王韜翔,徐家棟
(1.臺(tái)州市環(huán)科環(huán)保設(shè)備運(yùn)營(yíng)維護(hù)有限公司,浙江 臺(tái)州 318000;2.臺(tái)州市污染防治工程技術(shù)中心,浙江 臺(tái)州 318000)
臺(tái)州某污水廠一期工程于2012 年4月投入運(yùn)行,處理規(guī)模1.95萬(wàn)m3/d,出水執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)中的一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn),為所在區(qū)域東南部排水區(qū)帶來(lái)了顯著的環(huán)境效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。隨著近年來(lái)服務(wù)范圍內(nèi)污水量的增長(zhǎng),污水廠處理污水量已逐漸達(dá)到設(shè)計(jì)規(guī)模,因此需啟動(dòng)污水廠擴(kuò)建工作。2015年,當(dāng)?shù)卣匍_(kāi)關(guān)于提高污水處理廠出水排放標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)問(wèn)題協(xié)調(diào)會(huì)議,明確提出城鎮(zhèn)污水處理廠出水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)提高到準(zhǔn)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn),并對(duì)各項(xiàng)指標(biāo)提出明確限制值,該排放標(biāo)準(zhǔn)與一級(jí)A 標(biāo)準(zhǔn)相比,各項(xiàng)污染物指標(biāo)排放濃度全面降低,對(duì)于污水中污染物削減量進(jìn)一步提升,能夠更大限度地保護(hù)區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量,改善水資源結(jié)構(gòu)。鑒于此,當(dāng)?shù)毓芾聿块T(mén)決定實(shí)施該工程,通過(guò)工程建設(shè),結(jié)合污水收集管網(wǎng)的不斷完善,在所在區(qū)域以南的地區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)及工業(yè)區(qū)塊范圍內(nèi)建立起較為完善的污水處理設(shè)施建管體系,提高城區(qū)、鄉(xiāng)鎮(zhèn)生活污水的收集處理率,實(shí)現(xiàn)地區(qū)水環(huán)境的基本改善,保護(hù)金清河網(wǎng)水體。
納污水體南官河來(lái)自長(zhǎng)潭水庫(kù)和秀嶺水庫(kù),自黃巖城關(guān)東禪橋南行,至十里鋪、藥山灘,再東南至璜山頭,由西向東,經(jīng)過(guò)崇山峻嶺、平原草地和城區(qū)的各大街道,最終匯集一起流向金清港,并流入大海,全長(zhǎng)65 km,河道寬度18~25 m,水深1.8~3.8 m。
本次污水處理工程位于南官河上游的溫州河,根據(jù)資料調(diào)查所得,溫州河90%保證率最枯月流量為0.44 m3/s,枯水期間溫州河水面寬度為8 m,流速為0.05 m/s,水深為1.1 m;溫州河平均流量為0.76 m3/s,平水期溫州河水面寬度為8 m,流速為0.05 m/s,水深為1.9 m。該段南官河90%保證率最枯月流量為2.5 m3/s,枯水期間南官河水面寬度為20 m,流速為0.05 m/s,水深為2.5 m;該段南官河平均流量為3.5 m3/s,平水期南官河水面寬度為20 m,流速為0.05 m/s,水深為3.5 m。
本工程排污口下游6.3 km處為南官河黃巖區(qū)和路橋區(qū)的交界斷面(壩頭閘,水質(zhì)目標(biāo)Ⅲ類),下游22.3 km處為南官河路橋區(qū)和溫嶺市的交界斷面(澤國(guó),水質(zhì)目標(biāo)Ⅲ類)。工程擬建排污口至南官河路橋區(qū)和溫嶺市的Ⅲ類水質(zhì)交界斷面無(wú)生活飲用水取水設(shè)置,無(wú)特殊保護(hù)魚(yú)類資源,其間亦無(wú)其他集中污染排放口設(shè)置。
采用丹麥水力學(xué)研究所研制的平面二維數(shù)值模型MIKE21FM來(lái)計(jì)算污水排放水域的流場(chǎng)和水質(zhì)擴(kuò)散,模型采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格剖分計(jì)算域,三角網(wǎng)格能較好的擬合岸界,網(wǎng)格設(shè)計(jì)靈活且可隨意控制網(wǎng)格疏密,該軟件具有算法可靠、計(jì)算穩(wěn)定、界面友好、前后處理功能強(qiáng)大等優(yōu)點(diǎn),已在全球70多個(gè)國(guó)家得到應(yīng)用,有數(shù)百例成功算例,計(jì)算結(jié)果可靠,為國(guó)際所公認(rèn)[1~4]。MIKE21FM采用標(biāo)準(zhǔn)有限體積法進(jìn)行水平空間離散,在時(shí)間上,采用一階顯式歐拉差分格式離散動(dòng)量方程與輸運(yùn)方程X[1~4]。
質(zhì)量守恒方程:
(1)
動(dòng)量方程:
(2)
(3)
對(duì)流擴(kuò)散基本方程:
(4)
初始條件:
(5)
計(jì)算區(qū)域見(jiàn)圖1~4。由于黃巖區(qū)河網(wǎng)內(nèi)部河道多而復(fù)雜,為便于計(jì)算,首先必須將內(nèi)部河道進(jìn)行概化,形成一個(gè)有河道、有節(jié)點(diǎn)的概化河網(wǎng)。 河網(wǎng)概化主要是把一些對(duì)水力計(jì)算影響不大的小河道進(jìn)行技術(shù)合并,概化成若干條假想的河道,并將天然河道的不規(guī)則斷面概化成規(guī)則的梯形斷面。概化后的每一條河段,需要確定以下幾個(gè)參數(shù):河底寬度、河底高程、邊坡系數(shù)、糙率的劃分。
圖1 模型計(jì)算區(qū)域示意
概化時(shí)將主要的輸水河道納入計(jì)算范圍,將次要的河道和水體根據(jù)等效原理, 歸并為單一河道和節(jié)點(diǎn),使概化前后河道的輸水能力相等、調(diào)蓄能力不變。當(dāng)這些次要的平行河道具有斷面資料,且首末節(jié)點(diǎn)相同時(shí),可以用水力學(xué)的方法,根據(jù)過(guò)水能力相同的原理,求得合并概化河道的斷面參數(shù)。對(duì)于水系內(nèi)不參加水流輸送的一些小河、池塘等,其調(diào)蓄作用不可忽視,采用調(diào)蓄不變?cè)瓌t模擬概化河網(wǎng)以外的調(diào)蓄作用,使概化前后河道的總調(diào)蓄容積不變。
為了模擬黃巖區(qū)河網(wǎng)水量水質(zhì)的時(shí)空變化, 進(jìn)而為整個(gè)黃巖區(qū)環(huán)境容量總量控制方案計(jì)算提供科學(xué)依據(jù), 建立了黃巖區(qū)河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型。 將黃巖區(qū)包括永寧江水系、 金清河網(wǎng)在內(nèi)的 20 條河流進(jìn)行概化和水量水質(zhì)計(jì)算。
枯水期時(shí),采用各河段枯季平均水深,平水期時(shí),采用各河段平水期平均水深。
邊界條件是河網(wǎng)數(shù)學(xué)模型的主要約束條件,本模型考慮了兩種邊界屬性分別為外部邊界、內(nèi)部邊界。外部邊界即開(kāi)邊界,是指控制計(jì)算區(qū)域內(nèi)、外水體交換的約束條件,開(kāi)邊界在模型運(yùn)算中是必不可少的,本模型主要選取平原河網(wǎng)中與外部重要水體連接的主要河道;內(nèi)部邊界是指模型計(jì)算范圍內(nèi)以點(diǎn)源或面源形式給出的排水口。
模型計(jì)算時(shí)間步長(zhǎng)根據(jù)CFL條件進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整,確保模型計(jì)算穩(wěn)定進(jìn)行,平均時(shí)間步長(zhǎng)0.5 s。
采用考慮亞尺度網(wǎng)格效應(yīng)的Smagorinsky (1963) 公式計(jì)算水平渦粘系數(shù),表達(dá)式如下:
(6)
圖2 模型計(jì)算區(qū)域(項(xiàng)目附近)
根據(jù)計(jì)算區(qū)域水文邊界條件,利用模型對(duì)各計(jì)算河網(wǎng)(或河道區(qū))各河段的流量和水深、流速等水文條件進(jìn)行調(diào)試,使本項(xiàng)目所在河段溫州河和南官河的流量(及水深)符合90%枯水期和平水期水文條件,在此基礎(chǔ)進(jìn)一步計(jì)算本項(xiàng)目污水排放對(duì)水域水質(zhì)的影響(圖4)。
圖3 模型計(jì)算網(wǎng)格圖(項(xiàng)目附近)
圖4 項(xiàng)目排污口附近流場(chǎng)
黃巖區(qū)河網(wǎng)水域污染物COD、氨氮和總磷降解系數(shù)分別為0.10-0.12d-1、0.10~0.12d-1和0.04~0.06d-1。
根據(jù)排污口上下游水質(zhì)現(xiàn)狀調(diào)查結(jié)果,溫州河水域COD、氨氮和總磷現(xiàn)狀水質(zhì)濃度分別為27 mg/L、1.21 mg/L和0.293 mg/L,南官河水域COD、氨氮和總磷現(xiàn)狀水質(zhì)濃度分別為38 mg/L、1.97 mg/L和0.395 mg/L。溫州河和南官河水域水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)為三類,COD、氨氮和總磷標(biāo)準(zhǔn)限值分別為20 mg/L、1.0 mg/L和0.2 mg/L。
本項(xiàng)目污水排放規(guī)模包括一期工程的1.95萬(wàn)t/d和二期工程的4萬(wàn)t/d,其中一期工程水量不變,尾水排放標(biāo)準(zhǔn)提高,下游河段和監(jiān)測(cè)斷面水質(zhì)將有所改善;二期工程為新增排放量。模型在制定預(yù)測(cè)時(shí),考慮了一期工程提標(biāo)改造后尾水排放產(chǎn)生的環(huán)境正效益。同時(shí)考慮了未來(lái)隨著本工程的實(shí)施,溫州河、南官河的水質(zhì)整體改善后,整體水質(zhì)達(dá)到Ⅲ類水體標(biāo)準(zhǔn)時(shí),本項(xiàng)目污水的排放對(duì)納污水體的影響也進(jìn)行了預(yù)測(cè)(上游來(lái)水的水質(zhì)COD 取20 mg/L,NH3-N 取1.0 mg/L,TP 取0.2 mg/L),模型預(yù)測(cè)時(shí),考慮不同水期(平水期和90%保證率的枯水期),以及不同工況(正常工況和非正常工況,非正常工況按進(jìn)水水質(zhì)的50%計(jì)),制定預(yù)測(cè)方案,詳見(jiàn)表1。
表1 水質(zhì)預(yù)測(cè)方案
排放口利用現(xiàn)有污水廠一期工程排放口,采用就近排放原則,排放方式采用河中心排放。
計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2、3和圖5~16。上游(溫州河、南官河)現(xiàn)狀水質(zhì):在上游現(xiàn)狀來(lái)水水質(zhì)條件下,無(wú)論在90%保證率的枯水期還是平水期,在正常工況和非正常工況下,排放口下游COD、氨氮和總磷濃度超標(biāo)距離均大于22km,污染超標(biāo)范圍可到路橋區(qū)與溫嶺市交界處(澤國(guó))。
圖5 上游來(lái)水水質(zhì)改善后,枯水期+正常工況條件下,各河段COD濃度分布
表2 各計(jì)算方案排放口下游不同距離濃度值 mg/L
上游Ⅲ類水質(zhì):隨著本工程的實(shí)施,在上游來(lái)水水質(zhì)改善為Ⅲ類水質(zhì)條件下,在90%保證率的枯水期,在正常工況下,COD在下游4.2 km范圍內(nèi)均超標(biāo),4.2 km后能夠達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);氨氮在下游7.5 km范圍內(nèi)均超標(biāo),7.5 km后能夠達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);總磷在下游4.7 km范圍內(nèi)均超標(biāo),4.7 km后能夠達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。在非正常工況下,排放口下游COD、氨氮和總磷濃度超標(biāo)距離均大于22 km,污染超標(biāo)范圍可到路橋區(qū)與溫嶺市交界處(澤國(guó))。
在平水期,在正常工況下,COD在下游3.9 km范圍內(nèi)均超標(biāo),3.9 km后能夠達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);氨氮在下游6.5 km范圍內(nèi)均超標(biāo),6.5 km后能夠達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn);總磷在下游4.6 km范圍內(nèi)均超標(biāo),4.6 km后能夠達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。在非正常工況下,排放口下游COD、氨氮和總磷濃度超標(biāo)距離均大于22 km,污染超標(biāo)范圍可到路橋區(qū)與溫嶺市交界處(澤國(guó))。
汛期北排對(duì)永寧江水質(zhì)影響:根據(jù)預(yù)測(cè),汛期北排對(duì)西江與永寧江交界處水質(zhì)COD濃度貢獻(xiàn)值為0.27 mg/L,NH3濃度貢獻(xiàn)值為0.052 mg/L,NH3濃度貢獻(xiàn)值為0.007 mg/L。
因此,在上游現(xiàn)狀水質(zhì)條件下,無(wú)論是正常工況還是非正常工況,排放口下游COD、氨氮和總磷濃度超標(biāo)距離均大于22 km,污染超標(biāo)范圍可到路橋區(qū)與溫嶺市交界處(澤國(guó))。隨著本工程的實(shí)施,上游來(lái)水水質(zhì)得到改善,由現(xiàn)狀劣Ⅴ類改善至Ⅲ類水質(zhì)時(shí),在正常工況下,排放口下游一定距離(3.9~7.5 km)內(nèi),水質(zhì)超標(biāo),超過(guò)該距離后,水質(zhì)能夠達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)??梢?jiàn)本工程的實(shí)施對(duì)區(qū)域水質(zhì)的改善和正效益明顯。在汛期北排時(shí),因水量較大,水體稀釋擴(kuò)散條件好,項(xiàng)目排污對(duì)永寧江水質(zhì)影響較小。
對(duì)交界斷面的影響:在上游現(xiàn)狀來(lái)水水質(zhì)情況下,在正常或非正常工況下,無(wú)論枯水期還是平水期,壩頭閘和澤國(guó)河段水質(zhì)COD和氨氮、總磷均超標(biāo)。隨著本工程的實(shí)施,上游來(lái)水水質(zhì)得到改善,由現(xiàn)狀劣Ⅴ類改善至Ⅲ類水質(zhì)時(shí),在正常工況下,無(wú)論枯水期還是平水期,壩頭閘斷面COD和總磷能達(dá)標(biāo),氨氮略有超標(biāo);澤國(guó)斷面水質(zhì)COD、氨氮和總磷均能達(dá)標(biāo)。在非正常工況時(shí),兩個(gè)斷面COD和氨氮、總磷均超標(biāo)。汛期北排時(shí),本項(xiàng)目污水排放對(duì)壩頭閘斷面和澤國(guó)斷面沒(méi)有影響。
表3 各計(jì)算方案排放口下游交界斷面濃度值 mg/L
圖6 上游來(lái)水水質(zhì)改善后,枯水期+正常工況條件下,各河段氨氮濃度分布
圖7 上游來(lái)水水質(zhì)改善后,枯水期+正常工況條件下,各河段總磷濃度分布
圖8 上游來(lái)水水質(zhì)改善后,枯水期+非正常工況條件下,各河段COD濃度分布
圖9 上游來(lái)水水質(zhì)改善后,枯水期+非正常工況條件下,各河段氨氮濃度分布
圖10 上游來(lái)水水質(zhì)改善后,枯水期+非正常工況條件下,各河段總磷濃度分布
圖11 上游來(lái)水水質(zhì)改善后,平水期+正常工況條件下,各河段COD濃度分布
圖12 上游來(lái)水水質(zhì)改善后,平水期+正常工況條件下,各河段氨氮濃度分布
圖13 上游來(lái)水水質(zhì)改善后,平水期+正常工況條件下,各河段總磷濃度分布
圖14 上游來(lái)水水質(zhì)改善后,平水期+非正常工況條件下,COD最大濃度分布
圖15 上游來(lái)水水質(zhì)改善后,平水期+非正常工況條件下,各河段氨氮濃度分布
圖16 上游來(lái)水水質(zhì)改善后,平水期+非正常工況條件下,各河段總磷濃度分布
對(duì)于納污水體溫州河、南官河,從近期來(lái)看,由于現(xiàn)狀水質(zhì)本身為Ⅳ類、Ⅴ類,甚至劣Ⅴ類水,本工程準(zhǔn)Ⅳ類水的排放,可視作為溫州河、南官河的生態(tài)補(bǔ)水,有利于污染物的稀釋凈化,會(huì)使溫州河、南官河水質(zhì)的有所改善;從遠(yuǎn)期來(lái)看,隨著該工程的建設(shè),區(qū)域內(nèi)越來(lái)越多的生活污水和工業(yè)廢水由分散式排放變?yōu)榧惺占幚?,并按?zhǔn)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)排放,大大減少了廢水污染物的排放量。當(dāng)溫州河、南官河的上游水質(zhì)逐步改善并達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)目標(biāo)時(shí),該工程的排放會(huì)對(duì)溫州河、南官河產(chǎn)生一定的影響(對(duì)交界斷面的貢獻(xiàn)值基本可以達(dá)標(biāo)),尤其是對(duì)溫州河的影響較大(水質(zhì)整體均超標(biāo),建議對(duì)溫州河進(jìn)行生態(tài)化改造),因此建設(shè)單位承諾到時(shí)會(huì)對(duì)污水處理廠的工藝再次進(jìn)行提標(biāo)改造,使污水廠的出水達(dá)到準(zhǔn)Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn),減一步減少對(duì)納污水體溫州河、南官河水質(zhì)的影響,從而使下游的交界斷面(壩頭閘和澤國(guó))的水質(zhì)也能穩(wěn)定達(dá)到Ⅲ類水體標(biāo)準(zhǔn)。
本工程污水的排放:在時(shí)間上,枯水期比平水期的影響范圍要廣;在工況上,在非正常工況下,污染帶的長(zhǎng)度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常工況污染帶的長(zhǎng)度,因此應(yīng)竭力避免非正常工況的發(fā)生。
7.2.1 區(qū)域水質(zhì)現(xiàn)狀分析
根據(jù)《臺(tái)州市環(huán)境狀況公報(bào)》(2016),隨著該污水處理廠一期工程的投入運(yùn)行,以及“五水共冶”等一系列措施的實(shí)施,該工程所在的金清河網(wǎng)2016年總體水質(zhì)屬重度污染,主要污染指標(biāo)為氨氮、總磷和石油類,整個(gè)河網(wǎng)中,45.8%的斷面水質(zhì)屬劣Ⅴ類水。與2015年相比,劣Ⅴ類斷面比例減少41.7%,總體水質(zhì)明顯改善。
該污水處理廠二期工程的服務(wù)范圍為黃巖東南部區(qū)排水區(qū)(主要為黃巖南城街道、高橋街道、院橋鎮(zhèn)和沙埠鎮(zhèn)),另含澄江街道部分地區(qū)(黃長(zhǎng)復(fù)線以南、甬臺(tái)溫高速公路以西),總計(jì)約47.10km2,較一期工程有所擴(kuò)大,且尾水排放提標(biāo)至準(zhǔn)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn),今后必將更進(jìn)一步改善區(qū)域內(nèi)的金清河水系的水質(zhì)。
7.2.2 工程建設(shè)的必要性分析
本工程的實(shí)施,能夠擴(kuò)大該污水廠的處理規(guī)模,完善處理工藝,改善排放水質(zhì),提高水資源利用效率,充分發(fā)揮其環(huán)境效益和社會(huì)效益,是城市化進(jìn)程的內(nèi)在需求,有利于黃巖區(qū)的可持續(xù)發(fā)展,創(chuàng)造更大的發(fā)展空間。
7.2.3 工程實(shí)施后的正效益分析
根據(jù)水質(zhì)現(xiàn)狀調(diào)查,工程所在區(qū)域河網(wǎng)已受到較為嚴(yán)重的污染,溫州河、南官河及交界斷面壩頭閘和澤國(guó)的水質(zhì)本身已經(jīng)不能滿足Ⅲ類水質(zhì)的要求,為Ⅳ類、Ⅴ類、甚至劣Ⅴ類水。主要原因是區(qū)域內(nèi)尚有一些生活污水和生產(chǎn)廢水未進(jìn)行有效的截污納管而直排附近河道,隨著該工程的建設(shè),區(qū)域內(nèi)越來(lái)越多的生活污水和工業(yè)廢水由分散式排放變?yōu)榧惺占幚?,并提?biāo)至準(zhǔn)Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)排放,大大減少了納污水體廢水污染物的排放量(本工程實(shí)施后區(qū)域內(nèi)COD削減量8469.82 t/年、NH3-N削減量727.53 t/年、TP削減量102.07 t/年),經(jīng)預(yù)測(cè)可知該工程的實(shí)施對(duì)區(qū)域水質(zhì)的改善和正效益明顯,可從根本上改變區(qū)域水環(huán)境質(zhì)量惡化的現(xiàn)狀,逐步改善溫州河、南官河及交界斷面(壩頭閘和澤國(guó))的水質(zhì)。
(1) 工業(yè)廢水必須進(jìn)行預(yù)處理,達(dá)到進(jìn)管標(biāo)準(zhǔn)后放可排入污水廠。各排污企業(yè)必須建設(shè)足夠容量的污水調(diào)節(jié)池,確保排水水質(zhì)穩(wěn)定;各企業(yè)要加強(qiáng)處理,盡量減少?gòu)U水氨氮濃度。
(2) 應(yīng)積極預(yù)防、杜絕事故性排放和嚴(yán)格禁止不加處理的直接排放,做好事故防范措施,以保護(hù)納污水體水質(zhì)。
(3) 從環(huán)保角度考慮,黃巖區(qū)應(yīng)發(fā)展耗水量較小,污染較小的產(chǎn)業(yè)。要求工業(yè)企業(yè)實(shí)行清潔生產(chǎn)、加強(qiáng)廢水廠內(nèi)的循環(huán)利用,倡導(dǎo)節(jié)約用水,降低耗水量,減少工業(yè)廢水進(jìn)入污水廠所占比例,降低工業(yè)發(fā)展對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。
(4) 根據(jù)黃巖分區(qū)規(guī)劃,污水廠所在區(qū)域?qū)?huì)進(jìn)一步開(kāi)發(fā),建設(shè)大量的基礎(chǔ)設(shè)施,當(dāng)?shù)爻鞘谢M(jìn)程將進(jìn)一步加快,適合建設(shè)中水回用的配套管道。該工程處理后的尾水,在條件成熟時(shí)可進(jìn)行中水回用,回用于工業(yè)用水和城市的綠化、道路清掃等。