5　污水处理工程总体设计

5.1　污水收集和提升

5.1.1　污水的来源和分类

城市污水主要为城市下水道系统收集到的各种污水，通常由生活污水、工业废水和城市降水径流三部分组成，是一种混合污水。

生活污水指人们日常生活中的排水，经由居住区、公共场所和工厂的厨房、卫生间、浴室及洗衣房等生活设施排出。生活污水中的主要污染物有蛋白质、动植物脂肪和碳水化合物、尿素和氨氮、洗涤剂以及在粪便中出现的病原微生物等。

工业废水是从工业生产过程中排出的废水，由于使用的原材料和生产工艺不同，工业废水的成分也有所差别。工业废水根据污染程度的不同，可分为生产污水和生产废水两类。工业废水也可按其所含污染物的主要成分分类，如酸性废水、碱性废水、含氰废水、含汞废水、含酚废水、含油废水等。工业废水是城市污水中有毒有害物质的主要来源。

降水径流主要是由城市降雨或冰雪融化水形成的，通常降雨是排水的主要对象。降水在其径流过程中被地面的许多污染物污染，如垃圾、降尘等。

5.1.2　排水体制的类型与选择

按城市污水的不同排放方式，其所形成的排水系统，称为排水体制。排水体制一般分为合流制和分流制两种。

5.1.2.1　排水体制的类型

（1）分流制排水系统　分流制排水系统是将生活污水、工业废水和雨水分别在两个或两个以上的各自独立的管渠系统内排除。根据雨水管渠系统的完整性，分流制排水系统又可分为完全分流制和不完全分流制两种排水系统。完全分流制排水系统中，雨水和污水各自设有排水管道系统。不完全分流制排水系统中，只设污水排水管道，不设或设置不完整的雨水排水管道系统，雨水沿地面或街道边沟渠排放。图1-5-1为完全分流制排水系统示意图，图1-5-2为不完全分流制排水系统示意图。

（2）合流制排水系统　合流制排水系统是合用一套管渠系统，将雨水、污水（包括生活污水、工业废水）排除的系统。在早期市政建设时都是采用简单的直流式合流系统。随着城市建设的发展，直流式合流制排水系统已逐渐改造为截留式合流制排水系统，如图1-5-3所示。

5.1.2.2　排水系统的组成与布置形式

排水系统是指排水的收集、输送、提升、处理和再生利用，以及排放等工程设施以一定方式组合成的总体。

（1）城市污水排水系统的主要组成部分　城市污水排水系统由室内污水管道系统、室外排水管道系统、污水泵站、污水处理厂和出水口组成。

①室内污水管道系统及设备　室内污水管道系统的作用是收集生活污水，并将其排送至室外居住小区污水管道中去。主要包括室内卫生设备、排水横管、排水立管、出户管、检查井、化粪池以及室外连接管道等。

②室外排水管道系统　室外排水管道系统由居住小区污水管道系统（也称作庭院或街坊污水管网）和街道污水管道系统以及管道上的附属构筑物组成。

街道污水管道系统是指敷设在街道下，用以排除居住小区管道流来的污水，它由排水支管、干管和主干管组成。管道系统上的附属构筑物有各种检查井、跌水井、倒虹管等。

③污水泵站及压力管道　污水一般以重力排除，有时受到地形的限制，需要在管道系统中设置污水提升泵站。污水泵站分为局部泵站、中途泵站和总泵站等。从泵站出来的污水至高地自流管道或至污水处理厂的承压管段，称为压力管道。

④污水处理厂　用于处理和利用污水、污泥的一系列构筑物和附属建筑物组成的污水处理系统。

⑤出水口及事故排出口　出水口是城市污水排入水体的终点构筑物。事故排出口是在排水系统中的中途，或在某些易发生故障的局部前，设置的辅助性出水口，一旦发生故障，污水就通过事故排出口直接排入水体。城市污水排水系统如图1-5-4所示。

（2）工业企业内部废水排水系统的主要组成部分　在工业企业中，由于废水的成分和性质非常复杂，厂内废水宜采用分质分流、清污分流等多种管道系统来分别排除不同性质的废水。对于含有特殊污染物质的有害生产污水，不允许与生活或其他生产污水直接混合排放，应在车间内设置局部处理设施。冷却废水经冷却后在生产中循环使用。某些工业废水如能够满足《污水排入城镇下水道水质标准》（CJ 343—2010）的要求，可直接排入城市污水管道。工业企业内部废水排水系统一般由下列几个主要部分组成：（a）车间内部管道系统和设备；（b）厂区排水管道系统；（c）污水泵站及压力管道；（d）废水处理站。

工业区排水系统总平面示意，如图1-5-5所示。

（3）雨水排水系统的主要组成部分　雨水排水系统主要部分组成：（a）建筑物的雨水管道系统，主要是收集工业、公共或大型建筑的屋面雨水，并将其排入室外的雨水管渠系统中去；（b）居住小区或工厂雨水管渠系统；（c）街道雨水管渠系统；（d）雨水泵站；（e）排洪沟；（f）出水口。

（4）城市排水系统的布置形式

①平面布置　城市排水系统的平面布置形式可分为正交式、截留式、平行式、分区式和辐射状分散式布置形式等。如图1-5-6所示为城市排水系统常见的几种布置形式。图1-5-6（a）为正交式布置适用于雨水，而不适用于污水；图1-5-6（b）截留式，是正交式的发展结果，用于污水管道可减轻水体污染，改善和保护环境；图1-5-6（c）平行式，适合于地势向河流方向有较大倾斜的地区，避免管道流速过大，引起管道受到严重冲刷；图1-5-6（d）分区式，可用于地势高低相差很大的地区，高地区污水靠重力自流入污水厂，低地区设置泵站提升污水，这样可充分利用地形，节省电力；图1-5-6（e）辐射状分散布置，当城市较大，周围有河流或排水出路，或城市中心部分地势较高时，各排水区域的干管可采用此种形式。

②高程布置　排水管网的高程布置应根据城市的竖向规划，由控制点、最小埋深、最大埋深、泵站和跌水等条件确定。

在排水区域内，对管道埋深起控制作用的地点称为控制点。管道的最小埋深和最大埋深的数值，应根据当地的自然条件、工程技术经济指标、施工能力和施工方法所决定。当管线超过最大埋深时，应设置泵站来提高下游管道的位置。

5.1.2.3　排水体制的选择

合流制排水系统，对于降水量较少的干旱地区和汇水面积较小的村镇排水较为适用。但是由于合流管渠平时输送的旱季污水量和雨季输送的合流污水量相差悬殊，因此，合流管渠容易产生沉积。

分流制排水系统，可以为系统终端的分质处置提供条件。因此，对于充分利用水资源来说，是比较理想的排水体制。

合理地选择排水系统的体制，是城市和工业企业排水系统规划和设计的重要问题。它不仅从根本上影响排水系统的设计、施工、维护管理，而且对城市和工业企业的规划和环境保护影响深远。选择排水体制需要考虑以下主要因素：（a）环境保护要求；（b）工程经济造价；（c）维护管理费用。

《室外排水设计规范》（GB 50014—2006）规定，排水系统的选择应根据城镇和工业企业规划、当地降雨情况和排放标准、原有排水设施、污水处理和利用情况、地形和水体条件，综合考虑确定。

对于同一城镇的不同地区，可采用不同的排水体制，如新建地区的排水系统宜采用分流制。在选择和确定排水系统体制时，工程建设的总投资和初期投资费用以及维护管理费用，通常是重要的影响因素，而保护环境应该是选择排水体制首先要考虑的问题。排水系统体制的选择应根据当地条件，通过技术经济比较确定。

5.1.3　污水管网水力计算及工程设计

污水管道系统的工程设计包括：（a）设计基础数据的收集；（b）污水管道系统的平面布置；（c）污水管道设计流量计算和水力计算；（d）污水管道系统附属构筑物的选择与设计；（e）污水管道在街道横断面上位置的确定；（f）绘制污水管道系统平面图和纵剖面图。

5.1.3.1　污水管道设计方案的确定

（1）设计资料的调查与收集　进行排水工程设计时，通常需要有以下几方面的基础资料。

①与设计任务有关的基础资料　（a）了解与设计工程有关的当地规划、经济、环保等方面的资料；（b）明确设计范围、设计期限；（c）设计人口，污水量定额，确定排水体制；（d）受纳水体的环保要求，确定污水处理方式；（e）了解现有排水管道布置、存在问题；（f）了解现有地下各种管线，确定污水管道在街道下纵横断面的布置；（g）在明确任务和全面掌握情况的基础上，最后根据工程投资，确定其设计标准。

②有关自然因素方面的资料

（a）地形图。初步设计和施工图设计时，区域性规划设计与中小城镇设计以及工厂内部设计应采用不同比例的地形图。地区性和大城市的规划设计需要比例尺为（1∶10000）～（1∶25000），等高线间距1～2m的地形图；对中小型城镇采用比例尺（1∶5000）～（1∶10000），等高线间距1～2m的地形图；工厂采用比例尺（1∶500）～（1∶2000），等高线间距0.5～2m的地形图。在施工图阶段，要求街区平面图比例尺（1∶500）～（1∶2000），等高线间距0.5～1m；设置排水管道的沿线带状地形图，比例尺（1∶200）～（1∶1000）；局部设置特殊的构筑物时，需要更详细的地形图。

（b）气象资料。主要包括当地的气温、风向和风速、暴雨强度公式等。

（c）水文资料。主要包括收纳水体的水量、水位、流速、洪水情况和水质与环保部门对污水排放的要求。

（d）地质资料。主要包括设计地区的土质、承载力；地下水水位；地震烈度资料；管道沿线的地质柱状图。

③有关工程情况的资料　包括道路的现状和规划，地面建筑物和地铁及其他地下建筑的位置和高程，各种地下管线的位置，本地区建筑材料、管道制品以及电力供应的情况和价格，安装单位的等级和装备情况等。

（2）设计方案的确定　在进行排水工程规划设计时，应提出多个不同的设计方案，进行综合性技术经济比较。

在方案设计中应考虑的关键问题是：（a）排水体制的选择；（b）污水的分散与集中处理以及污水处理的程度；（c）污水管道走向和污水厂位置；（d）污水管道与其他管线的交叉矛盾。

排水工程建设投资巨大，涉及问题广泛，设计方案应力求做到技术先进、经济合理、安全适用。为此，应该对不同方案进行技术水平、工程量和建设投资、运行管理费用、经济效益、环境效益和社会效益等进行综合的评价，从而确定最佳的设计方案。

5.3.1.2　污水管网的水力计算

（1）污水设计流量的确定　污水管道常采用最大日最大时的污水流量为设计流量，其单位为L/s。它包括生活污水设计流量和工业废水设计流量，在地下水位较高的地区，应适当考虑入渗地下水量。

生活污水设计流量由居住区生活污水设计流量和工厂生产区的生活污水设计流量两部分组成。计算生活污水设计流量时，需要先确定设计标准、变化系数和设计人口等重要参数。

①污水量设计标准

a.居住区生活污水量设计标准。居住区生活污水量设计标准可依据居民生活污水定额或综合生活污水定额确定。

居民生活污水，指居民日常生活中洗涤、冲厕、洗澡等产生的污水。

综合生活污水，指居民生活污水和公共设施排水两部分的综合污水。

居民生活污水定额和综合生活污水定额应根据当地采用的用水定额，结合建筑物内部给排水设施和排水系统的完善程度等因素确定。对给排水系统完善的地区可按用水定额的90%计，一般地区可按用水的80%计。《室外给水设计规范》（GB 50013—2014）规定的居民生活用水定额和综合生活用水定额如表1-5-1所示。

b.工业区内生活污水量。工业企业生活污水量和淋浴污水量的确定，应与现行国家标准《建筑给水排水设计规范》（GB 50015—2010）的有关规定协调。

c.工业区内工业废水量。工业废水量可按单位产品的废水量计算，或按工艺流程和设备的排水量计算，也可按实测数据计算，但应与国家现行的工业用水量有关规定协调。

②污水量变化系数

a.污水量变化系数的定义。污水量的变化程度通常用变化系数表示。变化系数分日、时和总变化系数：

日变化系数（K_d），指一年中最大日污水量与平均日污水量的比值；

时变化系数（K_h），指最大日最大时污水量与该日平均时污水量的比值；

总变化系数（K_z），指最大日最大时污水量与平均日平均时污水量的比值。

3个变化系数之间的关系为：

　　（1-5-1）

b.居住区综合生活污水量总变化系数。综合生活污水量总变化系数可按当地实际综合生活污水量变化资料采用，没有测定资料时，可按表1-5-2采用。

c.工业废水量的变化系数。工业区内工业废水量总变化系数应根据生产工艺特点和生产性质确定，并与国家现行的工业用水量有关规定协调。

③污水量计算公式　排水管道设计流量计算公式如下。

a.居住区生活污水量Q_s

　　（1-5-2）

式中，n为居住区生活污水定额，L/（人·d）；N为设计人口数；K_z为生活污水量总变化系数。

b.工业废水量Q_g

　　（1-5-3）

式中，m为生产过程中单位产品的废水量，升/单位产品；M为产品的平均日产量；T为每日生产时数，h；K_z为总变化系数。

c.工业企业生活污水量Q_gs

　　（1-5-4）

式中，A₁为一般车间最大班职工人数，人；A₂为热车间最大班职工人数，人；B₁为一般车间职工生活污水定额，以25L/（人·班）计；B₂为热车间职工生活污水定额，以35L/（人·班）计；K₁为一般车间生活污水量时变化系数，以3.0计；K₂为热车间生活污水量时变化系数，以2.0计。

d.工业企业沐浴用水量Q_gl

　　（1-5-5）

式中，C₁为一般车间最大班使用淋浴的职工人数，人；C₂为热车间及污染严重车间最大班使用淋浴的职工人数，人；D₁为一般车间的淋浴污水定额，以40L/（人·班）计；D₂为高温、污染严重车间的淋浴污水定额，以60L/（人·班）计。

（2）污水管道的水力计算

①水力计算的基本公式　污水管道水力计算的目的，在于合理经济地选择管道断面尺寸、坡度和埋深。

污水管道一般是采用重力流，污水靠管道两端的落差从高处流向低处。重力流管道中的水流可分为两种流态，管道中的水经转弯、交叉、变径、跌水等处时，水流状态发生改变，自然流速和流量也在变化，此时污水管道内的水流状态为明渠非均匀流。但是，当在管道坡度和管径不变的直线管段（设计管段），污水流量沿程不变或变化很小，管内污水流态接近于均匀流（图1-5-7），可采用稳定均匀流公式进行水力计算。

污水管道水力计算的基本公式：

流量公式：

　　（1-5-6）

流速公式：

　　（1-5-7）

式中，Q为流量，m³/s；A为过水断面面积，m³；v为流速，m/s；R为水力半径（过水断面面积与湿周的比值），m；I为水力坡度（等于水面坡度，也等于管底坡度）；C为流速系数或称谢才系数。

C值一般按曼宁公式计算，即：

　　（1-5-8）

将式（1-5-8）代入式（1-5-7）和式（5-1-6），得：

　　（1-5-9）

　　（1-5-10）

式中，n为粗糙系数，宜按表1-5-3采用。

②污水管道水力计算的设计数据

a.设计充满度。指的是在设计流量下，污水在管道中的水深h和管道直径D的比值，如图1-5-8所示。

《室外排水设计规范》（GB 50014—2006）规定，污水管道应按不满流设计，其最大设计充满度应按表1-5-4采用。

污水管道按不满流设计，是考虑为未预见水量的增长留有余地，防止污水外溢，而且管道不满流利于管道内的通风，可排除有害气体，同时便于管道的疏通和维护。

b.设计流速。指的是管道中的流量达到设计流量时，与设计充满度相应的水流平均速度。为了防止管道中产生淤积或冲刷现象，设计流速不宜过小或过大，应在最大和最小设计流速范围之内。

《室外排水设计规范》（GB 50014—2006）规定，污水管道在设计充满度下的最小设计流速为0.6m/s，明渠为0.4m/s。含有金属、矿物质固体或重油杂质的生产污水管道，其最小设计流速宜适当加大。金属排水管道的最大设计流速为10m/s，非金属管道为5m/s。压力管道的设计流速应采用0.7～2.0m/s。

在平坦地区，设计流速可以结合当地具体情况，对《室外排水设计规范》（GB 50014—2006）规定的最小流速作合理的调整。当设计流速低于最小设计流速时，应考虑清淤措施。

c.最小管径。为避免管道堵塞，当污水上游管段的设计流量很少，计算出的管径较小时，应根据经验确定一个允许的最小管径。如按计算确定的管径小于最小管径时，应采用《室外排水设计规范》（GB 50014—2006）规定的污水管道的最小管径，如表1-5-5所示。

d.最小设计坡度。最小设计坡度指的是与最小设计流速相应的坡度。式（1-5-9）反映了坡度和流速之间的关系，在给定的设计充满度下，管径越大，相应的最小设计坡度值越小。

当设计流量很小而采用最小管径的设计管段称为不计算管段。由于这种管段不进行水力计算，没有设计流速，因此就直接采用规定的管道最小设计坡度，见表1-5-5。

管道坡度不能满足表1-5-5的要求时，应有防淤、清淤措施。

③污水管道的埋设深度和覆土深度　管道的埋设深度和覆土深度示意如图1-5-9所示。

覆土深度：管道外壁顶部到地面的距离。

埋设深度：管道内壁底到地面的距离。

a.最大允许埋深。管道埋深允许的最大值称为最大允许埋深。一般在干燥土壤中，最大埋深不超过7～8m；在多水、流砂、石灰岩地层中，一般不超过5m。

b.最小覆土深度。管道的埋深最小限值，称为最小覆土深度。最小覆土深度取决于下列3个因素要求，即防止冰冻膨胀而损坏管道，防止管壁因地面荷载而破坏；满足街坊污水连接管衔接的要求。

《室外排水设计规范》（GB 50014—2006）规定，管顶最小覆土深度，应根据外部荷载，管材强度和土的冰冻情况等条件，结合当地埋管经验确定。管顶最小覆土深度在人行道下一般不宜小于0.6m，车行道下不宜小于0.7m。一般情况下，排水管道宜埋设在冰冻线以下。当该地区或条件相似地区有浅埋经验或采取相应措施时，也可埋设在冰冻线以上，其浅埋数值应根据该地区经验确定。

对于每一个管段，从上述决定最小覆土深度的3个因素考虑，可以得到三个不同的覆土限值。在这3个限值中应取最大的值为允许最小覆土深度。

根据街区污水管道起点最小埋深值，可依据图1-5-10和式（1-5-11）计算出街道管网起点的最小埋设深度。

　　（1-5-11）

式中，H为街道污水管网起点的最小埋深，m；h为街区污水管起点的最小埋深，m；Z₁为街道污水管起点检查井处地面标高，m；Z₂为街区污水管起点检查井处地面标高，m；I为街区污水管和连接支管的坡度；L为街区污水管和连接支管的总长度，m；Δh为连接支管与街道污水管的管内底高差，m。

④污水管道水力计算的方法

a.水力计算的内容。污水管道水力计算，通常是在设计流量已知的情况下，计算管道的断面尺寸和敷设坡度。经计算所选择的管道断面尺寸，应在规定的设计充满度和设计流速的情况下，能够排泄设计流量。管道坡度应参照地面坡度和最小坡度的规定确定。既要使管道尽可能与地面坡度平行敷设以减少埋深，又要保证管道坡度不小于最小设计坡度，以免管道内的流速达不到最小设计流速而产生淤积。此外，为了防止管壁受到冲刷，应避免管道的坡度太大而使流速大于最大设计流速。

b.水力计算方法。在具体计算中，已知设计流量Q及管道粗糙系数n，需要求管径D、水力半径R、充满度h/D、管道坡度I和流速v。在式（1-5-6）和式（1-5-9）这两个方程式中，有5个未知数，因此必须先假定3个求其他两个，计算极为复杂。一般情况下，为了简化计算，常采用水力计算表（见有关设计手册）或水力计算图。

实际工程中为便于计算，将流量、管径、坡度、流速、充满度、粗糙系数各水力因素之间的关系绘制成水力计算图。对每一张计算图而言，D和n是已知数，图1-5-11的曲线表示Q、v、I、h/D之间的关系。这4个因素中，只要知道两个就可以查出其他两个。

水力计算也可采用水力计算表进行计算。表1-5-6为摘录的圆形管道（不满流，n=0.014）D=300mm水力计算表的部分数据。

每一张水力计算表的管径D和粗糙系数n均是已知的，和查图计算法一样，表中Q、v、h/D、I 4个因素，知道其中任意两个便可求出另外两2个。

5.3.1.3　污水管道的设计

（1）污水管道系统的平面布置　污水管道系统平面布置包括确定排水区界，划分排水流域；选择污水厂和出水口的位置；污水管道的布置与定线，确定需要提升的排水区域和设置泵站的位置等。

①确定排水区界，划分排水流域　排水区界是污水排水系统设置的界线，是根据城镇总体规划设计规模决定的。在排水区界内应根据地形及城市和工业企业的竖向规划，划分排水流域。一般来说，在丘陵地区与地形起伏地区，可按等高线划分分水线，流域边界与分水线相符合；在地形平坦无显著分水线的地区，可依据面积大小划分。

②选择污水厂和出水口的位置　污水厂和出水口位置影响污水主干管的走向。污水厂和出水口一般布置在城市河流的下游或城市夏季主导风向的下风侧，并便于处理后出水回用和安全排放。

③污水管道的布置与定线　确定污水管道的位置和走向，称为污水管道系统的定线。管道定线一般按主干管、干管和支管的顺序依次进行。定线的主要原则是尽可能地在管线较短和埋深较小的情况下，让最大区域的污水能自流排出。

《室外排水设计规范》（GB 50014—2006）规定，排水管道系统应根据城市规划和建设情况统一布置，分期建设。管道平面位置和高程，应根据地形、土质、地下水位、道路情况、原有的和规划的地下设施、施工条件以及养护管理方便等因素综合考虑确定。

a.污水干管和主干管平面布置的一般原则。（a）排水区域与汇水面积划分。依据地形并结合街坊布置或小区规划进行划分；相邻系统统筹考虑，排水面积分担合理。（b）排水出路选定。利用天然排水系统或已建排水干线为出路；要在流量和高程两个方面都保证能够顺利排出。（c）管道定线。服从城市总体规划的统筹安排；尽量避免穿越不容易通过的地带和构筑物；污水主干管布置要考虑地质条件，尽量布置在坚硬密实的土壤中。

b.街区内污水支管的平面布置。一般情况下，地形是影响管道平面布置走向的主要因素。街区内污水支管的平面布置取决于地形及建筑物特征，并应便于用户接管排水。街区内污水管道布置通常有低边式布置、周边式布置和穿坊式布置等几种形式，如图1-5-12所示。

④确定需要提升的排水区域和设置泵站的位置　排水管道系统中的污水提升泵站，根据其位置和功能可分为中途泵站、局部泵站和终点泵站。当管道埋深接近最大埋深时，为提高下游管道的管位而设置的泵站，称为中途泵站。若是将局部低洼地区的污水抽至地势较高地区的管道中，或是将高层建筑地下室、地铁、其他地下建筑的污水抽送至附近管道系统中，所设置的泵站称局部泵站。因为污水管道系统终点的埋深通常很大，而污水处理厂的处理构筑物设置在地面上，需将污水抽升至第一个处理构筑物，这类泵站称为终点泵站或总泵站。

（2）污水管道系统控制点标高的确定　在污水排水区域内，对管道系统的埋深起控制作用的地点称为污水管道系统控制点。控制点的埋深影响整个污水管道系统的埋深。

控制点的位置有可能在以下几个地点：（a）管道的起点，起点离出水口最远，或起点本身为低洼地；（b）管段中的某一点，管段中具有相当深度的支管接入点或个别低洼地区也有可能成为控制点；（c）具有相当深度的工厂排出口。

控制点的标高确定，一方面，应根据城市的竖向规划，保证排水区域内各点污水都能够排出，并考虑发展，在埋深上适当留有余地。另一方面，不能因照顾个别控制点而增加整个管道系统的埋深。

（3）设计管段及设计流量的确定

①设计管段及其划分　设计管段是指两个检查井之间的管段，采用同样的管径和坡度使其设计流量不变。在排水管道系统中并非所有两检查井之间都是设计管段。在划分设计管段时，估计管径和坡度不改变的连续管段都可以划为设计管段，但是在旁侧管流入的检查井或坡度改变的检查井均可作为设计管段的起点。

②设计管段的设计流量　每一设计管段的污水设计流量可包括下列几种流量：（a）本段流量——从管段沿线街坊流入本段的污水流量；（b）转输流量——从上游管段和旁侧管段流入设计管段的污水流量；（c）集中流量——从工业企业或其他大型公共建筑物流来的污水量。

为了安全和计算方便，通常假定本段设计污水流量集中在起点进入设计管段，而且流量不变。

本段流量计算公式：

　　（1-5-12）

式中，q₁为设计管段的本段流量，L/s；F为设计管段的本段街坊服务面积，hm²；K_z为生活污水量总变化系数；q₀为单位面积的本段平均流量，即比流量，L/（s·hm²）。可用下式计算：

　　（1-5-13）

式中，n为居住区生活污水定额，L/（人·d）；p为人口密度，人/hm²。

从上游管段和旁侧管段流来的平均流量以及集中流量对本设计管段是不变的。

（4）污水管道的衔接　污水管道在管径、坡度、高程和方向发生变化及支管接入的地方都需要设置检查井，在设计时必须考虑在检查井内上下游管道衔接时的高程关系问题。

①管段在衔接时应遵循的原则　检查井上下游的管段在衔接时应遵循的原则是：（a）尽可能提高下游管段的高程，以减少管道埋深，降低造价；（b）避免在上游管段中形成回水造成淤积。

②管道衔接方式　管道衔接的方式，通常有水面平接和管顶平接两种，如图1-5-13所示。在特殊情况下可使用跌水连接方式。

a.水面平接。在水力计算中，使上游管段终端和下游管段起端在指定的设计充满度下的水面相平。其优点是可以减小下游管段的埋深，不利之处有可能因管道中流量的变化而产生回水。

b.管顶平接。在水力计算中，使上游管段终端和下游管段起端的管顶标高相同。其优点是不太会产生回水现象，但可能会增加埋深。

c.跌水连接。当地面坡度很大时，管道坡度可能会小于地面坡度，为保证管段的最小覆土深度，控制管道流速以及减少上游管段的埋深，上下游管道可采用跌水连接的方式。

在旁侧管道与干管交汇前，如果两条管道的管底标高相差较大，则需在具有较高标高的管道上先设跌水井后，再进行管道相接。

（5）污水管道在街道上的位置　在城市道路下，有许多管线工程，为了合理安排污水管道在其空间的位置，必须在各单项管线工程规划的基础上，进行综合规划，统筹安排，以利施工和日后的维护管理。

①排水管道在街道上布置的一般要求　《室外排水设计规范》（GB 50014—2006）规定，排水管道与其他地下管道和建筑物、构筑物等相互间的位置，应符合下列要求：（a）敷设和检修管道时，不应互相影响；（b）排水管道损坏时，不应影响附近建筑物、构筑物的基础，不应污染生活饮用水；（c）排水管道与道路中心线平行敷设，并应尽量设在快车道以外。

②污水管道与给水管道、再生水管道的关系　污水管道、合流管道与生活给水管道相交时，应敷设在生活给水管道的下面；再生水管道与生活给水管道、合流管道和污水管道相交时，应敷设在生活给水管道下面，宜敷设在合流管道和污水管道的上面。

③污水管道距房屋的距离　当管道的埋深小于2.2m时，管道离房屋边线的距离应不小于3.5m。当埋深大于2.2m时，离房屋边线的距离应不小于5～6m。

④地下管线布置的一般原则　有压管避让无压管，小管让大管，设计管线让已建管线，临时管线让永久管线，柔性结构管线让刚性结构管线，检修次数少的管线让检修次数多的管线。

⑤管线交叉的处理方式　上水管在下水管之上，电力管线在上下水管线之上，煤气管线在上下水管线之上，热水管在上下水管线之上。

⑥污水管道与其他地下管线的最小净距　污水管道与其他地下管线（或构筑物）的水平和垂直最小净距，应根据两者的类型、高程、施工先后和管线损坏的后果等因素，按当地城市管道综合规划确定。另外，污水管道与其他地下管线或构筑物的最小净距应满足表1-5-7的要求。

（6）污水管道的设计计算步骤

①排水系统总平面设计　首先，确定污水厂位置和排水出路，其次，在城市或小区平面图上布置排水干管、支管以及进行街区编号并计算干管的汇水面积。

②干、支管线的平面设计　确定干、支管线的准确位置及各干、支管的井位、井号，并划分设计管段。

③确定设计标准　确定设计标准、设计人口数和确定设计污水量定额。

④确定设计流量　确定总变化系数，计算各设计管段的设计流量以及计算工业企业或公共建筑的污水量。

⑤进行水力计算　根据已经确定的管道路线以及各设计管段的设计流量，进行各设计管段的管径、坡度、流速、充满度和井底高程的计算。在确定设计流量后，由控制点开始，从上游到下游，依次进行干管和主干管各设计管段的水力计算。

污水管道水力计算的原则是不淤积、不冲刷、不溢流、要通风。

进行管道水力计算时，必须细致地研究管道系统的控制点、地面坡度与管道敷设坡度的关系，应注意下游管段的设计流速应大于或等于上游，并在适当的地点设置跌水井。

⑥绘制管道平面图和纵剖面图　初步设计阶段的管道平面图通常采用的比例尺（1∶5000）～（1∶10000）。施工图设计阶段的管道平面图比例尺常用（1∶1000）～（1∶5000）。管道纵剖面图的比例尺，一般横向（1∶500）～（1∶2000），纵向（1∶50）～（1∶200）。

5.1.4　污水泵站及污泥泵站的工程设计

5.1.4.1　污水泵站的工程设计

（1）污水泵站的特点　污水泵站的特点是连续进水，水量变化幅度较大，且水中污杂物含量多，对周围环境的污染影响大。所以污水泵站应使用适合污水的水泵及清污量大的格栅除污机。集水池要有足够的调蓄容积，并考虑备用水泵的设置。泵站的设计应尽量减少对环境的污染，站内要提供较好的管理、检修条件。

（2）泵房的设计内容及一般规定

①泵房形式　污水泵房的形式取决于进水管渠的埋设深度、来水流量、水泵机组的型号与台数、水文地质条件以及施工方法等因素，选择污水泵房的形式应从造价、布置、施工、运行条件等方面综合考虑。常见的泵房形式，如表1-5-8所示。

②非自灌式泵房　通常采用真空泵或真空罐等引水设备来辅助水泵工作。引水设备如表1-5-9所示。

③格栅　格栅是污水泵站中最主要的辅助设备，用以截留大块的悬浮或漂浮的污物，以保护水泵叶轮和管配件，避免堵塞或磨损，保证水泵正常运行。小型泵站多采用人工清除格栅，大中型泵站，采用机械清除格栅。

④集水池　（a）污水泵房集水池的最小容积，不应小于最大一台水泵5min的出水量；（b）污水泵房集水池应设冲洗和清泥设施；（c）集水池的布置，应考虑改善水泵吸水管的水力条件，减少滞流或涡流。

⑤机器间　机器间的各部分尺寸应满足有关设计规定，另外还应设置起重、排水及通风等设施。

⑥泵站仪表及计量设备　（a）泵站仪表。泵站内应装置的配电设备仪表有电流表、电压表、计量表；自灌式水泵吸水管上安装真空表；出水压力管上设置压力表。（b）计量设备。由于污水中含有机械杂质，其计量设备应考虑被堵塞的问题，设在污水处理厂内的泵站可不考虑计量问题，因为污水处理厂常在污水处理后的总出口明渠上设置计量槽，单独设立的污水泵站可采用电磁流量计，也可以采用文氏管水表计量，但应注意防止传压细管被污物堵塞。

⑦泵站的自动控制　一般采用的控制方式有就地控制、集中控制和远距离控制。泵站的一般自动控制部分，如表1-5-10所示。

（3）泵的选型　污水泵站的设计流量一般均按最高日最高时污水流量决定。小型排水泵站设1～2套机组，而大型泵站则设置3～4套机组。

泵站的扬程为吸水地形高度、压水地形高度、通过吸水管路和压水管路中水头损失约1～2m安全扬程之和。因为水泵在运行过程中，集水池中水位是变化的，因此所选水泵在这个变化范围内应处于高效段运行。

①常用水泵的种类及适用条件　见表1-5-11。

②轴功率计算

a.水泵轴功率公式。

　　（1-5-14）

式中，γ为水的容重，kg/L；Q为水泵的输水量，L/s；H为水泵的总扬程，m；η为水泵的总效率。

b.水泵电动机所需之功率公式。

　　（1-5-15）

式中，K为电动机的超负荷系数。

③水泵工作的特性曲线　水泵的工作点是由水泵的Q-H特性曲线与管路的特性曲线相交得出，一般选用效率较高的范围。

④管路的特性曲线　水泵总扬程公式

　　（1-5-16）

式中，H₁为吸水高度和扬水高度之和，m；∑h为吸水管路和扬水管路的总水头损失，m。

a.水泵并联。当压力一定，一台泵不能满足设计流量时，可采用相同（或不同）的几台泵联合工作。水泵并联曲线参见图1-5-14和图1-5-15。

b.水泵串联。一台水泵扬程不能达到设计要求高度时，可采用同流量的两台泵串联，工作曲线参见图1-5-16。

在绘制两台相同水泵串联工作时的合成特性曲线时，要把两条Q-H（Ⅰ，Ⅱ）特性曲线在同一输水量（横坐标）时的扬程（纵坐标）加倍，水头H₀相当于压水管路闸门关闭时两台水泵的串联工作。点A是在给定的管路特性曲线C和扬水高度H₁时，一台水泵的工作状况。点A₁是在同一管路特性曲线时，两台水泵串联的工作状况，串联工作的水泵输水量为Q（Ⅰ+Ⅱ），它比Q₁大些。

如果扬水高度H₁加倍，假定为2H₁直线（C₁D₁），管路中水头损失如线段A₂d=2hA所示也增加了一倍，则水泵将在极限点A₂的情况下工作，其流量为Q₁，总水头等于H（Ⅰ+Ⅱ）=2H。

c.水泵进出水管。水泵进出水管的一般规定，如表1-5-12所示。

（4）水泵全扬程计算

计算公式：

　　（1-5-17）

　　（1-5-18）

　　（1-5-19）

式中，h₁为吸水管水头损失，m；h₂为出水管水头损失，m；ζ₁、ζ₂为局部阻力系数；v₁为吸水管流速，m/s；v₂为出水管流速，m/s；g为重力和速度，9.81m/s²；h₃为集水池最低工作水位与所提升最高水位之差；h₄为自由水头，m，按0.5～1.0m计；h'₁、h'₂为吸水管、出水管沿程水头损失，m。

水泵扬程示意，如图1-5-17所示。

（5）设计计算例题

【例题1-5-1】　自灌式污水泵站（图1-5-18），已知：

a.城市人口为80000人，生活污水量定额为135L/（人·d）。

b.泵站进水管管底高程为80.80m，管径DN600mm，充满度h/D=0.75。

c.出水管提升后的水面高程为95.80m，经300m管长至处理构筑物。

d.泵站原地面高程为89.80m。

解：

①流量计算

平均秒流量：Q=135×80000/86400=125L/s；

最大秒流量：Q₁=K_zQ=1.59×125=199L/s，取200L/s。

采用合建式泵站，考虑3台水泵（其中1台备用），每台水泵的流量为：200/2=100L/s。

②集水池容积

按单机6min的容量考虑：W=100×60×6/1000=36m³，有效水深采用H=2.0m，则

集水池面积为F=18m²。

③水泵扬程估算

经过格栅的水头损失为0.1m（估算）。

集水池最低工作水位与所提升最高水位之间的高差为：

④出水管管线水头损失

总出水管：

Q=200L/s，选用管径为400mm的铸铁管。

查表得：v=1.59m/s，1000i=8.93m。

当一台水泵运转时：Q=100L/s，v=0.8m/s。

总出水管局部损失按沿线损失的30%计，则泵站外管线（出水管线水平长度+竖向长度）水头损失为：

泵站内的管线水头损失假设为1.5m，考虑自由水头为1m，则水泵总扬程：

⑤水泵选型及损失校核

选用6PWA型污水泵，每台Q=100L/s，H=23.5m，泵站经平面布置后，对水泵总扬程进行核算。

a.泵站内吸水管路水头损失计算：

每根吸水管Q=100L/s，选用350mm管径，v=1.04m/s，1000i=4.62m。直管段长度：1.2m；喇叭口（ζ=0.1）、90°弯头（ζ=0.5）、DN350mm闸门（ζ=0.1）、DN350mm×150mm渐缩管（由大到小，ζ=0.25）各一个。

沿程损失为：

局部损失：

吸水管路总水头损失为：

b.泵站内出水管路水头损失计算：

每根出水管Q=100L/s，选用300mm管径，v=1.41m/s，1000i=10.2m，以最不利点A为起点，沿A、B、C、D、E线顺序计算水头损失。

A—B段：

DN150mm×300mm渐扩管1个（ζ=0.375），DN300mm单向阀一个（ζ=1.7），90°弯头一个（ζ=0.050），阀门一个（ζ=0.1）。

局部损失：

B—C段：

选DN400mm管径，v=0.8m/s，1000i=2.37m，直管部分长度0.78m，丁字管1个（ζ=1.5）。

沿程损失：

局部损失：

C—D段：

DN400mm管径，Q=200L/s，v=1.59m/s，1000i=8.93m，直管段长度0.78m丁字管1个（ζ=0.1）。

沿程损失：

局部损失：

D—E段：

直管部分长5.5m，丁字管1个（ζ=0.1），DN400mm，90°弯头2个（ζ=0.6）。

沿程损失：

局部损失：

总出水管路水头总损失：

则水泵所需总扬程：

故选用6PWA型水泵是合适的。

5.1.4.2　污泥泵站的工程设计

（1）污泥泵站的特点及一般规定

①污泥泵站的特点　污泥泵站的特点是提升的介质为黏稠度比污水大的污泥。设计中应根据抽升污泥的性质、输送的水力特性和密度的大小，选择和确定污泥泵及配用功率。

②污泥泵站的一般规定　（a）布置要求。设置污泥泵站时，应使污泥输送的管道尽量缩短。集泥池可与污泥泵房分开。有条件时，集泥池可与污泥泵房同建于一个建筑内。（b）集泥池。集泥池一般不设格栅。在抽升初沉池污泥或消化污泥的泵房中，集泥池容积应根据初次沉淀池或消化池的一次排泥量计算，在抽升活性污泥时，集泥池的容积可按不小于一台回流泵5min的抽送能力计算。回流泵抽送能力，除考虑最大回流量外，还应考虑剩余污泥的排送量。

（2）污泥泵站的设计要点

①集泥池容积计算　抽升活性污泥时：

　　（1-5-20）

式中，Q₀为一台污泥泵的最大抽升能力，L/s；t为抽升时间，min，一般不小于5min。

当抽升初沉池污泥或消化污泥时，集泥池容积按一次排泥量计算。

②选泵　由于抽送的污泥种类很多，在任何情况下，都应保证抽送的泥液能顺畅地流入泵内，并且运行经济可靠。应考虑的主要影响因素是污泥黏度。按黏度不同污泥一般可分为以下四类，可分别选用不同类型的泵。

a.低黏度污泥。在任何浓度已知的情况下，悬浮固体的密度越低，泥浆就越黏。低黏度污泥中悬浮固体的密度都与水相似。不同处理过程的污泥密度，如表1-5-13所示。

对于低黏度的污泥，通常采用离心污水泵（如PW型和PWL型）和潜污泵。

b.高黏度污泥。初沉和初沉加二沉污泥，经重力、浮选或离心浓缩的污泥、消化污泥及经过调制的污泥都属高黏度污泥。表1-5-14为某些高黏度污泥的总固体质量分数。因高黏度污泥不易流入泵内，所以用泵的特点是要求提吸能力高。

c.浮渣和栅渣。初沉污泥泵往往兼作浮渣泵。一般是将全部浮渣都抽送到浓缩池进行浓缩，所用的泵与初沉污泥以及兼抽浮渣的泵相同。

d.泥饼。含25%以上二沉生物污泥的泥饼，具有流变性，在搅动时流动性提高，可用连续式螺旋泵抽送。表1-5-15为可抽送的污泥饼种类的总固体质量分数，其抽送距离需小于30m。

决定污泥泵的数量的因素主要有所用泵的作用，处理厂的规模，检修所需时间等，一般不应少于2台，一用一备。

5.2　污水处理厂总体设计

污水处理厂的设计原则是首先必须确保处理后污水符合水质要求；采用的各项设计参数必须可靠；应力求做到经济合理、技术先进、安全运行；注意近远期结合；考虑环境保护、绿化和美观。

5.2.1　污水处理厂厂址的确定

污水厂位置的选择，应符合城镇总体规划和排水工程专业规划的要求，并应根据下列因素综合确定：（a）在城镇水体的下游；（b）便于处理后出水回用和安全排放；（c）便于污泥集中处理和处置；（d）在城镇夏季主导风向的下风侧；（e）有良好的工程地质条件；（f）少拆迁，少占地，根据环境评价要求，有一定的卫生防护距离；（g）有扩建的可能；（h）厂区地形不应受洪涝灾害影响，防洪标准不应低于城镇防洪标准，有良好的排水条件；（i）有方便的交通、运输和水电条件。

污水厂的厂区面积应按远期规模确定，并作出分期建设的安排。污水厂的占地面积与处理水量和所采用的处理工艺有关。根据《城市污水处理工程项目建设标准》污水厂处理单位水量的建设用地不应超过表1-5-16所列指标。

5.2.2　污水处理厂处理工艺的选择

5.2.2.1　处理工艺选定应考虑的因素

（1）污水处理程度

a.按受纳水体的水质标准确定，即根据地方政府或国家环保部门对受纳水体规定的水质标准进行确定。

b.按城市污水处理厂处理工艺所能达到的处理程度确定，一般以二级处理技术能达到的处理程度作为依据。

c.考虑受纳水体的稀释自净能力，在取得当地环保部门的同意后，在一定程度上降低对水处理程度的要求，但对此应采取审慎态度。

当处理水回用时，无论回用的用途如何，在进行深度处理之前，城市污水必须经过完整的二级处理。

（2）工程造价与运行费用　以处理水应达到的水质标准为前提，以处理系统最低造价和运行费为目标，选择技术可靠、经济合理的处理工艺流程。

（3）污水量和水质变化情况　污水量的大小也是选定工艺需要考虑的因素，水质、水量变化较大的污水，应考虑设置调节池或事故贮水池，或选用承受冲击负荷能力较强的处理工艺，或间歇式处理工艺。

（4）当地的其他条件　当地的地形、气候、地质等自然条件，也对污水处理工艺流程的选定具有一定的影响。寒冷地区应当采用适合于低温季节运行的或在采取适当的技术措施后也能在低温季节运行的处理工艺；地下水位高、地质条件差的地方不宜选用深度大、施工难度高的处理构筑物。

总而言之，污水处理工艺流程的选定是一项比较复杂的系统工程，必须对上述各因素进行综合考虑和经济技术比较，才可能选定技术先进、经济合理、安全可靠的污水处理工艺流程。

5.2.2.2　城市污水处理的基本工艺

城市污水处理工艺的典型流程见图1-5-19。污水三级处理各级主要去除的污染质和主要处理方法见表1-5-17。

5.2.3　污水处理厂设计水量的确定

进入城市污水处理厂的污水，是由居民区的生活污水、公用污水、医院污水和位于城区内的工业企业排放的工业废水以及部分地区的降水组成。

5.2.3.1　生活污水水量的确定

生活污水量的设计标准可依据居民生活污水定额或综合生活污水定额确定。

（1）居民生活污水量定额　生活污水量的大小取决于生活用水量，人们在日常生活中，绝大多数用过的水都成为污水流入污水管道。因此，居民生活污水定额和综合生活污水定额应该根据当地采用的用水量定额，并结合建筑物内部给水排水设施水平和排水系统普及程度等因素确定。可按用水的80%～90%采用。

（2）综合生活污水水量定额　综合生活污水水量，包括居民生活污水和公共建筑设施（如娱乐场所、宾馆、浴室、商业网点、医院、学校、科研院所和机关等地方）生活污水的两部分排水之和。《室外给水设计规范》（GB 50013—2014）规定的居民生活用水定额和综合生活用水定额可参见表1-5-1。

（3）生活污水量的计算　生活污水量通常采用定额计算法来进行计算，即按生活排水量定额和人口计算。对于未来的污水量预测，采用的方法是先预测出未来的人口，再根据已知的人均用水量，按预测的污水排除率得出污水排除定额，然后再计算生活污水量。

5.2.3.2　工业废水量的确定

应按单位产品耗水量或万元产值耗水量计算，也可按工艺流程和设备排水量计算，或者按实测水量计算。

5.2.3.3　污水厂设计水量的确定

（1）平均日流量（m³/d）　这种流量一般用于表示污水处理厂的设计规模。用以计算污水厂年电耗、耗药量、处理总水量、产生并处理的总泥量。

（2）最大日最大时流量（m³/h）或（L/s）　污水厂进水管设计用此流量。污水处理厂的各处理构筑物（除另有规定外）及厂内连接各处理构筑物的管渠，都应满足此流量。当污水为提升进入时，按每期工作水泵的最大组合流量计算。但这种组合流量应尽量与设计流量相吻合。

（3）降雨时的设计流量（m³/d）或（L/s）　这种流量包括旱天流量和截流n倍的初期雨水流量。用这一流量校核初沉池前的处理构筑物和设备。

（4）最大日平均时流量（m³/h）　考虑到最大流量的持续时间较短，当曝气池的设计反应时间在6h以上时，可采用最大日平均时流量作为曝气池的设计流量。

当污水处理厂为分期建设时，设计流量用相应的各期流量。

5.2.4　污水处理厂平面布置及竖向设计

5.2.4.1　污水处理厂平面布置原则

（1）总图布置　总图布置应考虑远近期结合，有条件时，可按远期规划水量布置，分期建设。污水厂应安排充分的绿化地带。

（2）处理单元构筑物的平面布置　处理构筑物是污水厂的主体构筑物，其布置应紧凑。构筑物之间的连接管（渠）要便捷、直通，避免迂回曲折，尽量减少水头损失；处理构筑物之间应保持一定距离，以便敷设连接管渠；土方量做到基本平衡，并尽量避开劣质土壤地段。

（3）管、渠的平面布置　污水厂内管线种类很多，应考虑综合布置，避免发生矛盾。主要生产管线（污水、污泥管线）要便捷直通，尽可能考虑重力自流；辅助管线应便于施工和维护管理，有条件时设置综合管廊或管沟；污水厂应设置超越管道，以便在发生事故时，使污水能超越部分或全部构筑物，进入下一级构筑物或事故溢流。

（4）污泥处理构筑物的布置　污泥处理构筑物应尽可能布置成单独的区域，以保安全，方便管理。

（5）辅助建筑物的布置　污水厂内的辅助建筑物有泵房、鼓风机房、脱水机房、办公室、控制室、化验室、仓库、机修车间、变电所等。

辅助建筑物的布置原则是方便生产、方便生活、确保安全、有利环保。如鼓风机房位于曝气池附近，变电所接近耗电量大的构筑物，办公楼处于夏季主风向的上风一方并距处理构筑物有一定距离等。

（6）厂区道路的布置　污水厂内应合理地修筑道路。厂内道路既要考虑方便运输，又有分隔不同生产区域的功能。

总之，污水厂的总平面布置应以节约用地为原则，根据污水各建筑物、构筑物的功能和工艺要求，结合厂址地形、气象和地质条件等因素，使总平面布置合理、紧凑、经济、节约能源，并应便于施工、维护和管理。

5.2.4.2　污水处理厂竖向设计

污水处理厂的竖向设计也称高程设计，其主要任务是：确定各处理构筑物和泵房的标高，确定处理构筑物之间连接管（渠）的尺寸及其标高，通过高程计算确定各处理单元的各部位的水面标高，从而能够使污水沿处理流程在处理构筑物之间通畅地流动，最终保证污水处理厂的正常运行。一般应遵守如下原则：（a）处理水在常年绝大多数时间里能自流排入水体。（b）各处理构筑物和连接管渠的水头损失要仔细计算。考虑最大时流量、雨天流量和事故时流量的增加。并留有一定余地。（c）考虑规模发展水量增加的预留水头。（d）处理构筑物间避免跌水等浪费水头的现象。（e）在仔细计算并留有余地的前提下，全程水头损失及原污水提升泵站的全扬程都应力求缩小。

5.2.5　污水处理厂水力流程设计原则和方法

5.2.5.1　水力流程设计原则及规定

污水厂各处理构筑物之间，水流一般是依靠重力流动的。在处理流程中，相邻构筑物的相对高差取决于两个构筑物之间的水面高差，这个水面高差的数值就是流程中的水头损失。在进行污水厂的水力流程设计时，所依据的主要技术参数是构筑物高度和水头损失。水头损失主要由三部分组成，即构筑物本身的、连接管（渠）的及计量设备的水头损失等。

初步设计时，可按表1-5-18所列数据估算。污水流经处理构筑物的水头损失，主要产生在进口、出口和需要的跌水处，而流经处理构筑物本身的水头损失则较小。

进行水力流程设计时，除应首先计算这些水头损失外，还应考虑以下安全因素，以便留有余地。（a）考虑远期发展，水量增加的预留水头；（b）避免处理构筑物之间跌水等浪费水头的现象，充分利用地形高差，实现自流；（c）在计算并留有余量的前提下，力求缩小全程水头损失及提升泵站的流程，以降低运行费用；（d）需要排放的处理水，常年大多数时间里能够自流排放水体，注意排放水位一定不选取每年最高水位，因为其出现时间较短，易造成常年水头浪费，而应选取经常出现的高水位作为排放水位；（e）应尽可能使污水处理工程的出水管（渠）高程不受洪水顶托，并能自流。

构筑物连接管（渠）的水头损失，包括沿程与局部水头损失，可按下列公式计算确定：

　　（1-5-21）

式中，h₁为沿程水头损失，m；h₂为局部水头损失，m；i为单位管长的水头损失（水力坡度），根据流量、管径和流速等查阅《给水排水设计手册》获得；L为连接管段长度，m；ξ为局部阻力系数，查阅《给水排水设计手册》获得；g为重力加速度，m/s²；v为连接管中流速，m/s。

连接管中流速一般取0.7～1.5m/s，进入沉淀时流速可以低些；进入曝气池或反应池时，流速可以高些；流速太低时，会使管径过大，相应管件及附属构筑物规格亦增大；流速太高时，则要求管（渠）坡度较大，水头损失增大，会增加填、挖土方量等。在确定连接管（渠）时，可考虑留有水量发展的余地。

污水处理厂中计量槽、薄壁计量堰、流量计的水头损失应通过计量设施有关计算公式、图表或者设备说明书来确定。一般污水厂进、出水管上计量仪表中水头损失可按0.2m计算。

5.2.5.2　水力流程设计计算

进行水力计算时，应选择一条距离最长、损失最大的流程；并按最大设计流量计算。水力计算常以收纳处理后污水水体的最高水位作为起点，逆污水处理流程向上倒推计算，以使处理后的污水在洪水季节也能自流排出。污水厂污水的水头损失主要包括水流经过各处理构筑物的水头损失；水流经过连接前后两构筑物的管渠的水损失，包括沿程损失与局部损失和经过计量设备的损失。

（1）处理构筑物的水头损失计算

①格栅水头损失计算

　　（1-5-22）

　　（1-5-23）

式中，h_f为过栅水头损失，m；h₀为计算水头损失，m；g为重力加速度，9.81m/s²；k为系数，格栅受污物堵塞后，水头损失增大的倍数，一般k=3；ξ为阻力系数，与栅条断面形状有关，ξ=β（s/e）^4/3，其中，当为矩形断面时，β=2.42；v为过栅流速，m/s，最大设计流量时为0.8～1.0m/s，平均设计流量时为0.3m/s。

②集水槽水头损失计算　集水槽系平底，且均匀集水，自由跌落水流，按下列公式计算：

　　（2-1-24）

　　（2-1-25）

式中，Q为集水槽设计流量，为确保安全常对设计流量乘以1.2～1.5的安全系数，m³/s；B为集水槽宽，m；h₀为集水槽起端水深（m），则集水槽水头损失为：

　　（2-1-26）

式中，h_f为集中槽水头损失，m；h₁为堰上水头，m；h₂为自由跌落水头，m；h₀为集水槽起端水深，m，如图1-5-20所示。

③处理构筑物集、配水渠道的水头损失计算　集水、配水渠道以及集配水设备，它们的水头损失主要为局部水头损失。主要包括堰流损失、进口损失及出口损失。

a.堰流损失。

　　（1-5-27）

式中，h_f为堰流局部水头损失，m；H为堰前水头，m；h为跌落水头，m。

b.进口损失。

　　（1-5-28）

式中，h_f为堰流局部水头损失，m；ξ为局部阻力系数，查阅《给水排水设计手册》获得；g为重力加速度，9.81m/s²；v为水流速度，m/s。

c.出口损失。

　　（1-5-29）

式中，符号含义同前。

（2）连接管（渠）的水头损失计算　为简化计算，一般认为水流为均匀流。连接管（渠）水头损失主要有沿程水头损失和局部水头损失。

①沿程水头损失计算

　　（1-5-30）

式中，h_f为沿程水头损失，m；L为管段长，m；R为水力半径，m；v为管内流速，m/s；C为谢才系数。

C值一般按曼宁公式来计算：

　　（1-5-31）

式中，n为管壁粗糙系数，该值根据管渠材料而定，见表2-3-4。

②局部水头损失计算　局部水头损失主要包括不同管径的连接处的水头损失、闸门水头损失以及弯管的水头损失，其计算公式为：

　　（1-5-32）

式中，h_f为局部水头损失，m；ξ为局部阻力系数，可参考《给水排水设计手册》取值；g为重力加速度，9.81m/s²；v为水流速度，m/s。

③连接管渠的设计规定　为防止污水中悬浮物及活性污泥在渠道内沉淀，污水在明渠内必须保持一定的流速。在最大流量时，流速为1.0～1.5m/s；在最小流量时，流速为0.4～0.6m/s。连接管道尽可能短，初沉池、反应池、二沉池等主要处理单元之间的连接管道尽可能设置成双路，以保证安全运行。连接管道采用设计流量的标准，如表1-5-19所示。

（3）计量设备的水头损失计算　计量设备一般安装在沉砂池与初次沉淀池之间的渠道上或者处理厂总出水管渠上。常见的计量设备有电磁流量计、巴式计量槽和淹没式薄壁堰装置。

巴式计量槽在自由流的条件下，计量槽的流量按下列公式计算：

　　（1-5-33）

式中，Q为过堰流量，m³/s；b为喉宽，m；H₁为上游水深，m。

对于巴式计量槽只考虑跌落水头。

5.3　处理工艺与构（建）筑物设计

城市污水的主要组成部分是生活污水，其主要污染物是耗氧性有机污染物、颗粒和胶体性悬浮物以及营养性污染物。主要的污染指标是BOD₅、COD_Cr、SS、氨氮和总磷等。

其他排入城市下水道的污水应满足《污水排入城市下水道水质标准》（CJ 343—2010）的规定，生物处理构筑物的进水中有害物质不得超过规定的允许浓度。

典型的城市污水水质主要参数为：BOD₅=100～400mg/L；COD_Cr=250～800mg/L；SS=150～350mg/L；氨氮=15～40mg/L；总磷（以P计）=4～10mg/L；pH=6～9。

选择污水处理工艺以及设计污水处理构筑物时应根据污水的性质进行。

5.3.1　污水处理工艺流程及污水处理程度的确定

5.3.1.1　污水处理工艺流程

（1）污水设计水质　城市污水的设计水质，在有实际监测数据的情况下，应采用实际监测数据；在无资料的情况下，可根据《室外排水设计规范》（GB 50014—2006）的规定计算。

生活污水的BOD₅、SS、TN和TP的设计人口当量值可取为：

a.设计人口数

　　（1-5-34）

式中，N为设计人口数，人；N₁为居住区人口数，人；N₂为工业废水折合人口当量数，人；N₃为公共建筑集中流量折合人口当数量，人。

b. N₂的计算

　　（1-5-35）

式中，C_i为某工厂工业废水中的BOD₅（SS、TN或TP）的质量浓度，g/m³；Q_i为某工厂工业废水平均日流量，m³/d；a_sb为BOD₅或SS、TN、TP等污染物每人每日排放量，g/（人·d）。

c. N₃的计算

　　（1-5-36）

式中，Q为集中流量，m³/d；P为每人每日污水量排放标准，m³/（人·d）。

d.设计质量浓度的确定

　　（1-5-37）

式中，C_s为污染物设计质量浓度，mg/L或g/m³；Q_平均为平均日污水流量，m³/d。

《室外排水设计规范》（GB 50014—2006）中尚未规定污染物定量的应参照同类污水厂确定水质。城市污水混合水质应按各种污水的水质、水量加权平均计算。

由于工业废水中污染物的成分复杂多样，若直接排入城市污水系统，会对城市下水及污水处理厂运行维护管理带来困难和造成损失。为了合理地发挥城市污水处理厂设施的功效，有效控制工业废水的污染，工业废水排入城市下水道时应遵循《污水排入城市下水道水质标准》。

（2）城市污水处理工艺流程　污水处理工艺流程是指对各单元处理技术（构筑物）的优化组合。典型流程由一级处理和二级处理系统组成。一级处理是由格栅、沉砂池和初次沉淀池组成。其主要作用是去除污水中的固体污染物（以SS表示），污水的BOD₅值通过一级处理一般可去除20%～30%。二级处理系统是城市污水处理工艺的核心部分，一般采用生物处理法，主要作用是去除污水中呈胶体和溶解状态的有机污染物（以BOD₅或COD_Cr表示）。通过二级处理，污水的BOD₅值可降至20～30mg/L，一般可达到排放水体和灌溉农田的要求。

作为污水二级处理系统的处理工艺种类很多，一般情况下各类生物处理技术，只要运行正常，都能取得良好的处理效果。

污泥是污水处理过程的必然产物，必须加以妥善处置，否则会造成二次污染。城市污水系统的污泥多采用厌氧消化、脱水、干化等技术处理。

（3）城市污水深度处理　城市污水深度处理的目的，是为了污水再生回用。城市污水深度处理典型流程如下：

①格栅→沉砂池→初沉池→生物处理工艺→二沉池→混凝沉淀→滤池→杀菌→储水池；

②格栅→沉砂池→初沉池→生物处理工艺→二沉池→生物膜法处理设备→沉淀池→滤池→杀菌→储水池。

5.3.1.2　污水处理程度确定

（1）污水处理程度的确定方法　确定污水处理程度主要有三种方法：（a）根据受纳水体的稀释自净能力确定；（b）根据城市污水厂能达到的处理程度来确定；（c）根据国家规定和地方的要求确定。

（2）城市污水处理程度计算　城市污水处理程度可按下式计算：

　　（1-5-38）

式中，η为污水需要处理程度，%；C₀为污水中某种物质的原始平均质量浓度，mg/L；C_i为允许排入水体的处理水中该物质的平均质量浓度，mg/L。

5.3.2　污水一级处理工艺流程及构筑物设计

5.3.2.1　格栅

（1）格栅的作用及设置　格栅的主要作用是将污水中的大块污物拦截，以免其对后续处理单元的水泵或工艺管线造成损害。

格栅按形状，可分为平面格栅、曲面格栅和阶梯式格栅。以栅条的净间距又分为粗格栅，栅距>40mm；中格栅，栅距15～25mm；细格栅，栅距4～10mm。

清渣方式有人工清渣和机械清渣。

格栅常规的设置方法是按一粗一中，设两道格栅，也有设一粗一中一细，三道格栅。

（2）设计运行工艺参数

①栅前流速　污水在栅前渠道内的流速一般控制在0.4～0.9m/s，可保证污水中粒径较大的颗粒不会在栅前渠道内沉淀。

②过栅流速　污水通过格栅的流速一般控制在0.6～1.0m/s，过大则会使拦截在格栅上的软性栅渣冲走，若小于0.6m/s会造成栅前渠道内的流速小于0.4m/s，使栅前渠道发生淤积。

③过栅水头损失　污水的过栅水头损失与过栅流速有关，一般在0.2～0.5m。

④栅渣量　栅渣量以每单位水量的产渣量计算，产渣量取0.1～0.01（m³/10³m³污水），粗格栅用小值，细格栅用大值。也可根据实际情况调整该数值。当每日栅渣量大于0.2m³时，应采用机械清渣格栅。

⑤格栅间工作台　台面应高出栅前最高设计水位0.5m，格栅工作台两侧过道宽度不小于0.7m，正面过道宽度1.2～1.5m。

（3）格栅的设计计算　格栅的设计包括尺寸计算、水力计算、栅渣量计算及清渣机械的选用等。格栅计算尺寸图见图1-5-21。计算公式如下。

①栅槽宽度B

　　（1-5-39）

式中，S为栅条宽度，m；b为栅条间隙，m；n为格栅的间隙数，个；Q_max为最大设计流量，m³/s；α为格栅倾角，一般为60°～70°；h为栅前水深，m；v为过栅流速，m/s。

②通过格栅的水头损失h₁

　　（1-5-40）

式中，h₀为计算水头损失，m；g为重力加速度，m/s²；k为系数，格栅受污物堵塞时水头损失增倍数，一般采用k=3；ξ为栅条阻力系数；β为栅条形状系数，一般圆形截面栅条为 1.79，矩形截面栅条为2.42。

③栅后槽总高度H

　　（1-5-41）

式中，h₂为栅前渠道超高，m，一般取0.3m。

④栅槽总长度L

　　（1-5-42）

式中，l₁为进水渠道渐宽部分的长度，m；l₂为栅槽与出水渠道连接处的渐窄部分长度，m；H₁为栅前槽高，m；B₁为进水渠宽，m；α₁为进水渠展开角，一般可采用20°。

⑤每日栅渣量

　　（1-5-43）

式中，W₁为栅渣量，m³/10³m³（污水）；K_总为生活污水流量总变化系数。

5.3.2.2　沉砂池

（1）沉砂池的作用及设置　沉砂池的作用是从污水中分离密度较大的无机颗粒。它一般设置于污水处理厂前端，保护水泵和管道免受磨损，缩小污泥处理构筑物容积，提高污泥有机组分的含率，提高污泥作为肥料的价值。

沉砂池按流态分为平流式沉砂池、曝气式沉砂池和旋流式沉砂池等。

（2）沉砂池的设计参数

①平流式沉砂池　最大流速为0.3m/s，最小流速为0.15m/s；最大停留时间不小于30s，一般采用30～60s；有效水深应不大于1.2m，每格宽度不宜小于0.6m。

设计内容包括长度、水流断面面积、池总宽度、沉砂室所需容积、池总高度以及验算最小流速等。

②曝气沉砂池　旋流速度应保持0.25～0.3m/s；水平流速为0.06～0.12m/s；最大流量时停留时间为1～3min；有效水深为2～3m，宽深比一般采用1～2，长宽比可达5；每立方米污水的曝气量为0.1～0.2m³空气；进水方向应与池中的旋流方向一致，出水方向应与进水方向垂直，并宜考虑设置挡板。

设计内容包括总有效容积、水流断面积、池总宽度、池长和每小时所需空气量等。

③旋流式沉砂池　水力表面负荷为150～200m³/（m²·h），水力停留时间为20～30s；进水渠道直段长度应为渠道宽的7倍，并不小于4.5m，以创造平稳的进水条件；进水渠道流速，在最大流量的40%～80%的情况下为0.6～0.9m/s，在最小流量时大于0.15m/s，但最大流量时不大于1.2m/s。

5.3.2.3　沉淀池

（1）沉淀池的作用及设置　沉淀池主要去除污水中可沉降的悬浮固体，一般设于污水生物处理构筑物前后。前者为初次沉淀池，其作用是对污水中以无机物为主的密度大的固体悬浮物进行沉淀分离，后者为二次沉淀池，作用是对污水中以微生物为主体的生物固体悬浮物进行沉淀分离。

（2）沉淀池的设计内容

①平流式沉淀池　设计内容包括池子总表面积，沉淀部分的有效水深与有效容积，确定池长、池的总宽度及池子个数，计算污泥部分所需的容积，计算池子的总高度、污泥斗容积以及污泥斗以上梯形污泥容积。

②竖流式沉淀池　设计计算内容包括确定中心管的面积及直径，确定中心管喇叭口与反射板之间的缝隙高度，计算沉淀部分的有效断面积，确定沉淀池的直径，计算沉淀池部分有效水深、所需总容积及圆截锥部分的容积，计算沉淀池的总高度。

③辐流式沉淀池　设计计算内容包括沉淀池表面积确定，计算有效水深和有效容积，计算污泥斗容积，确定沉淀池总高度等。

④斜板沉淀池　设计计算内容包括确定池子水面面积及平面尺寸，计算池内停留时间，确定污泥部分所需的容积，计算沉淀池的总高度等。

5.3.3　污水二级处理工艺及构筑物设计

5.3.3.1　生物处理构筑物的设计

污水经过一级处理后，进行二级处理，其主要目的是去除污水中呈胶体和溶解状态的有机污染物，使污水得到进一步净化，从而达到排放要求。

污水生物处理属于二级处理，其工艺构成多种多样，通常可作为污水二级处理的主体工艺的单元技术有普通活性污泥法处理单元、氧化沟工艺处理单元、间歇式活性污泥法（SBR）工艺处理单元、AB法工艺处理单元、生物脱氮除磷工艺处理单元和生物滤池处理单元等。

有关污水二级处理工艺及构筑物的设计要点、设计参数和基本计算参见本篇第2章2.1.10、2.2.4和《给排水设计手册》的相关内容。

5.3.3.2　二沉池的设计

二沉池设计的主要内容有池型选择、沉淀池面积、有效水深和污泥区容积计算。本章3.3.2中有关沉淀池的叙述，一般也都适用于二沉池。

（1）二沉池表面积设计　设计要点：（a）表面负荷和固体表面负荷，前者考虑出水水质，后者能保证污泥的浓缩；（b）实际中，沉淀池的设计计算一般都采用经验值，详见表1-1-2；（c）城市污水处理工艺中多采用辐流式二沉池。在计算其面积时，设计流量不包括回流污泥量，但校核固体负荷和计算污泥区高度时应包含回流污泥量。

（2）二沉池的高度、排泥管和出水堰最大负荷的计算或取值　见《室外排水设计规范》（GB 50014—2006）中第6.5.1～6.5.16条的有关内容。

5.3.4　城市污水深度处理技术及设计要点

污水深度处理是对传统的二级处理出水，根据受纳水体使用功能的需要和再生回用水水质要求所进行的进一步处理。根据不同对象和要求，深度处理的主要内容是：（a）去除处理水中的悬浮物、脱色、除臭，使水进一步澄清；（b）降低BOD₅、COD等指标，使处理水水质进一步稳定；（c）脱氮、除磷，消除导致水体富营养化的因素；（d）去除水中有毒有害物质等。

经过深度处理的污水能够达到以下用水水质要求：（a）排入具有较高经济价值水体及缓流水体在内的任何水体，补充地面水源；（b）回用于农田灌溉；（c）城市杂用水，如冲厕、道路清扫、消防、城市绿化、车辆冲洗、建筑施工和补充景观用水；（d）作为冷却水和工艺用水的补充水，回用于工业企业。

5.3.5　污泥处理工艺及主要设计内容

在城市二级污水处理厂中，污水处理工艺的作用仅仅是通过生物降解转化作用和固液分离，在使污水得到净化的同时将污染物富集到污泥中，包括一级处理产生的初沉污泥、二级处理产生的剩余活性污泥。初沉污泥中固体成分有两部分，即有机固体和无机固体，其含水率一般在95%～96%。剩余活性污泥中的固体主要为有机生物体，其含水率一般在99.2%～99.6%。

由于这些污泥含水率高，体积大，不便运输；同时，污泥中还含有大量极易腐败发臭的有机物，以及有毒有害物质，如病原微生物、寄生虫卵、重金属离子等。因此，污泥必须经过一定的减容、减量和稳定化无害化处理，并妥善处置。污泥处理工艺类型及工艺流程如下。

（1）污泥处理工艺的类型　根据污泥的不同处理目的有以下3种处理方法。

①污泥浓缩　污泥减量，通常采用的方法为浓缩，当污泥含水率从97.5%降低至95%时，其体积可减少一半。

②污泥消化　污泥稳定采用的工艺为消化工艺，其又分为好氧消化和厌氧消化。从节能和资源在利用两方面考虑，通常采用厌氧消化。在厌氧条件下，污泥中的有机物被兼性菌和专性厌氧菌降解，生成CH₄、CO₂、H₂O，使污泥得到稳定。

污泥厌氧消化工艺有中温消化、高温消化、一级消化、二级消化、二相消化等。

③污泥机械脱水　污泥经浓缩后含水率仍在92%以上，应进行机械脱水，使含水率降低至60%～80%，以便于运输和进一步处置。

常见的污泥脱水机械有自动板框压滤机、辊压带式压滤机、离心脱水机等。

（2）污泥处理的工艺流程　根据对污泥处理的要求不同，其处理工艺通常有以下几种选择：（a）生污泥→浓缩→自然干化→堆肥→农田；（b）生污泥→浓缩→机械脱水→最终处置；（c）生污泥→浓缩→消化→机械脱水→最终处置；（d）生污泥→浓缩→消化→机械脱水→干燥焚烧→最终处置。

5.3.6　污泥处理工艺与构筑物设计

一般城市污水处理厂的污泥总量应是初沉池污泥量与二沉池剩余活性污泥量之和。

（1）初沉池污泥量与二沉池污泥量的计算　初沉池污泥量V₁（m³/d）与二沉池污泥量V₂（m³/d）的计算，参见本篇相关章节。

（2）总污泥量的确定　初沉池污泥（V₁）与二沉池污泥（V₂）混合进入浓缩池时，泥量为：

　　（1-5-44）

当二沉池污泥浓缩后的泥（V₃）再与初沉池污泥混合进入污泥消化系统时，泥量为：

　　（1-5-45）