吳春霞,彭 博

(合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009)

入河排污口設置論證與有關問題探討

吳春霞,彭 博

(合肥工業(yè)大學土木與水利工程學院,安徽 合肥 230009)

以蕪湖縣陶辛鎮(zhèn)污水處理廠入河排污口設置論證為例,針對受納水域的特點,采用湖(庫)均勻混合水質(zhì)模型計算河流納污能力并進行水質(zhì)預測,分析綜合衰減系數(shù)對水質(zhì)預測結果的影響,在缺乏資料條件下,探討確定綜合衰減系數(shù)的途徑與方法,以提高預測結果的可靠性。提出利用當?shù)厮w和溝渠組成的濕地對污水處理廠尾水進行降解的方案,經(jīng)濕地降解后的水質(zhì)滿足受納水體的水質(zhì)管理目標要求;最后對入河排污口設置論證的要點和應注意的問題進行了探討,可供入河排污口設置論證參考。

湖(庫)均勻混合水質(zhì)模型;納污能力;水質(zhì)預測;綜合衰減系數(shù);濕地降解

隨著城鎮(zhèn)化進程的加快，鄉(xiāng)鎮(zhèn)污水處理廠的建設已駛入了快車道。然而建設項目入河排污口設置的論證也變得愈加重要。對于小型河流，一般情況下采用一維水質(zhì)模型來計算河流的納污能力，本文以蕪湖縣陶辛鎮(zhèn)污水處理廠入河排污口設置論證為例，以河流斷流時段為設計水文條件，探討在缺乏資料情況下，水質(zhì)模型的選用及模型參數(shù)的確定方法。

1 湖(庫)均勻混合水質(zhì)模型概述

枯水期,當河流的流量為0時,可將其視為湖(庫)。

污染物均勻混合的湖(庫),應采用均勻混合水質(zhì)模型計算水域納污能力,主要適用于中小型湖(庫),其計算模型為[1]:

a. 當流入和流出湖(庫)的水量平衡時,小型湖(庫)的水域納污能力按式(1)計算。

M=(ρs-ρ0)V

(1)

b. 污染物平均濃度按式(2)計算。

(3)

m0=ρ0QL

(4)

式中:M為水域納污能力,t;ρs為水質(zhì)控制目標,mg/L;ρ0為湖(庫)現(xiàn)狀污染物質(zhì)量濃度,mg/L;V為設計水文條件下湖庫容積,m3;ρt為計算時段t內(nèi)的污染物質(zhì)量濃度,mg/L;m為排污口污染物入湖(庫)速率,g/s;m0為湖(庫)現(xiàn)有污染物排放速率,g/s;Kh為中間變量,s-1;t為計算時段長,s;QL為湖(庫)出流量,m3/s;K為污染物綜合降解系數(shù),s-1。

2 計算條件及參數(shù)設定

本文以蕪湖縣陶辛鎮(zhèn)污水處理廠入河排污口設置論證為例,根據(jù)江河、湖庫的污染物控制指標,以全國統(tǒng)一采用的COD和NH3-N作為水域納污控制因子,對有關問題進行探討。

2.1 污水處理廠基本情況

該污水處理廠總規(guī)模(遠期2030年)為1.0萬m3/d,近期(2016年)規(guī)模為0.5萬m3/d,采用A2/O氧化溝生物處理加紫外線消毒的工藝方案,入河排污口類型為生活入河排污口,排放方式采用連續(xù)排放,污水處理廠出水標準為一級B標準。入河排污口位于白了灘閘(規(guī)劃)下游約100 m處,受納水體為青弋江分洪道。污水處理廠進水水質(zhì)的COD、NH3-N質(zhì)量濃度分別為280 mg/L、28 mg/L,出水水質(zhì)的COD、NH3-N質(zhì)量濃度分別為60 mg/L、15 mg/L[2]。

2.2 受納水域的特點

該入河排污口的受納水體為青弋江分洪道(以下簡稱分洪道),目前還在建設中,尚未交付使用,故沒有實測的流量及流速資料。根據(jù)相關規(guī)劃資料,分洪道底寬約為160 m,內(nèi)邊坡坡比為1∶3。在枯水期,自11月至次年2月,分洪道基本上沒有入流流量,處于靜止狀態(tài)(流量及流速均為0),水深約3 m。

2.3 水質(zhì)模型及參數(shù)確定

a. 設計水文條件及水質(zhì)模型的確定。根據(jù)受納水體的特點,選擇枯水期最不利設計水量進行預測,此時分洪道內(nèi)的水處于停滯狀態(tài),排入的污水積攢在河道中,相當于小型湖(庫),污染物充分混合,可采用湖(庫)均勻混合水質(zhì)模型。

b. 水質(zhì)控制目標ρs的確定。因分洪道尚未劃分水功能區(qū),分洪道進口處十甲任村的青弋江河段所在水功能區(qū)為青弋江灣沚(上)農(nóng)業(yè)用水區(qū),該區(qū)控制斷面三義排灌站現(xiàn)狀水質(zhì)為Ⅱ類,水質(zhì)管理目標為不低于現(xiàn)狀。分洪道在三埠管處與漳河匯合,下游為漳河蕪湖農(nóng)業(yè)用水區(qū),該區(qū)控制斷面澛港水位站的現(xiàn)狀水質(zhì)為Ⅱ～Ⅲ類,能滿足農(nóng)業(yè)用水需要,水質(zhì)管理目標為Ⅱ～Ⅲ類。因此,可初步擬定分洪道水質(zhì)管理目標為Ⅱ～Ⅲ類。故水質(zhì)目標濃度值ρs以Ⅲ類水質(zhì)標準確定,即ρs(COD)=20 mg/L,ρs(NH3-N)=1.0 mg/L。

c. 現(xiàn)狀水質(zhì)濃度ρ0的確定。由于分洪道正在施工,沒有水質(zhì)監(jiān)測資料,根據(jù)上下游水功能區(qū)水質(zhì)管理目標及現(xiàn)狀水質(zhì),估算分洪道水質(zhì)為ρ0(COD)=12.7 mg/L,ρ0(NH3-N)=0.13 mg/L。

d. 計算時段長t。計算時段約4個月,每月按30 d計,則計算時段長t為10 368 000 s。

e. 計算時段內(nèi)總庫容。最不利條件下,分洪道水深約3 m,因在三埠管處進入漳河蕪湖農(nóng)業(yè)用水區(qū),結合河道底部高程,選擇分洪道自天井壩至三埠管間的河道長度作為納污能力計算長度,約20 km,近期總庫容為416萬m3,遠期總庫容為476萬m3。

2.4 模型的簡化

在最不利情況下分洪道的流量及流速均為0,排入的污水積蓄在河道中,因此可將上述湖(庫)模型簡化為

M=(ρs-ρ0)(V+qt)×10-6

(5)

(6)

式中:q為工程入河排污口排放流量,m3/s;其余符號意義同前。

2.5 綜合衰減系數(shù)對水質(zhì)的影響分析

由已簡化的水質(zhì)模型式(6)可知,當污染物排放速率m及庫容V一定時,污染物濃度隨綜合衰減系數(shù)K的變化而變化。污染物的稀釋降解過程是個復雜、多變的過程,因此反映污染物自凈過程的綜合降解系數(shù)K值受諸多因素影響,其中較為重要的有水溫、污染物的濃度梯度、水文特征、河道狀況等。如何較準確地確定污染物綜合降解系數(shù),直接影響到水質(zhì)預測結果的準確性、合理性。通常綜合降解系數(shù)的確定有資料類比分析法、實測數(shù)據(jù)估值法、利用常規(guī)監(jiān)測資料估算等[3]。

因無法對在建分洪道進行試驗,根據(jù)現(xiàn)狀水質(zhì)(水質(zhì)標準為Ⅱ～Ⅲ類),參考表1湖泊水庫綜合衰減系數(shù)參考值[4]來分析K值對水質(zhì)的影響,最終確定K值。

表1 湖泊水庫綜合衰減系數(shù)參考值

從表1可以看出,分洪道的KCOD和KNH3-N值均在0.06～0.1之間,因最不利時段分洪道處于靜止狀態(tài),故可將K的取值范圍擴大至0.03～0.1之間。當污染物排放速率m為一定時,K值對水質(zhì)的影響見圖1、圖2。

圖1 不同綜合衰減系數(shù)下COD質(zhì)量濃度隨庫容變化情況(m=2.89 g/s)

圖2 不同綜合衰減系數(shù)下NH3-N質(zhì)量濃度隨庫容變化情況(m=0.46 g/s)

從圖1、圖2可以看出,當庫容V一定時,K值越大,污染物衰減速度越快,但隨著K值增大,變幅也逐漸減小。

2.6 綜合衰減系數(shù)的確定

K值影響因子較多,由于受當?shù)刈匀粭l件、水體污染程度、流速、氣溫等因素的影響,其值較難確定,迄今還沒有成熟的經(jīng)驗公式可以借用[5]。由以上分析可知,K值對水質(zhì)的影響是很大的。表1給出了湖泊水庫綜合衰減系數(shù)的參考值,根據(jù)分洪道的水質(zhì)情況,原則上K值應在0.06～0.1之間,考慮到缺乏資料導致的未知因素及河流靜止等情況,參考相近、相似流域的K值,結合河流自身特點,本文K值最終確定為:KCOD=0.03 d-1,KNH3-N=0.06d-1。

2.7 納污能力計算(以正常排放情況為例,下同)

將以上各參數(shù)代入式(5)中,得出分洪道在靜止狀態(tài)下的納污能力如表2所示(計算時段長為4個月,下同)。

由表2可以看出,排污口污染物排放量非常接近甚至大于分洪道的納污能力,近期NH3-N的排放量與分洪道納污能力幾乎相等,遠期NH3-N的排放量幾乎是分洪道納污能力的兩倍。因此,必須提高污染物的排放標準,排污口污染物不能以一級B標準排入分洪道,水質(zhì)必須經(jīng)過降解達到一級A標準甚至更優(yōu)才能排入分洪道。

表2 分洪道納污能力與排污口入河排污量對照

3 提出尾水濕地降解方案

一般污水處理廠出水水質(zhì)達到一級A標準有以下兩種方式。

a. 升級處理設備,提高污水處理工藝,使出水水質(zhì)由原來的一級B標準直接提高到一級A標準。這種方式直接快捷,但同時也增加了工程的固定資產(chǎn)投資。

b. 污水處理廠處理達到一級B標準后,經(jīng)過人工濕地系統(tǒng)凈化達到一級A標準。這種方式投資和運行成本相對較低,處理效果較好,同時具有一定的景觀、經(jīng)濟效益。但需科學種植濕地植物,加強濕地的日常維護和管理。

陶辛鎮(zhèn)有一項近千年歷史保存完好的古代圩內(nèi)水利工程,陶辛圩依橢圓形設計,四周碧水環(huán)繞,圩內(nèi)按井田式開鑿水渠,十縱十橫溝98 km,溝溝相通,渠渠相連,千年古圩,萬畝水系,身歷其境,猶入迷宮,堪稱江南水鄉(xiāng)一大奇觀。

由于小城鎮(zhèn)污水處理廠提高污水處理工藝,投資及運行管理費用均較高,為確保尾水最終進入受納水體時水質(zhì)能夠達到GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠排放標準》中的一級A標準,綜合考慮陶辛鎮(zhèn)的發(fā)展方向及優(yōu)越的內(nèi)部水系條件,提出尾水濕地降解方案如下:利用陶辛鎮(zhèn)內(nèi)部水系修建人工濕地,結合陶辛水韻景觀設計要求,將景觀設計與人工濕地技術相結合,使污水處理廠處理達標的尾水(出水標準為一級B標準)經(jīng)內(nèi)部人工濕地降解達到一級A標準(ρ(COD)=50 mg/L,ρ(NH3-N)=8 mg/L)后,通過廠內(nèi)提升泵站提升,再通過壓力管道排入分洪道。

3.1 濕地降解處理效果分析

有關人工濕地對二級污水處理廠出水試驗的研究表明,在以二級污水處理廠出水作為原水的條件下,人工濕地對BOD5的去除率可達 85 %～95 %,對COD的去除率可達80%以上,處理出水中的BOD5質(zhì)量濃度在5 mg/L左右,SS質(zhì)量濃度小于8 mg/L。深圳市環(huán)境科學研究所于1999年設計并建成的“洪湖人工濕地系統(tǒng)水質(zhì)凈化工程”,經(jīng)實際運行效果很好。去除率分別為:COD 82.6%,BOD 85.8%,TP 86.2%,NH3-N 82.6%[7]。

根據(jù)相關研究總結,人工濕地對污染物去除率有一定的波動范圍,如有機物去除率在50%～90%之間波動;懸浮物去除率在40%～94%之間;N去除率在30%～90%之間。例如,南京市外秦淮河pH值為6.8、ρ(DO)=1.9 mg/L、ρ(SS)=17.22 mg/L、ρ(CODMn)=40～80 mg/L(人工配水),經(jīng)復合流人工濕地處理,CODMn的去除率可達到60%～70%[8]。成都府河枯水期COD、BOD5、TP、TN等污染因子超標,經(jīng)人工濕地塘床系統(tǒng)處理,其去除率為85%～97%[9]。

小城鎮(zhèn)生活污水中主要污染物為COD、N、P等,本文人工溝渠濕地進水水質(zhì)為GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠排放標準》一級B標準,按去除率為50%保守計算,經(jīng)人工濕地降解后均能夠達到一級A標準,甚至可以優(yōu)于一級A標準,詳見表3。

表3 人工濕地進出水質(zhì)對照

尾水經(jīng)濕地降解后,按一級A標準排入分洪道,入河排污口排污量見表4。

表4 分洪道納污能力與排污口入河排污量對照(一級A標準)

由表4可知,分洪道的納污能力能夠滿足排污口對污染物COD和NH3-N的排放要求。以下按一級A標準排入分洪道進行水質(zhì)預測。

3.2 水質(zhì)預測

計算河道長度為20 km,最不利條件下近期總庫容為416.0萬m3,遠期總庫容為476萬m3。

將以上各參數(shù)代入式(6)中,得出分洪道在靜止狀態(tài)下的水質(zhì)如表5所示。

表5 分洪道水質(zhì)預測

設計條件下近期總庫容為416.0萬m3,由表5可知,COD質(zhì)量濃度達到現(xiàn)狀水質(zhì)(ρ0=12.7 mg/L)約需72.8萬m3的庫容,小于總庫容;NH3-N的最終質(zhì)量濃度為0.16 mg/L,稍劣于現(xiàn)狀水質(zhì)(ρ0=0.13 mg/L);兩種污染物的質(zhì)量濃度均能夠滿足分洪道Ⅲ類水質(zhì)管理目標要求。設計條件下遠期總庫容為476萬m3,可知COD質(zhì)量濃度達到現(xiàn)狀水質(zhì)(ρ0=12.73 mg/L)約需130.9萬m3的庫容,小于總庫容;NH3-N的最終質(zhì)量濃度為0.56 mg/L,劣于現(xiàn)狀水質(zhì)(ρ0=0.13 mg/L);兩種污染物的質(zhì)量濃度均能夠滿足分洪道Ⅲ類水質(zhì)管理目標要求。

4 分析與小結

在缺乏資料的情況下,采用湖(庫)均勻混合水質(zhì)模型計算河流納污能力和進行水質(zhì)預測時,重點在于設計水文條件、水體水質(zhì)控制目標ρs、現(xiàn)狀水質(zhì)濃度ρ0、綜合衰減系數(shù)K值的確定;當河流納污能力不滿足排污要求時所采取的措施亦很關鍵。

a. 湖(庫)應采用近10年最低月平均水位或90%保證率最枯月平均水位相應的蓄水量作為設計水量,水庫也可采用死庫容相應的蓄水量作為設計水量。本文根據(jù)分洪道靜止狀態(tài)時的水深和分洪道的規(guī)劃斷面來推算靜止時段分洪道的庫容,并將其作為設計水量。

b. 本文中的受納水體為分洪道,暫未劃分水功能區(qū),在論證時,根據(jù)上下游水功能區(qū)水質(zhì)目標,來確定受納水體的水質(zhì)目標,并根據(jù)上下游水功能區(qū)水質(zhì)目標及現(xiàn)狀水質(zhì),估算分洪道現(xiàn)狀水質(zhì)。

c. 綜合衰減系數(shù)主要根據(jù)受納水域的特點,參考相近、相似流域的K值經(jīng)綜合分析后確定。

d. 本文將污水處理廠和溝渠濕地相結合,既解決了分洪道納污能力不滿足排污要求問題,而且投資、運行成本相對升級處理設備低很多。同時,利用溝渠連通陶辛鎮(zhèn)內(nèi)部水系,建造人工濕地系統(tǒng),結合陶辛水韻景觀設計要求,將景觀設計與人工濕地技術相結合,不僅解決污水處理廠的尾水問題,同時為內(nèi)河水提供了凈化途徑,又具有一定的景觀效益、經(jīng)濟效益。

e. 由于本文污水處理廠處理的污廢水全部為生活污廢水,不含重金屬和非降解有毒物質(zhì),其尾水經(jīng)濕地降解后,可考慮作為農(nóng)業(yè)灌溉、內(nèi)河生態(tài)補水、綠化、道路澆灑及降塵等用水水源,充分實現(xiàn)污水再生利用,以減少排污對分洪道的影響。

論證時應注意以下幾個問題:

a. 水域納污能力應以各級水行政主管部門或流域管理機構核定的為準。未核定納污能力的水域,如本案例,論證時應根據(jù)水域管理要求和有關規(guī)范計算納污能力。

b. 一般情況下,隨著污染物的排入,河流中污染物濃度應大于或等于現(xiàn)狀濃度。在論證中,水文計算條件的選取對結果的影響很大。本文將分洪道的水量從一定值增加至設計水量,計算河流中污染物濃度達到現(xiàn)狀濃度所需的庫容或在設計水量下污染物的最終濃度,并據(jù)此來分析入河排污口設置對水質(zhì)的影響。

c. 研究缺乏受納水域的流量及流速等資料,只能根據(jù)分洪道的相關規(guī)劃資料,以分洪道靜止狀態(tài)時段為設計條件(最不利條件),因此其他條件下分洪道的納污能力應比本次計算結果大一些,水質(zhì)也相對較好,這種處理方式,對論證結果是偏于安全的。

d. 研究采用湖(庫)均勻混合模型來計算,并進行相應簡化,把污染物看成是均勻混合的,是一個理想化情況。實際上,河流的長寬比很大,入河排污口位于計算河段的中部,污染物不可能均勻混合,距離入河排污口越近,污染物濃度越大,反之亦然。

e. 研究中把K值看成是固定不變的,實際上K值是動態(tài)變化的。在條件允許的情況下應根據(jù)實測資料來推求K值,以提高計算結果的可靠性。

[1] GB 25173—2010 水域納污能力計算規(guī)程[S].

[2] 合肥工業(yè)大學.蕪湖縣陶辛鎮(zhèn)污水處理廠入河排污口設置論證報告書[R].合肥:合肥工業(yè)大學,2013.

[3] 蔚秀春.河流中污染物綜合降解系數(shù)的影響因素淺析[J].內(nèi)蒙古水利,2007(2):116-117.(WEI Xiuchun.Brief analysis of the influence factors of the comprehensive attenuation coefficient in rivers [J].Inner Mongolia Water Resources,2007(2):116-117.(in Chinese))

[4] 中國環(huán)境規(guī)劃院.全國地表水水環(huán)境容量核定技術復核要點(征求意見稿01)[R].北京:中國環(huán)境規(guī)劃院,2004.

[5] 張文志.采用一維水質(zhì)模型計算河流納污能力中設計條件和參數(shù)的影響分析[J].人民珠江,2008(1):19-43.(ZHANG Wenzhi.The analysis of the impact of design conditions and parameters when account the assimilative capacity of the river by one-dimensional water quality model [J].Pearl River,2008(1):19-43.(in Chinese))

[6] 中鐵城市規(guī)劃設計研究院有限公司.蕪湖縣陶辛鎮(zhèn)污水處理廠及配套污水管網(wǎng)工程可行性研究報告[R].蕪湖:中鐵城市規(guī)劃設計研究院有限公司,2013.

[7] 康軍利.人工濕地生態(tài)系統(tǒng)在城市污水回用中的可行性[J].環(huán)境衛(wèi)生工程,2004,12(2):114-117.(KANG Junli.Feasibility stuty on constructed wetland ecology system in waste water reuse[J].Environmental Sanitation Engineering,2004,12(2):114-117.(in Chinese))

[8] 陶靜,汪德.小型復合流人工濕地的設計及對有機物去除效率的分析[J].水電站設計,2004,20(2):90-92.(TAO Jing,WANG De.Design of lab-scale composite flow man-made wetland & analysis of its organic matter elimination efficiency[J].Design of Hydroelectric Power Station,2004,20(2):90-92.(in Chinese))

[9] 王慶安,任勇,錢駿,等.成都市活水公園人工濕地塘床系統(tǒng)的生物群落[J].重慶環(huán)境科學,2001,23(1):52-55.(WANG Qing’an,REN Yong,QIAN Jun,et al.Biological community in constructed wetland pond-bed system of living water garden in Chengdu[J].Chongqing Environmental Science,2001,23(1):52-55.(in Chinese))

Argument on set of sewage outlets and discussions on some relevant problems

WU Chunxia, PENG Bo

(SchoolofCivilandHydraulicEngineering,HefeiUniversityofTechnology,Hefei230009,China)

Taking the argument on the set of sewage outlets of sewage treatment plants of Taoxin Town, Wuhu City as an example, and according to the characteristics of receiving water, we calculated pollutant carrying capacity of the river and predicted the water quality by using lake (reservoir) uniform mixture model.We analyzed the effect on water quality forecast results caused by synthesis attenuation coefficient. We discussed the methods to ascertain the comprehensive attenuation coefficient so as to make the result of water quality forecast more trustworthy under the condition of lacking data. We offered a plan of combining the local water and ditch as an artificial wetland to decompose the drainage of the sewage plant. Water decomposed by the artificial wetland could meet the water management standard for the receiving water. Finally, we discussed the key points of the argument on the set of sewage outlets and some problems that should be minded so as to provide

for the argument on the set of sewage outlets.

lake (reservoir) uniform mixture model; pollutant carrying capacity; water quality forecast; comprehensive attenuation coefficient; wetland system decomposition

10.3880/j.issn.1004-6933.2015.02.017

吳春霞(1989—),女(壯族),碩士研究生,研究方向為水文學及水資源。E-mail:735289409@qq.com

X522

B

1004-6933(2015)02-0084-05

2014-05-09 編輯：高渭文)