楊丙峰

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司, 天津 300251)

污水排海管道工程設(shè)計(jì)與陸地上污水管道設(shè)計(jì)有許多不同之處，排海管道要堅(jiān)持“以海定陸”的原則，即實(shí)行污水排放的總量控制，根據(jù)排污海域的水動(dòng)力狀況和海水自凈能力確定污水排?；旌蠀^(qū)，污水排放總量應(yīng)在污水排?；旌蠀^(qū)環(huán)境容量允許范圍之內(nèi)，污水排海管道不允許排放有害有毒污水。

本文結(jié)合廣西欽州的造紙廠污水排海工程，分析污水排海的特點(diǎn)和工藝設(shè)計(jì)參數(shù)。污水處理規(guī)模，第一期排海的廢水量為10×104m3/d，第二期排海的廢水量為20×104m3/d，排海管的污水排放能力應(yīng)按遠(yuǎn)期污水量設(shè)計(jì)，即20×104m3/d，

污水處理廠總變化系數(shù)采用1.2，排海管道設(shè)計(jì)流量為2.778 m3/s。

1 工藝方案設(shè)計(jì)

本工程設(shè)計(jì)污水處理廠的出水水質(zhì)如下[1]：

CODcr≤250 mg/L，BOD≤20 mg/L，SS≤50 mg/L，Temp≤40 ℃，pH 6～9。

排海點(diǎn)混合區(qū)范圍的水質(zhì)要求應(yīng)根據(jù)排海污水與受納水體的CODMn背景值之和不超過《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》GB 3097—1997規(guī)定的海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)來確定(CODMn<5 mg/L)，混合區(qū)允許超過規(guī)定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但是不能形成油膜、難聞的氣味和可見的混濁云斑[2]。

排海管道的線路根據(jù)欽州市建設(shè)規(guī)劃委員會(huì)審批的線路走向，選定為穿過規(guī)劃的欽州港東航道的一個(gè)符合規(guī)定的并且經(jīng)濟(jì)節(jié)省的深海排放點(diǎn)。

排海管道工程由出水泵站、高位井、放流管、擴(kuò)散器、警戒裝置、應(yīng)急排放管等組成。工藝如圖1。

圖1 污水排海工藝示意圖

2 設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 出水泵站

在污水處理廠處理后排放的污水要通過出水泵站提升至高位調(diào)壓井，滿足污水排海所需要的水頭。出水泵站的土建按遠(yuǎn)期流量設(shè)計(jì)，設(shè)備按近期安裝3套潛水排污泵，2用1備，裝機(jī)功率555 kW，運(yùn)行功率370 kW。預(yù)留遠(yuǎn)期設(shè)備位置，遠(yuǎn)期增加同型號(hào)潛水排污泵2套。水泵的開、停根據(jù)集水井內(nèi)的水位自動(dòng)控制，并采用先開先停、先停先開的方式輪換運(yùn)行。

2.2 高位井

高位井的土建按遠(yuǎn)期流量設(shè)計(jì)，控制水位(HC)需要克服排放管水頭損失HG，考慮擴(kuò)散器內(nèi)外海水和污水的密度差(H1)、設(shè)計(jì)的最高潮位(H2)、剩余水頭(H3)以及浪高(HW)等因素。

2.2.1HG計(jì)算

排放管水頭損失HG主要包括放流管沿程水頭損失以及擴(kuò)散器局部水頭損失。

放流管采用DN1600鋼管，摩阻損失1 000i=1.11，計(jì)算管長(zhǎng)7 250 m，局部損失按10%計(jì)，則放流管的摩阻損失=7.250×1.11×(1+10%)，取8.85 m；

擴(kuò)散器局部水頭損失主要包括小比例異徑三通、上升管及噴頭局部水頭損失，根據(jù)計(jì)算，總摩阻系數(shù)為2.77，上升管采用DN200鋼管40個(gè)，單個(gè)流量2.778/40=0.069 4 m3/s，流速為2.28 m/s，則擴(kuò)散器局部摩阻損失為：

則HG=8.85+0.73=9.58 m

2.2.2H1計(jì)算

海水密度是指單位體積中所含的海水質(zhì)量，海水密度是溫度、鹽度和壓力的函數(shù)。由于缺乏實(shí)測(cè)資料，欽州灣海域的海水密度沒有準(zhǔn)確的數(shù)值。根據(jù)《中國(guó)的海洋》論述，南海的表層等密度線幾乎呈緯向分布，密度值由北往南隨著緯度的遞減而降低。冬季南海中部為1.021 5～1.023 0，北部灣為1.023 0～1.023 5。夏季海水表層密度為一年中密度最低的季節(jié)，夏季南海中部表層密度為1.021 0，北部灣為1.018 0～1.020 0[3]。據(jù)此海水密度設(shè)計(jì)值ρa(bǔ)取1.022。

污水密度ρ0取1.0

H為上升管噴口至海平面的距離，上升管噴口標(biāo)高-18.5 m，高潮位+6.57 m，則H=25.07

2.2.3 其他參數(shù)取值

設(shè)計(jì)最高潮位H2：+6.57 m，剩余水頭H3：0.5 m，浪高HW：1.73 m。

則高位井控制水位HC(總水頭)：

HC=HG+H1+H2+H3+HW=9.58+0.55+6.57+0.5+1.73=18.93 m

HC設(shè)計(jì)值可以采用+19.0 m。

本工程設(shè)計(jì)的高位井實(shí)際井頂標(biāo)高為+22.0 m，主要是考慮到排海管道2 m的沖洗水頭以及高位井的超高等因素。高位井的平面尺寸為17 m×10 m，設(shè)有正常情況下使用的排放管以及緊急情況下使用的應(yīng)急排放管。

2.3 放流管

排海管道是本工程的重點(diǎn)，具有投資大、風(fēng)險(xiǎn)高的特點(diǎn)。排海管道又分為正常排放管和應(yīng)急排放管兩種，設(shè)計(jì)參數(shù)全部按遠(yuǎn)期污水排放規(guī)?？紤]。應(yīng)急排放管僅在事故、檢修等特殊情況下使用。

放流管設(shè)計(jì)要注意以下幾點(diǎn)：

(1)放流管直徑按遠(yuǎn)期流量設(shè)計(jì)，用近期最小流量校核。設(shè)計(jì)流速要大于等于0.6 m/s的自凈流速，一般不超過2 m/s的最大流速。

(2)管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)中，以設(shè)計(jì)內(nèi)外壓作為最大內(nèi)徑計(jì)算依據(jù)，應(yīng)能承受最大可能外壓。管道設(shè)計(jì)溫度范圍為-20 ℃～60 ℃。排污管如需轉(zhuǎn)彎，其拐角應(yīng)大于120°[4]。

(3)污水排海管道的埋深根據(jù)埋管地帶的船只數(shù)量、噸位，錨的尺寸、重量及管道外經(jīng)、壁厚，浪潮流對(duì)海底的沖刷作用，海底的地質(zhì)狀況，計(jì)算最佳的管道埋深值[4]。海底直接鋪設(shè)，要有穩(wěn)管措施；管道埋設(shè)時(shí)，其上緣埋設(shè)深度不小于1.0 m。

(4)污水排海管與其它海底管線之間的水平凈距應(yīng)達(dá)30 m以上。與海底易爆、強(qiáng)輻射等危險(xiǎn)物之間的距離應(yīng)保持在500 m以上。

(5)污水排海管不應(yīng)與其他海底管線(如海纜、海底油氣或供水管道)交叉，如交叉不可避免時(shí)應(yīng)敷設(shè)在它們的下面，垂直凈距應(yīng)達(dá)0.5 m以上。

(6)放流管走向與海流的流向垂直，放流管末端的水深應(yīng)大于10 m，并保證擴(kuò)散器第一個(gè)孔口排出的污水到達(dá)水面時(shí)發(fā)生的羽流的邊緣不觸及海岸[4]。

本工程通過技術(shù)、工程造價(jià)、50年運(yùn)行費(fèi)等多方面進(jìn)行技術(shù)、經(jīng)濟(jì)比較，確定放流管管徑為1 600 mm。

本工程對(duì)鋼管、球墨鑄鐵管、預(yù)應(yīng)力鋼套筒管、玻璃鋼管從抗腐蝕能力、抗高壓條件、抗水錘能力、粗糙度、使用壽命、適應(yīng)地形變化能力、施工方法、對(duì)基礎(chǔ)要求等多方面進(jìn)行了對(duì)比分析。本工程的地層條件為泥沙，地質(zhì)條件較差，對(duì)管材的抗沉降要求較高，球墨鑄鐵管和預(yù)應(yīng)力混凝土管由于自重大、接頭多，在海上施工難度太大，一般不予考慮用在長(zhǎng)距離的排海設(shè)計(jì)中；玻璃鋼管由于使用壽命不詳，在實(shí)際的給水工程中由于多方面的原因，出現(xiàn)的爆管次數(shù)相對(duì)較多，并且對(duì)基礎(chǔ)要求比較高，為確保安全排水，本工程選用鋼管為輸送管道以增加長(zhǎng)距離排水管道對(duì)軟土地基的適應(yīng)能力和滿足不同施工方法的需要。

2.4 擴(kuò)散器

擴(kuò)散器是本工程的技術(shù)關(guān)鍵，其長(zhǎng)度和稀釋擴(kuò)散效果成正比，但也和基建費(fèi)用成正比。因此，在確保近區(qū)混合區(qū)的水質(zhì)滿足有關(guān)國(guó)家規(guī)范的前提下，充分考慮水量、初始稀釋度、有效水深、密度差以及水動(dòng)力狀況等因素，合理確定擴(kuò)散器長(zhǎng)度，盡量降低工程費(fèi)用。

擴(kuò)散器設(shè)計(jì)要注意以下幾點(diǎn)：

(1)擴(kuò)散器一般分為Ⅰ、T、Y三種類型。具體采用哪種類型由水流速度確定，在強(qiáng)流區(qū)，當(dāng)水流速度大于1.5 m/s時(shí)，擴(kuò)散器走向不應(yīng)與流向垂直，相反在弱流區(qū)，當(dāng)流速小于0.5 m/s時(shí)，擴(kuò)散器走向應(yīng)盡量與流向垂直。

(2)擴(kuò)散器所在海域應(yīng)在10 m等深線以下，并使立管—噴口型擴(kuò)散器的立管在大潮低潮時(shí)也不露出水面。

(3)擴(kuò)散器的長(zhǎng)度和孔口設(shè)計(jì)應(yīng)滿足規(guī)定的稀釋倍數(shù)要求[4]。

(4)擴(kuò)散器噴口的間距約等于噴口至水面深度的1/3，要保證污水在初始稀釋擴(kuò)散過程中相互不重疊[4]。

(5)擴(kuò)散器中的流速應(yīng)達(dá)到自凈流速，即不小于0.6 m/s；噴口出流應(yīng)有足夠大的速率，設(shè)計(jì)采用的弗汝德數(shù)Fr>1.0。

(6)擴(kuò)散器開口總面積應(yīng)小于放流管的橫截面積。

根據(jù)本工程環(huán)境影響報(bào)告中資料，欽州灣漲、落潮海水流向?yàn)槟媳毕?，流速一般小?節(jié)(1節(jié)=0.514 4 m/s)，強(qiáng)潮時(shí)流速也只達(dá)到2節(jié)，排海主干管的擴(kuò)散器方向?yàn)闁|西向，具有較好的海水稀釋和擴(kuò)散條件，本工程選擇Ⅰ型擴(kuò)散器。

擴(kuò)散器長(zhǎng)度與污水排放量、初始稀釋度、污水最大浮升高度、海水密度等有關(guān)，影響較大的是初始稀釋度的選擇，初始稀釋度又與污水排放的水質(zhì)、海洋本底濃度、海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)等因素有關(guān)[5]。初始稀釋度可以用下式[4]求出：

式中：

Sreq—初始稀釋度；

Sd—再稀釋度；

C0—污水中污染物濃度；

Cs—污水中污染物的水質(zhì)目標(biāo)；

Cp—海洋中污染物的背景濃度；

λ—衰減率；

t—污染羽流歷時(shí)。

污水排放的CODCr指標(biāo)為250 mg/L，污水中污染物的水質(zhì)目標(biāo)CODMn<5 mg/L；由于缺乏實(shí)測(cè)資料，根據(jù)《中國(guó)的海洋》的論述，南海COD無(wú)一超標(biāo)現(xiàn)象，平均值最低為0.45 mg/L[3]，設(shè)計(jì)海洋中污染物的背景濃度采用CODMn=1.5 mg/L。如果根據(jù)污水平均排放濃度，在不考慮再稀釋度的情況下，由公式中可以得出Sreq≥36即可。

根據(jù)《污水海洋處置工程污染控制標(biāo)準(zhǔn)》[2]的要求，第三類海域一年90%時(shí)間保證率下初始稀釋度不小于45；設(shè)計(jì)初始稀釋度采用Sreq=50。

擴(kuò)散器長(zhǎng)度可根據(jù)如下公式[4]計(jì)算：

LD=4.27Q(g′)-1/2(Sc/h)3/2

式中：

LD—擴(kuò)散器長(zhǎng)度；

Q—排放的污水總量2.778 m3/s；

g—重力加速度9.81；

ρ0—污水密度1.0；

ρa(bǔ)—周圍海水密度1.023；

Sc—憩潮時(shí)羽流軸線處的起始稀釋度50；

h—污水排放深度18.5 m，滿足當(dāng)?shù)匾?guī)劃的15萬(wàn)噸級(jí)航船所需航道標(biāo)高。

根據(jù)計(jì)算擴(kuò)散器長(zhǎng)度設(shè)計(jì)值采用200 m，Sc為73，可以很好的滿足污染物的擴(kuò)散要求。

擴(kuò)散器最末端采用45°彎管伸出海底，并安裝口徑1 000 mm的翻板閘門，平時(shí)關(guān)閉，進(jìn)行沖洗時(shí)利用高位井中的沖洗時(shí)水位壓差自動(dòng)打開。

污水排海能力還和擴(kuò)散器的噴口數(shù)有著密切的關(guān)系。而噴口數(shù)主要由擴(kuò)散器長(zhǎng)度(LD)和污水排放深度(h)確定，可根據(jù)如下公式[4]計(jì)算：

本工程擴(kuò)散器噴口數(shù)設(shè)計(jì)采用40個(gè)，噴口選用DN200的鴨嘴式噴口，不僅可以保證擴(kuò)散效果，而且能將造價(jià)控制在合理區(qū)間。

設(shè)計(jì)的上升管總面積應(yīng)小于擴(kuò)散器斷面面積，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)其面積比在60%～70%之間為宜[4]。本設(shè)計(jì)上升管內(nèi)徑采用為200 mm時(shí)，斷面面積0.031×40=1.26 m2，擴(kuò)散管內(nèi)徑采用1 600 mm，斷面面積2.01 m2，則其面積比=1.26/2.01=62.7%，滿足要求。

2.5 應(yīng)急排放管

當(dāng)污水排海時(shí)，遇到偶然或突發(fā)事件的情況下，將通過事故應(yīng)急排放管排出。出口位置應(yīng)征得有關(guān)部門同意，允許事故排放。出口盡量不要建在旅游、水產(chǎn)等對(duì)水質(zhì)要求過高的區(qū)域。本工程根據(jù)規(guī)劃要求，應(yīng)急排放管出口為濱海公路涵洞，并適當(dāng)考慮擴(kuò)散問題。本工程應(yīng)急排放管設(shè)計(jì)采用150 m，其中擴(kuò)散管部分為40 m。

為防止海水、泥沙倒灌，噴頭采用鴨嘴閥，共計(jì)4個(gè)，鴨嘴閥口徑為800 mm，經(jīng)水力計(jì)算，應(yīng)急排放管能滿足高潮位、大流量時(shí)的排放要求。

3 警戒裝置

該排海工程采用潛沒深水排放方式，放流管海底埋設(shè)，擴(kuò)散器的上升管噴頭露出海床面約1.5 m，擴(kuò)散口位于15萬(wàn)噸級(jí)的東航道，為了確保水下放流管和擴(kuò)散器及上升管的安全和船舶航行安全，排海管道擴(kuò)散器端部設(shè)置警戒裝置系統(tǒng)。

排海管道起點(diǎn)高位進(jìn)南側(cè)井壁上設(shè)置大型警告牌。

排海管道擴(kuò)散器端部設(shè)置警示燈。采用鋼筋砼結(jié)構(gòu)的樁基式水中燈樁。燈樁按矩形布置,跨在擴(kuò)散器端部?jī)蓚?cè)，距離30 m。

4 管道防腐

與海水接觸的鋼管及金屬構(gòu)件均須采取高標(biāo)準(zhǔn)的防腐措施。排海鋼管采用內(nèi)外防腐，內(nèi)防腐采用水泥砂漿，外防腐時(shí)管線中所有鋼管及鋼制管件在涂漆前必須進(jìn)行表面除銹處理，達(dá)到Sa2.5級(jí)后，再做犧牲陽(yáng)極保護(hù)，陽(yáng)極采用鋅合金陽(yáng)極塊，每隔10 m設(shè)置一塊。然后采用比利時(shí)的鋅加產(chǎn)品底涂和環(huán)氧瀝青漆面涂配套防腐，鋅加產(chǎn)品內(nèi)含鋅粒純度高，因此它不僅有優(yōu)異的陰極保護(hù)作用，而且具有一般有機(jī)涂料的屏蔽保護(hù)作用[6]。本工程的鋅加鍍層膜厚80 μm，外面再做四油二布，防腐標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行《埋地鋼質(zhì)管道環(huán)氧煤瀝青防腐層技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》。兩種涂層防腐，可保證50年的防腐壽命。

5 小結(jié)

由于污水的排?？偭恳刂圃诤Ｋ詢裟芰θ萘吭试S的范圍之內(nèi)，這就導(dǎo)致大多數(shù)排海管道需要鋪設(shè)到遠(yuǎn)離海岸線且具有一定深度的海洋中，因此污水排海工程中放流管是重點(diǎn)，具有投資高、風(fēng)險(xiǎn)大的特點(diǎn)。另外高位井、擴(kuò)散器則是本工程的技術(shù)關(guān)鍵，其設(shè)計(jì)參數(shù)決定污水稀釋的效果。本文通過工程實(shí)例詳細(xì)介紹了出水泵站、高位井、放流管、擴(kuò)散器的設(shè)計(jì)參數(shù)的選用，總結(jié)了放流管、擴(kuò)散器的設(shè)計(jì)要點(diǎn)和注意事項(xiàng)，介紹了管道防腐的方法，為污水排海工程的工程設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供了重要依據(jù)。

[1] GB 8978—1996, 污水綜合排放標(biāo)準(zhǔn)[S].

[2] GB 18486—2001, 污水海洋處置工程污染控制標(biāo)準(zhǔn)[S].

[3] 編輯. 中國(guó)自然地理知識(shí)叢書: 中國(guó)的海洋[M].北京：商務(wù)印書館, 1992.

[4] GB/T 19570—2004, 污水排海管道工程技術(shù)規(guī)范[S].

[5] 陸斌. 嘉興市污水排海工程的設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)給水排水, 2004(1)：58-61.

[6] GB 4948—2002,鋁—鋅—銦系合金犧牲陽(yáng)極[S].