长距离输水大型污水提升泵站设计探讨

吕开雷,曹彦龙,蒲 英,程 晶,陈紫君

(1.核工业西南勘察设计研究院有限公司，成都 610052；2.南充市城乡供排水管理服务处，四川 南充 637000)

引 言

随着城市发展，原本偏远的污水处理厂周边逐渐被开发。现状污水处理厂提标扩能往往存在建设用地紧张的问题。这导致目前国内不少城市已经或计划将部分污水处理厂进行外迁[1]。城市污水需要长距离传输至新建污水处理厂进行处理；当重力流传输不具备条件时，需要设中途提升泵站压力传输。污水压力输水往往具有输送距离长、压力大、施工情况复杂(明挖和暗挖)等特点[2]。本文以南充西河两侧污水中途提升泵站为例，分析确定了了长距离输水管线的方案，探讨了大型污水中途提升泵站改扩建设计思路及注意事项，供今后类似工程参考。

该工程案例具有以下特点：(1)污水输送距离长(约12km)，采用压力流和重力流相结合的方式。(2)污水提升泵站规模大，总输水规模24万m3/d。(3)管道施工情况复杂，明挖和暗挖相结合。

1 工程基本情况

1.1 工程概况

牌坊湾污水泵站位于西河右岸，将污水提升至西河左岸的污水管线后流至南门坝污水泵站。南门坝污水泵站位于西河左岸，一期规模8万t/d，将顺庆区的污水提升至南充嘉陵污水处理厂进行处理。南充嘉陵污水处理厂主要处理顺庆区和嘉陵区的城市污水，已满负荷运行。根据规划，西河两侧各建一座污水泵站将污水提升至嘉陵江下游的文峰污水处理厂进行处理，相关设施的平面布置详图1。

由图1可知，西河两岸的污水泵站并联运行，压力流输水管线在桓子河大桥处汇合后沿嘉陵江敷设至射洪庙，在射洪庙处转换为重力输水，通过重力流管线输送至文峰污水处理厂进行处理。污水输水总长度约12km。

1.2 规模测算

污水中途提升泵站服务于顺庆区，服务范围内主要为生活污水，无工业废水。老城区采用截流式合流制排水系统，截流倍数取2～3；新建城区采用分流制排水系统。西河左岸服务面积2 502.2ha，规划人口约37.5万人，老城区占比大，综合截流倍数取1.5。西河右岸服务面积1 219.1ha，规划人口约15.2万人，老城区占比相对较小，综合截流倍数取1.0。采用人口指标法对污水量进行预测，计算结果详表1。

图1 工程布置总图Fig.1 General layout of the project

表1 污水量计算表Tab.1 Sewage volume calculation

从表1可知，西河左岸污水量为17.8万t/d，西河右岸污水量为5.76万t/d。左岸泵站规模取18万t/d，需对既有南门坝泵站进行扩能改造。右岸泵站规模取6万t/d，需对既有牌坊湾泵站改造。

2 输水管线方案比选

污水输水管线的布置，需综合考虑静态投资(工程投资)、动态投资(泵站运行费用)、工程施工难度、设施的运行维护等因素确定。

如图1所示，左、右岸污水输水管汇合后采用2根DN1100压力流污水管，在射洪庙处转换为一根重力流污水管。压力流管采用PCCP管；重力流管采用钢筋混凝土管。污水输水管线的最高点位于射洪庙处。按照规划方案(方案一)，最高点处管底标高为307.00m，流程示意详图2。经计算，方案一中左、右岸泵站的提升泵扬程分别为64m、66m。

图2 方案一流程图Fig.2 Flow chart of scheme 1

在市政截污干管工程中，由于管道埋深和管径均较大，致使开挖工作面和土石方加大，开挖施工困难，故顶管施工技术得到广泛应用[3]。为减小泵的扬程，节约提升泵站的运行费用，特提出重力流管线顶管施工的方案(方案二)，流程示意详图3。方案二中，射洪庙处重力流管采用顶进施工，将输水管线最高点标高控制在280.00m，左、右岸泵站潜污泵扬程分别为39m、42.5m。

图3 方案二流程图Fig.3 Flow chart of scheme 2

两种方案对比详见表2。

表2 输水管线方案对比表Tab.2 Contrast table of water pipeline schemes

注：电费按每度电1元计。

从表2可知，由于采用顶管施工，造成方案二工程投资较方案一高出约1 435.05万元。从短期来看，方案一投资低，但其泵站的扬程高达64/66m，电能耗费较方案二高出了479.66万元/年。应用静/动态投资相结合方式，如泵站满负荷运行，方案一的投资成本与运行成本之和在投入运行3年后便超过了方案二。方案二的施工难度相对较大，由于采用成熟的暗挖顶管技术，施工风险是可控的。方案一的压力管工作压力较方案二平均高约24m，污水渗漏率相对较高[4]。方案二中射洪庙处重力管埋深大，维护管理难度较大；但由于污水提升前已通过格栅拦渣，重力管出现堵塞的概率大大降低。综合以上，方案二较方案一在静/动态组合投资上的优势较明显；方案二的管线施工和维护管理虽存在一定难度，但风险总体上可控；因此选择输水管线方案二。

3 泵站工艺设计

污水中途提升泵站依据输水管线方案二进行设计。由于两座泵站并联运行，应注意对两座泵站进行压力平衡计算，保证设计工况下的稳定运行。现将泵站工艺设计的内容介绍如下：

3.1 左岸泵站

左岸南门坝泵站一期已建成8万t/d污水提升泵房一座，需进行改造；新增10万t/d提升泵房1座；建成后两座泵房并联运行，总规模18万t/d。具体如下：

(1)即有泵房改造。由于输水管路发生变化，需更换较大扬程的潜污泵。更换后潜污泵参数Q=933m3/h，H=39m，N=150kW，共6台，4用2备。

(2)新建格栅提升泵房。地下部分由进水井、格栅井、集水池及阀门井组成，钢砼结构；地上建筑部分采用框架结构。由于场地限制，采用粉碎性格栅B=1.7m，e=9mm，N=5.9kW，共2台。集水池分两格；潜污泵Q=1 390m3/h，H=39m，N=200kW，近期4台，3用1备，远期6台，4用2备。

(3)除臭系统。采用生物除臭成套设备，处理量9 000m3/h，功率N=17kW。

3.2 右岸泵站

一体化预制泵站相比传统混凝土泵站具有节省占地、施工周期短等优势[5]。牌坊湾污水提升泵站已建有一体化泵站1座，井筒直径3.8m，需进行换泵改造。新增一体化泵站1座，井筒直径3.8m，井筒采用玻璃钢材料。两座一体化泵站并联运行；分别设有4台潜污泵，3用1备，潜污泵Q=470m3/h，H=42.5m，N=90kW。泵站采用粉碎式格栅。

采用生物除臭成套设备对一体化泵站产生的臭气进行处理，处理量1 800m3/h，功率N=5kW。

4 运行效果

西河左、右岸污水提升泵站已经试运行一年，运行效果稳定。工程(不包含输水管线)建安费2 941.65万元。泵站直接运行成本主要由电费和人工费组成；电费按每度电1元计，单位运行电费0.082元/t；2个泵站共需6个值班人员，工资按每人每月5 000元计，单位运行人工费约0.005元/t；吨水直接运行成本为0.087元。

5 结 论

对南充西河两岸污水中途提升泵站及其输水管线的设计进行分析探讨，得到如下结论：

5.1 污水长距离输送应充分利用沿线地形高差，采用压力流和重力流相结合的方式可减少污水压力段的长度和沿程水头损失。

5.2 污水长距离输水管线的布置方案应分析静/动态投资、工程施工难度、设施的运行维护等多种因素综合确定。在局部高点采用顶管暗挖技术可明显减小污水提升泵的扬程，节约泵站运行费用。

5.3 截流倍数直接影响着合流制泵站的规模，应结合城市排水的现状和规划资料分析确定。现状泵站扩能改造工程应合理利用既有设施，节约工程投资。