农村生活污水处理设备结构设计＊——以甘肃某农村为例

鲍 娇

（兰州博文科技学院，甘肃 兰州 730000）

农村生活污水治理作为改善人居环境的关键环节，不仅密切关系着农村居民的身体健康状况，而且严重影响着村民赖以生存的生活环境，这对进一步提升农村经济发展也有着重要意义。目前，中国农村水环境的保护与治理问题依然面临着诸多困难。一方面，受到居住环境、经济条件等制约影响，致使农村生活污水治理并不能像城市污水一样采取集中处理的方式；另一方面，因缺乏相应的污水处理设施，导致污水处理问题并未从根本上得到解决，同时又造成了大量水资源的浪费。

1 工艺设计

1.1 工艺参数

以甘肃省某农村为工程背景，该地区位于甘肃省中部，地处祁连山与秦岭2个褶皱带中，多山沟，兼有塬、川。该县有6个镇，219个行政村，全县人口达34万人，总面积1.212 4×109m2。与其他地区相比，该地区具有独特的民族风俗，生活习惯存在较大差异，根据场地实际条件和使用情况、装置建造工艺要求和结构特点等方面综合考量，设计小型、实用性强的污水处理装置。

水池结构设计中遵循安全适用、经济合理的原则，保证结构整体受力稳定的同时降低设备建设成本。由于农村居民日排水量小，设计矩形与圆形2种不同截面类型，考虑到矩形截面相比圆形对场地使用要求小、成本低，经济效益更突出。因此，此设备采用矩形结构、全地上的污水处理装置。按照农村居民日排水量均值25 L/人计算，每户4人，日处理量为100 L。左侧室作为一级缺氧池，尺寸为100 mm×75 mm×95 mm,中间室尺寸100 mm×70 mm×95 mm,右侧室为接触氧化池，尺寸100 mm×75 mm×80 mm，作为进水水池与净化水池有效容积均能满足日常污水处理，见图1。

1.2 工艺流程

处理装置分为3个腔室分别进行污水处理。左侧室为污水初次与二次过滤间；中间室为药物净化室，侧壁设置有进药管；右侧室作为净化水储液箱，内部设置有活性炭滤网。生活污水以自流方式进入装置进水斗，大块杂质或纤维通过滤网进行初次过滤，在其作用下将所含泥沙等杂质物与第一次过滤产物共同进入杂物暂存箱。污水则通过第二滤网再次进行除杂，除杂后的污水进入搅拌箱，通过动力轴带动搅拌并与净化药物充分融合，从而净化污水中的污染物。而后进入储液箱，在活性炭滤网作用下进一步净化。净化水便可送入田间地头，便于村民进行浇灌。

2 地基承载力验算

地基所受荷载类型分为永久荷载与可变荷载。其中土体的水平向压力及竖向压应力，污水处理装置结构自重GC，装置内水压力GW为永久荷载，可变荷载有水池盖板荷载Gh1，地面活载Gh2，地下水压力、温度、湿度变化等因素构成。其中，地面荷载10.00 kN/m2,装置顶板荷载1.50 KN/m2,组合值系数为0.90；计算中，永久荷载分项系数水池自重以1.30，其他1.27进行计算，可变荷载分项系数中地下水压为1.27[1]，调整系数为1.00。

2.1 基地压力PK计算

式中：污水处理装置结构自重，GC=G1+G2+G3=58.50 kN；基底以上装置覆土重量Gt=0；基底以上地下水重量GS=0；装置内水重量GW=11.76 kN；可变荷载Gh=3.00 kN，基底面积A=3.00 m2。

2.2 修正地基承载力

由于水池采用是全地上结构，地下水位于底板下1 m以下，不考虑地下水作用影响γ取基础底面以上土的加权平均重度18.00 kN/m3。根据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）的要求，修正地基承载力

PK=24.92

3 结构内力计算与分析

应用理正工具箱，通过此软件建立模型，进行水池强度与裂缝计算，输入装置顶板荷载、内壁水压力荷载及装置内无水、有水等各种情况下底板荷载作用。模拟与实际情况相符的各种荷载组合，同时考虑到池壁湿度、温度作用，运用核算办法检验结果的准确性。采用钢筋混凝土结构形式，长度L为2.5 m，宽度B为1.2 m，高度H为1.2 m，底板标高以水平地面为基准。水池壁厚b1=200 mm，底厚b3=250 mm，池池顶板厚b2=200 mm，底板外挑长度为0。混凝土强度等级为C30，钢筋采取值HRB400，图2、图3为计算简图。

图2 水池计算平面图

图3 水池计算剖面图

3.1 计算工况

荷载基本组合方式有以下3种：

（1）池外作用土压力时，考虑池内无水，池外填土作用；

（2）池内有水，池外无土，只考虑水压力作用；

（3）池壁温、湿度作用影响下，池内外温差=池内温度-池外温度。

3.2 内力计算与分析

（1）顶板内力以四边简支，按单向板进行计算，荷载组合较简单，荷载作用下平行于Iy方向板跨中弯矩最大，My=1.03 kN·m，下侧受拉。

（2）前后侧池壁类型为浅池壁，受左右池壁及底板作用，以三边固定，顶边简支类型计算分析。计算跨度Ix=2.300 m，Iz=0.750 m。温湿度应力按双向板计算，压力同时向水平和垂直2个方向传递，侧壁在荷载作用下区分条件见表1。

表1 侧壁受力条件

考虑角隅效应而引起弯矩，装置外土压力作用：基本组合：-0.00，准永久组合：-0.00；池内水压力作用：基本组合：0.18 kN·m,准永久组合：0.14 kN·m。池壁内侧受拉为正，外侧受拉为负。不同工况作用下弯矩见表2—表5。

表2 基本组合作用弯矩（池内无水，池外填土） 单位：kN·m

表3 准永久组合作用弯矩 单位：kN·m

表4 基本组合作用弯矩（池内有水，池外无土） 单位：kN·m

表5 准永久组合作用弯矩 单位：kN·m

不论在何种荷载作用下，平行于Ix方向板边缘底部弯矩最大，且外侧受拉，弯矩图见图4。

图4 弯矩示意图

（3）左右侧池壁计算时同样采用三边固定，顶边简支类型，内力计算跨度Iy=1.000 m，Iz=0.750 m，按照双向板计算。在不同荷载作用下，平行于Iy方向板边缘弯矩最大且外侧受拉。

（4）底板四边简支与池壁传递弯矩作用，计算跨度Ix=2.3 m,Iy=1 m，按照单向板进行计算。池内有水时，侧中心点弯矩最大，My=1.53 kN·m，上侧受拉。

计算结果显示，在各工况作用下水池顶板、池壁、底板的内力大小符合《给水排水工程构筑物结构设计规范》（GB 50069—2002）及《混凝土结构设计规范》（GB 50010—2010）的要求。

4 配筋与裂缝验算

配筋计算以基本组合弯矩，按照单筋受弯构件计算板受拉钢筋，裂缝计算根据《给水排水工程构筑物结构设计规范》（GB 50069—2002）附录A公式进行准永久组合弯矩计算[2]。其中，纵向钢筋保护层厚度顶板（上35 mm、下35 mm），池壁（内35 mm、外35 mm），底板（上35 mm、下35 mm），钢筋取值HRB400，裂缝宽度限值0.20 mm，配筋调整系数1.00。

式中：ωmax为最大裂缝宽度（mm）；ψ为裂缝间受拉钢筋应变不均匀系数，当ψ<0.4时，应取0.4；ρte以有效受拉混凝土截面面积计算的纵向受拉钢筋配筋率，即为混凝土轴心抗拉强度标准值；C为最外层纵向受拉钢筋的混凝土净保护层厚度[3]。以前后池壁为例，配筋及裂缝可根据表6看出，裂缝宽度均小于0.2 mm，根据《给水排水工程构筑物结构设计规范》（GB 50069—2002），受弯构件满足裂缝0.2 mm的要求。

表6 前后侧池壁配筋及裂缝

5 结论

由于污水处理设备有腐蚀性物质等杂质存在，在设计中应当充分考虑水池使用过程的防渗抗漏问题。因此，在水池设计中以结构稳定、经济合理为前提，可借助有限元软件平台建立模型，根据荷载工况进行内力分析。并利用配筋结果进行裂缝验算，防止使用后产生池壁开裂，出现渗、漏水现象。在混凝土强度设计方面，选用具备防渗、耐久、防腐性能的材料，以保证水池正常使用。