廢水排海工程設計探討——以廣西金桂漿紙業(yè)有限公司廢水排海工程設計為例

劉 錚　黃文獻

廢水排海工程設計探討——以廣西金桂漿紙業(yè)有限公司廢水排海工程設計為例

劉 錚黃文獻

（華藍設計（集團）有限公司，廣西 南寧 530011）

簡述廣西金桂漿紙業(yè)有限公司廢水排海工程排海管道位置的選擇、系統(tǒng)工藝設計、管道結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性設計。

深海排放；初始稀釋度；放流管；擴散器；管道路由

污（廢）水深海排放是合理利用海洋水體的稀釋擴散作用來降低污染物濃度處理污（廢）水的一種方式，使其很快降到水生生物可容忍的濃度范圍，其目標是利用臨海的區(qū)位優(yōu)勢，在滿足排放標準規(guī)定的水質(zhì)要求前提下，盡量使污水處理系統(tǒng)投資費用合理，從而達到社會、經(jīng)濟、環(huán)境效益的統(tǒng)一，符合建設節(jié)約型和環(huán)境友好型社會的宗旨。污水排海工程的設計，一般由放管線位置的確定、工程參數(shù)包括出口泵站、高位井和排海管道三部分、道結(jié)構(gòu)和施工方法、腐防水設計和警戒裝置設計等內(nèi)容組成［1］。在污水處理工程中，應用集散控制，包括儀表檢測、自動控制中央監(jiān)控、工業(yè)電視監(jiān)控、通訊網(wǎng)絡、電話語音和防雷系統(tǒng)，為污水處理生產(chǎn)運行的安全性、可靠性和生產(chǎn)的連續(xù)性提供了保障，具有較好的效益［2］。廣西金桂漿紙業(yè)有限公司廢水排海工程是廣西壯族自治區(qū)引進外資重點工程——“金桂漿紙業(yè)有限公司林漿紙一體化工程年產(chǎn)60萬噸高檔紙板項目”污水處理廠的附屬工程。本文簡要介紹廣西金桂漿紙業(yè)有限公司廢水排海工程設計。

1　廢水排海工程概述

廣西金桂漿紙業(yè)有限公司位于廣西壯族自治區(qū)欽州市欽南區(qū)大欖坪地區(qū)，是林漿紙一體化生產(chǎn)企業(yè)。企業(yè)主要用水單元有自備熱電廠、制漿生產(chǎn)線、紙板生產(chǎn)線、廠內(nèi)輔助生產(chǎn)構(gòu)筑物和辦公生活區(qū)。廠區(qū)排水系統(tǒng)實行雨污分流，其中漿、紙生產(chǎn)線和其他輔助生產(chǎn)及生活產(chǎn)生的污水經(jīng)廠區(qū)污水管網(wǎng)收集輸送至廠內(nèi)污水處理廠處理，而熱電站產(chǎn)生的清潔下水經(jīng)收集冷卻后由專用管渠系統(tǒng)輸送到指定區(qū)域與污水廠處理水混合，混合廢水經(jīng)廢水排海系統(tǒng)輸送到指定規(guī)劃排污區(qū)域進行深海排放。

1.1水量水質(zhì)

根據(jù)生產(chǎn)工藝和人員用水要求統(tǒng)計，項目排水量為20萬m3·d-1（近期10萬m3·d-1，遠期20 m3·d-1），總變化系數(shù)1.2。

由廠內(nèi)污水處理廠處理水和熱電站清潔下水混合的廢水主要污染物指標有：CODCr≤250mg·l-1、BOD≤2mg·l-1、SS≤50mg·l-1、t≤40℃、pH=6～9，符合《污水綜合排放標準》GB8978-1996）要求的一級標準，同時滿足《污水海洋處置工程污染控制標準》（GB18486-2001）相關(guān)條款的要求［3］。

1.2系統(tǒng)組成

本項目排海系統(tǒng)主要廢水提升系統(tǒng)、放流管、擴散器、應急排放管和警示設備組成［4］。

2　排海管道位置的選擇

2.1污（廢）水混合區(qū)的選擇

本項目廢水為污水處理廠處理后的生產(chǎn)生活污水和熱電站及其他用水的清潔下水混合廢水，總量為20萬m3·d-1。欽州市環(huán)保局給該項目下達的CODCr排放控制總量為3789.3 t·a-1。

項目擬定的混合區(qū)有兩個，分別是鹿耳環(huán)江入?？诤鸵?guī)劃東航道中部。根據(jù)《廣西金桂漿紙業(yè)有限公司林漿紙一體化工程年產(chǎn)60萬噸高檔紙板項目環(huán)境影響報告書》關(guān)于廢水排放污染物COD對水環(huán)境的影響評價預測結(jié)果，擬定的鹿耳環(huán)江排污區(qū)域附近水動力條件差，水流擴散能力較弱，不適合大量污水排放，按如此大量污水排放將對香爐墩、麻藍島及鹿耳環(huán)江周圍海域的水質(zhì)及生態(tài)造成較大的影響。同時，關(guān)于海域水環(huán)境容量的預測結(jié)果指出鹿耳環(huán)江排污區(qū)域已無環(huán)境容量，因此環(huán)境影響評價結(jié)論指出此排污區(qū)域不適合作為本項目的排污區(qū)域。環(huán)評報告推薦廢水排污區(qū)域位于東航道中部。廢水排放污染物COD對水環(huán)境的影響評價預測結(jié)果顯示該區(qū)域水動力為較強區(qū)域，水流擴散能力較強，當項目廢水達標排放時漲潮期和落潮期COD濃度大于4 mg·l-1的影響面積分別為0.54km2、0.11km2，污染影響范圍小，對海域相鄰區(qū)水環(huán)境功能、海域紅樹林等環(huán)境保護項目基本沒有影響。依據(jù)關(guān)于該海域水環(huán)境容量的預測結(jié)果，東航道中部海域水環(huán)境容量約1500萬t·a-1（CODMn），該區(qū)域是欽州市海洋功能區(qū)劃的排污區(qū)，海水水質(zhì)按 《海洋水質(zhì)標準》（GB3097-1997）劃分屬于第三類。因此環(huán)境影響評價結(jié)論指出此區(qū)域適合作為項目處理達標廢水的深海排放排污區(qū)域。工程設計根據(jù)環(huán)評結(jié)論污水混合區(qū)設置在東航道中部附近海域。

另外，設計確定混合區(qū)具體位置時同時考慮了以下因素和條件：混合區(qū)中心起點離海岸低潮線至少200m；常年水深7m以上；海底穩(wěn)定、海域開闊、海底面狀單一，易于管道施工等。

2.2管道路由的確定

路由的選擇應根據(jù)海洋功能區(qū)劃的要求和有利于排海管道路由區(qū)的環(huán)境保護及鄰近海域的可持續(xù)發(fā)展的原則，按照管道工程科學性、可靠性、經(jīng)濟性要求通過比選確定最佳路由。本設計擬定3個路由方案，通過路由勘察、管道路由海洋環(huán)境影響評價、欽州港大欖坪工業(yè)區(qū)和欽州港保稅區(qū)規(guī)劃評審，確定了最終路由方案。該方案從高位井到東航道中部指定混合區(qū)擴散器末端總長約8.7km，陸域段700m，潮汐作用段2900m，淹沒段主要滿足以下條件：

（1）路由經(jīng)現(xiàn)狀陸域部分滿足城市路網(wǎng)規(guī)劃布置要求；

（2）路由經(jīng)現(xiàn)狀海域部分沒有海洋特別保護區(qū)和其他重要生態(tài)環(huán)境區(qū)；

（3）路由區(qū)域海底地質(zhì)構(gòu)造穩(wěn)定，面狀單一，適合工程施工。

3　系統(tǒng)工藝設計

3.1工藝流程

該工程具體的工藝流程如圖1所示。

圖1　工藝流程圖

3.2擴散器設計

3.2.1類型

按布置類型擴散器分I型、T型和Y型三種，根據(jù)洋流方向，海底地形地貌等條件綜合考慮選用。

本設計選擇的排放點處洋流主要方向為西北——東南向回蕩，與放流管末段布置方向基本垂直，較適合用西北——東南向I型擴散器。但從海底地形圖上看現(xiàn)場海底地形情況是海底深槽分布為西北——東南向，而東北——西南向地形起伏變化較大，采用直線型布置擴散器時開挖工程量較大，而且擴散器被流沙回淤堵塞的可能性較大，因此本工程擴散器布置為西北——東南向，與規(guī)劃碼頭岸線平行，可采用T型擴散器或I型擴散器。由于采用T型擴散器時有一半擴散段處于保稅區(qū)建設范圍內(nèi)，對后期的管理有影響，因此，本設計最終采用I型擴散器。

3.2.2長度

擴散器長度計算如公式（1）所示：

Q——污水排放量（m3·s-1）；

g'——折減加速度（m·s-2），g'=（ρa-ρ0）g/ρ0，海水密度取aρ=1.026×103kg ·m-3，0ρ污水密度取0.999×103kg·m-3；

Sc——憩潮時羽流軸線處的起始稀釋度，與初始稀釋度S1的關(guān)系如公式（2）所示：

h——污水排放深度（m）；

u——洋流流速（m·s-1）；

由于現(xiàn)狀海底地形限制，擴散器以多年平均潮位確定排放深度為7.0m，根據(jù)《污水海洋處置工程污染控制標準》（GB18486-2001）中第三類海域初始稀釋度≥45倍的要求，確定排放長度為480m，計算得出當放流管流量Q平均= 2.315m3·s-1時，實際初始稀釋度1S為55.24倍，當Q最大= 2.778 m3·s-1時，實際初始稀釋度1S為48.68倍，滿足各種排放條件下初始稀釋度要求。

3.2.3截面形式、豎管、噴孔和沖洗設施

噴孔數(shù)目hLmD/3=，噴口流速應足夠使佛汝德數(shù)Fr＞1.0。擴散器噴口數(shù)目取240個，噴孔口徑為80mm，噴孔出口安裝鴨嘴形止回閥；采用60根豎管，豎管間間距為8m，豎管管徑為DN200，每根豎管排4個噴孔；擴散器主干管分為6級截面遞減形式，每段約80m。擴散器末端設置J型管和沖洗拍門。

3.3放流管設計

3.3.1管長

從高位井出口到擴散器起點，全長8.21km。

管徑取1600mm，計算得出v平均=1.15m·s-1，v最大=1.40m·s-1，滿足經(jīng)濟流速要求。

3.3.2管材及接口

采用焊接鋼管（Q235B），壁厚14mm（按規(guī)范應不小于D/100，優(yōu)化計算后取值），焊接接口，管道附件及閥門處采用焊接法蘭接口。

3.3.3敷設方式

陸域部分埋管；排海管道海域部分常規(guī)敷設方式主要有海底表面敷設、頂管和開槽埋管等，根據(jù)本項目管道路由勘察結(jié)果，路由范圍主要以志留系砂巖為主，表面覆蓋較薄淤泥或淤泥質(zhì)砂，砂巖質(zhì)地較堅硬，如果采用頂管或開槽埋管方式，工作難度大，工程費用難控制，因此選用海底表面敷設方式，按管道設計坡度對路由進行清表、修坡、換填，使?jié)M足管道安裝的要求。

3.3.4施工方法

淹沒段采用分段對接下水、浮拖、灌水整體下沉方案，分段間的接頭采用密封式鋼浮箱水面對接；潮汐作用段由于水深淺，而且管道布置可能高出目前水域海床，不適宜采用浮拖法施工，采用圍堰干地常規(guī)施工；陸域部分采用開槽埋管法施工。

3.3.5其他

管道橫斷面位置滿足現(xiàn)狀及規(guī)劃道路管線位置布置要求；縱斷面布置最小縱坡為0.5‰；平面轉(zhuǎn)彎時管道夾角大于120°。

3.4高位井設計

高位井是聯(lián)系提升泵站和放流管的調(diào)節(jié)構(gòu)筑物，設有溢流設施。高位井的設計最高運行水位通過公式（3）計算：

∑h——放流管和擴散器的沿程和局部水頭損失

H特征潮位——潮位特征值

h剩余——擴散器噴口的剩余水頭

hc——密度差水頭

hc=h淹沒（ρa-ρ0）

h淹沒——出現(xiàn)特征值潮位時排放口的淹沒深度a

ρ——海水密度0

ρ——廢水密度

本設計通過比較“平均流量+歷史最高潮位”和“最大流量+重現(xiàn)期10a高潮位”兩個組合計算得出的最高運行水位，取其中較大值作為設計最高運行水位。

3.5廢水提升泵站設計

根據(jù)設計流量和最高運行水位進行提升泵站的設計。設備設計選型滿足水量變化的要求（按紙板項目建設進度計劃，近期排水量Q=10萬/d，遠期排水量Q=20萬/d）。泵站設置事故排放口。

3.6事故排放管設計

事故排放管是作為污水在排海管道或提升泵站出現(xiàn)事故時提供一個瀉水出口，是排海工程的一個應急方案。事故排放管分別連接泵站事故排放口和高位井溢流井，管徑同放流管，管材選用排水用鋼筋混凝土承插管，排出口為規(guī)劃確定、環(huán)保部門認可的地點。

4　排海管道結(jié)構(gòu)和穩(wěn)定性設計

4.1配重和錨固

放流管最大水下深度為8～9m，管道穩(wěn)定性以波浪力影響為主，海流力為輔，設計主要考慮波浪力的影響，兼顧海流力的影響因素。波浪重現(xiàn)期為50年的設計波要素。根據(jù)《海底管道穩(wěn)定性設計》中簡化靜力穩(wěn)定性分析方法計算得出：在管道常年淹沒段，按15t·（25m）-1進行配重；在潮汐作用段按7.5t·（2m）-1進行配重。配重塊使用混凝土預制塊。

在潮汐作用段，退潮時管道露出水面，管道內(nèi)可能出現(xiàn)部分空管現(xiàn)象，漲潮管道受到的浮力最大，管底摩擦力最小，本工程采用配重塊加錨桿固定措施，錨桿間距20m，以防止管道出現(xiàn)橫向位移。

擴散器段管道采用0.5m厚砂、碎石包保護，再覆蓋0.3m厚塊石層。擴散管道尾部設置拋石護坦，并設加固樁，加固樁系浮標作為警示標志，以防過往船舶破壞擴散管。

4.2防腐處理

排海管道（鋼管）防腐措施一般采取三種形式：外防腐、電化學保護和內(nèi)防腐。本項目管道外防腐采用環(huán)氧煤瀝青五油兩布，內(nèi)防腐采用環(huán)氧煤瀝青厚漿防腐涂料（一底三油）。電化學保護采用犧牲陽極的陰極保護，設計保護年限30年。陽極材料為AL-Zn-In-Cd，A21I-4型，海洋工程設施用犧牲陽極塊，表面積S=0.628m2，凈重55kg，安裝方式為焊接，安裝間距24m。

4.3溫度應變處理

由于管道安裝時間和使用時間的氣溫不同，鋼管安裝時受溫度的影響較大，熱脹冷縮，特別是長距離的鋼管敷設，伸縮量較明顯。本項目主要影響管段為潮汐作用段，根據(jù)以下公式（4）計算伸縮量：

L為鋼管長度；

Δt為溫度變化差值（℃），Δt=t-t2，t為管道的最高溫度或最低計算溫度，t2管道的安裝溫度；

α為線膨脹系數(shù)，鋼為1.2×10-5（℃-1）。

根據(jù)計算結(jié)果本工程的排海管道在陸上部分、潮汐作用部分及海底部分各安裝一個非標準的單法蘭管道伸縮接頭，單個伸縮量為250mm，壓力等級為0.25MPa。

5　設計小結(jié)

本廢水排海項目設計主要關(guān)鍵點在于管道路由的確定和排海管道管材的選擇。前者受環(huán)境容量、海洋功能區(qū)劃、城市規(guī)劃、地形地質(zhì)條件、水深、水動力等綜合因素的控制，選取合適位置有相當?shù)碾y度，需通過大量前期工作的積累和總結(jié)。后者直接影響工程的可靠性和經(jīng)濟性，一般排海管道管材可采用鋼管、混凝土管、塑料管；本工程采用鋼管是結(jié)合地形地質(zhì)條件采用表面敷設方式后確定的，由于是長距離輸送管線，混凝土管接口多，可靠性相對降低，而塑料管彈性模量大，溫度荷載應變大，需要增加較多的管道附件，同時塑料管自重較輕，表面敷設時為保證管道穩(wěn)定性，配重需要大幅增加。確定了兩個關(guān)鍵點后，其他設計工作就可以根據(jù)關(guān)鍵點確定的原則進行技術(shù)細節(jié)設計。

［1］ 陸斌.嘉興市污水排海工程的設計［J］.中國給水排水，2004，1（20）：58-61.

［2］ 趙穎然.集散控制系統(tǒng)在嘉興市污水處理工程中的應用［J］.電氣技術(shù)，2006，（4）：47-50.

［3］ 張中和.給水排水設計手冊（第5冊）：城鎮(zhèn)排水［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2004：564-565.

［4］ 劉燦生.給水排水工程施工手冊［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1994：250-255.

Discussion on the design of wastewater discharge project——Taking wastewater discharge project design of Guangxi Jingui pulp & Paper Co. Ltd. as an example

This paper briefly introduces the choice of the location of the pipeline， design of the system， structure and stability of the pipeline in the wastewater discharge project of Guangxi Jingui pulp & Paper Co. Ltd.

Deep sea discharge； initial dilution； outfall； diffuser； pipeline routing

X52

A

1008-1151（2016）02-0036-03

2016-01-15

劉錚（1975－），男，廣西梧州人，華藍設計（集團）有限公司工程師，研究方向為給水排水工程；黃文獻（1979－），男，廣西南寧人，華藍設計（集團）有限公司高級工程師，研究方向為給水排水工程。