污水尾水排放對地表水環(huán)境影響預(yù)測分析
——以臺州某污水廠二期工程為例

王韜翔，徐家棟

(1.臺州市環(huán)科環(huán)保設(shè)備運營維護(hù)有限公司，浙江 臺州 318000；2.臺州市污染防治工程技術(shù)中心，浙江 臺州 318000)

1 項目概況

臺州某污水廠一期工程于2012 年4月投入運行，處理規(guī)模1.95萬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A 標(biāo)準(zhǔn)，為所在區(qū)域東南部排水區(qū)帶來了顯著的環(huán)境效益、社會效益和經(jīng)濟效益。隨著近年來服務(wù)范圍內(nèi)污水量的增長，污水廠處理污水量已逐漸達(dá)到設(shè)計規(guī)模，因此需啟動污水廠擴建工作。2015年，當(dāng)?shù)卣匍_關(guān)于提高污水處理廠出水排放標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)問題協(xié)調(diào)會議，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)，并對各項指標(biāo)提出明確限制值，該排放標(biāo)準(zhǔn)與一級A 標(biāo)準(zhǔn)相比，各項污染物指標(biāo)排放濃度全面降低，對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決定實施該工程，通過工程建設(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，實現(xiàn)地區(qū)水環(huán)境的基本改善，保護(hù)金清河網(wǎng)水體。

2 納污水體水文調(diào)查

納污水體南官河來自長潭水庫和秀嶺水庫，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。

3 排放口下游水環(huán)境敏感目標(biāo)調(diào)查

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，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)交界斷面無生活飲用水取水設(shè)置，無特殊保護(hù)魚類資源，其間亦無其他集中污染排放口設(shè)置。

4 水動力模型簡介

采用丹麥水力學(xué)研究所研制的平面二維數(shù)值模型MIKE21FM來計算污水排放水域的流場和水質(zhì)擴散，模型采用非結(jié)構(gòu)三角網(wǎng)格剖分計算域，三角網(wǎng)格能較好的擬合岸界，網(wǎng)格設(shè)計靈活且可隨意控制網(wǎng)格疏密，該軟件具有算法可靠、計算穩(wěn)定、界面友好、前后處理功能強大等優(yōu)點，已在全球70多個國家得到應(yīng)用，有數(shù)百例成功算例，計算結(jié)果可靠，為國際所公認(rèn)[1～4]。MIKE21FM采用標(biāo)準(zhǔn)有限體積法進(jìn)行水平空間離散，在時間上，采用一階顯式歐拉差分格式離散動量方程與輸運方程X[1～4]。

4.1 模型控制方程

質(zhì)量守恒方程：

(1)

動量方程：

(2)

(3)

對流擴散基本方程：

(4)

4.2 定解條件

初始條件：

(5)

5 模型設(shè)置

5.1 計算區(qū)域和計算網(wǎng)格

計算區(qū)域見圖1～4。由于黃巖區(qū)河網(wǎng)內(nèi)部河道多而復(fù)雜，為便于計算，首先必須將內(nèi)部河道進(jìn)行概化，形成一個有河道、有節(jié)點的概化河網(wǎng)。 河網(wǎng)概化主要是把一些對水力計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 模型計算區(qū)域示意

概化時將主要的輸水河道納入計算范圍，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，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)點相同時，可以用水力學(xué)的方法，根據(jù)過水能力相同的原理，求得合并概化河道的斷面參數(shù)。對于水系內(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)蓄不變原則模擬概化河網(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)的時空變化， 進(jìn)而為整個黃巖區(qū)環(huán)境容量總量控制方案計算提供科學(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)計算。

5.2 水下地形

枯水期時，采用各河段枯季平均水深，平水期時，采用各河段平水期平均水深。

5.3 邊界條件

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。外部邊界即開邊界，是指控制計算區(qū)域內(nèi)、外水體交換的約束條件，開邊界在模型運算中是必不可少的，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)部邊界是指模型計算范圍內(nèi)以點源或面源形式給出的排水口。

5.4 計算時間步長

模型計算時間步長根據(jù)CFL條件進(jìn)行動態(tài)調(diào)整，確保模型計算穩(wěn)定進(jìn)行，平均時間步長0.5 s。

5.5 水平渦動粘滯系數(shù)

采用考慮亞尺度網(wǎng)格效應(yīng)的Smagorinsky (1963) 公式計算水平渦粘系數(shù)，表達(dá)式如下：

(6)

圖2 模型計算區(qū)域(項目附近)

6 污水廠尾水排河水環(huán)境影響預(yù)測

6.1 設(shè)計水文條件

根據(jù)計算區(qū)域水文邊界條件，利用模型對各計算河網(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)一步計算本項目污水排放對水域水質(zhì)的影響(圖4)。

圖3 模型計算網(wǎng)格圖(項目附近)

圖4 項目排污口附近流場

6.2 降解系數(shù)

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。

6.3 現(xiàn)狀水質(zhì)和水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)

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。

6.4 預(yù)測方案

本項目污水排放規(guī)模包括一期工程的1.95萬t/d和二期工程的4萬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)測時，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。同時考慮了未來隨著本工程的實施，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，本項目污水的排放對納污水體的影響也進(jìn)行了預(yù)測(上游來水的水質(zhì)COD 取20 mg/L，NH3-N 取1.0 mg/L，TP 取0.2 mg/L)，模型預(yù)測時，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)，制定預(yù)測方案，詳見表1。

表1 水質(zhì)預(yù)測方案

6.5 排污口位置

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。

6.6 計算結(jié)果

計算結(jié)果見表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)狀來水水質(zhì)條件下，無論在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)。

圖5 上游來水水質(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)：隨著本工程的實施，在上游來水水質(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)。

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)。

汛期北排對永寧江水質(zhì)影響：根據(jù)預(yù)測，汛期北排對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)。隨著本工程的實施，上游來水水質(zhì)得到改善，由現(xiàn)狀劣Ⅴ類改善至Ⅲ類水質(zhì)時，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)，超過該距離后，水質(zhì)能夠達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)?？梢姳竟こ痰膶嵤^(qū)域水質(zhì)的改善和正效益明顯。在汛期北排時，因水量較大，水體稀釋擴散條件好，項目排污對永寧江水質(zhì)影響較小。

對交界斷面的影響：在上游現(xiàn)狀來水水質(zhì)情況下，在正?；蚍钦９r下，無論枯水期還是平水期，壩頭閘和澤國河段水質(zhì)COD和氨氮、總磷均超標(biāo)。隨著本工程的實施，上游來水水質(zhì)得到改善，由現(xiàn)狀劣Ⅴ類改善至Ⅲ類水質(zhì)時，在正常工況下，無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)；澤國斷面水質(zhì)COD、氨氮和總磷均能達(dá)標(biāo)。在非正常工況時，兩個斷面COD和氨氮、總磷均超標(biāo)。汛期北排時，本項目污水排放對壩頭閘斷面和澤國斷面沒有影響。

表3 各計算方案排放口下游交界斷面濃度值 mg/L

圖6 上游來水水質(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

7 地表水環(huán)境影響評價結(jié)論

7.1 對納污水體的影響分析

對于納污水體溫州河、南官河，從近期來看，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)補水，有利于污染物的稀釋凈化，會使溫州河、南官河水質(zhì)的有所改善；從遠(yuǎn)期來看，隨著該工程的建設(shè)，區(qū)域內(nèi)越來越多的生活污水和工業(yè)廢水由分散式排放變?yōu)榧惺占幚恚礈?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，該工程的排放會對溫州河、南官河產(chǎn)生一定的影響(對交界斷面的貢獻(xiàn)值基本可以達(dá)標(biāo))，尤其是對溫州河的影響較大(水質(zhì)整體均超標(biāo)，建議對溫州河進(jìn)行生態(tài)化改造)，因此建設(shè)單位承諾到時會對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)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，污染帶的長度要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于正常工況污染帶的長度，因此應(yīng)竭力避免非正常工況的發(fā)生。

7.2 工程實施后對河道水質(zhì)改善的正效益分析

7.2.1 區(qū)域水質(zhì)現(xiàn)狀分析

根據(jù)《臺州市環(huán)境狀況公報》(2016)，隨著該污水處理廠一期工程的投入運行，以及“五水共冶”等一系列措施的實施，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)(黃長復(fù)線以南、甬臺溫高速公路以西)，總計約47.10km2，較一期工程有所擴大，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

本工程的實施，能夠擴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)測可知該工程的實施對區(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)的水質(zhì)。

7.3 要求和建議

(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)要加強處理，盡量減少廢水氨氮濃度。

(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)實行清潔生產(chǎn)、加強廢水廠內(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)M(jìn)一步開發(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。