Алексей Акулович

Зависит от реализации SAPI, т.к. вызов header() в итоге приводит к вызову SAPI функции header_handler. В самом PHP ничего такого особого нет с фильтрацией (тут, тут и тут).

Да и никто не мешает frontend'у перед php влиять на заголовки. Например в nginx.

win, *nix? Но в любом случае — wasm.ru (когда они там переедут, ну или форум).

Может покрутить настройки воркеров апача? Под вашей нагрузкой он может неоправданно часто перезапускать «рабочих». А у вас, как я понял, он настроен «из коробки».
Ну в догонку, стоит ли у вас APC или эквивалентный кешер?

libevent/libev вполне могут оказаться подспорьем, если надумаете «с нуля» писать