真空排水系统探究现状和展望

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1、真空排水系统探究现状和展望　　摘要：对真空排水系统的研究现状进行了概括和总结，介绍了真空排水系统的特点、应用及发展方向，分析了已有的研究成果，对今后的研究方向提出展望，供相关研究人员参考。关键词：真空排水系统；真空站；集水单元中途分类号：TL353+.2文献标识码：A一、引言真空排水系统利用管道中的压力梯度将各处的污水输送并收集到中央真空站后集中处理及排放。真空排水系统是一种新型的污水收集系统[1]，符合生态排水理念，具有广泛的应用前景[2]。自十九世纪荷兰工程师Liernur首先提出并建立世界上第一套真空排水系统以来，已经历了近2

2、00年的发展历史[3]，在在美国[4]、欧洲[5]、日本[6]及澳大利亚[7]等发达国家和地区得到了广泛应用，具体形式多种多样。与传统的重力排水系统相比，真空排水系统具有以下优点[8]：12（1）真空排水系统建设费用较低，对于生活污废水排水点分散，排水距离长的场所具有较高的适用性。特别是在地形起伏多变、人口密度较低、排水点分布较为分散的地区建设重力排水系统往往需要在管道沿线设置若干个提升泵站，而真空排水系统则可节省很大的中途提升泵站的建设及运行费用。（2）真空排水系统卫生条件较好，特别适用于生态旅游区、环境敏感区及对卫生条件要求较高

3、的建筑。确保排水通畅、防止污水泄漏和浊气入室是排水系统设计的基本准则[9]，而真空排水管道的密闭性在建设阶段就已确保良好，在运行阶段保持负压，完全满足上述要求；同时，真空排水系统可以消除重力排水系统中检查井对外散发臭气的弊端。（3）真空排水系统节水效果显著、是从源头上节水、黑水和灰水分流处理及粪尿资源化的重要途径。真空排水系统用水较少，真空管道仅需少量水润滑管壁，且由于管道内的多相流流速远远大于自净流速，管道不易发生淤塞，符合新兴生态排水理念[10]。（4）真空排水系统施工简便，管道铺设灵活，特别适合丘陵、河川等地表起伏较大的地区及

4、地下水位高、土壤稳定性差、地下有管道河岩石等障碍物的复杂地形。二、研究现状12真空排水系统的研究与发展主要集中在以下“三个基本问题”[11]：首先是确定污水以何种方式进入系统，其次要确定如何在真空管道中输送污水，最后是如何将收集至真空站的污水及随之而来的大量气体排出真空系统的问题。实际上，对应于以上三个问题的研究分别是真空排水终端、真空排水管道和真空站的研究。（一）污水进入真空排水系统的方式这一问题一方面涉及到真空排水终端的形式、控制方式和具体部件，另一方面则涉及进入系统的污水以及空气与节点压力、界面阀性能及管道特性的定量关系。目前

5、真空排水系统用户终端的基本形式主要有真空洁具与集水单元两种：真空洁具是一种将真空界面阀及与之配套的控制系统与排水终端（如便器，面盆等）结合的特殊洁具，集水单元则先通过重力管道将排放的污水收集到集水单元（如室外集水井和室内集水箱等）内，再通过负压抽吸排放到真空排水管网中。Skillman分别对直径为50mm、75mm和100mm管道进行模拟实验，得到了抽吸50gal污水所需的时间与管道直径的经验公式[12]。Gray等人通过对直径为50mm的管道进行模拟实验，得到了吸入空气的标况体积与界面阀开启时间及界面阀开启前真空值的经验公式，并研

6、究了单次抽吸的污水体积及抽吸频率对管内真空度的影响[13]。但由于真空排水终端的抽吸速度与管网在该节点处的压力密切相关，且依赖于管网特性，上述的实验研究中除“理想条件下的抽吸速度”可以被其他研究和实践定量借鉴外，其余实验研究结论均只在特定的实验管道环境下成立，只能为其他研究提供定性参考，具有较大的局限性。（二）真空管道中的污水输送问题12该问题涉及真空排水管道的输送机理[13]、设计方法[12]、计算方法[14]及仿真方法[15]的研究，是真空排水系统的研究热点和难点。由于真空排水管道内污水的流动依靠负压管道两端的压力梯度驱动，实际

7、管道内存在极其复杂的气液固三相流动，使得真空排水管道与传统重力管道的输送机理有着本质区别，导致其设计理念也有其自身的显著特点。在输送机理和设计理念方面，早期的研究认为当界面阀开启后，管道内的污水流动为段塞流，污水主要靠污水段塞前后的压力差推动。随着管内段塞的运动，管壁的摩擦力逐渐破坏水塞，导致水塞运动的驱动力逐渐消失。界面阀关闭时，污水在重力作用下聚集在管道低处，水柱则将管道底部完全浸没，重新形成水塞。当界面阀再次开启后，水塞又重新获得驱动力。综上所述，该设计理念考虑的主要因素是水塞两端的压力差。上世纪八十年代后，室外真空排水管道的

8、设计转为锯齿形铺设。每组锯齿由两个135°的弯头和直管段连接实现，直管段分为上升的提升段和带有-2‰坡度的下降段。污水或充满管道底部，或在水面上保留一个空气间隙。在污水输送过程中，各提升段低处的污水被空气一次次激励至高处后又在重力作用