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3.3 农村生活污水收集系统

3.3.1 农村排水体制的选择

(1)排水体制的选择应结合当地经济发展条件、自然地理条件、居民生活习惯、原有排水设施以及污水处理和利用等因素进行综合考虑确定。

(2)我国农村生活污水工作启动较早,投入较大,但在前期的建设过程中发现存在重收集系统轻处理设施和重建设轻管理的现象。许多工程建设完善、移交村集体进行管理之后,大部分未能有效运营。建而不管的现象普遍存在。因此,在农村生活污水工作开展过程中,要有效解决上述存在的问题,收集系统与处理设施并重,管网建设与处理设施建设需同步进行,避免处理设施闲置或进水浓度太低,浪费投资和资源。

(3)农村粪便污水应优先考虑用作农肥,不得直接排放,必须经沼气池或化粪池处理;经沼气池或化粪池处理后的熟污泥可用作农肥。

(4)新建村庄宜采用分流制,污水经污水管道进入污水处理设施进行处理,雨水通过沟渠或地表径流排放。

(5)经济条件好的、有工业基础的村庄可采用有雨污排水系统的完全分流制。

(6)经济条件一般且已经采用合流制的村庄,近期宜采用截流式合流制,在进入处理设施前的主干管上设置截流井或其他的截流措施,晴天的污水和下雨初期的雨水混合输送到污水处理设施,经处理后排放;混合污水超过截流管的输送能力后,截流井截流部分雨污混合污水溢流排入水体。远期有条件的村庄应逐步改造为分流制。

(7)同一乡、镇、村可采用不同的排水体制。

(8)农村经营活动污水(农家乐)等所排放的废水中污染物与生活污水差别较大,在排入管道前,应进行必要的处理,达到《污水排入城镇下水道水质标准》(GB/T 31962—2015)后才能排入,并确保污水处理设施的处理效果。

3.3.2 雨水和污水收集系统

排水宜采用雨污分流,统一排放。条件不具备时,可采用雨污合流,但应逐步实现分流。雨污分流时的雨水就近排入村庄水系,雨污分流时的污水、雨污合流时的合流污水应输送至污水处理站进行处理,或排入村庄水系的低质水体。

(1)雨水收集与排放

雨水应有序排放,雨水沟渠可与道路边沟结合。污水应有序暗流排放,可采用排水管道或暗渠。雨水和污水管渠均按重力流计算。排水沟渠沿道路敷设,应尽量避免穿越广场、公共绿地等,避免与排洪沟、铁路等障碍物交叉。

雨水收集系统整治应符合下列规定:雨水排放可根据当地条件,采用明沟或暗渠收集方式;雨水沟渠应充分利用地形,及时就近排入池塘、河流或湖泊等水体,并应定时清理维护,防止被生活垃圾、淤泥淤积堵塞;雨水排水沟渠的纵坡不应小于 0.3%,雨水沟渠的宽度及深度应根据各地降雨量确定,沟渠底部宽度不宜小于 150 mm,深度不宜小于 120 mm;雨水排水沟渠砌筑可选用混凝土或砖石、条石等地方材料;南方多雨地区房屋四周应设置排水沟渠;北方地区房屋外墙外地坪应设置散水,宽度不应小于 0.5 m,外墙勒脚高度不应低于 0.45 m,一般采用石材、水泥等材料砌筑;特殊干旱地区房屋四周可用黏土夯实排水;有条件的村庄,宜采用管道收集生活污水,应根据人口数量和人均用水量计算污水总量,并估算管径,管径不应小于 150 mm。

设计暴雨强度,应采用当地或邻近气象条件相似地区的暴雨强度公式计算。雨水管渠的设计重现期,应根据汇水地区性质、地形特点和气候特征等因素确定,可选用 1~3 年。短期积水即可能引起严重后果的地区,可选用 3~5 年。合流管渠的设计重现期可适当高于同一情况下分流制雨水管渠的设计重现期。

采用推理公式法时,雨水管渠的雨水设计流量应按式(3.1)计算:

式中: Q s ——雨水设计流量(L/s);

q ——设计暴雨强度[L/(s·hm 2 )];

Ψ ——综合径流系数;

F ——汇水面积(hm 2 )。

设计暴雨强度,应按式(3.2)计算:

式中: q ——设计暴雨强度[L/(s·hm 2 )];

P ——设计重现期(年);

t ——降雨历时(min);

A 1 C b n ——参数,根据统计方法进行计算确定。

具有 20 年以上自动雨量记录的地区,排水系统设计暴雨强度公式应采用年最大值法。

雨水管渠的降雨历时,应按式(3.3)计算:

式中: t ——降雨历时(min);

t 1 ——地面集水时间(min),应根据汇水距离、地形坡度和地面种类通过计算确定,宜采用 5~15 min;

t 2 ——管渠内雨水流行时间(min)。

村镇区旱流污水设计流量,应按式(3.4)计算:

式中: Q dr ——旱季设计流量(L/s);

Q d ——设计综合生活污水量(L/s);

Q m ——设计工业废水量(L/s);

Q u ——入渗地下水量(L/s),在地下水位较高地区,应考虑。

(2)农村生活污水收集模式的选择

农村生活污水收集模式应根据农村地理环境、自然条件、经济水平、环境目标要求等实际情况出发,以单户、自然村、行政村、镇为单位进行污水收集,并以不同的技术方法进行处理。农村生活污水收集基本模式如表 3.6 所示。

表3.6 农村生活污水收集基本模式

考虑到村镇区污水处理系统规模较小,镇区城镇化程度一般不如城市,因此,污水干管和污水厂可不考虑预留受污染雨水的处理能力,与现行国家标准《室外排水设计标准》(GB 50014—2021)的规定有所区别。

(3)农村生活污水收集管渠

①污水收集分区和范围。农村生活污水收集应以自然村为单位进行逐一规划,根据农村的自然地势、污水重力流动为原则划分分区范围,应避免或减少设置中途提升泵。

②合理确定截流倍数。农村生活污水截流倍数一般按≤1 考虑。

③污水收集管渠的布置。对于长期形成的自然村庄,依地形地貌进行管渠的布置,尽量利用村庄的边沟、自然沟渠以及管道相结合的方式进行敷设。对新规划建设新农村居住区,应结合基础设施建设进行排水管网规划。污水收集管渠型式如图 3.1 所示。

图3.1 污水收集管渠型式

污水管道管径一般不宜小于 200 mm,最小设计坡度 0.4%,卫生间冲厕排水管径不宜小于 100 mm,坡度宜取 0.7%~ 1.0%;生活洗涤水排放管管径不宜小于 50 mm,坡度不宜小于 2.5%;管道在车行道下埋深不宜小于0.7 m。长距离输送污水管道和暗渠应设检查井,检查井设置间距为 30~50 m。明渠和盖板渠的底宽,不宜小于 0.15 m。用砖或混凝土块铺砌的明渠可采用 1∶0.75~1∶1 的边坡。

镇区合流管渠的截流倍数 n 0 应根据合流污水的水质、设计水量、排放水体的卫生要求、水文、气候、排水区域大小和经济条件等因素经计算确定,一般可选用 1~2。由于镇区的取水口可能就在镇域范围内,同样排水口也不可能设置得很远。当采用合流制排水时,暴雨初期排出的合流污水会在短期内污染水环境,引起较严重的后果,因此,特别重要地区如饮用水源保护区截流倍数宜大于 3。

污水管道宜依据地形坡度铺设,距离建筑物外墙应大于 2.5 m,距离树木中心应大于 1.5 m,管材可选用混凝土管、陶土管、塑料管等多种地方材料。污水管道应设置检查井。管道布置应遵循接管短、弯头少、排水通畅、便于维护、外观整洁的原则。管道设计可按现行标准《建筑给水排水设计标准》(GB 50015—2019)的有关规定执行。

室内排水器具应设置室内存水弯,水封高度不应小于 50 mm。庭院内洗涤池的下水预留管应与地下污水收集管采用密闭方式连接,并高于地面20 cm以上,防止周边雨水汇入。

农户接户井前的室外管道在交汇、转弯、跌落、管径改变及直线管段大于 20 m时,应设置检查井或检查口。接户井宜选用预制化成品,应便于清掏,并设有醒目标识。

农村居民住宅厕所污水和生活杂排水应分开收集。厕所污水和农户散养畜禽污水应先经化粪池处理,厨房排水宜设置隔油池。化粪池宜采用成品化粪池,可设置多个开口以便于日常清掏,并设置防虫和通风装置。化粪池容积应包括污泥贮存容积,污水在化粪池中停留时间不宜小于 12 h。

(4)农村生活污水收集管材的选择

目前,常见的污水输送管材有钢筋混凝土管、UPVC双壁波纹管、玻璃钢管、HDPE管四种。各种常规管材的技术性能与综合造价比较如表 3.7 所示。

经济状况好、城乡集镇区、管网集中、环境目标要求高、排水量大的情形,可采用UPVC双壁波纹管、HDPE管相结合。

经济状况较好、城乡集镇区、管网较集中、环境目标要求较高、排水量较大的情形,可采用钢筋混凝土管、玻璃钢管、UPVC双壁波纹管。

经济状况较差、管网分散、排水量不大的村镇,可采用钢筋混凝土管。

表3.7 常规管材的技术性能与综合造价比较

3.3.3 污水输送系统

(1)管道

管渠一般使用年限较长,改建困难,如仅根据当前需要设计,不考虑规划,在发展过程中会造成被动和浪费;但是管渠系统的基建投资和维护费用都很高,同时镇区预测的不确定性比城镇大,因而设计期限不宜过长。综合考虑,雨水管渠断面尺寸应按远期规划规定流量设计,污水管道断面应按规划期内的最高日最高时规定流量设计,按现状水量复核,并考虑镇区远景发展的需要

雨水管渠和合流管道应按满流计算,污水管道应按非满流计算,其最大设计充满度应按表 3.8 的规定取值。

表3.8 管道的最大设计充满度

管道的最小直径和最小设计坡度宜按表 3.9 的规定取值。

表3.9 管道的最小直径和最小设计坡度

注:管道坡度不能满足上述要求时,可酌情减小,但应采取防淤、清淤措施。

由于人口规模和经济原因,且镇区内部对排水管渠的疏通养护水平不及城镇地区,污水收集范围较小,可以适当增加管渠坡度,以减少污泥淤积。

由于村镇区经济能力有限,排水管渠宜采取浅埋形式。但在确定管道覆土厚度时,必须考虑以下因素:管材的质量;外部荷载情况;筑路时的临时荷载;此外,冰冻地区还须考虑冰冻深度的影响。如管道覆土厚度不能满足以上规定,应对管道采取加固措施,确保管道安全。当采用管道排水时,宜采用基础简单、接口方便、施工快捷的管道。管道宜埋设在非机动车道下。管道的最小覆土深度应根据外部荷载、管材强度和土壤冰冻情况等条件确定。在机动车道下不宜小于 0.7 m,在非机动车道、田埂或绿化带下的管道覆土深度可酌情减小,但不宜小于 0.4 m。位于机动车道下的塑料管,其环刚度不宜小于 8 kN/m 2 ;位于非机动车道下、田埂或绿化带下的塑料管,其环刚度不宜小于 4 kN/m 2 。采用重力流时,应尽量依靠地形坡度收集污水,节约污水收集运行费用,污水管道及其坡度宜根据排水量及流速确定。污水收集管道最大设计充满度为 0.5,干管最小管径为DN200。敷设重力流污水收集管道有困难的地区,可采用正压(负压)收集系统,也可采用组合方式。

纳入城镇污水管网处理时,应测定接入点处城镇污水管网最高水位,通过沿线水头分析,对难以接入或有倒灌风险的地区,在距离接入点最近的中途输送泵末端应设置高位井,下游农户污水应在该泵站前接入。管道的其他设计要求可按现行国家和地方标准的有关规定执行。

(2)检查井

在室外管道交汇、转弯、跌落、管径改变、坡度改变及直线管段上,每隔一定距离处应设置检查井,管道和检查井应采用柔性连接方式。为防止渗漏、提高工程质量、加快建设进度,检查井宜采用成品检查井,材质包括钢筋混凝土材质和非钢筋混凝土材质,应和管道材质保持一致。成品检查井的布置应尽量避免现场切割成品管道,因为管道切割后接口施工很难保证严密,容易造成地下水渗入。根据《国务院办公厅关于进一步推进墙体材料革新和推广节能建筑的通知》(国发办〔2005〕33 号)的要求,为保护耕地资源,到 2010 年底所有城市禁止使用实心黏土砖。因此,砖砌检查井不得使用实心黏土砖。为了防止污水渗漏污染地下水和地下水位高的地区地下水入渗,污水和合流污水检查井应进行严密性试验。

因镇区排水管道的养护水平较低,为了减小养护难度,检查井的间距不宜太大。直线管段检査井的最大间距宜按表 3.10 的规定取值。当采用先进的疏通方法或具备先进的疏通工具时,最大间距可适当加大。

根据现行国家标准《给水排水管道工程施工及验收规范》(GB 50268—2008)的有关规定,压力和无压管道都要在安装完成后进行管道功能性试验,包括水压和严密性试验(闭水、闭气试验)。污水、合流污水管道和湿陷土、膨胀土、流砂地区的雨水管道以及附属构筑物应保证其严密性,并进行严密性试验。

表3.10 直线管段检查井的最大间距

沉泥槽有截留进入雨水管道的粗重物体的作用。村镇区的道路路面等级较低,泥砂、小颗粒碎石等容易随水流入雨水口。部分镇区居民可能还从事着农业生产,有时会占用部分市政道路从事农业生产,如晾晒农作物等。为了避免泥砂、小颗粒碎石、散落的农作物、飘落的树叶等杂物流入管道后沉积,阻塞雨水排水管道,规定雨水管道的检查井宜设置沉泥槽。

合流制排水系统截流井的溢流水位,应在设计洪水位或受纳管道设计水位以上,当不能满足要求时,应设置闸门等防倒灌设施。沿河道设置的截流井应设置防止河水倒灌装置。

截流井内宜设流量控制设施。在我国大部分地区,当合流制排水系统雨水为自排时,采用的截流方式大多为重力截流,即截流的污水通过重力排入截流管和下游污水系统,这种方式较为经济,但是不宜控制各个截流井的截流量,在雨量较大或下游污水系统负荷不足时,系统下游的截流量往往会超过上游,从而造成上游的混合污水大量排放,且污水系统的进水浓度被大幅降低。随着我国水环境治理力度的加大,对截流设施定量控制的要求越来越高,有条件的地区采用泵截流的方式;有的地区采用浮球控制调流阀来控制截流量,从而保障系统中每个截流井的截流效能得到充分发挥,避免了大量外来水通过截流井进入污水系统。

排水管渠与其他地下管线(或构筑物)水平和垂直的最小净距宜符合现行国家标准《城市工程管线综合规划规范》(GB 50289—2016)、《室外排水设计标准》(GB 50014—2021)等的有关规定。

(3)泵站

污水泵站的设计流量,应按泵站进水总管的最高日最高时流量计算确定。雨水泵站的设计流量,应按泵站进水总管的设计流量确定。合流污水泵站的设计流量,应按下列公式计算:

泵站后设污水截流装置时,应按本章 3.3.2 节公式(3.4)计算。

泵站前设污水截流装置时,雨水部分和污水部分应分别按下列公式计算:

①雨水部分

②污水部分

式中: Q p ——泵站设计流量(m 3 /s);

Q s ——雨水设计流量(m 3 /s);

n 0 ——截流倍数;

Q d ——设计综合生活污水量(m 3 /s);

Q m ——设计工业废水量(m 3 /s)。

污水泵和合流污水泵的设计扬程,应根据设计流量时的集水池水位与出水管渠水位差、水泵管路系统的水头损失以及安全水头确定。雨水泵的设计扬程,应根据设计流量时的集水池水位与受纳水体平均水位差和水泵管路系统的水头损失确定。

供电负荷等级应根据对供电可靠性的要求和中断供电在环境、经济上所造成损失或影响程度来划分。若突然中断供电,造成较大环境、经济损失,给居民生活带来较大影响者,应采用二级负荷等级设计。对于镇排水泵站,可采用三级负荷等级设计,对于重要地区的泵站,宜按二级负荷等级设计。

污水、合流污水泵站的格栅井和污水敞开部分有臭气逸出,会影响周围环境。因此,对位于居民区和重要地区的泵站,宜设置臭气收集和处理装置。目前,我国应用的臭气处理装置有生物除臭、活性炭除臭和化学除臭等。

潜水泵站占地面积小、操作管理方便、运行成本低,因此,排水泵站宜采用潜水泵。当采用干式泵站,且地下式水泵间有顶板结构时,其自然通风条件较差,宜设置机械送排风系统,排除可能产生的有害气体和泵房内的余热、余湿,以保障操作人员的生命安全和健康。通风换气次数一般为 5~10 次/小时,通风换气体积以地面为界。这在现行国家标准《室外排水设计标准》(GB 50014—2021)中也有规定,但在检修时,应设临时送排风设施,通风次数不应小于 5 次/小时。

对远离居民点并有人值守的泵站,宜设置值班室(在泵房内单独隔开一间,供值班人员工作、休息等用)和工作人员的生活设施。

排水泵站应设置清洗设施,以便平时清洗集水池和吊出时的潜水泵。在规模较小、用地紧张、不允许存在地面建筑的情况下,可采用一体化预制泵站。一体化预制泵站在欧洲有超过 60 年的使用历史,目前一体化预制泵站的应用已遍布全球。一体化预制泵站可采用全地下式安装,它有设备集成度高、施工周期短等特点,近年来在我国市政给水排水和内涝防治中广泛使用。例如,江西省海绵城市试点城市萍乡市西门内涝 1 号一体化轴流预制泵站项目设计规模为 4.6 m 3 /s,采用 2 个单筒并联,每个筒的规模分别为 2.3 m 3 /s。

(4)集水池和潜水泵站

集水池前宜通过沉砂池沉积泥砂,并通过格栅拦截大块的悬浮和漂浮的污物,以保护水泵叶轮和管配件,避免堵塞和磨损,保证水泵正常运行。

集水池宜和格栅井合建,其优点为布置紧凑,占地少,起吊设备可共用。合建的集水池宜采用半封闭式,闸门和格栅处敞开,其余部分加盖板封闭,以减少污染。

集水池宜由集水坑和配水区等组成。潜水泵站的水泵电机机组在集水池内,成为水下的泵室。水泵吸水口的底部有集水坑,集水池的进水侧有配水区或前池。

集水池的设计水位和有效容积应符合下列规定:①集水池的最高设计水位应根据泵站的性质分别计算,雨水泵站按进水管满流计算,与进水管管顶相平;污水泵站按进水管充满度计算,与进水管的水面相平。②集水池的最高设计水位和最低设计水位之间的容积为集水池有效容积。如有效容积过小,则水泵开启频繁;如有效容积过大,则工程造价增加。集水池有效容积不应小于单台潜水泵 5 min的出水量。应根据当前电机启闭次数要求,对水泵开停的进行限制,污水泵站应控制单台泵开停次数不宜大于6 次/小时。一体化泵站可以根据设备性能确定。③潜水泵站的最低设计水位应满足潜水泵的最小淹没深度要求,否则会吸入空气,引起汽蚀或过热等问题,影响泵站正常运行。

由于潜水泵调换方便,备用泵可以就位安装,也可以库存备用。根据现行国家标准《室外排水设计标准》(GB 50014—2021)的规定,当工作泵台数不大于 4 台时,备用泵应为 1 台;在此情况下宜库存备用,以减少土建规模,节省投资。

潜水泵房的集水池可不设通风装置,但检修时应设临时送排风设施,排除可能产生的有害气体以及泵房内的余热、余湿,以保障操作人员的生命安全和健康,换气次数不宜小于 5 次/小时。

机组外缘和集水池壁的净距应根据设备技术参数确定,并应大于 0.2 m,两机组外缘之间的净距应大于 0.2 m,以满足安全防护和操作、检修的需要,并确保配件在检修时能够拆卸。

此外,为利于清池时排空,集水池坡向集水坑的坡度不宜小于 0.1。为了保障潜水泵安装和检修,集水池上宜采用盖板,盖板上宜设吊装孔、人孔和通风孔。 uL6CYV3tdPCDHCo+w9NrYRE0oUW4feJcZHzKocACmf0AQ6chU4MlWsiFTRe7NmZP

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