真空便器与真空排水在节水和污水源分离中的应用

真空便器与真空排水在节水和污水源分离中的应用万若（北京）环境工程技术有限公司张健高世宝章菁1负压排水的历史及在污水源分离中的现代意义............................12系统基本原理与组成...................................................................13负压便器的形式与安装................................................................23.1负压便器的基本形式........................................................23.2负压便器安装...................................................................34负压管道与负压站......................................................................75负压便器与负压排水应用于节水与污水源分离.........................115.1负压便器与负压排水用于单独收集高浓度粪尿...............115.2粪尿分离负压便器与负压排水用于单独收集高浓度粪尿.115.3分质负压排水.................................................................125.4不同排污模式的用水与排污量分析.................................131负压排水的历史及在污水源分离中的现代意义在十九世纪下半叶，欧洲大陆在城市排污、排水的模式上曾有过激烈的论战和不同的尝试。传统的粪尿收集、清运与农业利用是此前城市排污的基本形式，粪尿作为肥料的销售收入是支撑这一模式的一个重要经济来源。自来水供水的改善、冲水马桶的普及使排污量数十倍地增加，原有的粪尿收集、转运设施无法再满足新的要求，厕所废水开始与其他城市废水（生活杂排水、雨水）一并进入地表水。这一背景下，荷兰人发明了第一个负压废水收集系统，并在欧洲大陆多个城市得以实施。该系统采用铸铁管道进行污水的负压输送，用蒸汽机驱动负压泵产生收集罐中的负压。除阿姆斯特丹外负压排水当时在多个地区和城市得到过应用，如巴黎、柏林等，到了1906年阿姆斯特丹有近5000个厕所与负压排水系统相接。之后，负压排水在城市排水中被重力流下水道和污水泵站所取代，并成为全球城市排水的唯一模式。负压排水本身仅在乡村、海滨、水源保护地等作为一个经济技术上有优势的替代方案得到应用并延续至今。二十世纪50年代以来，在重力流混合排放的前提下西方国家进入大规模的污水处理和污泥处置阶段，耗资巨大并达到很高的技术水平。进入上世纪90年代，节水、污水资源化和可持续发展成为重要议题，西方业内开始对既成的污水系统及其全球的普及性开始深刻反思。人的粪尿量虽然仅占污水总量的约1%，但却约占污水中有机物总量的60%，N、P的90%以上。混合排放不仅浪费水，而且在污水处理与资源化上产生一系列问题。混合排放模式不仅无法回收粪尿中的能量，而且还造成营养盐几乎永久性的流失。在首次应用负压排水一百二十多年后，Otterpohl等再次将负压排水应用于不同污水成分的源分离和粪尿的单独收集，在一个三百多人的小区进行示范。负压便器收集的粪尿与厨房垃圾一起，通过发酵回收能量，残余物用作肥料，而生活杂排水则通过人工湿地进行处理。方案的实施与分析显示在新的边界条件下（节水、污水控制与资源化）负压源分离模式具有明显的环境效益与经济效益。2系统基本原理与组成负压排水系统的基本原理是以负压为驱动力，来进行污水的抽吸与输送。通常的负压工作压力为-55~-65kPa。负压排水系统由三个基本单元构成：污水收集单元、负压管道单元和负压站单元。污水收集单元包括污水收集器具和负压阀，污水收集器具可以是地漏、洗手盆、洗浴盆，也可以是负压便器等，通过开启负压阀，污水收集器具收集的污水被抽吸到负压管道中。负压站单元主要有负压收集罐、负压泵、污水泵及自控等部分组成，负压泵在负压收集罐中产生并维持所设定的负压。负压管道连通污水收集单元与负压收集罐，污水经负压管道的传输进入负压收集罐，罐内收集的污水最后经污水泵排出。负压排水应用于污水的源分离时，高浓度废水在不与其他低污染负荷的废水混合之前，通过负压系统被收集和输运。典型的应用是通过负压便器，将生活污水中主要的污染物和营养盐来源---粪与尿，通过负压便3负压便器的形式与安装2器单独收集，同时，利用负压的抽吸力达到便器的高效节水。污染负荷低的杂排水，可通过重力流或单独的负压管道收集，然后就近处理，作为地表景观水或绿化用水，以实现资源化。3负压便器的形式与安装3.1负压便器的基本形式负压便器与传统便器排污的根本区别在于，传统便器排水的驱动力主要是水的静压，而负压便器排污的驱动力是负压，后者的驱动力是前者的几十倍，这也是负压便器能够有效节水的主要原因。负压便器分为粪尿分离式和混合式。粪尿分离式负压便器设有排粪口和排尿口，粪、尿通过不同的排污口排出。混合式负压便器则仅有一个排污口，粪、尿混合由该排污口排出（参见图1，图2）。粪尿分离式和混合式负压便器，每种便器可制成坐式与蹲式。粪尿分离式负压便器通过重力或负压，可以实现尿液的单独收集，主要含氮、磷的尿液，可采用不同与粪便的工艺进行回收。粪尿分离式负压便器还有更节水的意义，小便如厕后，仅需要对小便区冲厕。由于尿液的流动性好，通过小通道径的液封单独排出，小便冲厕耗水可减少到约0.1升。所以，即便是在采用粪尿混合处理对策时，也可以采用粪尿分离式负压便器，先单独收集尿液，再与粪便水混合，这样，粪尿的排污总量会低于混合式负压便器。3负压便器的形式与安装3图1混合式负压便器图2粪尿分离式负压便器3.2负压便器安装负压便器的安装，基本上与传统便器相同。由于负压的抽吸力，所以负压管道走向可以更灵活。负压坐便器的负压阀可以安装在便器的后部，也可以安装在夹墙中。负压蹲便器的负压阀，可以安装在蹲便器后部的一个安装槽或夹墙中。图3.1为某节能环保楼的负压坐便器的安装形式。图3.2为某生态示范住宅区项目中的负压坐便器的安装形式。图4.1为某写字楼原有厕所改造后的负压蹲便器安装的安装形式，负压阀安装在便器后面的一个槽子中。3负压便器的形式与安装4图4.2为上面提及的生态示范住宅区中蹲便器采用的安装形式。图5为某节能环保楼安装的粪尿分离负压蹲便器，尿液采用重力流排污并单独收集。图3.1负压坐便器安装（有夹墙）3负压便器的形式与安装5图3.2负压坐便器安装（无夹墙）图4.1负压蹲便器安装（无夹墙）3负压便器的形式与安装6图4.2负压蹲便器安装（有夹墙）4负压管道与负压站7图5粪尿分离负压蹲便器安装（有夹墙）4负压管道与负压站负压排水中液体在管道中的流动形式：一种情况是气液以柱塞状流动，另一种情况是气液以高度混合态流动，实际中会有两种情况都存在2。负压便器冲厕时，污水进入负压管道，先是以柱塞状流动为主，当大气将柱塞状液体穿透时，气液混合态流动变成了主导形式。在负压便器安装集中的管道段，设置中间储槽，将断断续续抽入系统的较小量的污水汇集，当中间储槽内的污水达到设定蓄积量后，中间储槽被一次排空，这样，不但可以降低系统能耗，同时对负压管道还起到自清洗的作用。负压管道布置的原则，应有利于柱塞状流的形成，采用坡度式布管，单元为10-20m，坡度不宜小于J=1%，参见图6。每约50-200m，在管道的高处设有检查管。也有采用在转弯处或每隔200米处，考虑设有检查口（井）的。德国负压排水设计规范推荐检查管为直立式2，管径为DN65-100，并用橡皮塞关紧。考虑到我国的具体情况，我们建议采用结构类似普通污水检查井的形式，如图7所示。4负压管道与负压站8图6负压管道布置示意图4负压管道与负压站9图7检查井负压站由负压收集罐、负压泵、污水泵、自控四个主要部分组成。原理参见图8。4负压管道与负压站10图8负压站原理图负压收集罐用于存储负压和收集污水，一般在罐内下部的三分之一容积用于收集污水，上部余下的三分之二容积用于存储负压。负压收集罐与负压管道连接，负压管道的入口一般为罐体的中部。负压收集罐内的负压由负压泵产生，负压一般设定在-55~-65kPa，当负压低于下限时，负压泵自动启动，负压达到设定的上限时，负压泵自动停止。在负压泵与负压收集罐之间，安装有止回阀，当负压泵停止运行时，止回阀自动关闭，保证罐内气体不倒流。在负压收集罐内，当收集的污水液位达到设定高度时，污水泵自动启动，将收集的污水排出，。在污水泵的出口也安装有止回阀，当污水阀停止运行时，止回阀自动关闭，防止污水倒流。在负压收集罐顶部，安装有安全阀，防止负压泵或污水泵工作时，罐内的负压过大。负压站设计可参照国外有关负压排水的设计规范，对于负压排水应用与源分离时应充分考虑人均污水量的减少。使用前要先进行密封试验，在使用终端阀门关闭的情况下启动负压泵使系统负压达到70kPa后关闭负压泵，负压一小时后降低应不超过10％2。5负压便器与负压排水应用于节水与污水源分离115负压便器与负压排水应用于节水与污水源分离5.1负压便器与负压排水用于单独收集高浓度粪尿高浓度的粪、尿，通过一条负压管道集中进行收集，粪、尿混合物经适当处理后回用于农田。来自洗手盆、洗浴、洗衣机等的杂排水，则通过常规方法收集输送，进行分散处理,。由于杂排水污染负荷低，处理后较容易达到中水或景观水要求，实现分散处理再利用（如绿化或景观用水）。参见图9。图9负压便器用于单独收集高浓度粪尿示意图5.2粪尿分离负压便器与负压排水用于单独收集高浓度粪尿粪尿分离负压便器是在负压节水便器的基础上，将便器分为前后分隔开的两个区，前区为小便区，后区为大便区，尿液从小便区的排尿口排出。由于尿液具有较好的流动性，小便冲厕会进一步降低耗水量，更进一步提高单独收集的粪尿污水的浓度。小便排污可采用重力流，多个便器（如公厕或多层建筑）的尿液可先汇集到一个中间储槽，当中间储槽达到设定的液位后，负压阀开启，尿液通过负压管道排走。参见图10。5负压便器与负压排水应用于节水与污水源分离12图10粪尿分离负压便器用于单独收集高浓度粪尿示意图5.3分质负压排水分质负压排水模式，是将大便、小便和杂排水这三种污染程度各不相同的污水，分别通过三个负压收集罐进行收集，经适当的方法进行处理后，全部资源化。三个负压收集罐可公用一组负压源。参见图11。5负压便器与负压排水应用于节水与污水源分离13图11分质负压排水示意图5.4不同排污模式的用水与排污量分析负压便器与负压排水应用于生活污水源分离不仅解决了高浓度粪尿的单独收集同时还能显著减少冲厕用水量。以下以一个5000人口当量的城市区域的冲厕耗水与废水组成进行计算分析。计算中考虑4种情况：(1)传统便器，冲厕耗水10升；(2)常规的重力流节水便器，大便冲厕耗水6升、小便冲厕耗水3升；(3)负压便器，大便冲厕耗水1.2升，小便冲厕耗水0.6升（4）粪尿分离负压便器，大便冲厕耗水1.2升，小便冲厕耗水0.1升。假设每人每天5次小便（共1升），1次大便（大便0.2升，小便0.2生升），5000人口当量每天产生纯尿6立方米，粪便1立方米。比较结果汇总于表1，与现行常规节水便器相比，冲厕耗水分别减少约80%-90%，与此同时，产生的粪尿容积总量相应减少。如前述，生活污水中大部分有机物、绝大部分的氮磷来自人粪尿，人粪尿源头分离后的生活杂排水可以经济的处理成再生水，而单独收集的人粪尿由于浓度高、成份单一，更有利于处理与资源化。关于高浓度人粪尿的资源化，限于篇幅笔者将另文探讨。表1：5000人口当量冲厕耗水及废水计算分析日冲厕耗水量（立方米/天）粪便废水5负压便器与负压排水应用于节水与污水源分离14（立方米/天）尿液（立方米/天）粪尿废水（立方米/天）传统便器300--307常规节