某研发基地分质负压排水工程设计.pdf

第 2 8卷 201 3焦 第 6 期 1 2月 山 东 建 筑 大 学 学 报 J OURN AL OF S HANDONG J I AN Z HU UNI VE RS I TY Vo l | 28 De c ． No ． 6 2 01 3 文章编号： 1 6 7 3— 7 6 4 4( 2 0 1 3 ) 0 6— 0 5 7 5— 0 4 某研发基地分质 负压排水 工程设计 于惠莉， 李梅 ， 王安爽， 李汝， 崔建国 ( 山东建筑大学 市政与环境工程学院，山东 济南 2 5 0 1 0 1 ) 摘要： 传统城市排水模式存在混合稀释、 末端处理、 高耗水、 高污染、 资源流失等特征及缺陷。分质负压排水技 术将污染程度不同的生活废水分开收集并单独处理， 实现生活污水的源头控制与资源回收， 符合可持续发展理 念。文章对某研发基地 A车间进行了分质负压排水方案设计， 粪便水和尿液分别经过处理后可作为农 田绿色 肥料， 而经处理后的杂排水亦可用于人工湿地景观水。另外， 该方案中采用的负压粪尿分离便器比节水便器节 省约 9 0 ％冲厕水， 能最大程度地实现节水； 同时回收利用尿液中的 N、 P等营养元素与粪便中的有机物等营养 物质， 有效避免富营养化问题。经估算， 该分质负压排水系统每天可节约用水约 1 1 m ， 每年节约水资源费用约 1 ． 6万元 。 关键词： 分质负压 ； 排水； 负压粪尿分离便器； 资源化 中图分类号： X 7 0 3 ． 1 文献标识码： A De s i g n o f s u b — q u a l i t y v a c u u m d r a i n a g e p r o j e c t o f a s c i e nt i fic r e s e a r c h b a s e Yu Hu i l i ，Li Me i ，W a n g Ans h u a n g，e t a 1 ． ( S c h o o l o f Mu n i c i p a l a n d E n v i r o n m e n t a l E n g i n e e r i n g ， S h a n d o n g J i a n z h u U n i v e r s i t y ， J i n a n 2 5 0 1 0 1 ， C h i n a ) Abs t r a c t ：Th e t r a di t i o n a l u r ba n dr a i n a g e p a t t e r n ha s c h a r a c t e ris t i c s a nd d e f e c t s o f mi x t u r e d i l u t i o n， e n d t r e a t me n t ，h i g h wa t e r c o n s u mp t i o n，h i g h p o l l u t i o n，r e s o u r c e l o s s a n d S O o n ．S ub - q u a l i t y v a c u u m d r a i n a g e t e c h n i q u e c o l l e c t s d i f f e r e n t l e v e l s o f p o l l u t i o n d o me s t i c w a s t e w a t e r s e p a r a t e l y t h r o u g h n e g a t i v e u ri n e d i v e r s i o n t o i l e t a n d t r e a t s t h e m s e p a r a t e l y ，w h i c h c a n r e a l i z e t h e s o u r c e o f s e w a g e c o n t r o l a n d r e s o ur c e r e c o v e r y a nd i t i s c o ns i s t e n t wi t h t h e c o n c e p t o f s u s t a i na b l e d e v e l o p me n t ．A d e s i g n o f s ub — q u a l i t y v a c u u m d r a i n a g e p r o j e c t i n Wo r k s h o p A o f t h e s c i e n t i f i c r e s e a r c h b a s e i s c o n d u c t e d ． Re s p e c t i v e l y t r e a t e d f e c e s a n d u rin e a r e u s e d a s f a r ml a n d g r e e n ma nu r e a n d t h e t r e a t e d gra y wa t e r i s u s e d f o r a r t i fi c i a l w e t l a n d s l a n d s c a p e wa t e r ．N e g a t i v e u ri n e d i v e r s i o n t o i l e t s a v e s 9 0 ％ wa t e r c o mp a r e d t o t h e flu s h i n g wa t e r s a v i n g t o i l e t a nd c a n a c h i e v e t h e g r e a t e s t d e g r e e o f wa t e r - s a v i n g．At t he s a me t i me，i t c a n r e a l i z e r e c y c l i n g n u t rit i o n e l e me n t i n t h e u rine s u c h a s N， P a n d o r g a n i c s a n d o t h e r n u t ri e n t s i n f a e c e s ，wh i c h c a n e f f e c t i v e l y p r e v e n t e u t r o p h i c a t i o n ． B y e s t i ma t i n g t h e s u b - q u ali t y V a C U U m d r a i n a g e s y s t e m，i t c a n s a v e l l m w a t e r p e r d a y ，e c o n o mi z e w a t e r r e s o u r c e s f e e 1 6， 0 0 0 Yu a n p e r y e a r Ke y wo r d s ：s u b — q u ali t y v a c u u m； d r a i n a g e ；n e g a t i v e u ri n e d i v e r s i o n t o i l e t ；r e s o u r c e r e c o v e r y 收稿 日期 ： 2 0 1 3— 0 8—2 7 基金项 目： 山东省科学技 术发展计 划项 目( 2 0 0 9 G G 2 G GC 0 6 0 04 ) 作者简介： 于惠莉( 1 9 8 9～) ， 女， 在读硕士， 主要从事水处理理论与技术等方面的研究． E - m a i l ： 1 5 0 5 3 1 5 0 4 8 3 @1 6 3 ． c o rn 通讯作者 ： 李梅( 1 9 6 8～) ， 女 ， 教授 ， 博 士 ， 主要从事水处理理论与技术等方面 的研究． E — m a i l ： l i me i @s d j z u ． e d u ． c a 5 7 6 0 引言 目前世界上流行 的是 以集 中污水处理厂为主的 传统城市排水模式， 其显著特征是混合排放与末端 治理 ， 但从生态可持续发展的角度来看 ， 存在着高耗 水、 高污染 、 耗能大、 耗资大 、 资源流失等 明显缺 陷。 针对传统城市排水模式 的弊端 ， 2 0世纪末 ， 国外 学 者相继提出可持续排水 、 生态排水等新概念 ， 其核心 是源分离 ， 即将人粪尿与生活杂排水分离并进行能 量和资源的回收 ， 受污染程度低 的杂排水分散资源 化⋯。负压排水 系统 自 1 8 6 7年 由荷 兰人 提 出后 ， 1 8 7 0年 C h a r l e s建立 了世 界上第 一套负压 排水 系 统 。近几年 ， 人们开始研究将负压排水应用于不 同污水成分的源分离， 目前尚未有工程实例 。文章 将负压粪尿分离便器和负压排水应用于源分离 ， 即 分质负压排水技术应用于示范工程 ， 将污染程度不 同的生活废水分开收集， 单独处理。把粪便水、 尿液 等污染程度高的废水分别单独 收集 ， 适 当处理后作 为农用肥料 ； 其他污染较轻 的生活废水收集处理后 用于绿地浇灌等杂用水 I 4 j ， 从而实现最大节水 、 废 水资源化 ， 符合可持续发展水技术理念。 1 工程概况 山东省某研发基地位于在济南东南部 ， 总用地 面积 4 4 4 0 0 m ， 总建筑面积 3 7 5 0 0 m ， 容积率 0 ． 8 4， 包括综合实验楼 、 通用测试及中试车间 、 技术孵化生 产车间 、 办公楼 、 人工湿地工程等。研发基地 融人 “ 绿色建筑、 节能降耗、 最大节水和污水资源化” 的 建设理念 ， 排水方面的设计选用分 质负压排水技术 方案 。即在污水源头分离， 实现粪便水、 尿液和杂排 水的单独收集， 可实现营养元素的资源化， 解决厕所 出水含氮量过高不易处理的难题 ， 有效节省小便冲 洗用水。 2 分质负压排水技术特点 2 ． 1 负压粪尿分离便器 负压粪尿分离便器如图 l所示 ， 在池体上部设 有喷水嘴， 底部有排泄 口， 池体前部是小便区， 后部 是大便区， 小便区与大便区之间有隔离凸沿， 既保证 大便 区污水不进人小便 区， 又能保证小便 区过量的 清洗水及尺寸大的污物进人大便 区， 防止小便通道 的堵塞 I 9 。大便排污管与 常压污水管道 连接或 与负压污水管道连接 ； 小便 区收集的尿液靠重力流 排放或靠负压排放， 汇入专用尿液通道。小便区前 方的池壁设有一个喷水嘴 ， 保证用少量 的水可将尿 液冲洗干净 ； 大便排污采用负压方式 。 审 JI口 一 | 1 图 1 负压粪尿分离便器图 2 ． 2 粪尿分离优势 粪尿分离实现尿液和粪便分别单独处理资源 化。尿液 中的养分属于水溶性物质 ， 其 中的氮素主 要为尿素， 其次为尿酸、 马尿酸等化合物， 此类有机 态含氮化合物易溶于水 ， 在土壤中能迅速转化成铵 态氮， 进而转化成硝态氮 ， 为作物吸收利用。粪便须 经过发酵腐熟后才能施用， 其中的氮磷素， 大部分是 人体消化不完全的氮磷有机物， 作物也难以直接吸 收利用， 而腐熟的粪便含有较多无机态养分， 如碳酸 铵 、 磷酸盐等 ， 可以直接被作物吸收利用 ； 同时， 粪便 中含有病菌和虫卵， 经过发酵腐熟后可减少病菌的 产生。因此 ， 尿液和粪便混合处理过程中， 粪便腐熟 需经过很长时间， 会使尿的养分挥发损失。若将尿 液和粪便分别处理 ， 更利于资源的有效利用。 2 ． 3 节水方面的优势 冲厕耗水量如表 1 所示。可见， 负压粪尿分离 便器在节水 方 面优 势 明显 ， 节水 率可达 到 9 0 ％ 以 匕 表 1 各种便器 日冲厕耗水量对比表 2 ． 4 资源化方面的优势 ( 1 )尿 液在 污 水 中 只 占 1 ％ ， 但 污 水 中大 约 8 0 ％ 的氮和 4 5 ％ 的磷酸盐来 自尿液。把尿液直接 排进污水管道， 大量的水会稀释这些化学物质， 使清 除困难降低 。而从资源利用角度， 尿液可以看作 氯化钠、 尿素、 氨氮、 磷酸盐以及钾、 钙等离子的混合 第 6期 于惠莉等 ： 某研发基地分质负压排水工程设计 5 7 7 物 。尿液 中营养 成分 的重量百分含量分别 为 ： 1 1 ％ 氮 、 1 ％磷 、 3 ％钾。大部分氮 以 N H 一N 的形式存 在 ， 占 9 5 ％以上 ， 可采用磷 酸铵镁沉 淀法 回收营养 物质为途径来达到去除污染物质的 目的。可减少污 水处理 中 N、 P的含量 ， 同时 回收的物质可用 于农业 肥料。 ( 2 )粪便污水主要 由人体粪便和冲洗水组成 ， 粪便水中的有机物和氮、 磷等营养物质的浓度很高。 粪便污水可采用生物处理工艺 ， 在微生物 的作用下 得到降解 。其 中的氮 、 磷 ， 再经沉淀， 上清液可直接 或与杂排水混合处理， 剩余部分可变成以腐殖质为 主要成份 的有机肥 ， 可用于就地 的绿化工程和农业 肥料 。 3 研发基地负压排水方案设计 3 ． 1 总体布置 研发基地 A车间 的卫生 间设计 安装特制负压 粪尿分离便器 1 2个。一层卫生间安装 3个 ， 办公夹 层卫生间安装 6个 ， 二层卫生 间安装 3个。负压站 设置于一层卫生间东南角处。 3 ． 2 平面布置 研发基地 A车 间一层 办公楼卫 生间安装 了 3 个负压节水便器 ， 并在卫生间东南角设置了负压站 ， 以及各种管路 。以一层办公楼卫生间为例 ， 平面布 置如 图 2所示 。 图 2 A车间一层办公楼卫生间平面布置图 3 ． 3 管道设计 室内管道采用 U P V C管， 设计坡度为 l ％， 分别 设有重力流尿液支管、 重力流杂排水支管和负压粪 便管 ， 直径均采用 5 0 m m； 室内负压粪便主立管 ， 重 力流尿液主立管和重力流杂排水主立管 ， 直径均采 用 7 5 mm。室内管道 图如图 3所示。室外 出户重力 流尿液支管 、 出户重力流杂排水支管、 室外负压粪便 主管管径均采用 1 0 0 m m。管材为 U P V C， 管道埋深 根据荷载和冰冻条件决定 ， 按荷载考虑时， 最小埋深 为 0 ． 7 i n ； 管道坡度为 0 ． 2 ％。 图 3杂排水 管路 ， 尿液管路 。 粪便 管路示意图 3 ． 4积水器 积水器与常规排水检查器相似 ， 为收 口式结构。 井 内安装负压 收集器。污水重力流进入井 内， 通过 负压 收集器的人 口进入收集箱 内， 当液位达到设定 限时， 负压阀开启 ， 污水在负压抽吸下 ， 进入负压管 道。积水井通过在结构上 的优化 ， 可保证超大沉淀 物与超大漂浮物不进入负压管道； 负压收集器具有 手动旁路， 可进行手动负压排污； 负压收集器设有报 警接线端开关 。积水器如图4所示 。 重 力 流 进 污 图4积水器示意图 3 ． 5 负压站 负压站配置粪便收集罐、 尿液收集罐及杂排水 收集罐， 其容积各为3 5 0 L _ 1 - 12 ] 。顶部管道连通， 使 3 罐可共用一套负压源。总功率为 3 8 0 V( A C ) ， 5 k W。每罐各配污水泵 2台， 一用一备， 单台功率 山 东 建 筑 大 学 学 报 2 ． 2 k W。3罐共用一套 负压源 ， 负压源 由 2台负压 泵提供 ， 单 台功率 1 ． 1 k W。高峰时 ， 2台负压泵同 时工作， 平时 1台工作， 1 台备用。负压泵 日累计工 作约 3 h 。负压 站 占地为 3 0 0 0 m m 2 0 0 0 mm 2 0 O 0 mm( 含电控柜) 。 3 ． 6 处理系统的设计 ( 1 )粪便水粪便水经化粪池生物发酵的稳定 化处理 ， 沉淀浓缩物作为优质肥料运往绿色农业基 地 ， 上清液汇人杂排水净化 、 利用系统 。 ( 2 )尿液尿液水经混凝处理 ， 以长效肥 鸟粪 石的形式回收氨氮， 用 于园区绿化。处理后的水汇 人杂排水净化 、 利用系统。 ( 3 )杂排水杂排水排人人工湿地 ， 人工湿地 同时起到绿化带作用 ， 处理后的出水用于景观水池 塘。人工湿地中的生态滤床是 由水生植物、 表层 、 过 滤层 、 过渡层 、 排 水层及 防渗层组成 ， 深度 为 1 m。 输水／ 布水系统位于滤床上部 ， 在滤床中间铺设多孔 喷水管以均匀布水 ， 滤后水 由滤床底部 的排水管进 入可调节出水高度 的排水井 ， 伸于滤床外 的通气管 道保证滤床的氧含量。芦苇( 或香蒲、 菖蒲) 植于生 态滤床过滤层 ， 植物密度为 1 6株／ m 。 4 效益分析 4 ． 1 工程投资 工程总投资 4 9 ． 2万元 。其中包括设计费 5万 元， 粪尿分离便器3 ． 6万元； 负压设施 3 2 ． 6万元， 其 他设备与控制 5万元 ， 安装调试 3万元 。 4 ． 2效益分析 ( 1 )经济效益分质负压排水系统具有明显的 节水效果 ， 源分离便器 比 目前 国家推广 的节水便器 节省冲厕水 9 0 ％ ， 经估算每天可节约用水约 1 1 m ， 每年节约水资源费约 1 ． 6万元 ， 经过源分离负压节 水便器， 粪便、 尿液收集后可用作土壤的肥料， 回收 利用有效的资源， 杂排水经处理可用于景观用水和 浇洒绿地。 ( 2 )环境效益水体中磷的含量超出标准是水 体富营养化的一个重要原因， 流动缓慢的水体( 湖 泊 、 河流) 含磷量需低于 0 ． O 1 m g ／ L， 负压节水新技 术系统通过回收废水 中绝大部分磷 ， 一方 面实现 了 资源回收； 另一方面， 可避免水体富营养化问题出 现。因此 ， 负压节水新技术 系统在污水资源化方面 和水污染防治方面效果显著 。 5 结语 对某研发基地设计分质负压排水系统来代替传 统城市排水系统， 经估算每天可节约用水约 1 1 m ， 每年节约水资源费约 1 ． 6 万元； 同时粪便、 尿液均回 收用作绿色肥料 ， 杂排水 回收用于公 共环境 。此 工 程设计可减少污水产生量 ， 节约生活用水 ， 实现资源 最大利用 ， 可缓解污水比重逐渐增大、 处理率低和水 体富营养化等水环境 问题 ， 遵循 了可持续发展理念 ， 最终实现 良好 的经济效益、 环境效益。 参考文献： [ 1 ] 张健， 高世宝， 章菁， 等． 生态排水的理念与实践[ J ] ． 中国给水 排水 ， 2 0 0 8， 2 4 ( 2 ) ： 1 0—1 3 ． [ 2 ] G i b b s S ． T ． ． V a c u u m s y s t e m s o l v e s s i t e r e s t r i c t i o n s [ J ] ． P u b l i c Wo r k s ， 2 0 0 3， 1 3 4( 1 1 ) ： 2 4— 2 8 ． [ 3 ] 王洪波， 王民， 王永磊， 等． 济南市某建筑小区污水再生回用工 程设计 [ J ] ． 山东建筑大学 学报， 2 0 0 8 ， 2 3 ( 1 ) ： 8 5— 8 8 ． [ 4] 尹倩倩 ， 王龙 ， 焦盈盈 ， 等． 城市污水 回用健康 风险评价 的内涵 与方法 [ J ] ． 山东建筑大学学报 ， 2 0 0 8 ， 2 3 ( 2 ) ： 1 4 1—1 4 4 ． [ 5 ] 张健， 高世宝， 章菁． 真空便器与真空排水在节水和污水源分 离中的应用 [ J ] ． 给水排水 ， 2 0 0 8 ， 3 4( 2 ) ： 9 6— 9 9 ． [ 6 ] 杨晚生 ， 张吉光 ， 张艳梅． 高速客车 的真空卫生 系统 [ J ] ． 给水 排水 ， 2 0 0 2 ， 2 8 ( 8 ) ： 4 2— 4 4 ． [ 7 ] 王琦 ， 章菁． 真空排水 系统在大型商业广场建筑 中的应 用[ J ] ． 山东环境 ， 2 0 0 2 ( 2 )： 4 0—4 1 ． [ 8 ] 崔志 国， 邵迎旭 ， 费志华 ． 烟台文化 中心室 真空排 水系统设 计 [ J ] ． 给水排 水， 2 0 1 0， 3 6 ( 5 ) ： 7 0— 7 3 ． [ 9 ] 邹廉． 广州 白云 国际会议 中心 真空排水 系统设计 简介 [ J ] ． 给 水排水 ， 2 0 0 8， 3 4 ( 1 ) ： 8 8—9 0 ． [ 1 0 ]O t t e r p o h l R． ．D e s i g n o f h i s h l y e ff i c i e n t s o u r c e c o n t r o l s a n i t a l i o n a n d p r a c t i c a l e x p e r i e n c e s [ J ] ． K o r r e s p o n d e n z A b w a s s e r ， 2 0 0 0 ， 4 6 ( 2 ) ： 2 0 4—2 1 2 ． [ 1 1 ]李湘梅， 周敬宣， 李 日， 等． 真空排水系统真空罐排放的关键技 术与设计[ J ] ． 中国给水排水， 2 0 0 9 ， 2 5 ( 2 2 ) ： 4 2- 4 5 ． [ 1 2 ]刘旭华 ， 周敬宣， 胡国良 真空厕所终端控制系统的研究[ J ] ． 真空． 2 0 0 7 ， 4 4( 3 ) ： 5 4—5 5 ．