵站。

2 室外真空排水系統(tǒng)的特點

與傳統(tǒng)重力排水系統(tǒng)相比,真空排水系統(tǒng)具有節(jié)水、隔臭、無滲漏、收集率高、密閉性好等優(yōu)點,排水管道具有管徑小、埋深淺、能爬坡、防凍防堵、管道鋪設(shè)靈活,不需要設(shè)置檢查井,受外部環(huán)境限制程度低,不影響周圍環(huán)境,施工方便快捷、周期短、土建費用低等特點[3,9-10](表1)。

真空排水系統(tǒng)不受地形限制,適用范圍廣,尤其適用于地形平坦、坡度小、地勢起伏大、地下水位高、地質(zhì)條件差、管網(wǎng)施工難度高等重力排管施工困難區(qū)域的污水收集[11],如干旱寒冷地區(qū)、南方丘陵山區(qū)、古村落、旅游景區(qū)、水資源保護區(qū)、街巷狹小區(qū)等,可以解決我國農(nóng)村生活污水治理過程中面臨的開挖難、無法靠重力流收集污水的難題。

3 室外真空排水系統(tǒng)工程應(yīng)用

3.1 相關(guān)的標準規(guī)范

室外真空排水系統(tǒng)應(yīng)用至今已有30多年,在國內(nèi)外有較多的工程應(yīng)用實例,隨著技術(shù)的成熟,為了保障室外真空排水系統(tǒng)工程的規(guī)范設(shè)計、施工、安裝、調(diào)試、驗收以及維護管理,國內(nèi)外制定了一些標準規(guī)范文件。如1996年,歐洲制定了EN 1091―1996《室外真空排水系統(tǒng)規(guī)范》(Vacuum Sewerage Systems Outside Buildings)[12],英國、德國、法國等相應(yīng)出臺了室外真空排水系統(tǒng)規(guī)范BS EN 1091:1997[13]、DIN EN 1091:1997[14]、NF EN 1091:1997[15],澳大利亞水務(wù)協(xié)會也制定了WSA 06―2008《真空排水系統(tǒng)設(shè)計規(guī)范》(Vacuum Sewerage Code of Australia)[16]。同時,德國給水、排水及垃圾協(xié)會工作手冊ATV-DVWK―A116《特殊的排水方法第一部分戶外負壓排水系統(tǒng)》(2004版)[17]、水環(huán)境聯(lián)合會(WEF)的Alternative Sewer Systems[18]等都為真空排水系統(tǒng)設(shè)計、施工、安裝和運行提供指導(dǎo)。國內(nèi)通過借鑒國外標準及國內(nèi)工程實踐經(jīng)驗,發(fā)布了CECS 316―2012《室外真空排水系統(tǒng)工程技術(shù)規(guī)程》[7]、RISN-TG034―2018《污水源分離排水系統(tǒng)工程技術(shù)導(dǎo)則》[19]、《給水排水產(chǎn)品系列標準鄉(xiāng)村建設(shè)應(yīng)用實施指南》[20]等規(guī)范文件,指導(dǎo)我國室外真空排水系統(tǒng)工程實施。

3.2 國外工程應(yīng)用案例

室外真空排水系統(tǒng)于1987年首次由德國洛蒂格公司提出,在保持原先房屋內(nèi)重力排水結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,將真空收集技術(shù)運用到室外排水系統(tǒng)中[21]。該技術(shù)在歐洲、美國、澳大利亞等發(fā)達國家和地區(qū)應(yīng)用較多,廣泛應(yīng)用于室外小區(qū)、湖區(qū)建筑區(qū)等的污水收集與排導(dǎo)。由于技術(shù)系統(tǒng)的專業(yè)性,真空排水系統(tǒng)設(shè)備供應(yīng)商數(shù)量較少,較為知名的包括美國AIRVAC公司、德國洛蒂格公司及英國REDIVAC公司等[22]。真空排水系統(tǒng)主要解決污水收集系統(tǒng)建設(shè)時當?shù)刂亓ε殴芾щy問題以及要求施工周期短、對生活影響小等限制因素。如英國林肯郡Wrangle村為了解決由于地勢平坦、地下水位高、房屋廣泛分布導(dǎo)致的農(nóng)村污水排水困難問題,通過重力/抽出排水系統(tǒng)與真空排水系統(tǒng)的綜合比較評估,選擇真空排水系統(tǒng)收集污水,系統(tǒng)包含1個真空站、3 500 m真空管網(wǎng)和76個閥門井,經(jīng)評估,真空排水系統(tǒng)較重力排水系統(tǒng)節(jié)省約40%成本[23]。2003年,根據(jù)地區(qū)復(fù)雜地形與地質(zhì)特點和管道過河及建設(shè)時間短、對正常生活影響小等要求,英格蘭Gorefield農(nóng)村地區(qū)選擇安裝了RediVac真空排水系統(tǒng),該系統(tǒng)由5 000 m真空管網(wǎng)、105個真空集水井(真空閥)、2個真空站組成,并設(shè)計了基于個人計算機的閥門監(jiān)控控制系統(tǒng),以便對每個真空接口閥進行監(jiān)控,快速識別潛在問題[24]。2002年,在迪拜的棕櫚島啟動了建設(shè)世界上最大的負壓排水系統(tǒng),解決了2 300棟別墅生活污水排水問題,該系統(tǒng)配有1 200個RoeVac真空收集箱,長達40 km的管道和1個由4個真空罐(共100 m3)、16個真空泵和6個排污泵組成的真空泵站,服務(wù)人口達23 000人,該系統(tǒng)于2007年初投入使用[25]。針對地下水位高、地形平坦、旅游季節(jié)性流量變化大,需開展區(qū)域合作、創(chuàng)新的資金使用和獲得沿海許可等挑戰(zhàn),北卡羅來納州Oak Island在污水收集系統(tǒng)建設(shè)前,通過對重力收集、真空收集、化糞池系統(tǒng)等進行評估,選擇具有施工便捷、無滲漏和較低初始投資成本等優(yōu)勢的真空排水系統(tǒng),建設(shè)了128 km PVC收集系統(tǒng)管道和9個真空泵站,為10 000多座住宅提供服務(wù)[11]。

3.3 國內(nèi)工程應(yīng)用案例

經(jīng)過近20年的探索與實踐,國內(nèi)在室外真空排水系統(tǒng)應(yīng)用方面形成了一批具有核心技術(shù)裝備的環(huán)保企業(yè),如萬若(北京)環(huán)境工程技術(shù)有限公司、湖南真創(chuàng)環(huán)保科技有限公司、北京國科綠源環(huán)境科技有限公司、山東中車華騰環(huán)?？萍加邢薰?、清環(huán)拓達(蘇州)環(huán)境科技有限公司等,其在國內(nèi)自主研發(fā)真空排水技術(shù)及設(shè)備方面處于領(lǐng)跑地位,并在我國農(nóng)村生活污水治理中開展了大量的工程應(yīng)用。2004年,國內(nèi)首次將室外真空排水系統(tǒng)應(yīng)用于上海國際賽車場廁所污水收集項目中[26],后續(xù)逐步應(yīng)用至別墅區(qū)、景區(qū)[27];從2014年開始,真空排水系統(tǒng)逐步在農(nóng)村生活污水治理項目中得到大規(guī)模應(yīng)用,主要分布在江蘇、浙江、安徽、天津、北京、黑龍江等省(市)(表2)。其中,我國規(guī)模最大的農(nóng)村真空負壓排水集中處理系統(tǒng)工程位于天津?qū)幒訁^(qū)七里海保護區(qū),該工程于2020年開始建設(shè),惠及造甲鎮(zhèn)、東棘坨鎮(zhèn)、?l口鎮(zhèn)、廉莊鎮(zhèn)4個鎮(zhèn)27個村共14 115戶村民。

3.3.1 北方農(nóng)村生活污水真空排水系統(tǒng)應(yīng)用案例

真空排水系統(tǒng)因節(jié)水環(huán)保、清潔無味,管徑細施工量小,冬天不上凍,不受空間地形約束等諸多優(yōu)勢,在北方農(nóng)村戶廁改造和污水收集項目中得到大規(guī)模應(yīng)用。2016年,河北衡水岳良村著力打造岳良村獨具歷史文化特色的“皇家小鎮(zhèn)”,針對村內(nèi)旱廁衛(wèi)生條件差、污水滲井排放、農(nóng)民冬季如廁難等問題,以及房屋高度密集、街道狹窄、住宅地基脆弱、傳統(tǒng)重力排水管難以入村入戶等改造難題,選用真空廁所及真空排水技術(shù)系統(tǒng)進行廁所改建工作,工程以真空廁所替代水沖廁所,共鋪設(shè)了二十多km的細管、支管、主管、總管四級真空污水管網(wǎng),建有2個真空泵房、9套工作站,安裝真空集便器404套,污水收集箱404個。改造后,岳良村村容村貌得到極大改善,廁所負壓隔臭無異味,冬季能正常使用,全村污水收集率接近100%。截至目前,真空排水系統(tǒng)仍運行穩(wěn)定。河北衡水岳良村(皇家小鎮(zhèn))整村改造真空廁所獲評“2017河北十大廁所革命亮點”。2018年、2019年在北京市大興區(qū)李家場村、求賢村分別開展了真空排導(dǎo)新型節(jié)水技術(shù)應(yīng)用示范,極大改善了村鎮(zhèn)整體形象及居民生活質(zhì)量。黑龍江七臺河四新村廁所改造項目是國內(nèi)首例在農(nóng)村高寒高緯度地區(qū)應(yīng)用真空排水系統(tǒng)的案例,為了解決冬季高寒結(jié)冰造成廁所無法使用、地形起伏大、難重力引流等問題,于2020年選用真空排水系統(tǒng)對四新村的戶廁進行改造,建設(shè)真空便器與真空灰水收集器276套、真空管網(wǎng)21.8 km、真空泵房1座,切實解決村民如廁及排水收集問題。項目建成后,四新村獲評七臺河市生態(tài)宜居的美麗鄉(xiāng)村示范村。

生活污水源分離負壓排水與污水資源化模式是城鎮(zhèn)化和新農(nóng)村建設(shè)中新興的排污排水及處理模式,通過真空源分離技術(shù),將糞尿從混合污水中分離,黑水(糞尿污水)和灰水(雜排水)分別收集處理,實現(xiàn)資源化利用。2008年,在北京小湯山興壽鎮(zhèn)東莊村開展了規(guī)?；r(nóng)村生活污水源分離集水、真空排水、分質(zhì)資源化處理的生態(tài)排水模式應(yīng)用示范,源頭采用真空便器和源分離便器將糞尿污水與灰水分質(zhì)收集,黃水腐熟殺菌后用于農(nóng)田,黑水與秸稈、畜禽糞便混合進入沼氣池生產(chǎn)沼氣,用于照明和做飯,灰水排入人工濕地進行凈化。2013年,河北邯鄲南界河店村建設(shè)了基于源分離排水的生活污水處理系統(tǒng),將源分離收集技術(shù)、負壓排水技術(shù)、黑水厭氧技術(shù)和人工濕地處理技術(shù)高效集成化應(yīng)用,室內(nèi)負壓便器源頭收集高濃度糞尿,灰水重力流匯集至室外負壓收集器,通過負壓管道分別收集黑水、灰水;黑水從負壓站排至地埋厭氧消化池進行資源化處理,沼氣農(nóng)用,沼液沼渣作為有機肥應(yīng)用于周邊種植園;灰水經(jīng)均質(zhì)、預(yù)曝氣、沉淀處理后排入人工濕地,出水用作灌溉或綠化用水[7]。

3.3.2 南方農(nóng)村生活污水真空排水系統(tǒng)應(yīng)用案例

室外真空排水系統(tǒng)在我國南方農(nóng)村應(yīng)用案例主要集中在安徽、浙江、江蘇3個省,以服務(wù)于古村落、旅游區(qū)、水源保護地、老城改造等村落污水收集項目為主,目前已應(yīng)用于傳統(tǒng)古村落景區(qū)祖源村、旅游古鎮(zhèn)休寧萬安鎮(zhèn)、水源保護地黃山龍門村、美麗鄉(xiāng)村瑤干村、歙縣金灘村和煙村、屯溪新潭鎮(zhèn)老城區(qū)改造等地的污水收集處理工程[28,29,30],切實解決了污水收集困難、收集率不高等難題。

2014年,江蘇常熟虞山鎮(zhèn)寶巖村為了解決工程所在區(qū)域地形起伏大,地下水位高,居民住房以緊密布局的平房和別墅為主,道巷狹窄,社區(qū)內(nèi)不具備重力排水管道施工條件等難題,采用室外真空排水方式對社區(qū)污水進行收集,再通過壓力管道導(dǎo)入河對岸既有市政排水干管[31]。真空排污系統(tǒng)服務(wù)規(guī)模1 000戶,設(shè)計總規(guī)模達530 t/d,為當時國內(nèi)規(guī)模最大的示范工程。共安裝真空泵站3套,收集箱83套,真空管道約4 000 m,每套收集箱服務(wù)于10~15戶居民。真空管道采用高密度聚乙烯(HDPE)管材,真空排出管外徑為90 mm,真空干管外徑為110~250 mm。真空排水系統(tǒng)能自動運行,通過真空泵房監(jiān)控系統(tǒng)能查詢系統(tǒng)運行狀態(tài)和故障信息,無需專人看守,系統(tǒng)維護簡單、易操作。該項目成功實施并起到了有效的示范作用,解決了寶巖村雨污合流入河的污染問題,改善了水環(huán)境質(zhì)量,提升了景區(qū)品質(zhì)。

2016年,針對村內(nèi)地形起伏大、道路彎曲狹窄、多石板路與多溪流等特點造成污水管網(wǎng)施工難度大的問題,黃山市休寧縣傳統(tǒng)古村落祖源村采用室外真空排水技術(shù)實施生活污水收集處理工程,建設(shè)了16座真空收集井、真空管網(wǎng)1 529 m、真空泵站1座,接戶率達到92%以上,污水處理量為30 t/d,服務(wù)規(guī)模達140戶,目前已穩(wěn)定運行5年以上,明顯改善了居民生活環(huán)境質(zhì)量[30]。

4 展望

相較于傳統(tǒng)重力排水系統(tǒng),室外真空排水系統(tǒng)具有節(jié)水、衛(wèi)生、無臭無味、低能耗、管網(wǎng)鋪設(shè)靈活、施工工期短、可資源化等優(yōu)勢,應(yīng)用范圍廣泛,不僅可以節(jié)約水資源,減少后端污水處理成本,同時真空源分離收集的高濃度廢物資源化潛力高,可協(xié)同農(nóng)村農(nóng)業(yè)有機廢物處理生產(chǎn)有機肥或者沼氣,有利于農(nóng)村綠色有機農(nóng)業(yè)的發(fā)展。近年來,真空排水系統(tǒng)逐漸被大眾認可,在我國室外工程應(yīng)用示范逐年增加,但仍主要局限于在經(jīng)濟較發(fā)達、重力排管困難區(qū)域的應(yīng)用。鑒于真空排水系統(tǒng)自身具有的獨特優(yōu)勢,隨著農(nóng)村對生活品質(zhì)要求的提高及農(nóng)村循環(huán)經(jīng)濟的發(fā)展,室外真空排水系統(tǒng)在我國農(nóng)村廁所改造及污水收集治理工程中的應(yīng)用具有較大的市場前景。