负压排水系统是利用真空设备使排水管道内产生一定真空度, 利用空气压差输送介质的排水系统^[1]。负压排水系统适用于生活污废水排水点分散、排水距离较长、排水管道需跨越障碍物、地下水位较高、水源保护区等不适合采用重力流收集输送污水的情况。

　　 该技术最早由荷兰工程师Liernur在19世纪提出, 至今已有数百年历史, 并在欧美国家的排水系统中广泛应用。国内在负压排水方面的研究始于20世纪90年代, 自2000年开始在火车站、地铁站及大型场馆排水系统中应用, 如上海南站、广州地铁2号线、上海国际赛车场、广东白云国际会议中心等^[2]。近年来, 室外负压排水技术在国内农村污水收集处理工程中得到应用, 陈嫣等^[3]将负压排水技术应用于南方水乡城镇污水收集, 张健等^[4]将源分离及负压排水技术应用于邯郸市南界河村污水收集处理, 均取得了良好的工程效果。

　　 农村生活污水一般采用重力流方式进行收集, 此方式在工程条件较好的平原地区比较适宜, 但北方山区农村地形复杂、房屋密集、巷道狭窄, 且岩层浅、冻层深, 在采用重力流方式收集污水时存在以下问题:

　　 (1) 村庄地形凹凸不平, 多被河道、沟道分割, 需分片区收集处理或利用中途提升泵站克服地形高差, 后期管理维护不便。

　　 (2) 村庄巷道狭窄, 而重力流管道管径大、检查井多, 施工难度大, 且影响供水管道的铺设。

　　 (3) 山区岩层浅、冻层深, 重力流污水管道受坡度限制, 将不可避免开挖大量石方, 施工难度大且工程投资高。

　　 可见, 在北方山区农村采用重力流方式收集污水存在诸多问题, 应考虑采用先进可行的收集方式, 以求工程的经济合理。

　　 A村是典型的北方山区农村, 位于北京市房山区西部, 占地73hm², 现有村民1 245户, 2 944人。村庄位于天开水库的库尾, 牤牛河穿村而过, 将A村分为南北两个片区。

　　 村庄整体地势北高南低, 东西高中间低, 南北向地面纵坡3%~5%, 北侧片区和南侧片区地势最低点见图1所示。另外, 村庄东部有两个区域地面标高低于周边区域1~3m, 形成两处洼地。地层由人工堆积层、卵石层、全风化白云岩层组成, 岩层埋深0.3~3m, 项目区标准冻结深度0.8m。

　　 A村现状采用机井定时供水, 由于供水管网老化严重, 村内拟借用污水管道沟槽重新铺设供水管道。

　　 村民户内多为旱厕, 约10%的住户户内为水冲厕所。村庄排水系统极不完善, 仅在村内主路下修建有雨污合流盖板涵, 雨污水直接排入牤牛河, 污染河道水体;无排水管涵的区域, 村民厨房及洗浴污水直接排至路面, 造成村内污水横流, 严重影响村民的居住环境和村容村貌, 因此有必要对该村生活污水进行收集处理。

　　 A村内道路均已硬化, 主干路宽3~5 m, 巷道宽1~3 m。由于巷道较窄, 污水收集管网铺设条件差。

　　 受牤牛河和天开水库占地影响, 村内可用于建设污水处理设施的用地较少。经方案比选, 并征求规划、国土及水务部门意见, 最终确定利用龙下路与牤牛河中间的空地建设污水处理设施, 其位置见图2。

　　 根据A村实际情况, 在工程设计前期针对重力流及负压排水两种污水收集方式, 分别编制设计方案进行比选, 以确定适用于本工程的污水收集方式。

　　 在村民院内敷设DN100入户管, 承接水冲厕所污水、厨房及洗浴污水, 平均每个院内30m, 在每个院内设置1.2m³玻璃钢化粪池1座。

　　 沿村庄道路铺设DN200~300污水干支管道, 北侧片区 (两片洼地除外) 污水管网自北向南、自东西向中间敷设, 南侧片区污水管网自南向北穿河敷设, 在牤牛河北侧设置污水提升泵站1座, 将污水提升后输送至污水处理站。村庄东侧两片洼地污水管道随地势敷设, 末端各设50m³化粪池1座。

　　 另外, 村庄购置抽粪车2台, 用于村民旱厕和化粪池的定期抽排, 回用于农田、林地施肥。重力流污水收集工艺流程见图3, 主要工程量分析见表1。

　　 负压排水系统由3个基本单元组成 (见图4) : (1) 收集单元, (2) 管网单元, (3) 真空站单元^[4]。

　　 收集单元包括重力流入户管、真空收集器, 其作用是收集污水并接入真空管道。

　　 管网单元将分散的污水收集单元, 以网络形式连接, 汇集于真空站单元, 主要功能为传输污水。

　　 真空站是整个负压排水系统的核心, 提供并维持负压排水系统运行所需的一定真空度, 并暂时存储污水。主要由真空泵、污水泵、真空罐、控制系统、配套仪表及连接阀门管件等组成。

　　 在村民院内敷设DN100入户管, 承接水冲厕所污水、厨房及洗浴污水, 平均每个院20m, 在每个院内设置真空收集器1座。

　　 沿村庄道路敷设DN80~150负压污水干支管道, 北侧片区负压污水管网自北向南、自东西向中间敷设, 南侧片区负压污水管网自南向北穿河敷设, 两片区管网汇合后沿龙下路向西接入真空站, 经污水处理站处理达标后排入牤牛河。真空站和污水处理站合并建设。另外, 为村庄购置抽粪车2台, 用于村民旱厕的定期抽排。工艺流程见图5, 主要工程量分析见表2。

　　 针对以上两个方案, 从方案特点、工程投资、施工难度、运行维护等方面进行比较, 如表3所示。

　　 根据以上分析比较, 相对于重力流方案, 负压污水收集方案少量增加占地和运行费用, 即可大大降低工程投资和施工难度, 且管道敷设灵活、不易渗漏。因此工程最终选用负压排水技术进行A村的污水收集。

　　 入户管道在村民院内地埋敷设, 承接村民厨房、洗浴及水冲厕所排水, 平均埋深1m, 采用HDPE双壁波纹管 (SN8级) 。

　　 在每个院入户管末端设置真空收集器1座, 承接各个院落排出的污水, 出水端接负压管道。真空收集器为成品设备, 主要由收集箱、控制器、真空阀等部件组成, 埋置于村民院内, 上部设检修盖。

　　 负压污水管道沿村庄道路地埋敷设, 埋深1~1.5m, 采用PE管 (1.6 MPa) , 热熔连接。

　　 负压管道穿越公路段加设镀锌钢管作为套管。村庄南侧片区负压干管穿越牤牛河段, 沿现状桥一侧明设, 管道外加硬质聚氨酯泡沫塑料保温层。

　　 负压污水管道敷设的技术要点如下:

　　 (1) 单个真空泵站的负压主管的长度不宜大于4km^[1]。

　　 (2) 负压管道沿线地形平坦时, 管道沿水流方向敷设坡度不小于2‰;地形坡度大于2‰时, 负压管道按地面平均坡度顺坡敷设。

　　 (3) 管道逆坡需降低埋深时, 采用锯齿形敷设方式, 单次提升高度H为0.2~0.5m, 2个相邻提升弯之间的最小距离L为6m, 提升弯之间的管道坡度不小于2‰, 提升弯处设置检查管。负压污水主管爬坡累积高度不宜大于5m^[1], 见图6。

　　 (4) 负压管道不得采用90°弯头、三通, 应采用45°弯头、斜三通^[1];负压支管接入主管处, 支管应高于主管, 自主管上方接入。

　　 (5) 负压管道需绕过障碍物时, 应从障碍物的下方或侧面绕过, 避免从上方越过障碍物。

　　 为方便后期检修维护, 在负压干管汇入主干管前设置分区闸阀井, 在负压管道提升弯处及主干管首末端设置DN50检查管。检查管向上伸至地面, 外套DN300 PVC-U管, 上设Ø300井盖, 形成检查口。

　　 监控系统用于对各分区的管线压力是否正常进行实时远程监测。

　　 自分区闸阀井内的负压管道引出气源管至就近设置的监控模块箱, 模块箱内设有压力检测和监控模块。监控模块设有总线接口, 用网络线连接各监控模块, 构成网络, 双向通讯;网络末端连接至真空站内的上位机, 分区压力数据异常时报警, 提醒管护人员进行检修。

　　 监控电缆采用屏蔽双绞线, 随负压管道布设至真空站。沿监控电缆每隔约30m间距和电缆交汇及大角度转向时设置接线井。

　　 经水量计算, A村污水处理站设计规模200m³/d。根据牤牛河水体功能区划分, 污水处理站出水执行北京市地方标准《水污染物综合排放标准》 (DB 11/307-2013) 中村庄生活污水处理站排入地表水体的水污染物A排放限值。经比选, 污水处理站采用A/O-MBR+活性炭滤罐+水生植物塘工艺。

　　 真空站由真空泵、污水泵、真空罐、控制系统、配套仪表及连接阀门管件等组成。真空泵配置2组, 每组4台;污水泵配置2组, 每组1台, 1用1备。

　　 真空站及污水处理站合并建设, 占地面积约1 200m²。站内建有设备间、真空罐、污水调节池、MBR生物池及水生植物塘各1座。设备间为地上建筑, 分为2间, 分别安装污水处理站及真空站设备, 真空罐、污水调节池、生物池及膜池均为地下结构, 平面布置见图7。

　　 A村污水收集处理工程中采用负压排水技术收集污水, 工程投资约2 196万元, 解决1 245户村民污水问题, 运行成本3.42元/m³, 年运行费用约25万元。

　　 若采用传统重力流污水收集方案, 工程投资约3 039万元, 运行成本2.59元/m³, 年运行费用约19万元。

　　 相对于重力流方案, 采用负压排水技术可节省工程投资约843万元, 而每年运行费用仅增加约6万元, 经济效益显著。

　　 工程实施后, A村的生活污水可得到有效的收集和处理, 每年可削减COD、NH₃-N和TP排放量约为19.71t、1.35t、0.2t。工程可在一定程度上改善村庄周边的地表水和地下水水质, 提高村庄的生态环境质量。

　　 北方山区农村普遍具有地形复杂、房屋密集、巷道狭窄、岩层浅、冻层深的特点, 采用传统重力流方式进行污水收集将遇到施工难度大、工程投资高等难点。负压污水收集方式具有管径小、埋深浅、构筑物少、铺设灵活、不易淤堵和渗漏等优点, 适用于北方山区农村的污水收集处理工程, 具有良好的应用前景。