真空排水系统的研究现状与展望
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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200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]：
（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
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
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下重新聚集至下一个提升段的低处，经反复多次提升逐步输送至真空站。
在设计及计算方面，目前的真空排水管网设计大多仍采用与传统重力排水系统相似的设计方法，即设计人员先根据工程经验对真空排水系统布局进行综合规划设计，确定各真空排水管道的布置和走向以便用户终端接入真空管网，达到管道提升及管径较小、管长较短及各干管的流量大致相等的设计目标；并依据各管段污水流量的计算结果和管道埋深、地面坡度等约束条件，确定管径、埋深及坡度；最后通过管道压力损失计算对管道末端最不利点的真空度进行校核[14]。该设计方法仍属于保守的静态设计方法，不可避免地具有一定的随意性和盲目性，缺乏全局优化意识，影响工程稳定性和投资。
早期的研究人员为了计算真空管道的动态损失，引入了其他领域关于气液两相流压力损失的计算方法[15]，采用了一种基于漂移流模型的计算方法，综合考虑管壁摩擦、管道倾角和流体加速度引起的压力损失。随着研究的深入，目前真空排水管道的压力损失被分为“动态损失”和“静态损失”两种，前者主要包括“摩擦损失”和“动提升损失”，后者则主要是“静提升损失”。目前最简单且应用最为广泛的摩擦损失计算方法是修正的基于单相流模型的Hazen–Williams公式[4]。该方法假定真空管道中的气液体积比为2:1，经过简单推导将安全系数2.75与全管单液相流的稳态摩擦阻力相乘得到两相流摩擦阻力。考虑到实际管道中的固液伪流体往往为非牛顿流体，段金明等人基于Lockhart-Martinelli系数提出了一种气体-非牛顿两相流摩擦阻力计算方法，并通过管段模拟实验进行了验证[14]。静提升损失主要考虑界面阀关闭喉管道中的流体处于静止时，管内液柱在提升段两侧造成的压差。在实际运行过程中，由于系统的静提升损失与管道布置、气液比及系统真空有关，一般并不确定，常取统计平均值。在水力计算时，为保证系统安全，一般取静提升损失的最大值，即所有提升段均充满污水的极端情况。动提升损失则主要考虑界面阀开启后管道中的流体处于流动时，流体重位压头造成的压差，目前尚无公认的计算方法。Kalenik通过模拟实验得到了的动提升损失的九个经验公式[15]，包含三种管道外径（65mm，90mm，110mm）及三种界面阀的开启时间（6s，9s，12s）。但这些经验公式并没有选择管道设计中通用的气液比作为参量，而是以界面阀开启时间作为参量，不具有一般性。尽管界面阀的开启时间不同引起的气液比不同，但界面阀开启时间与气液比的关系复杂多变，与界面阀本身的特性、管道的特性、节点真空度及每次排放的污水容积均有关系。因此，这些经验关系式在实际工程设计中较难操作。
在真空管道多相流的仿真计算方面，国内外均处在起步阶段，现有文献少有涉及。Choinski等人给出了一个适用于实时仿真和预测控制的真空排水管道两相流仿真模型，通过编制一个包含三维图像化显示界面的程序，对室外集水单元及其所连接的支管、干管在界面阀开启后的流动情况进行了仿真模拟，对采用一种压力反馈控制算法前后管道中的压力和两相的流速的时空分布进行比较分析[16]。但其模型中假定气相的质量分率（质量含气率）沿管道方向为定值，与实际情况（如上坡、下坡管段及一些瞬态过程）并不相符；且该模型中的压力损失计算直接使用了早期的Lockhart-Martinelli方法，而后来的研究已证实该方法在较大管道倾角范围和复杂流动下并不能获得理想的计算结果，因此需要对其进行修正或采用更复杂的模型。
（三） 如何将收集至真空站的污水及气体排出系统
这一问题主要涉及相关的抽空和排污设备、控制方式和运行特征三部分。现阶段的真空排水系统抽空设备和方式主要有以下几种：
（1）变容式真空泵（配置真空罐，排污泵）
传统的室内及室外真空排水系统采用变容式真空泵，如液环式、旋片式和滑片式。其中，真空罐的设计容积是根据用户最大污水流量及真空罐的排放周期来确定的。为使真空泵的工作频率和抽空时间较为合适，一般在真空罐与真空泵之间设置蓄能罐以增加缓冲容积，或将蓄能罐与真空罐合并设计。当真空罐内污水收集至预定液位似，需用排污泵将污水从负压系统中排出。经过多年的发展和应用，变容式真空泵机组技术已较为成熟且价格低廉。
（2）在线型凸轮泵（配置增容罐）
随着技术的发展，近年逐步兴起了用在线型凸轮泵替代传统变容式真空泵、无需配置真空罐及排污泵而由凸轮泵直接排污的方式。由于在线型凸轮泵在吸污的同时向外排污，仅需配置较小容积的增容罐即可达到增大缓冲容积的效果。目前，该系统已应广泛用于地下室真空污水收集、船载真空污水收集及铁路站段地面卸污中。由于该类型的凸轮泵机组的关键技术和设备仍依赖进口，故设备投资较大。
（3）多功能真空泵
多功能真空泵是一种连接用户终端和真空管网的小型多相泵。该类型泵的服务范围一般较小，无需配置真空罐，功能包括：产生真空效应，将对污水抽吸至真空管道内；将可能不利于输送的物质破碎；通过管道系统将污水及污物输送至收集处。特别地，该泵可用于餐厨垃圾的破碎，利于粪便污水与餐厨垃圾的源头控制及后续资源化[10]。
（4）喷射器
真空排水系统中的喷射器根据工作流体不同分为气体喷射器和液体喷射器两种。移动交通工具的真空污水收集系统常利用交通工具已具备的高压气源经气体喷射器产生真空[17]，其优点是抽空过程无需电源，而喷射器结构简单，成本低廉，可靠性高；缺点是喷射器的抽空效率一般较低。液体喷射器（射流泵）主要设置在真空罐或室外的集水井处，其工作流体是由污水泵驱动的污水。喷射器的引射流体为由真空排水管道收集的多相混合物。污水收集至真空站后再由潜水泵排至后续。液体喷射器设计见于早期室外真空排水系统中，目前仍应用于移动交通工具的真空污水收集系统中[18]。
三、结语与展望
随着社会经济的发展和对保护自然生态需求的提高，真空排水系统展现出了广泛的应用前景。本文参考国内外文献，对岩土锚固技术进行了系统总结, 并对今后的研究提出展望。总结如下：
现阶段国内外对真空排水系统的基本理论、设计原理及设计计算方法研究还有待深入，现有的真空排水系统主要还是依靠设计人员经验的保守设计。这种设计方式不可避免具有较大的主观随意性和一定的不合理性和低效性。真空排水系统的设计是否科学，直接影响到该系统稳定性、可靠性、工程投资及运行经济性。随着真空排水系统向更大流量、更长线路及更复杂化方向的发展，该系统设计计算的准确性及设计规范性变得愈发重要。
现有的真空排水系统设计计算时往往采用按一定概率将易于计算的静态负荷累加推算动态总负荷，用较大的安全系数修正和提高系统的工作参数来近似处理瞬态多相流动。这种静态设计方法回导致投资和运行费用的增加、造成不必要的浪费，严重的会影响系统的正常工作。为经济合理的设计和运行真空排水管网系统，改善真空排水系统的运行状况，对真空管道的气液两相流的瞬态程进行研究就显得尤为关键。
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