基于MIKE21的污水處理廠入河排污口設置論證分析

(長江水利委員會長江科學院，湖北 武漢 430010)

隨著經濟快速發展，城市規模不斷擴大，區域取用水及排水量大幅增加，給區域水資源的開發利用與保護帶來了巨大挑戰[1-2]。安徽省江北污水處理廠的建設解決了江北產業集中區起步區污水收集和處理問題，使區域內水環境得到較好的保護。

1 項目概況

江北污水處理廠位于安徽省江北產業集中區起步區沈巷片區長河南路與和平路交叉口東南，服務范圍為起步區沈巷片區，近期服務面積約15km2，遠期服務面積增加區外預留用地5km2，另外考慮沈巷鎮6萬人的污水排放。污水處理廠總用地7.4hm2，一期需用地3.65hm2。近期設計處理規模為3.0萬m3/d，遠期設計處理規模為6.0萬m3/d。江北污水處理廠一期工程已于2017年11月正式投入運營。項目采用“A/O+深度處理”污水處理工藝，工程出水的受納水體為長江，出水水質執行《城鎮污水處理廠污染物排放標準》(GB 18918—2002)一級A類排放標準。

按照《中華人民共和國水法》《入河排污口監督管理辦法》《水功能區監督管理辦法》等法律法規要求，在江河、湖泊新建或擴大排污口，需要對入河排污口設置的可行性和合理性進行論證。按照江北污水處理廠近期設計處理規模3.0萬m3/d排污量進行入河排污口設置論證。

2 水功能區管理要求及現有取排水狀況

2.1 水功能區管理目標與要求

江北污水處理廠入河排污口位于鳩江區沈巷鎮黃山寺二站下游約420m。根據《全國重要江河湖泊水功能區劃》(2011—2030年)，排污口所在一級水功能區為長江左岸巢湖開發利用區；二級水功能區為長江左岸和縣工業、農業用水區，起于二壩鎮河灘村，止于和縣白橋鎮宋唐村，長20km，水質管理目標為Ⅲ類。

2.2 水功能區納污能力及限制排放總量

根據《長江干流水域納污能力及限制排污總量初步研究報告》《全國水資源保護規劃》等資料，在最枯月平均流量90%保證率條件下，長江左岸和縣工業、農業用水區主要入河污染物COD和氨氮納污能力及限制排污量見表1。

表1 長江左岸和縣工業、農業用水區納污能力及限制排污量

2.3 水功能區現有取排水狀況

根據現狀調查，排污口所在水功能區長江左岸和縣工業、農業用水區除江北污水處理廠入河排污口外無其他排污口；長江左岸巢湖開發利用區現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)糧油工業有限公司工業入河排污口，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，分別為排污口上游2.6km處的裕溪口水廠，排污口上游0.5km處的江北產業集中區江北水廠，排污口下游5.5km處的蕪湖市黃山寺自來水廠，排污口下游8.0km處的規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 水功能區水質現狀及納污情況

3.1 水功能區水質現狀評價

根據《蕪湖市水資源公報》(2011—2017年)，長江蕪湖段水質符合Ⅱ類標準，水質狀況優。排污口所在水功能區長江左岸和縣工業、農業用水區，水環境現狀采用2017年3月的監測數據，以此進行地表水環境質量現狀評價，水質評價方法采用單因子評價法，評價標準為Ⅲ類水質標準，評價結果見表2。

表2 長江左岸和縣工業、農業用水區地表水環境現狀評價結果 單位：mg/L

3.2 水功能區達標評價

根據《地表水資源質量評價技術規程》(SL 395—2007)，水功能區達標評價參照水功能區管理目標進行，根據水功能區劃，長江左岸和縣工業、農業用水區水質管理目標為Ⅲ類。水功能區水質監測斷面現狀水質為Ⅲ類，滿足水功能區水質管理要求。

3.3 水功能區納污情況

根據《全國水資源保護規劃》，排污口所在水功能區長江左岸和縣工業、農業用水區主要污染物COD和氨氮現狀入河量分別為1570.4t/a和133.4t/a。江北污水處理廠一期工程按設計規模3.0萬m3/d計，主要污染物COD排放量為547.50t/a，氨氮排放量為54.75t/a。因此，該水功能區主要污染物COD和氨氮現狀入河總量分別為2117.9t/a和188.15t/a，小于其納污能力及限排總量。

4 入河排污口設置影響范圍

4.1 數學模型

根據入河排污口所在江段河道地形及水質狀況，采用丹麥水資源及水環境研究所(DHI)開發的MIKE 21 二維水動力水質模型模擬流場和水質變化趨勢，分析研究江段污染物影響范圍，進行不同工況模擬計算。模型計算河段為長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8.2km，寬350～940m。采用三角形網格對模擬區域進行劃分，排污口附近網格加密，計算網格總數為28783個，節點數為10145個，見圖2。

4.2 參數選取

4.2.1 水文參數

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

江北污水處理廠入河排污口位于長江干流下游，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作為設計流量。根據長江蕪湖河段陳家洲左汊歷年分流比統計，枯水期(90%保證率)陳家洲左汊分流比按12%計，模型計算區域流量為1428m3/s，與上游流量相對應的下游水位為2.125m(85國家高程基準)。

4.2.2 計算參數

根據實地調研過程中拍攝照片獲取的河道情況，參考水力學手冊及其他項目該江段經率定和驗證的水動力學模型參數，確定河床糙率在模擬區域取值范圍為0.030～0.035[3]。

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

4.3 計算工況

模型計算工況分別按污染物正常排放和非正常排放設計，排水量為污水處理廠近期設計規模3萬m3/d。根據江北污水處理廠入河排污口江段水質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、氨氮作為模型預測指標。具體計算工況見表3。

表3 入河排污口設置模型計算工況

4.4 影響范圍

根據模型計算結果，正常排放工況條件下，COD和氨氮濃度劣于Ⅲ類水標準(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類水標準(CCOD>20mg/L)濃度線最大影響水域長度為40m，最大影響水域寬度為15m；氨氮劣于Ⅲ類水標準(C氨氮>1mg/L)濃度線最大影響水域長度為35m，最大影響水域寬度為12m。具體計算成果見表4、表5和圖3、圖4。

表5 氨氮排放影響范圍計算結果 單位：m

圖3 COD排放影響范圍計算

圖4 氨氮排放影響范圍計算

5 入河排污口設置合理性分析

5.1 對水功能區納污能力影響分析

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

5.2 對水功能區水質影響分析

污水處理廠尾水達標排放時，主要入河污染物COD和氨氮均能達到Ⅲ類水標準，滿足水功能區水質管理目標要求，沒有改變水功能區水質類別，未影響其使用功能。不達標排放情況下，僅在排污口下游岸邊局部區域形成污染帶，對水功能區局部區域水質影響較為明顯。

5.3 對水生態環境的影響分析

本工程排污口位于長江左岸和縣工業、農業用水區，該江段不屬于魚類產卵場，且未發現有國家保護的珍稀野生魚類。正常排污情況下，廢污水排放影響范圍有限，水功能區水質未發生改變，不會對該江段生物群落結構和生物量產生明顯影響。非正常排污情況下，廢污水排放影響范圍相對正常排放有所增加，但不會對該江段水生生物群落產生明顯不利影響，僅排污口附近水域水生生物種群結構會發生一定變化，如清水種減少，耐污種增加。

5.4 對第三者影響分析

根據現狀調查，排污口所在水功能區長江左岸和縣工業、農業用水區共有取水單元4個，分別為排污口上游2.6km處的裕溪口水廠，排污口上游0.5km處的江北產業集中區江北水廠，排污口下游5.5km處的蕪湖市黃山寺自來水廠，排污口下游8.0km處的規劃馬鞍山市西梁山水廠。污水處理廠尾水排放對水質影響主要集中在排污口下游長40.0m，寬15.0m范圍內，排污口排污影響范圍內無集中的生活取水口及工業取水口，故而不會對下游取水口產生影響。

其次，排污口排污負荷COD和氨氮排污影響范圍十分有限，未改變水功能區控制斷面水質類別，亦不會對鄰近水功能區產生影響。因此，本項目排污口的設置不會對第三者權益產生明顯不利影響。

5.5 排污口位置設置合理性分析

江北污水處理廠入河排污口位于鳩江區沈巷鎮黃山寺二站下游約420m，所在水功能區為長江左岸和縣工業、農業用水區，不屬于禁止或限制設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，未設置于飲用水水源一、二級保護區，滿足《安徽省城鎮生活飲用水水源環境保護條例》中關于水源保護的要求。因此，本項目入河排污口位置設置較為合理。

6 結 語

開展污水處理廠入河排污口設置論證，目的在于合理開發利用與保護水資源，保障水域生活、生產和生態用水安全，為各級水行政主管部門審批入河排污口以及建設單位合理設置入河排污口提供科學依據。

通過對江北污水處理廠入河排污口設置的可行性和合理性進行論證分析，排污口設置對長江水功能區和水生態環境以及第三者都不會產生明顯的不利影響，符合水功能區管理要求，排污口設置合理。隨著江北污水處理廠的建設運營，區域內的污水排放由不經處理的零散排放轉變為集中處理的達標排放，污染物排放總量大幅減少，極大削減了區域內入河污染物排放量，起到改善區域內水環境和水生態的作用。