王 苑，常聞捷，孫兆海，蔡 穎，吳天祺，朱曉曉，聶慧君

（1.江蘇省環(huán)境工程技術有限公司；2.江蘇省重點行業(yè)減污降碳協(xié)同控制工程研究中心，南京 210019）

“十四五”時期，我國水環(huán)境污染治理發(fā)生重大轉(zhuǎn)向，從原有的以污染末端治理為主，轉(zhuǎn)向服務于國民經(jīng)濟的綠色化改造。城鎮(zhèn)生活污水富含氨氮和磷酸鹽，對其進行資源分離和循環(huán)利用成為綠色化改造的重要途徑之一。重力排水系統(tǒng)是目前我國城鎮(zhèn)污水收集的主要方式，但其存在混排、漏排、錯排等弊病，污水收集率難以突破70%～80%的上限，且不可避免地存在滲漏、沉積、結垢而引發(fā)的環(huán)境污染問題，進一步阻礙污水資源化利用技術的發(fā)展。探索綠色低碳關鍵技術成為生活污水資源化利用的重要研究方向。

污水負壓收集系統(tǒng)作為常規(guī)重力排水系統(tǒng)的重要補充，最先從19世紀的歐洲興起，20世紀60年代作為常規(guī)重力排水技術的重要補充，得到美國環(huán)境保護署的推廣[1]。1987年，美國洛蒂格公司首次將負壓收集技術應用于戶外排污系統(tǒng)中。21世紀初，我國第一套負壓排水系統(tǒng)應用于上海國際賽車場廁所污水收集項目[2]。之后，該技術主要被應用于高鐵、地鐵、隧道等因條件限制需要強制排水的區(qū)域[3]。近年來，該技術逐漸由交通領域向民用市政排水領域拓展[4]，并在污水源分離與資源化利用方面有較為廣泛的應用。

本文從城鎮(zhèn)污水負壓收集與源分離系統(tǒng)的先進性和經(jīng)濟適用性角度出發(fā)，通過對理論研究進展的分析，結合工程應用的改進，對比分析了負壓收集系統(tǒng)的優(yōu)勢與不足。其間從管徑選取、連接方式、地形條件、運行維護和資源化利用等方面分析了負壓收集技術與傳統(tǒng)重力排水技術的經(jīng)濟適用性，指出該技術目前的經(jīng)濟適用條件，并針對該技術發(fā)展存在的制約因素提出展望，以期為工程研究提供參考。

1 污水負壓收集與源分離系統(tǒng)的先進性分析

1.1 理論可靠性

污水負壓收集與源分離系統(tǒng)具有先進性，其理論可靠性主要體現(xiàn)在3 個方面。一是管內(nèi)流體形態(tài)，二是管網(wǎng)布置形式，三是管路水頭損失。

1.1.1 管內(nèi)流體形態(tài)

污水負壓收集與源分離技術通過抽吸管內(nèi)空氣的方式，利用污水和空氣在管內(nèi)的壓差，由高速氣相帶動較低速的液相向終端流動。根據(jù)管路系統(tǒng)啟閉模式的不同，管內(nèi)流態(tài)分為環(huán)狀流、彈狀流、波狀流和層流[5-6]。當系統(tǒng)處于開啟階段時，污水和空氣在壓差作用下一同被吸入管道，由于氣體流動速度遠高于液體，氣相在管道中心流動，而液相則貼著管壁流動，部分液滴夾雜在氣流中向前運動，此時的流態(tài)為環(huán)狀流。隨著系統(tǒng)趨于穩(wěn)定運行，液相在管道中的占比增加，液相和氣相運動速度趨于一致，尤其在管道提升段及其附近，污水與空氣交替出現(xiàn)，此時彈狀流為負壓管中的主要流態(tài)。隨著運行時間的不斷增加，系統(tǒng)中的真空度逐步下降，空氣難以對污水產(chǎn)生足夠的剪切推動力，污水回落到管道底部，在氣液交界面形成波狀流。當系統(tǒng)逐步停止抽吸空氣后，污水基本停止向前運動，管道內(nèi)僅余空氣在管道上部流動，流體呈分層流形態(tài)[7]。

1.1.2 管網(wǎng)布置形式

為了避免形成封閉水柱造成堵塞，負壓管道以鋸齒形方式布置，整個系統(tǒng)存在多處提升段，每個提升段由45°彎頭和一根直管組成。此種布設方式能夠使系統(tǒng)暫停運行時，污水分散在各個提升段的最低處，且與管頂仍留有空隙，避免形成封閉水柱造成堵塞，保證下一次抽吸時空氣流通順暢，對液相產(chǎn)生足夠的挾帶動力。設計時，為了滿足最低點空氣流通空間的盈余，管道長度、坡度和管徑應滿足式（1）的關系。

式中：L為管道長度，m；I為管道坡度，I≥0.2%；D為管道外徑，mm；d為液面與管內(nèi)上壁間的空隙，mm。

1.1.3 管路水頭損失

污水負壓收集系統(tǒng)設計的合理性與經(jīng)濟性往往與管路水頭損失密切相關。張健等[8]研究了兩相流摩阻損失和壓降的關系，提出兩相流摩阻梯度關系式，并推論得出當污水流量和管道管徑確定后，液相折算系數(shù)的取值基本固定在2.0 左右。有研究推導出較適用于計算光滑圓管中水頭損失的Hazen-Williams 公式，該公式也是目前應用較為廣泛的負壓管水頭損失計算公式之一[9-10]。周敬宣等[11-12]在Hazen-Williams公式基礎上，考慮了氣相流的作用，推導出負壓管沿程阻力損失的計算公式。段金明[13]考慮了氣、液兩相流同時存在時液相流截面積的損失、氣相帶動液相所消耗的過多能量，二者相互作用和呈微波狀的液相與管壁之間所增加的摩擦損失，推導出基于分相模型的兩相流牛頓流體摩擦損失計算公式、非牛頓流體氣液兩相流摩阻壓降梯度計算公式以及彈狀流摩阻壓降的計算公式，大大提高了計算精度。

1.2 技術可靠性

污水負壓收集與源分離系統(tǒng)的真空度是維持系統(tǒng)正常運行的基本參數(shù)。設定合適的真空度，能夠避免過快抽吸導致大量空氣涌入而破壞真空度，也可避免抽吸量不足導致下一次啟動無法正常進行。大量工程經(jīng)驗表明，負壓收集系統(tǒng)所需真空度為0.05～0.07 MPa[14]。為了維持系統(tǒng)的真空度，負壓管道內(nèi)需要一直保持有一定體積的空氣，一般情況下，管道內(nèi)空氣體積需要不小于污水體積。氣液比過低會造成氣液兩相界面剪切力不足，污水無法被輸送至終端，而氣液比過大則會造成不必要的能耗產(chǎn)生，因此氣液比是影響真空度的直接參數(shù)。國內(nèi)外工程實踐表明，氣液比的大小與管長成正比，其可參考表1取值。

表1 最大管線長度與氣液比的對應關系

氣液比的選擇除了與管線長度相關外，還與管線的服務人口密度相關。有研究[7]在管線長度與氣液比的關系基礎上，結合服務人口密度細化了氣液比的取值，如表2所示。

表2 管線長度、服務人口密度與氣液比的對應關系

1.3 工程可靠性

污水負壓收集與源分離系統(tǒng)中，維持真空度的關鍵設備是真空界面閥，用于控制整個系統(tǒng)的真空度。目前，國內(nèi)常用的真空界面閥有浮球式界面閥、電磁式界面閥、氣壓式界面閥三種。

1.3.1 浮球式界面閥

浮球式界面閥是國內(nèi)最早使用的一種真空啟閉裝置，主要設備有浮球觸發(fā)裝置、拉桿、隔膜閥及進氣三通。當收集箱內(nèi)液位上升到一定高度時，浮球帶動拉桿打開隔膜閥，實現(xiàn)對污水和空氣的抽吸；箱內(nèi)污水抽吸完畢時，液位回落，浮球帶動隔膜閥將負壓通道關閉。由于控制精度較差、設備所占空間較多、有效收集污水量較低、零部件更換頻率過高等缺點，此種啟閉方式已逐步被淘汰。

1.3.2 電磁式界面閥

電磁式界面閥通過磁翻板液位計感應真空收集箱體中的污水液位，將信號傳輸至可編程邏輯控制器（PLC），從而控制電動蝶閥開啟或關閉。該系統(tǒng)控制精度較高，但需要不間斷供電，且需要應對防雨、防潮以及突發(fā)斷電等問題。必要時需要為其準備備用電源，否則嚴重情況下會破壞整個系統(tǒng)的真空度，一旦系統(tǒng)真空度被破壞，則恢復需要較長時間。此種界面閥較適用于有條件提供控制箱和保護措施的場所。

1.3.3 氣壓式界面閥

氣壓式界面閥通過壓力傳感器將壓力信號轉(zhuǎn)化為電信號控制閥門啟閉。當真空收集箱內(nèi)的污水上升至一定高度時，箱體內(nèi)的氣體被壓縮，界面閥自動開啟，污水在負壓條件下被空氣裹挾著進入負壓管道中。當真空收集箱的液位隨著抽吸作用逐漸下降后，收集箱內(nèi)氣壓逐漸降低，真空界面閥自動閉合，維持管道的真空度并等待下一次抽吸?？紤]到管道內(nèi)氣液比的穩(wěn)定，一般設計會在界面閥處設置延時控制，使其在收集箱污水抽吸完畢后仍留有一定工作時長，抽吸足夠的空氣來滿足下一次系統(tǒng)運行所需的氣液比。氣壓式界面閥利用污水上升在管內(nèi)形成的正壓作為啟動動力，利用上下壓差替代液位觸發(fā)裝置，且無須外部持續(xù)供電，有效克服了前兩種控制裝置的弊端。

有研究[7]對比了電磁式界面閥與氣壓式界面閥的流通能力、氣液比和局部壓力損耗等性能參數(shù)。試驗結果表明，在相同的初始壓力下，二者流通能力相差不大，均在3～7 L/s，但氣壓式界面閥比電磁式界面閥的初始流量高出0.25 倍。氣壓式界面閥啟動中同時進水進氣，管內(nèi)氣液比的調(diào)節(jié)更多地依賴氣體壓差，相對地，可控制范圍較小。電磁式界面閥和氣壓式界面閥局部壓力損耗主要由抽吸空氣造成，相比較而言，電磁式界面閥抗壓力損耗能力更強。而在耐久性測試中，電磁式界面閥表現(xiàn)出較好的密閉性和完整性，但氣壓式界面閥出現(xiàn)局部腐蝕或生銹現(xiàn)象，影響閥門的靈敏性。

真空界面閥的故障頻次占整個系統(tǒng)故障發(fā)生頻次的80%以上。通過在多次工程實踐中的研究與改進，目前，真空界面閥的性能已得到一定提高。有的通過在隔膜上增加耐屈度及強度的骨架強化層來對抗磨損；有的則通過設計雙管路并聯(lián)、雙真空隔膜閥串聯(lián)抽吸的備用模式來維持故障時系統(tǒng)的正常運行。

2 污水負壓收集與源分離系統(tǒng)的經(jīng)濟適用性分析

2.1 管徑選取

污水負壓收集系統(tǒng)相較于重力排水系統(tǒng)，在管徑選取上更具有經(jīng)濟性。負壓收集系統(tǒng)管徑取75～250 mm，土方開挖和回填量少，開挖淺，無須做支護，施工較為簡單，工期短；重力流排水系統(tǒng)管徑一般取200～1 500 mm，敷設時需要設置一定的坡度，隨著管線長度的增加，埋深逐漸增大，施工需要做邊坡支護，施工復雜度較高，工期長。以設計中采用較多的管徑為例，管徑200 mm 的聚乙烯（PE）實壁管綜合造價（考慮管材采購、開挖、回填和鋪設）約為550 元/m，管徑800 mm 的PE 實壁管綜合造價約為750 元/m，相比前者，單位成本可節(jié)約26%。由于管徑小、布置方式靈活，負壓收集系統(tǒng)在沿河截污中起到至關重要的作用。例如，2011年，常州市在北市河2 km 濱河生活帶利用負壓管對28 處雨污合流排口進行截污改造[15]；2020年，佛山市在新松涌1.25 km的岸線兩側(cè)敷設負壓管道1 610 m，使該區(qū)域截污率提升至90.05%[16]。

2.2 連接方式

由于連接方式的不同，負壓收集系統(tǒng)相較于重力排水系統(tǒng)，可節(jié)約一定的檢查井設置成本。重力管道每隔25 m 左右以及在管道轉(zhuǎn)彎和連接處均需要設置檢查井，負壓管道在鋸齒處一般采用承插熱熔連接，需要間隔約300 m 設置一座檢測井，用以檢查系統(tǒng)真空狀態(tài)。相同收集范圍內(nèi)，重力系統(tǒng)檢查井設置數(shù)量約為負壓系統(tǒng)的15～20 倍，成本增加2～3 倍。若重力排水系統(tǒng)埋深過大時，還需要設置中途提升泵站，則成本將增加4～5 倍。

2.3 地形條件

在某些受地形條件限制的地區(qū)，施工條件較為苛刻，導致重力流的投資費用大幅上升，此時采用負壓收集技術能夠有效降低投資成本。例如，2016年，休寧縣傳統(tǒng)古村落祖源村建設1 529 m 負壓收集管道，總收集戶數(shù)為140 余戶，極大解決了古村落的排水難題。2019年，黃山市龍門村建成8 897 m 負壓收集管道，總收集戶數(shù)為285 戶，極大降低了當?shù)厣钗鬯疂B漏對水源保護地的污染。2020年，浙江省歷史文化名村芹川村建成2 000 m 負壓收集管道，總收集戶數(shù)超過500 戶，避免大面積開挖青石板路對人文風貌的破壞。通過工程費用的測算對比，蘇州市吳中區(qū)甪直鎮(zhèn)張巷村采用負壓排水技術的工程投資較傳統(tǒng)重力排水系統(tǒng)降低約25%；杭州市良渚文化村采用負壓排水技術的總體投資則比傳統(tǒng)重力流排水系統(tǒng)降低至少30%。

2.4 運行維護

負壓管內(nèi)污水流速較高（4.5～6.0 m/s），不易沉積，且該管道在高速氣體（20～45 m/s）的作用下能夠?qū)崿F(xiàn)自清洗，相比重力管，省去清掏疏浚的費用。以2 km 范圍內(nèi)管道疏通、巡檢和維護的年費用對比，負壓系統(tǒng)相較于重力系統(tǒng)可節(jié)約管道養(yǎng)護費用約40%。負壓收集系統(tǒng)需要依靠負壓動力中心和負壓收集器控制運行，這在重力系統(tǒng)中是沒有的。根據(jù)污水收集規(guī)模的不同，增加的費用有所不同，有項目測算，負壓系統(tǒng)噸水綜合成本較重力系統(tǒng)高出0.83 元/m3。此外，負壓中心的主要設備（真空泵、排污泵、控制柜等）運行需要消耗一定電量，負壓系統(tǒng)電費支出為重力系統(tǒng)的1.2～2.0 倍。

2.5 污水源分離與資源化利用

負壓收集系統(tǒng)應用于生活污水源分離與資源化利用，這是目前較為流行的污水再生利用途徑之一，通過綠色、低碳、循環(huán)化資源配置方式可實現(xiàn)技術成本的降低。例如，邯鄲市農(nóng)村地區(qū)利用負壓排水系統(tǒng)將生活污水源分離，黑水經(jīng)厭氧消化后產(chǎn)生農(nóng)用沼氣，灰水經(jīng)人工濕地處理后回灌農(nóng)田。采用負壓收集系統(tǒng)后，年運維費用較重力排水系統(tǒng)可以減少3.7 元/（月·戶）[17]。污水負壓收集系統(tǒng)具有埋深淺、溝槽開挖量小、建造成本低、施工周期短等優(yōu)勢。在基礎條件較差、施工作業(yè)面較窄、周圍建（構）筑物保護要求較高的區(qū)域，其具有較高的經(jīng)濟適用性。

3 存在的問題及展望

我國污水負壓收集技術從引進、發(fā)展到逐步成熟已經(jīng)歷20 余年，應用范圍和領域也逐步得以拓展，在理論和實踐上已具備一定深度和規(guī)模。但是，其在市政排水領域仍存在應用的局限性，技術完善程度難以提高，導致決策部門對該技術的成熟度、可靠性和經(jīng)濟性仍存在疑慮。雖然《農(nóng)村生活污水處理工程技術標準》（GB/T 51347—2019）建議敷設重力管網(wǎng)有困難的地區(qū)可采用非重力排水系統(tǒng)，但實際決策往往更傾向于采用傳統(tǒng)重力排水模式解決問題，這也制約了污水負壓收集技術的大規(guī)模應用與發(fā)展。目前，污水負壓收集系統(tǒng)仍存在一定的不足，其在技術應用、標準規(guī)范制定、應用范圍拓展、全生命周期評價體系研究上還有進一步提升的空間。

一是真空界面閥作為維持系統(tǒng)真空度的關鍵部件，其密閉性和耐損耗性能仍有待提高。在其材料選擇上，可充分結合新型材料研發(fā)與應用，在維持系統(tǒng)負壓狀態(tài)上進行創(chuàng)新與突破，盡可能減少真空界面閥的作用，采取無機械控制方式維持真空度，降低系統(tǒng)投入和維護成本。

二是我國現(xiàn)有污水負壓收集技術系統(tǒng)性設計規(guī)范《室外真空排水系統(tǒng)工程技術規(guī)程》（CECS 316—2012）編制較早，對目前實際工程的指導意義逐步下降。大多數(shù)設計人員主要依靠經(jīng)驗進行設計，可能會造成工程造價偏高、投入余量過大等。污水負壓收集技術在驗收和運維中可以參考的規(guī)范十分有限，導致驗收標準參差不齊，運維要求難以統(tǒng)一，后期運行管理不到位，使負壓收集系統(tǒng)難以發(fā)揮其成效。因此，其在設計規(guī)程、調(diào)試要求、驗收標準、運維服務管理標準等方面還有待完善。

三是就目前應用條件而言，污水負壓收集技術由于各方面因素的限制，應用范圍較小。隨著農(nóng)村生活污水治理和資源循環(huán)利用的大力推進，有必要將負壓收集技術與農(nóng)村污水治理相結合，探索農(nóng)村生活污水“負壓收集—集中處理—資源化回用”的經(jīng)濟型模式，拓展負壓排水技術的服務范圍，突破其提升高度的限制，使負壓排水技術與海綿城市、尾水濕地建設、生態(tài)緩沖帶構建等工程有機結合，提高其在綠色、低碳、循環(huán)發(fā)展中的重要作用。

四是項目全生命周期評價有待完善，這有利于負壓排水技術的應用和發(fā)展。在已有研究和工程實踐的基礎上，制定符合項目特點的全生命周期評價標準，完善污水負壓收集與源分離技術全生命周期評價體系，使決策者更全面、系統(tǒng)、客觀地理解和認識該技術，并在合適的條件下做出合理選擇，從而提高工程建設成效，降低工程建設和運維的成本，實現(xiàn)工程的低碳、綠色、經(jīng)濟發(fā)展。

4 結論

污水負壓收集系統(tǒng)作為常規(guī)重力排水系統(tǒng)的重要補充，近年來，該技術逐漸由交通領域向民用市政排水領域拓展，并在污水源分離與資源化利用方面有較為廣泛的應用。本文分析了城鎮(zhèn)污水負壓收集與源分離系統(tǒng)的先進性和經(jīng)濟適用性，指出了負壓收集系統(tǒng)的優(yōu)勢與不足，并展望其未來發(fā)展方向，以期更好地推進工程研究的發(fā)展。