基于MIKE21的污水處理廠入河排污口設(shè)置論證分析

(長(zhǎng)江水利委員會(huì)長(zhǎng)江科學(xué)院，湖北 武漢 430010)

隨著經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，城市規(guī)模不斷擴(kuò)大，區(qū)域取用水及排水量大幅增加，給區(qū)域水資源的開發(fā)利用與保護(hù)帶來(lái)了巨大挑戰(zhàn)[1-2]。安徽省江北污水處理廠的建設(shè)解決了江北產(chǎn)業(yè)集中區(qū)起步區(qū)污水收集和處理問題，使區(qū)域內(nèi)水環(huán)境得到較好的保護(hù)。

1 項(xiàng)目概況

江北污水處理廠位于安徽省江北產(chǎn)業(yè)集中區(qū)起步區(qū)沈巷片區(qū)長(zhǎng)河南路與和平路交叉口東南，服務(wù)范圍為起步區(qū)沈巷片區(qū)，近期服務(wù)面積約15km2，遠(yuǎn)期服務(wù)面積增加區(qū)外預(yù)留用地5km2，另外考慮沈巷鎮(zhèn)6萬(wàn)人的污水排放。污水處理廠總用地7.4hm2，一期需用地3.65hm2。近期設(shè)計(jì)處理規(guī)模為3.0萬(wàn)m3/d，遠(yuǎn)期設(shè)計(jì)處理規(guī)模為6.0萬(wàn)m3/d。江北污水處理廠一期工程已于2017年11月正式投入運(yùn)營(yíng)。項(xiàng)目采用“A/O+深度處理”污水處理工藝，工程出水的受納水體為長(zhǎng)江，出水水質(zhì)執(zhí)行《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A類排放標(biāo)準(zhǔn)。

按照《中華人民共和國(guó)水法》《入河排污口監(jiān)督管理辦法》《水功能區(qū)監(jiān)督管理辦法》等法律法規(guī)要求，在江河、湖泊新建或擴(kuò)大排污口，需要對(duì)入河排污口設(shè)置的可行性和合理性進(jìn)行論證。按照江北污水處理廠近期設(shè)計(jì)處理規(guī)模3.0萬(wàn)m3/d排污量進(jìn)行入河排污口設(shè)置論證。

2 水功能區(qū)管理要求及現(xiàn)有取排水狀況

2.1 水功能區(qū)管理目標(biāo)與要求

江北污水處理廠入河排污口位于鳩江區(qū)沈巷鎮(zhèn)黃山寺二站下游約420m。根據(jù)《全國(guó)重要江河湖泊水功能區(qū)劃》(2011—2030年)，排污口所在一級(jí)水功能區(qū)為長(zhǎng)江左岸巢湖開發(fā)利用區(qū)；二級(jí)水功能區(qū)為長(zhǎng)江左岸和縣工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)，起于二壩鎮(zhèn)河灘村，止于和縣白橋鎮(zhèn)宋唐村，長(zhǎng)20km，水質(zhì)管理目標(biāo)為Ⅲ類。

2.2 水功能區(qū)納污能力及限制排放總量

根據(jù)《長(zhǎng)江干流水域納污能力及限制排污總量初步研究報(bào)告》《全國(guó)水資源保護(hù)規(guī)劃》等資料，在最枯月平均流量90%保證率條件下，長(zhǎng)江左岸和縣工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)主要入河污染物COD和氨氮納污能力及限制排污量見表1。

表1 長(zhǎng)江左岸和縣工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)納污能力及限制排污量

2.3 水功能區(qū)現(xiàn)有取排水狀況

根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查，排污口所在水功能區(qū)長(zhǎng)江左岸和縣工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)除江北污水處理廠入河排污口外無(wú)其他排污口；長(zhǎng)江左岸巢湖開發(fā)利用區(qū)現(xiàn)狀主要排水口有安徽華誼化工有限公司污水總排口和蕪湖市益海嘉里(安徽)糧油工業(yè)有限公司工業(yè)入河排污口，分別位于排污口上游6.7km和9.5km。

圖1 江北污水處理廠入河排污口所在江段取排水口分布

取水單元共有4個(gè)，分別為排污口上游2.6km處的裕溪口水廠，排污口上游0.5km處的江北產(chǎn)業(yè)集中區(qū)江北水廠，排污口下游5.5km處的蕪湖市黃山寺自來(lái)水廠，排污口下游8.0km處的規(guī)劃馬鞍山市西梁山水廠。排污口所在江段取排水口分布見圖1。

3 水功能區(qū)水質(zhì)現(xiàn)狀及納污情況

3.1 水功能區(qū)水質(zhì)現(xiàn)狀評(píng)價(jià)

根據(jù)《蕪湖市水資源公報(bào)》(2011—2017年)，長(zhǎng)江蕪湖段水質(zhì)符合Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，水質(zhì)狀況優(yōu)。排污口所在水功能區(qū)長(zhǎng)江左岸和縣工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)，水環(huán)境現(xiàn)狀采用2017年3月的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，以此進(jìn)行地表水環(huán)境質(zhì)量現(xiàn)狀評(píng)價(jià)，水質(zhì)評(píng)價(jià)方法采用單因子評(píng)價(jià)法，評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)為Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，評(píng)價(jià)結(jié)果見表2。

表2 長(zhǎng)江左岸和縣工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)地表水環(huán)境現(xiàn)狀評(píng)價(jià)結(jié)果 單位：mg/L

3.2 水功能區(qū)達(dá)標(biāo)評(píng)價(jià)

根據(jù)《地表水資源質(zhì)量評(píng)價(jià)技術(shù)規(guī)程》(SL 395—2007)，水功能區(qū)達(dá)標(biāo)評(píng)價(jià)參照水功能區(qū)管理目標(biāo)進(jìn)行，根據(jù)水功能區(qū)劃，長(zhǎng)江左岸和縣工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)水質(zhì)管理目標(biāo)為Ⅲ類。水功能區(qū)水質(zhì)監(jiān)測(cè)斷面現(xiàn)狀水質(zhì)為Ⅲ類，滿足水功能區(qū)水質(zhì)管理要求。

3.3 水功能區(qū)納污情況

根據(jù)《全國(guó)水資源保護(hù)規(guī)劃》，排污口所在水功能區(qū)長(zhǎng)江左岸和縣工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)主要污染物COD和氨氮現(xiàn)狀入河量分別為1570.4t/a和133.4t/a。江北污水處理廠一期工程按設(shè)計(jì)規(guī)模3.0萬(wàn)m3/d計(jì)，主要污染物COD排放量為547.50t/a，氨氮排放量為54.75t/a。因此，該水功能區(qū)主要污染物COD和氨氮現(xiàn)狀入河總量分別為2117.9t/a和188.15t/a，小于其納污能力及限排總量。

4 入河排污口設(shè)置影響范圍

4.1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)入河排污口所在江段河道地形及水質(zhì)狀況，采用丹麥水資源及水環(huán)境研究所(DHI)開發(fā)的MIKE 21 二維水動(dòng)力水質(zhì)模型模擬流場(chǎng)和水質(zhì)變化趨勢(shì)，分析研究江段污染物影響范圍，進(jìn)行不同工況模擬計(jì)算。模型計(jì)算河段為長(zhǎng)江蕪裕河段陳橋洲左汊，上邊界位于江北污水處理廠排污口上游1.4km處，下邊界位于排污口下游6.8km處，河段長(zhǎng)8.2km，寬350～940m。采用三角形網(wǎng)格對(duì)模擬區(qū)域進(jìn)行劃分，排污口附近網(wǎng)格加密，計(jì)算網(wǎng)格總數(shù)為28783個(gè)，節(jié)點(diǎn)數(shù)為10145個(gè)，見圖2。

4.2 參數(shù)選取

4.2.1 水文參數(shù)

通常情況下，河流水質(zhì)問題一般出現(xiàn)在枯水期。根據(jù)水文資料分析，長(zhǎng)江蕪湖段上游的水質(zhì)在枯、平、豐水期變化不大，但污染物稀釋擴(kuò)散能力隨著水體流量、流速減小呈減弱趨勢(shì)。因此，采用長(zhǎng)江蕪湖段枯水期90%保證率最小月平均流量作為河流水質(zhì)規(guī)劃的控制流量。

江北污水處理廠入河排污口位于長(zhǎng)江干流下游，與大通水文站集水面積相差不大，直接選取建庫(kù)后大通水文站枯水期1月90%保證率月平均流量11900m3/s作為設(shè)計(jì)流量。根據(jù)長(zhǎng)江蕪湖河段陳家洲左汊歷年分流比統(tǒng)計(jì)，枯水期(90%保證率)陳家洲左汊分流比按12%計(jì)，模型計(jì)算區(qū)域流量為1428m3/s，與上游流量相對(duì)應(yīng)的下游水位為2.125m(85國(guó)家高程基準(zhǔn))。

4.2.2 計(jì)算參數(shù)

根據(jù)實(shí)地調(diào)研過程中拍攝照片獲取的河道情況，參考水力學(xué)手冊(cè)及其他項(xiàng)目該江段經(jīng)率定和驗(yàn)證的水動(dòng)力學(xué)模型參數(shù)，確定河床糙率在模擬區(qū)域取值范圍為0.030～0.035[3]。

根據(jù)《長(zhǎng)江干流水域納污能力及限制排污總量初步研究報(bào)告》，長(zhǎng)江干流下游南京、南通、泰州等江段COD衰減指數(shù)取0.20～0.25d-1，氨氮衰減指數(shù)取0.22～0.27d-1，同時(shí)參考《安微江北污水處理廠一期項(xiàng)目環(huán)境影響報(bào)告書》及同區(qū)域江段其他項(xiàng)目模型參數(shù)的取值[4-6]，最終確定本次模擬計(jì)算江段COD衰減系數(shù)取值0.21d-1，氨氮衰減系數(shù)取值0.22d-1。

4.3 計(jì)算工況

模型計(jì)算工況分別按污染物正常排放和非正常排放設(shè)計(jì)，排水量為污水處理廠近期設(shè)計(jì)規(guī)模3萬(wàn)m3/d。根據(jù)江北污水處理廠入河排污口江段水質(zhì)特征和主要入河污染物種類與濃度，選取非持久性污染物COD、氨氮作為模型預(yù)測(cè)指標(biāo)。具體計(jì)算工況見表3。

表3 入河排污口設(shè)置模型計(jì)算工況

4.4 影響范圍

根據(jù)模型計(jì)算結(jié)果，正常排放工況條件下，COD和氨氮濃度劣于Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)(CCOD>20mg/L，C氨氮>1mg/L)部分在排污口下游岸邊水域未形成污染帶。非正常排放工況條件下，COD劣于Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)(CCOD>20mg/L)濃度線最大影響水域長(zhǎng)度為40m，最大影響水域?qū)挾葹?5m；氨氮劣于Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)(C氨氮>1mg/L)濃度線最大影響水域長(zhǎng)度為35m，最大影響水域?qū)挾葹?2m。具體計(jì)算成果見表4、表5和圖3、圖4。

表5 氨氮排放影響范圍計(jì)算結(jié)果 單位：m

圖3 COD排放影響范圍計(jì)算

圖4 氨氮排放影響范圍計(jì)算

5 入河排污口設(shè)置合理性分析

5.1 對(duì)水功能區(qū)納污能力影響分析

污水處理廠尾水排放量與水功能區(qū)主要污染物COD和氨氮現(xiàn)狀入河量疊加后，該水功能區(qū)COD和氨氮現(xiàn)狀入河總量分別為2117.9t/a和188.15t/a，遠(yuǎn)低于水功能區(qū)納污能力及限排總量。本項(xiàng)目尾水排放滿足水功能區(qū)納污能力管理要求。

5.2 對(duì)水功能區(qū)水質(zhì)影響分析

污水處理廠尾水達(dá)標(biāo)排放時(shí)，主要入河污染物COD和氨氮均能達(dá)到Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，滿足水功能區(qū)水質(zhì)管理目標(biāo)要求，沒有改變水功能區(qū)水質(zhì)類別，未影響其使用功能。不達(dá)標(biāo)排放情況下，僅在排污口下游岸邊局部區(qū)域形成污染帶，對(duì)水功能區(qū)局部區(qū)域水質(zhì)影響較為明顯。

5.3 對(duì)水生態(tài)環(huán)境的影響分析

本工程排污口位于長(zhǎng)江左岸和縣工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)，該江段不屬于魚類產(chǎn)卵場(chǎng)，且未發(fā)現(xiàn)有國(guó)家保護(hù)的珍稀野生魚類。正常排污情況下，廢污水排放影響范圍有限，水功能區(qū)水質(zhì)未發(fā)生改變，不會(huì)對(duì)該江段生物群落結(jié)構(gòu)和生物量產(chǎn)生明顯影響。非正常排污情況下，廢污水排放影響范圍相對(duì)正常排放有所增加，但不會(huì)對(duì)該江段水生生物群落產(chǎn)生明顯不利影響，僅排污口附近水域水生生物種群結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生一定變化，如清水種減少，耐污種增加。

5.4 對(duì)第三者影響分析

根據(jù)現(xiàn)狀調(diào)查，排污口所在水功能區(qū)長(zhǎng)江左岸和縣工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)共有取水單元4個(gè)，分別為排污口上游2.6km處的裕溪口水廠，排污口上游0.5km處的江北產(chǎn)業(yè)集中區(qū)江北水廠，排污口下游5.5km處的蕪湖市黃山寺自來(lái)水廠，排污口下游8.0km處的規(guī)劃馬鞍山市西梁山水廠。污水處理廠尾水排放對(duì)水質(zhì)影響主要集中在排污口下游長(zhǎng)40.0m，寬15.0m范圍內(nèi)，排污口排污影響范圍內(nèi)無(wú)集中的生活取水口及工業(yè)取水口，故而不會(huì)對(duì)下游取水口產(chǎn)生影響。

其次，排污口排污負(fù)荷COD和氨氮排污影響范圍十分有限，未改變水功能區(qū)控制斷面水質(zhì)類別，亦不會(huì)對(duì)鄰近水功能區(qū)產(chǎn)生影響。因此，本項(xiàng)目排污口的設(shè)置不會(huì)對(duì)第三者權(quán)益產(chǎn)生明顯不利影響。

5.5 排污口位置設(shè)置合理性分析

江北污水處理廠入河排污口位于鳩江區(qū)沈巷鎮(zhèn)黃山寺二站下游約420m，所在水功能區(qū)為長(zhǎng)江左岸和縣工業(yè)、農(nóng)業(yè)用水區(qū)，不屬于禁止或限制設(shè)置入河排污口的敏感水域。排污口選址距離上游最近取水口約0.5km，距離下游最近取水口約5km，未設(shè)置于飲用水水源一、二級(jí)保護(hù)區(qū)，滿足《安徽省城鎮(zhèn)生活飲用水水源環(huán)境保護(hù)條例》中關(guān)于水源保護(hù)的要求。因此，本項(xiàng)目入河排污口位置設(shè)置較為合理。

6 結(jié) 語(yǔ)

開展污水處理廠入河排污口設(shè)置論證，目的在于合理開發(fā)利用與保護(hù)水資源，保障水域生活、生產(chǎn)和生態(tài)用水安全，為各級(jí)水行政主管部門審批入河排污口以及建設(shè)單位合理設(shè)置入河排污口提供科學(xué)依據(jù)。

通過對(duì)江北污水處理廠入河排污口設(shè)置的可行性和合理性進(jìn)行論證分析，排污口設(shè)置對(duì)長(zhǎng)江水功能區(qū)和水生態(tài)環(huán)境以及第三者都不會(huì)產(chǎn)生明顯的不利影響，符合水功能區(qū)管理要求，排污口設(shè)置合理。隨著江北污水處理廠的建設(shè)運(yùn)營(yíng)，區(qū)域內(nèi)的污水排放由不經(jīng)處理的零散排放轉(zhuǎn)變?yōu)榧刑幚淼倪_(dá)標(biāo)排放，污染物排放總量大幅減少，極大削減了區(qū)域內(nèi)入河污染物排放量，起到改善區(qū)域內(nèi)水環(huán)境和水生態(tài)的作用。