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排水工程概论124第十章 排水工程概论 第一节 概述 一、排水工程及其任务 在人们生产和生活中产生的大量污水，如从城镇住宅、工厂和各种公共建筑中不断排出的各种各样的污水和废弃物，需要及时妥善地排除、处理或利用。对这些污水如不加控制，任意直接排人水体或土壤，使水体和土接受到污染，将破坏原有的生态环境，而引起各种环境问题。为保护环境，现代城镇需要建设一整套工程设施来收集、输送、处理和处量污水，这种工程设施称为排水工程。 排水工程的基本任务是保护环境免受污染，以促进工农业生产的发展和保障人民的健康与正常生活。 1 主要内容 收集各种污水并及时输送至适当地点； 将污水妥善处理后排放或再利用。 2 作用： 首先，排水工程的合理建设有助于保护和改善环境，消除污水的危害，对保障人民的健康起着重要的作用。随着现代工业的发展和城市规模的扩大，污水量日益增加，污水成分也日趋复杂，城镇建设必须随时注意经济发展过程中造成的环境污染问题，并协调解决好污水的污染控制、处理及利用问题，以确保环境不受污染。 其次，排水工程作为国民经济的一个组成都分也具有重要意义。水是非常宝贵的自然资源，它在人民日常生活和工农业生产中都是不可缺少的。虽然地球表而的70以上被水覆盖，但其中便于取用的淡水量仅为地球总水量的02左右。许多河川的水都不同程度地被其上下游的城市重复使用着。如果水体受到污染，势必降低淡水水源的使用价值。排水工程正是保护水体免受污染，以充分发挥其经济效益的基本手段之一。同时，城市污水资源化后，可重复用于城市和工业，这是节约用水和解决淡水资源短缺的一种重要途径。 第三，污水的妥善处置和雨雪水的及时排除与合理利用，是保证工农业生产正常运行的必要条件之一。此外，污水利用本身也有很大的经济价值，如有控制地利用污水灌溉农田，会提高产量，节约农肥，促进农业生产；工业废水中有价 1 值原料的回收，不仅消除了污染，而且为国家创造了财富，降低产品成本；将含有机物的污泥发酵，不仅可以获得高效能源，而且能更好地利用污泥做农肥、建筑材料或铺路材料等。 总之，在城市建设中，排水工程对保护环境、促进工农业生产和保障人民的健康，具有巨大的现实意义和深远的影响。应当充分发挥排水工程在我国经济建设中的积极作用，使经济建设、城乡建设与环境建设同步规划、同步实施、同步发展，以达到经济效益、社会效益和环境效益的统一。 二、污水及分类 人类的生活和生产活动都要使用大量的水。水在使用过程中如果受到不同程度的污染，改变了原有的化学成分和物理性质，则称为污水或废水。污水也包括雨水和冰雪融化水。 按其来源的不同，污水可分为生活污水、工业废水和降水等3类。 1 生活污水：是指人们在日常生活中用过的水，包括从厨所、浴室、食堂和洗衣房等处排出的水。它来自住宅、公共场所、机关、学校、医院中的生活区部分，盟洗室、厨房、商店以及工厂中的生活区部分。 生活污水含有大量腐败性的有机物，如蛋白质、动植物脂肪、碳水化合物、尿素等。还含有许多人工合成的有机物如各种肥皂和洗涤剂等，以及常在粪便中出现的病原微生物，如寄生虫卵和肠系传染病菌等。此外，生活污水中也含有为植物生长所需要的氯、磷、钾等肥分。这类污水需要经过处理后才能排入水体、灌概农田或再利用。 2 工业废水：是指在工业生产中排出的废水，来自车间或矿场。由于各种工厂的生产类别、工艺过程、使用的原材料以及用水成分的不同，工业废水的水质变化很大。 工业废水按照污染程度的不同，可分为生产废水和生产污水两类。 A 生产废水是指在使用过程中受到轻度污染或水温稍有增高的水。如冷却水便属于这一类，通常经简单处理后即可在生产中重复使用，或直接排入水体。 B生产污水是指在使用过程中受到较严重污染的水。这类水多具有危害性。例如，有的含大量有机物，有的含氰化物、铬、汞、铅、铺等有害和有毒物质，有的合多氯联苯、合成洗涤剂等合成有机化学物质，有的含放射性物质等。这类污水大都需经适当处理后才能排放，或再生产中使用。废水中有害或有毒物质往往2 是宝贵的工业原料，对这种废水应尽量回收利用，为国家创造财富，同时也减轻污水的污染。 C工业废水按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、含铬废水、含汞废水、含油废水、含有机磷废水和放射性废水等。这种分类明确地指出了废水中主要污染物的成分。 在不同的工业企业，由于产品、原料和加工过程不同，排出的是不同性质的工业废水。 3 降水：即大气降水，包括雨水和冰雪融化水。降落雨水一般比较清洁，但其形成的径流量大，若不及时排泄，则将积水为害，妨碍交通，甚至危及人们的生产和日常生活。目前，在我国的排水体制中，认为雨水较为洁净，一般不需处理，直接就近排入水体。 天然雨水一般比较清洁，但初期降雨时所形成的雨水径流会挟带大气中、地面和屋面上的各种污染物质，使其受到污染，所以初期径流的雨水。往往污染严重，应予以控制排放。有的国家对污染严重地区雨水径流的排故作了严格要求，如工业区、高速公路、机场等处的暴雨雨水要经过沉淀、撇油等处理后才可以排放。近年来由于水污染加剧，水资源日益紧张，雨水的作用被重新认识。长期以来雨水直接径流排放，不仅加剧水体污染和河道洪涝灾害，同时也是对水资源的一种浪费。 4 城市污水：在城镇的排水管道中接纳的既有生活污水也有工业废水，这种混合污水称之为城市污水。 在合流制排水系统中，还包括生产废水和截流的雨水。城市污水由于是一种混合污水，其性质变化很大，随着各种污水的混合比例和工业废水中污染物质的特性不同而异。在某些情况下可能是生活污水占多数，而在另一些情况下又可能是工业废水占多数。这类污水需经过处理后才能排入水体、灌溉农田或再利用。 生活污水量利用水量相近，而且所含污染物质的数量和成分也比较稳定。工业废水的水量和污染物质浓度差别很大，取决于工业生产过程和工艺过程。 三、废水、污水的处理 1 排水系统 在城市和工业企业中，应当有组织地、及时地收集、处理、排除上述废水和雨水，否则有可能影响和破坏环境，影响生活和生产、威胁人民健康。排水的收3 集、输送、处理和排放等工程设施以一定的方式组合成的总体称为排水系统。 2 组成： 排水系统通常是由管道系统(或称排水管网)和污水处理系统(即污水处理厂)两大部分组成。管道系统是收集和施送废水的设施，把废水从产生处输送至污水厂或出水口，它包括排水设备、检查井、管渠、泵站等工程设施。污水处理系统是处理和利用废水的设施，它包括城市及工业企业污水处理厂(站)中的各种处理构筑物及利用设施等。 3 排水去向 根据不同的要求，经处理后的污水的最终去向包括： 排放水体； 排放水体是污水的自然归宿。水体对污水有一定的稀释与净化能力，也称为水体的自净作用，这是最常用的一种处置方法。 灌溉农田； 灌溉农田是污水利用的一种方式，也是污水处理的一种方法，称为污水的土地处理法。 重复利用。 重复利用是最合适的污水处置方式。污水经处理达到无害化后排放并重复利用。是控制水污染、保护水资源的重要手段，也是节约用水的重要途径。城市污水重复利用的方式有以下几种： a自然复用。一条河流往往既作给水水源，也受纳沿河城市排放的污水。流经河流下游城市的话水中，总是掺杂有上游城市排入的污水。因而地面水源中的水，在其最后排入海洋之前，实际已被多次重复使用。 b间接复用。将城市污水注入地下补充地下水下水位下降和地而沉降。 c直接复用。可将城市污水直接作为城市饮用水水源、工业用水水源、杂用水水源等重复利用(也称污水回用)。城市污水经过人工处理后直接作为城市饮用水源，这对严重缺水地区来说可能是必要的。近年来，我国也提倡采用中水及收集利用雨水，而且已有不少工程实例。 工业废水的循序使用和循环使用也是直接复用。某工序的废水用于其他工序，某生产过程的废水用于其他生产过程，称作循序使用。 某生产工序或过程的废水，经回收处理后仍作原用，称作循环使用。不断提4 高水的重复利用率是可持续发展的必然趋势。 第二节 排水系统的体制及其选择 一、排水系统的体制 如前所述，在城镇和工业企业中通常有生活污水、工业废水和雨水。这些污水既可采用用一个管渠系统来排除，又可采用两个或两个以上各自独立的管渠系统来排除。污水的这种不同排除方式所形成的排水系统，称作排水系统的体制(简称排水体制)。排水系统的体制，一般分为合流制和分流制等2种类型。 1合流制排水系统 合流制排水系统是将生活污水、工业废水和雨水混合在同一个管渠内排除的系统，分为直排式和截流式。直排式合流制排水系统，是将排除的混合污水不经处理直接就近排入水体，国内外很多老城市以往几乎都是采用这种合流制排水系统。但这种排除形式污水未经处理就排放，使受纳水体遭受严重污染。现在常采用的是截流式合流制排水系统(见图10-1)。这种系统是在临河岸边建造一条截流干管，同时在合流干管与截流干管相交前或相交处设置溢流井，并在截流干管下游设置污水厂。晴天和初期降雨时所有污水都送至污水厂，经处理后排入水体，随着降雨量的增加，雨水径流也增加，当混合污水的流量超过截流干管的输水能力后，就有部分混合污水经溢流井溢出，直接排入水体。截流式合流制排水系统比直排式大大前进了一步，但仍有部分混合污水未经处理就直接排放，从而使水体遭受污染，这是它的不足之处。国内外在改造老城市的合流制排水系统时，通常采用这种方式。 5 10-1 10-2 2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2个或2个以上各自独立的管渠内排除的系统(见图102)。排除生活污水、城市污水或工业废水的系统称为污水排水系统；排除雨水的系统称为雨水排水系统。 由于排除雨水方式的不同，分流制排水系统又分为完全分流制和不完全分流制两种排水系统(见图103)。在城市中，完全分流制排水系统包含污水排水系统和雨水排水系统。而不完全排水系统只有污水排水系统，未建雨水排水系统，雨水沿天然地面、街道边沟、水渠等原有渠道系统排泄，或者为了补充原有渠道系统铃水能力的不足而修建部分雨水渠道，待城市进一步发展再修建雨水排水系统，使其转变成完全分流制排水系统。 在工业企业中，一般采用分流制排水系统。然而，由于工业废水的成分和性质往往很复杂，不但与生活污水不宜混合，而且彼此之间也不宜混合，否则将造成污水和污泥处理复杂化，并给废水重复利用和回收有用物质造成很大困难。所 以，在多数情况下，采用分质分流、清污分流的几种管道系统来分别排除。但如果生产污水的成分和性质同生活污水类似时，可将生活污水和生产污水用同一管道系统排放。生产废水可直接排人雨水道或循环重复使用。图104所示为具有循环给水系统和局部处理设施的分流制诽水系统，生活污水、生产污水、雨水分别设置独立的管道系统。含有特殊污染物质的有害生产污水不许与生活或生产污水直接混合排放，应在车间附近设置局部处理设施。冷却废水经冷却后在生产中循环使用。如条件允许，工业企业的生活污水和生产污水应直接排人城市污水管6 道，而不作单独处理。 图10-3 图10-4 二、排水系统体制的选择 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，同时也影响排水系统工程的总投资、初期投资以及维护管理费用。通常，排水系统体制的选择应满足环境保护的需要，根据 7 当地条件，通过技术经济比较确定。而环境保护应是选择排水体制时所考虑的主要问题。下面从不同的角度进一步分析各种体制的使用情况。 1环境保护方面 如果采用合流制将城市生活污水、工业废水和雨水全部截流送往污水厂进行处理，然后再排放，从控制和防止水体的污染来看，是较理想的；但这时截流主干管尺寸很大，污水厂容量也要增加很多，建设费用相应地提高。采用截流式合流制时，在暴雨径流之韧，原沉淀在合流管渠的污泥被大量冲起，经送流井送人水体。同时雨天时有部分混合污水溢入水体。实践证明，采用截流式合流制的城市，水体污染日益严重。应考虑将雨天时送流出的混合污水予以储存，待晴天时再将储存的混合污水全部送至污水厂进行处理，或者将合流制改建成分流制排水系统等。 分流制是将城市污水全部送至污水厂处理，但初期雨水未加处理就直接徘入水体，对城市水体也会造成污染，这是它的缺点。近年来，国内外对雨水径流水质的研究发现，雨水径流特别是初期雨水径流对水体的污染相当严重。分流制虽然具有这一块点，但它比较灵活，比较容易适应社会发展的需要，一般又能符合城市卫生的要求，所以在国内外获得了广泛的应用，而且也是城市排水体制的发展方向。 2工程造价方面 国外有的经验认为合流制排水管道的造价比完全分流制一般要低20一40，但合流制的泵站和污水厂的造价却比分流制高。从总造价来看完全分流制比合流制可能要高。从初期投资来看，不完全分流制图初期只建污水排水系统，因面可节省初期投资费用，又可缩短工期，发挥工程效益也快。面合流制和完全分流制的初期投资均大于不完全分流制。 3维护管理方面 在合流制管渠内，晴天时污水只是部分充满管道，雨天时才形成满流，因面晴天时合流制管内流速较低，易于产生沉淀。但经验表明，管中的沉淀物易被暴雨冲走，这样合流管道的维护管理费用可以降低。但是，晴天和雨天时流人污水厂的水量变化很大，增加了合流制排水系统污水厂运行管理中的复杂性。而分流制排水系统可以保持管内的流速，不致发生沉淀；同时，流入污水厂的水量和水质比合流制变化小得多，污水厂的运行易于控制。 8 混合制排水系统的优缺点，介于合流制和分流制排水系统两者之间。 总之，排水系统体制的选择是一项既复杂又很重要的工作。应根据城镇及工业企业的规划、环境保护的要求、污水利用情况、原有排水设施、水量、水质、地形、气候和水体状况等条件，在满足环境保护的前提下，通过技术经济比较综合确定。新建地区一般应采用分流制排水系统。但在特定情况下采用合流制可能更为有利。 第三节 排水系统的主要组成部分 城市污水、工业废水和雨水等排水系统的主要组成部分分述如下。 一、城市污水排水系统的主要组成部分 城市污水包括排人城镇污水管道的生活污水和工业废水。将工业废水排人城市生活污水排水系统，就组成城市污水排水系统。它由以下几个主要部分组成：室内污水管道系统及设备；室外污水管道系统；污水泵站及压力管道；污水处理厂；出水口。 1室内污水管道系统及设备 室内污水管道系统及设备的作用是收集生活污水，并将其送至室外居住小区的污水管道中。 在住宅及公共建筑内，各种卫生设备既是人们用水的容器，也是承受污水的容器，还是生活污水排水系统的起端设备。生活污水从这里经水封管、文管、竖管和出户管等室内管道系统流人室外街坊或居住小区内的排水管道系统。 2室外污水管道系统 室外污水管道系统是分布在地面下，依靠重力流输送污水至泵站、道系统。它又分为街坊或居住小区管道系统及街道管道系统。 (1)街坊或居住小区污水管道系统。敷设在一个街坊或居住小区内，并连接一群房屋出户管或整个小区内房屋出户管的管道系统称街坊或居住小区管道系统。 (2)街道污水管道系统。敷设在街道下，用以排除从居住小区管道流来的污水。在一个市区内它由支管、干管、主干管等组成。文管承受街坊或居住小区流来的污水。在排水区界内，常按分水线划分成几个排水流域。在各排水流域内，干管是汇集输送由支管流来的污水，也常称流域干管。主干管是汇集输送由两个成两个以上干管流来的污水，并把污水输送至总泵站、污水处理厂或出水口的管道，一般在污水管道系统设置区范围之外。 9 管道系统上的附属构筑物。如检查井、跌水井、倒虹管等。 3污水泵站及压力管道 污水一般靠重力流排除，但往往由于受地形等条件的限制而难以排除，这时就需要设泵站。压送从泵站出来的污水至高地自流管道成至污水厂的承压管段，这种管段被称为压力管道。 4污水处理厂 污水处理厂由处理和利用污水与污泥的一系列构筑物及附属设施组成。城市污水厂一般设置在城市河流的下游地段，并与居民点和公共建筑保持一定的卫生防护距离。 5出水口 污水排入水体的渠道和出口称为出水口，它是整个城市污水排水系统的终点设备。事故排出口是指在污水排水系统的中途，在某些易于发生故障的组成部分前面，例如在总泵站的前面，所设置的辅助性出水渠，一旦发生故障，污水就通过事故排出口直接排入水体。 二、工业废水排水系统的主要组成部分 在工业企业中用管道将厂内各车间所排出的不同性质的废水收集起来，送至废水回收利用和处理构筑物。经回收处理后的水可再利用、排入水体或排人城市排水系统。 工业废水排水系统，由下列几个主要部分组成： (1)车间内部管道系统和设备。用于收集各生产设备排出的工业废水，并将其送至车间外部的厂区管道系统中。 (2)厂区管道系统。敷设在工厂内、用以收集并输送各车间排出的工业废水的管道系统。厂区工业废水的管道系统，可根据具体情况设置若于个独立的管道系统。 (3)污水泵站及压力管道。 (4)废水处理站。是厂区内回收和处理废水与污泥的场所。 若所排放的工业废水符合CJ1886污水排入城市下水道水质标准的要求，可不经处理直接排人城市排水管道中，和生活污水一起排人城市污水厂集中处理。工业企业位于城区内时，应尽量考虑将工业废水直接排入城市排水系统，利用城市排水系统统一排除和处理，这样较为经济，能体现规模效益。当然工业废水排10 入应不影响城市排水管渠和污水厂的正常运行，同时以不影响污水处理厂出水以及污泥的排放和利用力原则。当工业企业远离城区，符合排入城市排水管道条件的工业废水，是直接排入城市排水管道或是单独设置徘水系统，应根据技术经济比较确定。 一般来说，对于工业废水，由于工业门类繁多，水质水量变化较大。原则上，应先从改革生产工艺和技术革新人手，尽量把有害物质消除在生产过程之中，做到不徘或少排废水。同时应重视废水中有用物质的回收。 三、雨水排水系统的主要组成部分 雨水排水系统由下列几个主要部分组成： (1)建筑物的雨水管道系统和设备。主要是收集工业、公共或大型建筑的屋面雨水，将其排入室外的雨水管渠系统中。 (2)街坊或厂区雨水管渠系统。 (3)街道雨水管渠系统。 (4)排洪沟。 (5)出水口。 收集屋面的雨水由雨水口和天沟，并经雨落管排至地面；收集地面的雨水经雨水口流入街坊或厂区以及街道的雨水管渠系统。雨水排水系统的室外管渠系统基本上和污水排水系统相同，而且也没有检查井等附属构筑物。 合流制排水系统的组成与分流制相似，同样有室内排水设备、室外居住小区以及街道管道系统。雨水经雨水口进入合流管道。在合流管道系统的截流干管处设有溢流井。 当然，上述各排水系统的组成不是固定不变的，须结合当地条件来确定排水系统内所需要的组成部分。 第四节 排水系统的布置形式 排水系统的布置形式应结合地形、竖向规划、污水厂的位置、土壤条件、河流位置以及污水的种类和污染程度而定。在实际情况下，较少单独采用一种布置形式，通常是根据当地条件，因地制宜地采用综合布置形式。以下介绍的几种布置形式主要考虑地形因素。 一、正交式 在地势适当向水体倾斜的地区，各排水流域的干管以最短距离沿与水体垂直11 相交的方向布置，称正交式布置见图105(a)。正交布置的干管长度短、管径小，因而较经济，污水排出也迅速。但是，由于污水未经处理就直接排放，会使水体遭受严重污染。故这种形式在现代城市中仅用于排除雨水。 二 截流式 若沿河岸再敷设主干管，并将各于管的污水截流送至污水厂，这种布置形式称截流式布置见图105(b)，所以截流式是正交式发展的结果。 图10-5 12 三、平行式 在地势向河流方向有较大倾斜的地区，为避免因于管坡度及管内流速过大，使管道受到严重冲刷，可使干管与等高线及河道基本上平行、主干管与等高线及河道成一定角度敷设，称为平行式布置见图205(c)。 四、分区式 在地势高差相差很大的地区，当污水不能靠重力流流至污水厂时，可采用分区布置形式见图105(d)。这时，可分别在高区和低区敷设独立的管道系统。高区的污水靠重力流直接流人污水厂，而低区的污水用水泵抽送至高区于管或污水厂。这种布置只能用于个别阶梯地形或起伏很大的地区，它的优点是充分利用地形排水，节省电力，如果将高区的污水排至低区，然后再用水泵一起抽送至污水厂是不经济的。 五、环绕式及分散式 当城市周围有河流，或城市中心部分地势高并向周围倾斜的地区，各徘水流域的干管常采用辐射状分散布置见图105(e)，各排水流域具有独立的排水系统。这种布置具有干管长度短、管径小、管道理深可能浅、便于污水灌溉等优点，但污水厂和泵站(如需要设置时)的数量将增多。在地形平坦的大城市，采用辐射状分散布置可能是比较有利的。但考虑到规模效益，不宜建造数量多、规模小的污水厂，而宜建造规模大的话水厂，所以由分散式发展成环绕式布置见图105(f)。这种形式是沿四周布置主干管，将各干管的污水截流送往污水厂。 六、区域集中式 为了提高污水处理厂的规模效益，并改善其处理效果，可以把几个区域的排水系统连接合并起来，汇集输送到一个大型污水处理厂集中处理。如图106所示。将这种两个以上城镇地区的污水统一处理和排出的系统称作区域排水系统。 13 图10-6 14