基于排污口疊加影響分析下水質影響預測

魏 凱

(甘肅甘蘭水利水電勘測設計院有限責任公司，甘肅 蘭州 730000)

開展入河排污口設置論證是保護水環境的一項重要舉措，科學指導入河排污口的設置，加強對水功能區管理，保護一些魚類繁殖地以及水源地，保障生活、生產和生態用水安全[1-3]。入河排污口的設置受多重因素影響，包括受受納水體的水質條件、污水處理工藝、河流納污能力以及與第三方相關的權益等[4-8]。本文以慶陽城東污水處理廠入河排污口設置論證項目為例，利用河流一維水質數值模型，對常年Ⅴ類水質的馬蓮河上入河排污口設置進行論證。

1 污水處理廠概況

慶陽市城東污水處理廠位于溫泉鎮溫泉村北頭組，占地88.8畝，目前接納的主要老城區、北部城區和東部科教區居民生活污水，污水處理工藝采用改良型SBR工藝，工程設計規模為2萬m3/d。出水水質執行一級B標準，該入河排污口為混合污水排污口，類型為新建入河排污口，排放方式為連續排放，入河方式為管道。

2 排污口及水功能區水質現狀

(1)入河排污口所在水功能區

慶陽市城東污水處理廠入河排污口位于甘肅省黃河流域涇河水系，二級水功能區——馬蓮河環縣、慶城、合水、寧縣工業農業用水區，污水由排放口排入陳倉溝后匯入蓋家川河，再由蓋家川河匯入馬蓮河。因此本次論證范圍確定為馬蓮河環縣、慶城、合水、寧縣工業、農業用水區，起始斷面洪德站，終止斷面入涇河口，河長275.1 km；水質目標為Ⅳ類，見表1。

表1 論證范圍內水功能區一覽表

(2)水功能區取排水現狀

馬蓮河環縣、慶城、合水、寧縣工業、農業用水區現狀無取水口，規劃建設馬蓮河水利樞紐工程，由干流賈咀水庫、支流硯瓦川調蓄水庫共同組成。已建縣城污水處理廠外排口有5處，污水直排口1處。

(3)水功能區水質及納污能力分析

由于慶陽市降水時空分布不均，且冬春連旱情況極易發生。馬蓮河河流水位低，水流速度變慢，又導致河流自凈能力變差，污染物難以得到有效降解。部分直排生活污水是導致水質變差的主要原因。該水功能區常年水質不達標，劣V類。馬蓮河慶陽段2016年～2018年水質變化趨勢見圖1。

a.馬蓮河慶陽斷面2016年～2018年COD濃度變化圖

《慶陽市地表水功能區限制納污紅線方案》提出馬蓮河環縣、慶城、合水、寧縣工業、農業用水區2030年COD和氨氮現狀納污能力為3901.10 t/a、125.10 t/a。各排污口污染物入河量按2030年測算，COD和氨氮年均入河量分別為1646.60 t/a、148.92 t/a，其中氨氮超過其水功能區限排總量要求。由于本項目屬于減排項目，保障西峰區社會和環境的可持續發展，對于馬蓮河水質改善起到了重要作用。到2030年，慶陽市城東污水處理廠中水回用率達到30%的前提條件下，慶陽市城東污水處理廠入河排污口設置滿足其水域納污能力要求。

3 模型預測

3.1 計算模型選擇

依據《水域納污能力計算規程》(GB/T 25173-2010)。結合馬蓮河干流水功能區納污能力核定工作實踐，馬蓮河多年平均流量7.67 m3/s，屬于小型河段。首先基于河流一維模型計算排污口至陳倉溝降解后的污染物濃度，然后利用河流零維模型計算與蓋家川河混合后的污染物濃度及進入馬蓮河后的污染物混合濃度，最后利用疊加維模型計算排污口至下游涇河匯入口斷面的污染物濃度。

式中：Q為河道設計流量，m3/s；Cx為流經x距離后的污染物濃度，mg/L；x為沿河段的縱向距離，m；u為設計流量下河道斷面的平均流速，m/s；K為污染物綜合衰減系數，1/s；CP、QP分別為污染物排放濃度(mg/L)和污水排放量(m3/s)；C0、Q0分別為上游污染物排放濃度(mg/L)和上游來水流量(m3/s)；Cs為排污口下游某斷面處污染物濃度值，mg/L;X為排污口至下游某斷面的距離，km；X′為排污口至上游背景斷面的距離，km；M為污染物入河量，g/s；q為污水入河流量，m3/s。

3.2 模型的參數確定

(1)影響分析范圍

慶陽市城東污水處理廠處理后的廢水先排入陳倉溝，流經11.33 km后匯入蓋家川河，在蓋家川河11.88 km后匯入了馬蓮河。以寧縣縣界(控制斷面)，寧縣污水處理廠(控制斷面)、馬蓮河與涇河交匯處(控制斷面)，入河排污口及支流概化示意圖見圖2。

圖2 入河排污口及支流概化示意圖

(2)設計水文水質條件

本次論證流量采用90%保證率最枯月平均流量，蓋家川論證斷面，設計流量0.04 m3/s，流速0.04 m/s；馬蓮河蓋家川口，設計流量2.56 m3/s，流速0.92 m/s；馬蓮河雨落坪，設計流量3.13 m3/s，流速0.77 m/s。上游來水按Ⅳ類限值，即COD、氨氮、BOD5、TP分別30 mg/L、1.5 mg/L、6 mg/L、0.3 mg/L。

(3)污水處理廠設計工況

正常工況下，設計外排水量為2萬m3/d，按一級B達標排放，COD、氨氮、BOD5、TP分別為60 mg/L、8 mg/L、20 mg/L、1 mg/L。事故工況條件下，設計外排水量為2萬m3/d，按設計進水水質排放，即COD、氨氮、BOD5、TP分別為400 mg/L、54 mg/L、200 mg/L、6.6 mg/L。

(4)污染物綜合降解系數

黃河流域水資源保護局在《黃河重點河段水功能區劃及入河污染物總量控制方案研究》項目中對國內外24條河流的經驗值進行統計，本論證參考其研究成果，確定馬蓮河河段COD的綜合降解系數年均值為0.40 d-1，氨氮的綜合降解系數年均值為0.33 d-1，BOD5的綜合降解系數年均值為0.3 d-1，總磷的綜合降解系數取0.08 d-1。

3.3 預測結果分析

(1)正常工況結果預測

正常工況的影響預測結果來看，在上游來水Ⅳ類限值條件下，按照多年最枯月平均流量，慶陽市城東污水處理廠按照設計規模排水量(2萬m3/d)進行計算，污水排放濃度按《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918-2002)一級B標準排放。區段內各斷面氨氮、BOD5、總磷超出地表水Ⅳ類水質目標。正常工況下各控制斷面水質變化見圖2。利用一維模型反推，在上游來水條件為IV類限制條件下，為保證馬蓮河入涇河口斷面處水質達標，需同步提升各污水處理廠污染物排放濃度控制標準，并等比例提高中水回用量，減少污水外排量。即各污水處理廠中水回用達到20%，同時主要污染物COD、氨氮、BOD5、總磷的排放控制濃度控制在60 mg/L、4.6 mg/L、17.3 mg/L、0.46 mg/L以內。不同預測斷面特征因子濃度變化見圖3。

a.不同預測斷面COD濃度變化趨勢圖

(2)事故工況結果預測

由上述計算結果來看(見表2)，對于事故工況，無論上游Ⅳ類來水條件還是現狀來水條件，事故污水排入馬蓮河后，各斷面水質均未達到地表水Ⅳ類標準。因此，應對慶陽市城東生活污水處理廠所排污水進行嚴格監管，確保達標排放。

表2 事故工況排污影響預測結果 單位：mg/L

4 對水功能區水質和水生態影響分析

4.1 對水功能區水質影響分析

從以上模型計算結果來看，正常工況下，上游來水水質Ⅳ類限值條件下，同步提升污水處理廠污染物排放濃度控制標準，并等比例提高中水回用量，可以實現馬蓮河入涇河口斷面水質達標(達到Ⅳ類標準)。慶陽城東污水處理廠的設置，對于改善馬蓮河水環境起到了重要作用對馬蓮河入涇河口斷面水質改善效果見表3。

表3 慶陽城東污水處理廠設置對馬蓮河入涇河口斷面水質影響分析表 單位：mg/L

非正常工況下，無論上游Ⅳ類來水條件還是現狀來水條件，事故污水排入馬蓮河后，各斷面水質均未達到地表水Ⅳ類標準。因此，應對慶陽市城東生活污水處理廠所排污水進行嚴格監管，確保達標排放。

4.2 對水生態環境的影響分析

在本次調查中，未發現魚類存在。由于本項目屬于減排項目，按照現狀一級B排放標準預測，到2020年每年可減排COD 2482 t，氨氮233.6 t，可有效保護馬蓮河水體環境。建議持續開展馬蓮河水生生物監測，加強河段內入河排污的監督與管理，使其對水生生物的影響減到最低。

4.3 對有利害關系的第三者權益的影響分析

根據《地表水環境質量標準》(GB 3838-2002)，地表水Ⅳ類主要適用于一般工業用水區及人體非直接接觸的娛樂用水區；Ⅴ類主要適用于農業用水區及一般景觀要求水域。根據模型影響分析，在上游來水按Ⅳ類限值條件下，設計條件按照近十年長系列最枯月平均流量，慶陽市城東污水處理廠按照一級B，設計排放量2萬m3/d，低溫枯水季節，通過相應控制措施，擬建賈咀水庫和硯瓦川水庫斷面濃度均小于地表水Ⅳ類限值標準，滿足水庫工業用水水質要求。

5 水環境保護措施

(1)開展提標改造

根據西峰區發展需要，提前謀劃，適時開展后續提標改造工程，提升慶陽市城東污水處理廠至一級A標準。引進國際國內先進污水處理工藝，強化污水的深度處理，持續降低尾水排放濃度，特別是氨氮的排放濃度，保護馬蓮河水環境。

(2)加強日常運行監管

建議西峰區環保局進一步加強對慶陽市城東污水處理廠排污日常運行的監管，會同城建等部門，對服務范圍內的工業污水污染源進行核查并建立臺帳；制定工業污水接納處理監督辦法，杜絕超標工業污水擅自接入污水處理系統；建立健全工業污水排入市政管網監控系統，對工業污水超標入網做到及早發現、及時控制。

(3)加大事故應急處理能力

建議在接到慶陽市城東污水處理廠關于出現運行故障、進行工藝調整、發現進水異常、申請啟用超越管等的報告后，西峰區建設局、環保局等當地政府有關部門進行會商，結合污水處理廠事故狀況及當時馬蓮河水質、水量情況制訂相應對策措施。事故狀況下，為盡可能降低超標污水對馬蓮河的影響，同時設立事故應急池。

(4)入河排污口規范化建設

慶陽市城東污水處理廠現有入河排污口在規范化建設方面尚不能完全滿足有關管理要求，應按照《入河排污口管理技術導則》(SL 532-2011)開展入河排污口規范化建設。

6 結論

考慮慶陽市西峰區經濟社會發展需要及客觀實際情況，在慶陽市城東污水處理廠按照或優于本論證提出的排污水量、污染物濃度及總量等控制指標排污的條件下，在落實本論證提出的相關要求和水質達標控制方案、確保水污染應急防范措施到位的前提下，其在馬蓮河支流上設置入河排污口可行。