達標污水離岸排海末端處置技術研究綜述

彭士濤 ，王心海

(1.交通運輸部天津水運工程科學研究所，天津 300456;2.國家海洋局第一海洋研究所，青島 266061)

根據2010年全國環境統計公報［1］，我國“十一五”污水排放量已達到617億t，預計到“十二五”末污水排放量將超過700億t，這意味著我國將有大量污水進入自然水域，嚴重影響水資源環境，污水的出路問題已成為制約國家經濟發展的重要因素。達標污水采用離岸排海，通過放流系統排放到離岸較遠的海域，一方面利用海洋強大而豐富的物理、化學和生物能力稀釋凈化，彌補了陸域污水處理投資大、占地多、運行費用高等的不足，大量工程應用表明離岸排海比二級處理廠費用降低將近一半;另一方面，通過污水排海口位置、擴散器射流參數及結構的優化，污水排海的初始稀釋度可達到100倍左右，相比二級處理廠的稀釋倍數將近增加了10倍，而且排海后污染物被快速帶離海岸，對周邊海岸的環境影響較小，具有低成本、高處理率等優點。

達標污水離岸排海處置技術研究最早可追溯到19世紀末英國的 Harwich污水排海工程，經歷了從污水不進行處理到污水進行一級、二級預處理后排放，直到現在廣泛采用的從近海延伸到深海可以滿足一級處理深海排放的處置技術［2］。國內沿海城市也有采用，但相關研究起步較晚，對于直接關系到污水排海后的稀釋擴散輸移效果的末端排放口位置選劃、擴散器射流參數及水力結構優化的研究報道的相對較少，且目前國內還沒有擴散器設計的規范可以參考，制約了污水離岸處置工程技術的發展與應用［3-4］。針對現狀，文中對國內外達標污水離岸排海口位置選劃、擴散器射流參數及水力結構優化等技術的研究方法及存在問題進行了分析，便于后續研究的參考。

1 排污口位置選劃

排污口位置選劃是離岸排海末端處置的起步工程，直接決定著排海處置效果、工程安全性、經濟性等。目前，排污口位置選劃采用先定性選劃后定量研究，主要采用建立海域水動力模型、污染物輸移擴散模型、質點追蹤模型、泥沙場模型等數值模型和物理模型的方法［2-18］。早期主要采用 ROBERTS、BROOKS等經驗公式預測近區稀釋度和海域輸移擴散的方法進行排污口位置選劃，由于公式預測精度不足，目前已很少使用［2］。Blumberg［5］首次采用遠區環流數值模型對污水排海稀釋度進行了模擬，該數值模型較多用于海域流場和污染物輸移擴散的研究，用于羽流的研究還需進一步論證。Etemadshahidi［6］采用CORMIX2和VISJET模型對排海羽流的上升高度和稀釋度進行了模擬，這些特征參數的確定可以為排污口位置確定提供依據。Li等［7-9］通過采用近遠區復合模型模擬了污水排海的稀釋擴散，預測了污水排海的輸移擴散和羽流紊動稀釋，這將是污染物稀釋擴散研究的重要方向。孫長青等［10-11］考慮到公式選劃的局限性，首次通過建立水質二維擴散預測模型及拉格朗日余流模型，對污染物輸移擴散、濃度變化及質點跟蹤進行了研究，預測了污染物影響包絡面積和質點遷移，并提出先定性后定量的方法，大大節約了人力物力投入，對后續研究起到重要的指導作用。趙俊杰［12］采用MIKE軟件的潮流模型和水動力模型模擬分析入海COD的稀釋擴散濃度分布并綜合考慮工程施工和經濟性等進行排污口位置選劃。侯堋［13］針對二維模型難以很好適應大水深的表層底層流速相差大的問題，提出采用三維水動力和水質模型更好的模擬了污水排海不同水深的輸移擴散規律。宋強等［14-15］通過研究過渡區模擬方法，嘗試將近區噴口射流模擬模型嵌入遠區擴散模型，形成全場數學模型，更真實的反應污水排海的稀釋變化，但后續相關研究較少，嵌入方法還有待深入研究。楊樹森等［16］鑒于排海工程應用中經常發生噴口淤埋導致排污不正常運行問題，通過建立泥沙數學模型選取地形穩定、沖刷變化小排污口，為選取穩定安全的排污口提供了重要依據。

前人采用先定性后定量的方法，從單一的遠區污染物輸移擴散模擬到綜合近遠區的全場模擬，甚至到考慮排污口安全穩定出發的泥沙沖淤研究，但是這些研究多是就某個方面的分析，筆者［17-18］通過對區域功能符合性、海域稀釋擴散、泥沙沖淤、生態環境影響、管道工程技術經濟等多因素綜合分析，選取了更加符合區域發展需求和環境安全要求的排污口。由此，綜合考慮水動力、遷移軌跡、稀釋擴散、泥沙沖淤，環境區域符合性，生態影響，工程經濟性等多個角度多方面的因素分析方法是今后排污口科學選劃的趨勢。

但總體而言，目前排污口選劃還存在以下問題需要解決:一是排污口選劃多以海域水動力條件和稀釋擴散預測為主，而實際還與生態敏感區等區域規劃、工程沖刷穩定和運行投資密切相關，應綜合加以考慮;二是選劃多以物理過程模擬為主，而實際中污水排放經過幾個潮周后已經被完全稀釋擴散，此后的生物作用顯得更為重要，應分析污水對水域生物造成的影響，并重點分析長期排污可能產生的生物累積效應;三是現有排海限制指標要求少，只對初始稀釋度、混合區面積、水深做了簡單的要求，與實際排海工程有較大差別，急需結合污水的排放量和類別制定相應的規范和標準，指導離岸排海工程的健康發展。

2 擴散器射流參數優化

離岸排海末端擴散器射流結構決定著擴散器百米區域的紊動稀釋和高濃度場的存在與否，是排海處置工程實現環保達標排放的保障。擴散器射流參數主要有擴散管長度、上升管個數、間距、噴口角度、噴口型式等，通過優化這些參數可使初始稀釋倍數達到幾百倍，對污水排海工程建設的成敗起著決定性作用。目前，對于擴散器射流參數優化主要采用經驗公式、物理模型試驗、射流數值模擬、量綱分析以及基礎理論分析相結合的研究方法［2-4，19-35］。擴散器射流參數優化早期多以經驗公式為主，采用ROBERTS等稀釋度預測經驗公式，提出了影響擴散器長度的排放量、稀釋度、水深、水動力等主要因素，推出擴散器長度和起始稀釋度的經驗公式，在初期擴散器射流結構簡易設計中應用較多［2-4］。Duer Michael［19］通過物理模型研究了鴨嘴閥稀釋特性，并發現擴散器通過使用鴨嘴閥能取得更好的稀釋效果，保證了鴨嘴閥在擴散器應用中的可行性。Wang［20］采用DPIV和 PLIF技術進行了擴散器周邊區域的濃度場測量分析，得到了浮射流的稀釋度，為浮射流研究提供了重要的研究手段。Tian等［21-23］通過建立擴散器物理模型，采用3DLIF裝置獲取了擴散器排入密度均勻流、密度分層流海域后的污染物稀釋擴散圖像，并通過圖像數據處理取得了稀釋度，該種方法成為了近區擴散器射流研究的重要方法。Lai等［24-25］采用水槽試驗和VISJET數值模型對新型的玫瑰型擴散器的射流擴散稀釋特性進行了研究。Patalano［26］采用 ADV物理測量技術和 Delft3D數值模型研究了擴散器羽流的混合和稀釋度特性。徐高田等［27-28］通過物理模型試驗結合量綱分析方法得出半理論半經驗公式，比純經驗公式有了進步，并初步揭示了環境橫流和噴口射流相互作用機理，對擴散器結構優化具有一定指導意義。唐洪武等［29］運用超聲流速儀對鴨嘴閥射流特性進行了系列試驗研究，并發現鴨嘴閥射流近區紊動強度明顯高于圓射流，有利于達標污水稀釋擴散，為鴨嘴閥在離岸排海的應用上提供了基礎。周連偉等［30］將遠區水動力結果引入UM模型和JETLAG3模型計算初始稀釋度，對擴散器參數進行優化，具有一定的實用性，但數模仍難以真實模擬環境射流稀釋狀況。方神光［31］提出了靜水中有阻力的浮力射流，貼壁浮力射流，單孔卷吸設置，射流預稀釋裝置等增加擴散器稀釋度的若干措施，為擴散器改進提供了理論基礎，研究發現通過阻力裝置能成倍提高稀釋度，尤其能改善表層的污水場狀況。高柱［32］采用FLUENT軟件建立的同向流動環境中的橢圓射流數學模型和LDV技術量測射流速度場的方法，對擴散器排海浮射流進行了研究和驗證。肖洋［33-34］除了采用FLUENT數模和LDV技術，還采用PIV測速技術對射流進行了研究，對橫向流動條件下多孔水平動量射流的濃度場、速度場、渦量場和壓強場的特性進行了較為全面的研究。

由于多孔擴散器深海排放稀釋擴散非常復雜，受到排污條件、環境條件和擴散器參數等多種因素的影響，因此，只依據經驗公式或數學模擬還很難真正解決，物理模型仍然是最重要的研究方法，筆者［18，35］鑒于擴散器長度設計主要依賴經驗公式的現狀，在大量水槽試驗研究的基礎上，提出了數模物模相結合確定擴散器長度的方法，較為準確的提出了擴散器的有效長度，取得了很好的效果，圖1為天津某排海工程通過三維數值模擬的帶有10，20個和30個擴散器上升管方案的污染物表層濃度分布，圖中明顯看到10、20、30個方案的表層最大污染物濃度分別為0.0098、0.0083 mg/L 和0.006 mg/L，10 個方案明顯存在高于臨界濃度0.0083 mg/L的深色超標區域，不能滿足擴散器排污表層稀釋濃度要求，20個方案介于臨界濃度0.0083 mg/L之中，30個方案明顯小于臨界濃度0.0083 mg/L，鑒于上升管建設的高投資問題，通過建立水槽物理模型試驗模擬10個和20個方案浮射流作用下的擴散器排污濃度分布，并用分光光度計進行了近區濃度測量，發現10個方案仍存在大于0.0083 mg/L的超標濃度，20個方案的超標濃度消失，且最大濃度僅為0.0071 mg/L，綜合考慮，認為擴散器采用20個上升管方案可以滿足環保要求。水質數值模擬和水槽物理模型相結合的方法可以進一步優化了擴散器的射流結構，并確保研究結論的準確性。

圖1 三維數值模擬污染物表層濃度分布Fig.1 the surface concentration field of pollutants by three-dimensional numerical simulation

總之，對于擴散器長度、上升管間距、噴口角度等已有一些研究成果，但這些成果多針對某個工程進行，不具有普遍性，沒有形成相應的規范和標準，不利于很好的推廣;此外，擴散器經歷了由單孔排放到設置多個出口，再到設置上升管及多個噴口，每一步改進都使污水離岸排海處理效果大幅度提高，海域環境得到更好的保護利用，但目前對于工程較多采用的多噴口型式的射流理論研究相對尚少，需要相關的研究為工程建設提供更多的技術支持。

3 擴散器水力結構優化

離岸排海擴散器水力結構是整個排海工程正常運行的關鍵。隨著排海工程的大規模應用，排放量和排污口水深的要求也越來越大，擴散器出現噴口出流不均勻甚至部分管道沒有出流、泥沙生物入侵管道并在管道內沉積嚴重等現象，都可能導致排海工程運行差甚至無法運行。擴散器水力結構優化主要通過對復雜管道的管徑設計和添加附加設置，使得污水能在各個出口均勻出流，同時避免海水倒灌和泥沙生物入侵現象的發生，為污水排海提供穩定可行的運行環境。主要包括兩方面內容:一是擴散器流量分配的設計，實現流量按擴散器具體工程要求進行沿程分配，使污水排出后與受納水體進行最大程度的摻混稀釋;二是海水泥沙入侵的防止及清除設計，海水密度高于污水密度，極易發生海水倒灌擴散器系統，嚴重影響擴散器排放量，腐蝕排海管道內壁，同時攜帶的泥沙還會造成擴散器內泥沙長期淤積，發生擴散器堵塞。這些問題的解決需要了解擴散器的內部水流運動規律，并對影響因素有深刻的理解，才能實現擴散器水力結構的針對性設計。

擴散器水力結構優化中管道流量分配水力參數已有較多的研究報道［2-4，36-42］。Bleninger 等［36-39］通過采用CFD軟件模擬了擴散器內部流場和壓力場，得出了擴散器的出口流量分布均勻度、水頭損失以及局部阻力系數等。賴翼峰等［40-42］采用出流系數法和動壓頭法兩種水力方法進行了末端處置擴散器的流場計算，并通過物理模型試驗驗證，這是擴散器流量分配水力設計的主要方法。

目前，筆者［18］采用FLUNENT軟件建立擴散器管道水力模型，并通過物理模型驗證得出很好的模擬結果，FLUNENT軟件的應用也大大提高了流量分配設計便捷性和準確性。圖2為天津某排海工程數值模擬擴散器管內流速分布圖，圖中可見最大流速出現在擴散器噴口處，其流速為3 m/s左右，主管內流速為2 m/s左右，滿足擴散器噴口和主管流速的要求，通過數值模型進行擴散器水力結構方案比選，能有效減少物理模型的試驗方案。在此基礎上，通過建立擴散器管道水力物理模型，采用體積流量測量法和測壓管法分別得到了噴口的流量，計算得到了擴散器的阻力系數和管道流速，發現數值模擬和物理模擬的誤差為1%—5%，進一步驗證細化了數值模擬結果，說明數模和物理模型相結合的方法可有效的用于擴散器結構優化。

圖2 數值模擬的擴散器速度流場分布圖Fig.2 Velocity field of the diffuser by FLUENT numerical simulation

曾小清［43］針對排海工程經常在非設計工況下運行易發生海水入侵的問題，提出了海水入侵沖洗的臨界水力特點和辨別式，為非設計條件的運行管理提供依據。劉成等［44］對排海工程泥沙入侵問題進行了系統研究，提出了改進尾部和定期沖洗來降低改善淤積的措施，并提出臨界入侵、沖洗密度數公式，并提出在控制密度傅汝德數的同時增設文丘里管和安裝鴨嘴閥等改進措施，很好的改善了海水泥沙入侵的問題。錢達仁等［45-46］研究了波浪對管道出流的影響，發現小流量時管道出流明顯受波浪影響，極易發生海水入侵，應引起后續研究的重視。綜上，海水泥沙入侵擴散器的主要因素是密度差大和波浪變化，防止措施主要是通過優化噴口參數增大傅汝徳數來防止擴散器入侵，同時噴口采用安裝鴨嘴閥也能較好的解決擴散器入侵問題。

目前研究中，擴散器水力參數優化還存在著海水泥沙入侵機理及泥沙入侵清除技術不夠完善，這是對于擴散器大量推廣應用的一個重要制約因素，有待深入研究。

4 結論

通過闡述國內外離岸排污口位置選劃、擴散器射流參數及水力結構優化等技術的發展現狀，分析了達標污水離岸排海末端處置技術中存在的問題及相應的解決方法:

(1)離岸排海擴散器位置選劃作為排海的起始工程，決定著整個工程的成敗。綜合考慮水動力、遷移軌跡、稀釋擴散、泥沙沖淤，環境區域符合性，生態影響，工程經濟性等多個角度多方面的因素分析方法是今后排污口科學選劃的趨勢。而污水對生物影響的累積效應的研究是今后需要不斷豐富和突破的研究內容。

(2)擴散器射流參數優化對離岸排海工程建設至關重要，需要通過擴散器射流結構和射流理論，尤其是噴口浮射流理論的系統研究，進一步完善規范擴散器射流參數的優化技術和型式設計。

(3)擴散器管道水流理論基礎研究尚少，海水泥沙入侵清除機理和海泥沙入侵清除技術還不夠完善，成為制約擴散器推廣應用的重要因素，有待深入研究。

(4)目前為止還沒有離岸排海擴散器設計的規范可以參考，設計中隨意性比較大，設計規范化、標準化成為發展污水離岸排海技術急待解決的問題。

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