污水尾水排放對地表水環境影響預測分析
——以臺州某污水廠二期工程為例

王韜翔，徐家棟

(1.臺州市環科環保設備運營維護有限公司，浙江 臺州 318000；2.臺州市污染防治工程技術中心，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，處理規模1.95萬m3/d，出水執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB18918-2002)中的一級A 標準，為所在區域東南部排水區帶來了顯著的環境效益、社會效益和經濟效益。隨著近年來服務范圍內污水量的增長，污水廠處理污水量已逐漸達到設計規模，因此需啟動污水廠擴建工作。2015年，當地政府召開關于提高污水處理廠出水排放標準有關問題協調會議，明確提出城鎮污水處理廠出水水質標準提高到準Ⅳ類標準，并對各項指標提出明確限制值，該排放標準與一級A 標準相比，各項污染物指標排放濃度全面降低，對于污水中污染物削減量進一步提升，能夠更大限度地保護區域水環境質量，改善水資源結構。鑒于此，當地管理部門決定實施該工程，通過工程建設，結合污水收集管網的不斷完善，在所在區域以南的地區鄉鎮及工業區塊范圍內建立起較為完善的污水處理設施建管體系，提高城區、鄉鎮生活污水的收集處理率，實現地區水環境的基本改善，保護金清河網水體。

2 納污水體水文調查

納污水體南官河來自長潭水庫和秀嶺水庫，自黃巖城關東禪橋南行，至十里鋪、藥山灘，再東南至璜山頭，由西向東，經過崇山峻嶺、平原草地和城區的各大街道，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，根據資料調查所得，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 排放口下游水環境敏感目標調查

本工程排污口下游6.3 km處為南官河黃巖區和路橋區的交界斷面(壩頭閘，水質目標Ⅲ類)，下游22.3 km處為南官河路橋區和溫嶺市的交界斷面(澤國，水質目標Ⅲ類)。工程擬建排污口至南官河路橋區和溫嶺市的Ⅲ類水質交界斷面無生活飲用水取水設置，無特殊保護魚類資源，其間亦無其他集中污染排放口設置。

4 水動力模型簡介

采用丹麥水力學研究所研制的平面二維數值模型MIKE21FM來計算污水排放水域的流場和水質擴散，模型采用非結構三角網格剖分計算域，三角網格能較好的擬合岸界，網格設計靈活且可隨意控制網格疏密，該軟件具有算法可靠、計算穩定、界面友好、前后處理功能強大等優點，已在全球70多個國家得到應用，有數百例成功算例，計算結果可靠，為國際所公認[1～4]。MIKE21FM采用標準有限體積法進行水平空間離散，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 模型設置

5.1 計算區域和計算網格

計算區域見圖1～4。由于黃巖區河網內部河道多而復雜，為便于計算，首先必須將內部河道進行概化，形成一個有河道、有節點的概化河網。 河網概化主要是把一些對水力計算影響不大的小河道進行技術合并，概化成若干條假想的河道，并將天然河道的不規則斷面概化成規則的梯形斷面。概化后的每一條河段，需要確定以下幾個參數：河底寬度、河底高程、邊坡系數、糙率的劃分。

圖1 模型計算區域示意

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等效原理， 歸并為單一河道和節點，使概化前后河道的輸水能力相等、調蓄能力不變。當這些次要的平行河道具有斷面資料，且首末節點相同時，可以用水力學的方法，根據過水能力相同的原理，求得合并概化河道的斷面參數。對于水系內不參加水流輸送的一些小河、池塘等，其調蓄作用不可忽視，采用調蓄不變原則模擬概化河網以外的調蓄作用，使概化前后河道的總調蓄容積不變。

為了模擬黃巖區河網水量水質的時空變化， 進而為整個黃巖區環境容量總量控制方案計算提供科學依據， 建立了黃巖區河網數學模型。 將黃巖區包括永寧江水系、 金清河網在內的 20 條河流進行概化和水量水質計算。

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

邊界條件是河網數學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、內部邊界。外部邊界即開邊界，是指控制計算區域內、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中與外部重要水體連接的主要河道；內部邊界是指模型計算范圍內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CFL條件進行動態調整，確保模型計算穩定進行，平均時間步長0.5 s。

5.5 水平渦動粘滯系數

采用考慮亞尺度網格效應的Smagorinsky (1963) 公式計算水平渦粘系數，表達式如下：

(6)

圖2 模型計算區域(項目附近)

6 污水廠尾水排河水環境影響預測

6.1 設計水文條件

根據計算區域水文邊界條件，利用模型對各計算河網(或河道區)各河段的流量和水深、流速等水文條件進行調試，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，在此基礎進一步計算本項目污水排放對水域水質的影響(圖4)。

圖3 模型計算網格圖(項目附近)

圖4 項目排污口附近流場

6.2 降解系數

黃巖區河網水域污染物COD、氨氮和總磷降解系數分別為0.10-0.12d-1、0.10～0.12d-1和0.04～0.06d-1。

6.3 現狀水質和水質標準

根據排污口上下游水質現狀調查結果，溫州河水域COD、氨氮和總磷現狀水質濃度分別為27 mg/L、1.21 mg/L和0.293 mg/L，南官河水域COD、氨氮和總磷現狀水質濃度分別為38 mg/L、1.97 mg/L和0.395 mg/L。溫州河和南官河水域水質標準為三類，COD、氨氮和總磷標準限值分別為20 mg/L、1.0 mg/L和0.2 mg/L。

6.4 預測方案

本項目污水排放規模包括一期工程的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，尾水排放標準提高，下游河段和監測斷面水質將有所改善；二期工程為新增排放量。模型在制定預測時，考慮了一期工程提標改造后尾水排放產生的環境正效益。同時考慮了未來隨著本工程的實施，溫州河、南官河的水質整體改善后，整體水質達到Ⅲ類水體標準時，本項目污水的排放對納污水體的影響也進行了預測(上游來水的水質COD 取20 mg/L，NH3-N 取1.0 mg/L，TP 取0.2 mg/L)，模型預測時，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，非正常工況按進水水質的50%計)，制定預測方案，詳見表1。

表1 水質預測方案

6.5 排污口位置

排放口利用現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 計算結果

計算結果見表2、3和圖5～16。上游(溫州河、南官河)現狀水質：在上游現狀來水水質條件下，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距離均大于22km，污染超標范圍可到路橋區與溫嶺市交界處(澤國)。

圖5 上游來水水質改善后，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：隨著本工程的實施，在上游來水水質改善為Ⅲ類水質條件下，在90%保證率的枯水期，在正常工況下，COD在下游4.2 km范圍內均超標，4.2 km后能夠達到Ⅲ類水質標準；氨氮在下游7.5 km范圍內均超標，7.5 km后能夠達到Ⅲ類水質標準；總磷在下游4.7 km范圍內均超標，4.7 km后能夠達到Ⅲ類水質標準。在非正常工況下，排放口下游COD、氨氮和總磷濃度超標距離均大于22 km，污染超標范圍可到路橋區與溫嶺市交界處(澤國)。

在平水期，在正常工況下，COD在下游3.9 km范圍內均超標，3.9 km后能夠達到Ⅲ類水質標準；氨氮在下游6.5 km范圍內均超標，6.5 km后能夠達到Ⅲ類水質標準；總磷在下游4.6 km范圍內均超標，4.6 km后能夠達到Ⅲ類水質標準。在非正常工況下，排放口下游COD、氨氮和總磷濃度超標距離均大于22 km，污染超標范圍可到路橋區與溫嶺市交界處(澤國)。

汛期北排對永寧江水質影響：根據預測，汛期北排對西江與永寧江交界處水質COD濃度貢獻值為0.27 mg/L，NH3濃度貢獻值為0.052 mg/L，NH3濃度貢獻值為0.007 mg/L。

因此，在上游現狀水質條件下，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距離均大于22 km，污染超標范圍可到路橋區與溫嶺市交界處(澤國)。隨著本工程的實施，上游來水水質得到改善，由現狀劣Ⅴ類改善至Ⅲ類水質時，在正常工況下，排放口下游一定距離(3.9～7.5 km)內，水質超標，超過該距離后，水質能夠達到Ⅲ類水質標準。可見本工程的實施對區域水質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影響較小。

對交界斷面的影響：在上游現狀來水水質情況下，在正常或非正常工況下，無論枯水期還是平水期，壩頭閘和澤國河段水質COD和氨氮、總磷均超標。隨著本工程的實施，上游來水水質得到改善，由現狀劣Ⅴ類改善至Ⅲ類水質時，在正常工況下，無論枯水期還是平水期，壩頭閘斷面COD和總磷能達標，氨氮略有超標；澤國斷面水質COD、氨氮和總磷均能達標。在非正常工況時，兩個斷面COD和氨氮、總磷均超標。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 地表水環境影響評價結論

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，由于現狀水質本身為Ⅳ類、Ⅴ類，甚至劣Ⅴ類水，本工程準Ⅳ類水的排放，可視作為溫州河、南官河的生態補水，有利于污染物的稀釋凈化，會使溫州河、南官河水質的有所改善；從遠期來看，隨著該工程的建設，區域內越來越多的生活污水和工業廢水由分散式排放變為集中收集處理，并按準Ⅳ類標準排放，大大減少了廢水污染物的排放量。當溫州河、南官河的上游水質逐步改善并達到Ⅲ類水質目標時，該工程的排放會對溫州河、南官河產生一定的影響(對交界斷面的貢獻值基本可以達標)，尤其是對溫州河的影響較大(水質整體均超標，建議對溫州河進行生態化改造)，因此建設單位承諾到時會對污水處理廠的工藝再次進行提標改造，使污水廠的出水達到準Ⅲ類標準，減一步減少對納污水體溫州河、南官河水質的影響，從而使下游的交界斷面(壩頭閘和澤國)的水質也能穩定達到Ⅲ類水體標準。

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，污染帶的長度要遠遠大于正常工況污染帶的長度，因此應竭力避免非正常工況的發生。

7.2 工程實施后對河道水質改善的正效益分析

7.2.1 區域水質現狀分析

根據《臺州市環境狀況公報》(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2016年總體水質屬重度污染，主要污染指標為氨氮、總磷和石油類，整個河網中，45.8%的斷面水質屬劣Ⅴ類水。與2015年相比，劣Ⅴ類斷面比例減少41.7%，總體水質明顯改善。

該污水處理廠二期工程的服務范圍為黃巖東南部區排水區(主要為黃巖南城街道、高橋街道、院橋鎮和沙埠鎮)，另含澄江街道部分地區(黃長復線以南、甬臺溫高速公路以西)，總計約47.10km2，較一期工程有所擴大，且尾水排放提標至準Ⅳ類標準，今后必將更進一步改善區域內的金清河水系的水質。

7.2.2 工程建設的必要性分析

本工程的實施，能夠擴大該污水廠的處理規模，完善處理工藝，改善排放水質，提高水資源利用效率，充分發揮其環境效益和社會效益，是城市化進程的內在需求，有利于黃巖區的可持續發展，創造更大的發展空間。

7.2.3 工程實施后的正效益分析

根據水質現狀調查，工程所在區域河網已受到較為嚴重的污染，溫州河、南官河及交界斷面壩頭閘和澤國的水質本身已經不能滿足Ⅲ類水質的要求，為Ⅳ類、Ⅴ類、甚至劣Ⅴ類水。主要原因是區域內尚有一些生活污水和生產廢水未進行有效的截污納管而直排附近河道，隨著該工程的建設，區域內越來越多的生活污水和工業廢水由分散式排放變為集中收集處理，并提標至準Ⅳ類標準排放，大大減少了納污水體廢水污染物的排放量(本工程實施后區域內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)，經預測可知該工程的實施對區域水質的改善和正效益明顯，可從根本上改變區域水環境質量惡化的現狀，逐步改善溫州河、南官河及交界斷面(壩頭閘和澤國)的水質。

7.3 要求和建議

(1) 工業廢水必須進行預處理，達到進管標準后放可排入污水廠。各排污企業必須建設足夠容量的污水調節池，確保排水水質穩定；各企業要加強處理，盡量減少廢水氨氮濃度。

(2) 應積極預防、杜絕事故性排放和嚴格禁止不加處理的直接排放，做好事故防范措施，以保護納污水體水質。

(3) 從環保角度考慮，黃巖區應發展耗水量較小，污染較小的產業。要求工業企業實行清潔生產、加強廢水廠內的循環利用，倡導節約用水，降低耗水量，減少工業廢水進入污水廠所占比例，降低工業發展對環境的負面影響。

(4) 根據黃巖分區規劃，污水廠所在區域將會進一步開發，建設大量的基礎設施，當地城市化進程將進一步加快，適合建設中水回用的配套管道。該工程處理后的尾水，在條件成熟時可進行中水回用，回用于工業用水和城市的綠化、道路清掃等。