長(zhǎng)距離輸水大型污水提升泵站設(shè)計(jì)探討

呂開雷,曹彥龍,蒲 英,程 晶,陳紫君

(1.核工業(yè)西南勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，成都 610052；2.南充市城鄉(xiāng)供排水管理服務(wù)處，四川 南充 637000)

引 言

隨著城市發(fā)展，原本偏遠(yuǎn)的污水處理廠周邊逐漸被開發(fā)?，F(xiàn)狀污水處理廠提標(biāo)擴(kuò)能往往存在建設(shè)用地緊張的問題。這導(dǎo)致目前國(guó)內(nèi)不少城市已經(jīng)或計(jì)劃將部分污水處理廠進(jìn)行外遷[1]。城市污水需要長(zhǎng)距離傳輸至新建污水處理廠進(jìn)行處理；當(dāng)重力流傳輸不具備條件時(shí)，需要設(shè)中途提升泵站壓力傳輸。污水壓力輸水往往具有輸送距離長(zhǎng)、壓力大、施工情況復(fù)雜(明挖和暗挖)等特點(diǎn)[2]。本文以南充西河兩側(cè)污水中途提升泵站為例，分析確定了了長(zhǎng)距離輸水管線的方案，探討了大型污水中途提升泵站改擴(kuò)建設(shè)計(jì)思路及注意事項(xiàng)，供今后類似工程參考。

該工程案例具有以下特點(diǎn)：(1)污水輸送距離長(zhǎng)(約12km)，采用壓力流和重力流相結(jié)合的方式。(2)污水提升泵站規(guī)模大，總輸水規(guī)模24萬(wàn)m3/d。(3)管道施工情況復(fù)雜，明挖和暗挖相結(jié)合。

1 工程基本情況

1.1 工程概況

牌坊灣污水泵站位于西河右岸，將污水提升至西河左岸的污水管線后流至南門壩污水泵站。南門壩污水泵站位于西河左岸，一期規(guī)模8萬(wàn)t/d，將順慶區(qū)的污水提升至南充嘉陵污水處理廠進(jìn)行處理。南充嘉陵污水處理廠主要處理順慶區(qū)和嘉陵區(qū)的城市污水，已滿負(fù)荷運(yùn)行。根據(jù)規(guī)劃，西河兩側(cè)各建一座污水泵站將污水提升至嘉陵江下游的文峰污水處理廠進(jìn)行處理，相關(guān)設(shè)施的平面布置詳圖1。

由圖1可知，西河兩岸的污水泵站并聯(lián)運(yùn)行，壓力流輸水管線在桓子河大橋處匯合后沿嘉陵江敷設(shè)至射洪廟，在射洪廟處轉(zhuǎn)換為重力輸水，通過重力流管線輸送至文峰污水處理廠進(jìn)行處理。污水輸水總長(zhǎng)度約12km。

1.2 規(guī)模測(cè)算

污水中途提升泵站服務(wù)于順慶區(qū)，服務(wù)范圍內(nèi)主要為生活污水，無(wú)工業(yè)廢水。老城區(qū)采用截流式合流制排水系統(tǒng)，截流倍數(shù)取2～3；新建城區(qū)采用分流制排水系統(tǒng)。西河左岸服務(wù)面積2 502.2ha，規(guī)劃人口約37.5萬(wàn)人，老城區(qū)占比大，綜合截流倍數(shù)取1.5。西河右岸服務(wù)面積1 219.1ha，規(guī)劃人口約15.2萬(wàn)人，老城區(qū)占比相對(duì)較小，綜合截流倍數(shù)取1.0。采用人口指標(biāo)法對(duì)污水量進(jìn)行預(yù)測(cè)，計(jì)算結(jié)果詳表1。

圖1 工程布置總圖Fig.1 General layout of the project

表1 污水量計(jì)算表Tab.1 Sewage volume calculation

從表1可知，西河左岸污水量為17.8萬(wàn)t/d，西河右岸污水量為5.76萬(wàn)t/d。左岸泵站規(guī)模取18萬(wàn)t/d，需對(duì)既有南門壩泵站進(jìn)行擴(kuò)能改造。右岸泵站規(guī)模取6萬(wàn)t/d，需對(duì)既有牌坊灣泵站改造。

2 輸水管線方案比選

污水輸水管線的布置，需綜合考慮靜態(tài)投資(工程投資)、動(dòng)態(tài)投資(泵站運(yùn)行費(fèi)用)、工程施工難度、設(shè)施的運(yùn)行維護(hù)等因素確定。

如圖1所示，左、右岸污水輸水管匯合后采用2根DN1100壓力流污水管，在射洪廟處轉(zhuǎn)換為一根重力流污水管。壓力流管采用PCCP管；重力流管采用鋼筋混凝土管。污水輸水管線的最高點(diǎn)位于射洪廟處。按照規(guī)劃方案(方案一)，最高點(diǎn)處管底標(biāo)高為307.00m，流程示意詳圖2。經(jīng)計(jì)算，方案一中左、右岸泵站的提升泵揚(yáng)程分別為64m、66m。

圖2 方案一流程圖Fig.2 Flow chart of scheme 1

在市政截污干管工程中，由于管道埋深和管徑均較大，致使開挖工作面和土石方加大，開挖施工困難，故頂管施工技術(shù)得到廣泛應(yīng)用[3]。為減小泵的揚(yáng)程，節(jié)約提升泵站的運(yùn)行費(fèi)用，特提出重力流管線頂管施工的方案(方案二)，流程示意詳圖3。方案二中，射洪廟處重力流管采用頂進(jìn)施工，將輸水管線最高點(diǎn)標(biāo)高控制在280.00m，左、右岸泵站潛污泵揚(yáng)程分別為39m、42.5m。

圖3 方案二流程圖Fig.3 Flow chart of scheme 2

兩種方案對(duì)比詳見表2。

表2 輸水管線方案對(duì)比表Tab.2 Contrast table of water pipeline schemes

注：電費(fèi)按每度電1元計(jì)。

從表2可知，由于采用頂管施工，造成方案二工程投資較方案一高出約1 435.05萬(wàn)元。從短期來(lái)看，方案一投資低，但其泵站的揚(yáng)程高達(dá)64/66m，電能耗費(fèi)較方案二高出了479.66萬(wàn)元/年。應(yīng)用靜/動(dòng)態(tài)投資相結(jié)合方式，如泵站滿負(fù)荷運(yùn)行，方案一的投資成本與運(yùn)行成本之和在投入運(yùn)行3年后便超過了方案二。方案二的施工難度相對(duì)較大，由于采用成熟的暗挖頂管技術(shù)，施工風(fēng)險(xiǎn)是可控的。方案一的壓力管工作壓力較方案二平均高約24m，污水滲漏率相對(duì)較高[4]。方案二中射洪廟處重力管埋深大，維護(hù)管理難度較大；但由于污水提升前已通過格柵攔渣，重力管出現(xiàn)堵塞的概率大大降低。綜合以上，方案二較方案一在靜/動(dòng)態(tài)組合投資上的優(yōu)勢(shì)較明顯；方案二的管線施工和維護(hù)管理雖存在一定難度，但風(fēng)險(xiǎn)總體上可控；因此選擇輸水管線方案二。

3 泵站工藝設(shè)計(jì)

污水中途提升泵站依據(jù)輸水管線方案二進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于兩座泵站并聯(lián)運(yùn)行，應(yīng)注意對(duì)兩座泵站進(jìn)行壓力平衡計(jì)算，保證設(shè)計(jì)工況下的穩(wěn)定運(yùn)行?，F(xiàn)將泵站工藝設(shè)計(jì)的內(nèi)容介紹如下：

3.1 左岸泵站

左岸南門壩泵站一期已建成8萬(wàn)t/d污水提升泵房一座，需進(jìn)行改造；新增10萬(wàn)t/d提升泵房1座；建成后兩座泵房并聯(lián)運(yùn)行，總規(guī)模18萬(wàn)t/d。具體如下：

(1)即有泵房改造。由于輸水管路發(fā)生變化，需更換較大揚(yáng)程的潛污泵。更換后潛污泵參數(shù)Q=933m3/h，H=39m，N=150kW，共6臺(tái)，4用2備。

(2)新建格柵提升泵房。地下部分由進(jìn)水井、格柵井、集水池及閥門井組成，鋼砼結(jié)構(gòu)；地上建筑部分采用框架結(jié)構(gòu)。由于場(chǎng)地限制，采用粉碎性格柵B=1.7m，e=9mm，N=5.9kW，共2臺(tái)。集水池分兩格；潛污泵Q=1 390m3/h，H=39m，N=200kW，近期4臺(tái)，3用1備，遠(yuǎn)期6臺(tái)，4用2備。

(3)除臭系統(tǒng)。采用生物除臭成套設(shè)備，處理量9 000m3/h，功率N=17kW。

3.2 右岸泵站

一體化預(yù)制泵站相比傳統(tǒng)混凝土泵站具有節(jié)省占地、施工周期短等優(yōu)勢(shì)[5]。牌坊灣污水提升泵站已建有一體化泵站1座，井筒直徑3.8m，需進(jìn)行換泵改造。新增一體化泵站1座，井筒直徑3.8m，井筒采用玻璃鋼材料。兩座一體化泵站并聯(lián)運(yùn)行；分別設(shè)有4臺(tái)潛污泵，3用1備，潛污泵Q=470m3/h，H=42.5m，N=90kW。泵站采用粉碎式格柵。

采用生物除臭成套設(shè)備對(duì)一體化泵站產(chǎn)生的臭氣進(jìn)行處理，處理量1 800m3/h，功率N=5kW。

4 運(yùn)行效果

西河左、右岸污水提升泵站已經(jīng)試運(yùn)行一年，運(yùn)行效果穩(wěn)定。工程(不包含輸水管線)建安費(fèi)2 941.65萬(wàn)元。泵站直接運(yùn)行成本主要由電費(fèi)和人工費(fèi)組成；電費(fèi)按每度電1元計(jì)，單位運(yùn)行電費(fèi)0.082元/t；2個(gè)泵站共需6個(gè)值班人員，工資按每人每月5 000元計(jì)，單位運(yùn)行人工費(fèi)約0.005元/t；噸水直接運(yùn)行成本為0.087元。

5 結(jié) 論

對(duì)南充西河兩岸污水中途提升泵站及其輸水管線的設(shè)計(jì)進(jìn)行分析探討，得到如下結(jié)論：

5.1 污水長(zhǎng)距離輸送應(yīng)充分利用沿線地形高差，采用壓力流和重力流相結(jié)合的方式可減少污水壓力段的長(zhǎng)度和沿程水頭損失。

5.2 污水長(zhǎng)距離輸水管線的布置方案應(yīng)分析靜/動(dòng)態(tài)投資、工程施工難度、設(shè)施的運(yùn)行維護(hù)等多種因素綜合確定。在局部高點(diǎn)采用頂管暗挖技術(shù)可明顯減小污水提升泵的揚(yáng)程，節(jié)約泵站運(yùn)行費(fèi)用。

5.3 截流倍數(shù)直接影響著合流制泵站的規(guī)模，應(yīng)結(jié)合城市排水的現(xiàn)狀和規(guī)劃資料分析確定?，F(xiàn)狀泵站擴(kuò)能改造工程應(yīng)合理利用既有設(shè)施，節(jié)約工程投資。