0 引言

　　截污工程是目前水环境综合治理过程中的一个重要措施，常采用重力流排水方式。但在一些城市老城区由于早期缺乏规划，截污管网铺设不够完善，导致许多污水直排附近河涌。后期实施过程中由于建筑物过于密集、街道狭窄、建筑物抗工程扰动性差、投资大等原因造成重力流排水方式无法实施，造成截污存在盲区。针对这种情况，目前国内在不少地区采用了真空负压技术进行截污^[1,2,3,4]。该技术具有开挖沟槽窄且浅，施工便捷;管径小、流速快，污泥不易沉积;有爬坡能力、可跨越特殊地形、污水收集率高;密闭无泄漏不污染地表地下水、不易堵塞等优点。同时也存在可靠性和可控性差、单位能耗高、运行维护复杂等不足，大规模实际应用的成熟经验较少^[5]。针对以上不足，本研究选取顺德老城区新松涌作为试验段，系统研究复杂条件下该技术的适用性，同时也结合现有条件进行改进，为后续大规模实施积累经验。

　　1 工程概况

　　1.1 项目背景

　　新松涌始于105国道段，终于桂畔海河新松段。现状平均宽度为7m，全长约1.25km。周边主要为工业区及居民区，许多现状工业企业将污水及生活污水直接排放至新松涌，使得新松涌的水体经常处于黑臭状态，严重影响了景观效果。改善新松涌水环境，首先需要对周边直排污水进行截污。

　　1.2 截污现状

　　经现场调研，新松涌部分房屋临河而建，主要排口约15处。其南岸局部段敷设有DN400～DN500截污管道，部分路段在城中村巷道中浅埋敷设。多数地段仍为雨污河流制，大量污水混合雨水排入内河涌，造成污水收集率较低，且部分拍门年久失修，造成河水倒灌。

　　新松涌现有截污管道未能与主干管连接，河涌两端的105国道及桂畔海河路段上有主干管，可考虑延伸至两端。

　　1.3 重点与难点分析

　　1)河涌两岸村居密集，且临河房屋稳定性差，采用重力流排水方式中的岸边埋管及涌边包管、挂管均无法实施。采用岸边埋管截污不具备施工空间、相应机械设备无法进场;如采用涌边包管方式涉及深基坑开挖，易造成临边房屋倒塌;采用涌边挂管，管径过大，且涌边部分地段存在障碍，河岸稳定性差无法有效支撑。

　　2)河涌临边村居两侧均有排污口，且涌边排口高度不一致，部分排口高度较低，接入难度大。

　　3)现有截污管井为雨污合流制，由于未与外界连通，不能实现雨污分流的功能;且部分拍门年久失修，造成河水倒灌。

　　4)部分区域道路狭窄，且沿河建筑地基不稳、挂管条件差、居民排放随意及存在少量固体，检查井或收集井易堵塞且基础不稳无法施工。

　　2 技术路线

　　采用“真空负压截污技术”系统规划临涌及街道内排放口污水的收集。室内污水通过接户管重力流进入真空井，液位上升至标定液位时触发液位开关，真空井内阀门自动打开，利用大气压差将井内污水快速吸入真空污水管，爬升累计不超过4.5m后，进入真空泵站，然后通过污水泵提升至已有重力流排水系统。真空负压截污系统由真空污水管网、真空井、真空泵站、智能监管系统组成。

　　1)针对临涌排口及街道排口分别存在排口的问题，在河涌内设置真空井，临涌排污污水通过接户管接入，在地势广阔处汇接入真空污水管支管或主管。

　　2)针对沿河建筑地基不稳、挂管条件差、居民排放随意及存在少量固体等问题，就近几户串联至相对宽的巷道，真空井打桩固定;接户管进真空井前设置小方形开口格栅井等措施解决。

　　3)针对排口水量大且位置较低、管道局部不通等问题，改造原有雨污合流管检查井，将整段雨污合流管分解为多点排水，解决水量大问题且无需河边设井，不存在位置高低问题。多点排水也避免了局部不通等问题。

　　4)针对“真空负压截污技术”存在的可靠性与可控性、运行维护等问题，设置智能监管系统。

　　3 系统工艺设计

　　3.1 系统整体设计

　　新松涌因修建地铁从中隔开，分设a,b两区，实际选用排水量标准125L/(cap·d)进行计算，如图1所示。ABC为a区主管，其中B为动力源站;DEF为b区主管，其中F为动力源站。真空排水系统管道采用锯齿形敷设方式。

　　

　　图1 新松涌截污管道平面  

　　 

　　3.2 真空污水管网选型及铺设

　　1)真空污水管网选型

　　主要由接户管和真空污水管两部分组成。在真空污水管网的选择上，HDPE管安全无毒，柔韧性、耐冲击性能都比普通的PVC-U好，且连接可靠，其接头处的强度高于管本身，在真空污水收集系统运行过程中保压性良好。但是PVC-U管价格低、硬度高、受气温影响热胀冷缩小，同时PVC-U管连接方便，在施工时更具优势。因此接户管采用PVC-U管，选用管系列S8的管道及管件，胶水粘接，选用PVC-U溶剂型粘接剂。真空污水管采用HDPE管，选用管系列S5的管道及管件选用热熔焊接的连接方式。

　　2)真空污水管铺设方式

　　真空污水管采用人工手持机械开挖。管网施工完后，用混凝土全包管道。每100m留检测污水管管压的测量口。回填前，清出基底杂物和垃圾，混凝土全包回填。真空污水管支管超过50m，接入主管前应设检查井;真空污水管每隔200m设置检查井。如敷设有监控线管的，检查井可同时作为服务线井。

　　当地形为上坡时，管网则以向下≥0.2%的坡度铺设，若管道埋深太深，可通过2个45°弯头和1根直短管的提升段来提升高度，如图2a所示。

　　当地形向下坡度<0.2%或地形水平时，管网则以向下≥0.2%的坡度铺设，管子铺设到一定深度后，为减少工程量，可通过提升段来提升高度，如图2b所示。

　　当地形为下坡，且向下坡度≥2%时，污水的重力可以克服污水同管道之间的摩擦力，这时管道可随地形铺设，如图2c所示。

　　

　　图2 不同地形下管道纵断面  

　　 

　　3)真空污水管网设计

　　真空污水管主管AB,CB,DF,AE管长分别为408,200,457,545m，居民数量分别为589,498,546,573人;沿主管长度的人口密度分别为1.44,2.49,1.19,1.05人/m;根据主管长度及沿主管长度的人员密度估算，真空污水主管平均气水比(AWR)2.5～5，在B为2,F为2。

　　主管根据平均气水比(AWR)、上游服务区人员数量及敷设方式，设置为DN110，支管设置为DN65。

　　3.3 真空井选型及施工

　　本研究根据现场实际情况，设计了3种真空井，分别为沿河收集井、成品收集井、改造井。均采用定型产品，其中沿河收集井尺寸为800mm×400mm×600mm，成品收集井和改造井尺寸为500mm×800mm。每个真空井收集7户左右排水量。

　　1)沿河收集井

　　沿河收集井(见图3)，适用于无法采用地埋以及沿墙挂设区段。沿河收集井主体由不锈钢真空箱、重力进水管、真空排水管、真空阀、液位感应器、小方形开口格栅井组成。污水由重力进水管进入小方形开口格栅井过滤后储存于箱体中。

　　真空箱以及管道基础采用钢管桩，上部根据设备要求定制托板，桩底2m部位为自攻型打桩设备。施工时，不得对现状临河建筑物的安全性和稳定性产生任何影响，施工时应加强监测。

　　2)成品收集井

　　成品收集井适用于可采用地埋的区域，由重力进水管、真空排水管、玻璃钢井体等组成，如图4所示。内设有监控线管及监控仪器，重力进水管靠近住户排污口，真空排水管与真空污水管支管或主管连接。同时每个收集井配套1个控制箱，用于控制监控仪器。收集井基础要求稳固，采用人工分层对称回填。

　　3)改造井

　　改造井适用于具有雨污合流井的区域，由成品收集井改造而成，重力流进水管由雨污合流井连接管代替。连接管采用梅花管，以10°～15°斜向上伸入成品收集井，避免渣滓进入。

　　

　　图3 沿河收集井基础断面  

　　 

　　

　　图4 成品收集井断面  

　　 

　　原有雨污合流井排口较低并且直排河涌，未能起到雨污分流的作用。经过对雨污合流井的改造，提升直排河涌排口高度，并与改造井连通。晴天、初雨时合流井污水进入真空收集井被排走，中雨时真空收集井停止工作，雨水从原有市政管排出。

　　3.4 真空泵站

　　此次选用的是集装箱式一体化真空泵站，属于地上式泵站，具备有效的防污染措施，可直接安装于混凝土基础平台上。真空泵站主要由真空罐1套、真空泵2台(一用一备)、污水提升泵2台(一用一备)及控制柜等组成。

　　1)真空泵的选型每台真空泵抽吸量见式(1)。

　　

　　 

　　式中:Q_vp为真空泵的抽气量(L/s);Q_max为污水的最大峰值流量(L/s);β为安全因子，取1.1;E为气体膨胀系数，其值等于大气压力与管网内空气的绝对压力比，一般真空排水管内气压为0.4～0.6大气压，取平均值0.5大气压，因此E=2;m为气液比，其值相对于污水体积的空气体积的倍数。

　　真空泵数量应按式(2)计算:

　　

　　 

　　式中:q_Ap为单台真空泵每小时吸入最大气体体积(m³/h);q_Amax为真空泵组每小时吸入最大气体体积(m³/h)。

　　经计算真空泵抽吸量需要279.5m³/h，同时考虑1倍的富余量，根据真空泵样本选择，最终选定单台真空泵最大抽气量为500m³/h。

　　2)真空罐的选型真空罐的大小由空气体积和储污水体积组成，且是最小储污水体积的3倍。可由式(3)计算得知，真空罐所需的最少空气体积如下:

　　

　　 

　　式中:V_A为真空罐最小气体体积(m³);q_Ap为单台真空泵每小时吸入最大气体体积(m³/h);P_max为真空罐中最大压力;P_min为真空罐中最小压力;n_A为真空泵的数量;f为污水泵的最大开启次数。

　　真空罐所需最小储污水体积:

　　

　　 

　　式中:V_w为真空罐最小储水体积(m³);Q_Wp为单台污水泵的排水量(m³/h);f为污水泵的最大开启次数。

　　根据项目经验，真空罐的实际体积需减去真空管内的气水体积，即:

　　

　　 

　　经计算，a区为7.15m³,b区为7.98m³。

　　所以，a,b区均选用ZF-8真空罐，真空罐体积为8m³，罐体内设有液位及压力显示仪表。

　　3)排污泵的选型设计污水高峰流量q_w=14.37m³/h，选用的排污泵流量应>q_w，同时考虑后期工程扩展及初雨量的不确定性，设计足够富余量，因此选用2台排污流量Q=65 m³/h，扬程H=25m的立式排污泵(一用一备)。

　　3.5 智能监管系统

　　为实时掌握系统的运行状态，确保系统稳定运行，减少人工巡检、及时发现并缩短排除故障的时间，实现数字化办公，结合互联网技术，将真空污水管网、真空井、真空泵站的运行维护构建了一套全面而高效的智能监控运维平台。该平台包括过程控制系统和运营管理系统，用户可通过手机应用软件(app)轻松获取设施运维参数，实现系统关键点掌握和故障排查。

　　1)过程控制系统可以实现启停真空阀门，保证旱季污水全部收集，地表不漫溢;启停真空泵，维持系统真空度;启停调整排污泵，保障真空罐及时排水;雨季溢流时，收集设计截污倍数的雨污合流水等。

　　2)运营管理系统可以展示真空截污收集处理系统的整体运行效果，包括系统空间位置、单系统运行状态、真空罐液位、设备维保情况等。对系统失压状态实时监视诊断，发现异常及时报警提示;并对系统日常运行数据及时统计形成报表，便于管理。

　　4 运行效果及分析

　　目前两套真空负压截污系统已经运行3个月，相关运行情况如下。

　　1)真空系统每小时负压漏损率<5%，且未发现明显泄漏点。

　　2)东西区截污量基本一致，在工作日截污量为120～150m³/d，周末增加明显，截污量可达200m³/d。运行期间发生故障1次，为真空箱内管路堵塞。

　　3)周边无明显臭气与噪声，收集箱的巡检清掏频率为1次/月。

　　结果表明，该系统运行稳定，管网选型与施工质量符合设计要求，实际截污量基本达到设计截污量的一半，使该区域内截污率提升至90.05%。

　　5 结语

　　在不具备运用重力流截污的区域应用“真空负压截污技术”初期能够起到较好效果。通过改造雨污合流井激活其雨污分流功能，涌边打桩设置小型真空收集箱解决空间不足问题，在真空收集箱中增设小方形开口格栅井避免堵塞管路等方式，为解决顺德老城区类似河涌的截污难题提供了一个全新的思路。由于该系统暂时未能经历雨季且运行时间不长，因此雨季污水量较大时系统能否稳定运行、污水固体垃圾过多长期运维效率能否保证等问题也需要进一步探究。