污水尾水排放对地表水环境影响预测分析——以台州某污水厂二期工程为例

王韬翔，徐家栋

(1.台州市环科环保设备运营维护有限公司，浙江 台州 318000；2.台州市污染防治工程技术中心，浙江 台州 318000)

1 项目概况

台州某污水厂一期工程于2012 年4月投入运行，处理规模1.95万m3/d，出水执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB18918-2002)中的一级A 标准，为所在区域东南部排水区带来了显著的环境效益、社会效益和经济效益。随着近年来服务范围内污水量的增长，污水厂处理污水量已逐渐达到设计规模，因此需启动污水厂扩建工作。2015年，当地政府召开关于提高污水处理厂出水排放标准有关问题协调会议，明确提出城镇污水处理厂出水水质标准提高到准Ⅳ类标准，并对各项指标提出明确限制值，该排放标准与一级A 标准相比，各项污染物指标排放浓度全面降低，对于污水中污染物削减量进一步提升，能够更大限度地保护区域水环境质量，改善水资源结构。鉴于此，当地管理部门决定实施该工程，通过工程建设，结合污水收集管网的不断完善，在所在区域以南的地区乡镇及工业区块范围内建立起较为完善的污水处理设施建管体系，提高城区、乡镇生活污水的收集处理率，实现地区水环境的基本改善，保护金清河网水体。

2 纳污水体水文调查

纳污水体南官河来自长潭水库和秀岭水库，自黄岩城关东禅桥南行，至十里铺、药山滩，再东南至璜山头，由西向东，经过崇山峻岭、平原草地和城区的各大街道，最终汇集一起流向金清港，并流入大海，全长65 km，河道宽度18～25 m，水深1.8～3.8 m。

本次污水处理工程位于南官河上游的温州河，根据资料调查所得，温州河90%保证率最枯月流量为0.44 m3/s，枯水期间温州河水面宽度为8 m，流速为0.05 m/s，水深为1.1 m；温州河平均流量为0.76 m3/s，平水期温州河水面宽度为8 m，流速为0.05 m/s，水深为1.9 m。该段南官河90%保证率最枯月流量为2.5 m3/s，枯水期间南官河水面宽度为20 m，流速为0.05 m/s，水深为2.5 m；该段南官河平均流量为3.5 m3/s，平水期南官河水面宽度为20 m，流速为0.05 m/s，水深为3.5 m。

3 排放口下游水环境敏感目标调查

本工程排污口下游6.3 km处为南官河黄岩区和路桥区的交界断面(坝头闸，水质目标Ⅲ类)，下游22.3 km处为南官河路桥区和温岭市的交界断面(泽国，水质目标Ⅲ类)。工程拟建排污口至南官河路桥区和温岭市的Ⅲ类水质交界断面无生活饮用水取水设置，无特殊保护鱼类资源，其间亦无其他集中污染排放口设置。

4 水动力模型简介

采用丹麦水力学研究所研制的平面二维数值模型MIKE21FM来计算污水排放水域的流场和水质扩散，模型采用非结构三角网格剖分计算域，三角网格能较好的拟合岸界，网格设计灵活且可随意控制网格疏密，该软件具有算法可靠、计算稳定、界面友好、前后处理功能强大等优点，已在全球70多个国家得到应用，有数百例成功算例，计算结果可靠，为国际所公认[1～4]。MIKE21FM采用标准有限体积法进行水平空间离散，在时间上，采用一阶显式欧拉差分格式离散动量方程与输运方程X[1～4]。

4.1 模型控制方程

质量守恒方程：

(1)

动量方程：

(2)

(3)

对流扩散基本方程：

(4)

4.2 定解条件

初始条件：

(5)

5 模型设置

5.1 计算区域和计算网格

计算区域见图1～4。由于黄岩区河网内部河道多而复杂，为便于计算，首先必须将内部河道进行概化，形成一个有河道、有节点的概化河网。 河网概化主要是把一些对水力计算影响不大的小河道进行技术合并，概化成若干条假想的河道，并将天然河道的不规则断面概化成规则的梯形断面。概化后的每一条河段，需要确定以下几个参数：河底宽度、河底高程、边坡系数、糙率的划分。

图1 模型计算区域示意

概化时将主要的输水河道纳入计算范围，将次要的河道和水体根据等效原理， 归并为单一河道和节点，使概化前后河道的输水能力相等、调蓄能力不变。当这些次要的平行河道具有断面资料，且首末节点相同时，可以用水力学的方法，根据过水能力相同的原理，求得合并概化河道的断面参数。对于水系内不参加水流输送的一些小河、池塘等，其调蓄作用不可忽视，采用调蓄不变原则模拟概化河网以外的调蓄作用，使概化前后河道的总调蓄容积不变。

为了模拟黄岩区河网水量水质的时空变化， 进而为整个黄岩区环境容量总量控制方案计算提供科学依据， 建立了黄岩区河网数学模型。 将黄岩区包括永宁江水系、 金清河网在内的 20 条河流进行概化和水量水质计算。

5.2 水下地形

枯水期时，采用各河段枯季平均水深，平水期时，采用各河段平水期平均水深。

5.3 边界条件

边界条件是河网数学模型的主要约束条件，本模型考虑了两种边界属性分别为外部边界、内部边界。外部边界即开边界，是指控制计算区域内、外水体交换的约束条件，开边界在模型运算中是必不可少的，本模型主要选取平原河网中与外部重要水体连接的主要河道；内部边界是指模型计算范围内以点源或面源形式给出的排水口。

5.4 计算时间步长

模型计算时间步长根据CFL条件进行动态调整，确保模型计算稳定进行，平均时间步长0.5 s。

5.5 水平涡动粘滞系数

采用考虑亚尺度网格效应的Smagorinsky (1963) 公式计算水平涡粘系数，表达式如下：

(6)

图2 模型计算区域(项目附近)

6 污水厂尾水排河水环境影响预测

6.1 设计水文条件

根据计算区域水文边界条件，利用模型对各计算河网(或河道区)各河段的流量和水深、流速等水文条件进行调试，使本项目所在河段温州河和南官河的流量(及水深)符合90%枯水期和平水期水文条件，在此基础进一步计算本项目污水排放对水域水质的影响(图4)。

图3 模型计算网格图(项目附近)

图4 项目排污口附近流场

6.2 降解系数

黄岩区河网水域污染物COD、氨氮和总磷降解系数分别为0.10-0.12d-1、0.10～0.12d-1和0.04～0.06d-1。

6.3 现状水质和水质标准

根据排污口上下游水质现状调查结果，温州河水域COD、氨氮和总磷现状水质浓度分别为27 mg/L、1.21 mg/L和0.293 mg/L，南官河水域COD、氨氮和总磷现状水质浓度分别为38 mg/L、1.97 mg/L和0.395 mg/L。温州河和南官河水域水质标准为三类，COD、氨氮和总磷标准限值分别为20 mg/L、1.0 mg/L和0.2 mg/L。

6.4 预测方案

本项目污水排放规模包括一期工程的1.95万t/d和二期工程的4万t/d，其中一期工程水量不变，尾水排放标准提高，下游河段和监测断面水质将有所改善；二期工程为新增排放量。模型在制定预测时，考虑了一期工程提标改造后尾水排放产生的环境正效益。同时考虑了未来随着本工程的实施，温州河、南官河的水质整体改善后，整体水质达到Ⅲ类水体标准时，本项目污水的排放对纳污水体的影响也进行了预测(上游来水的水质COD 取20 mg/L，NH3-N 取1.0 mg/L，TP 取0.2 mg/L)，模型预测时，考虑不同水期(平水期和90%保证率的枯水期)，以及不同工况(正常工况和非正常工况，非正常工况按进水水质的50%计)，制定预测方案，详见表1。

表1 水质预测方案

6.5 排污口位置

排放口利用现有污水厂一期工程排放口，采用就近排放原则，排放方式采用河中心排放。

6.6 计算结果

计算结果见表2、3和图5～16。上游(温州河、南官河)现状水质：在上游现状来水水质条件下，无论在90%保证率的枯水期还是平水期，在正常工况和非正常工况下，排放口下游COD、氨氮和总磷浓度超标距离均大于22km，污染超标范围可到路桥区与温岭市交界处(泽国)。

图5 上游来水水质改善后，枯水期+正常工况条件下，各河段COD浓度分布

表2 各计算方案排放口下游不同距离浓度值 mg/L

上游Ⅲ类水质：随着本工程的实施，在上游来水水质改善为Ⅲ类水质条件下，在90%保证率的枯水期，在正常工况下，COD在下游4.2 km范围内均超标，4.2 km后能够达到Ⅲ类水质标准；氨氮在下游7.5 km范围内均超标，7.5 km后能够达到Ⅲ类水质标准；总磷在下游4.7 km范围内均超标，4.7 km后能够达到Ⅲ类水质标准。在非正常工况下，排放口下游COD、氨氮和总磷浓度超标距离均大于22 km，污染超标范围可到路桥区与温岭市交界处(泽国)。

在平水期，在正常工况下，COD在下游3.9 km范围内均超标，3.9 km后能够达到Ⅲ类水质标准；氨氮在下游6.5 km范围内均超标，6.5 km后能够达到Ⅲ类水质标准；总磷在下游4.6 km范围内均超标，4.6 km后能够达到Ⅲ类水质标准。在非正常工况下，排放口下游COD、氨氮和总磷浓度超标距离均大于22 km，污染超标范围可到路桥区与温岭市交界处(泽国)。

汛期北排对永宁江水质影响：根据预测，汛期北排对西江与永宁江交界处水质COD浓度贡献值为0.27 mg/L，NH3浓度贡献值为0.052 mg/L，NH3浓度贡献值为0.007 mg/L。

因此，在上游现状水质条件下，无论是正常工况还是非正常工况，排放口下游COD、氨氮和总磷浓度超标距离均大于22 km，污染超标范围可到路桥区与温岭市交界处(泽国)。随着本工程的实施，上游来水水质得到改善，由现状劣Ⅴ类改善至Ⅲ类水质时，在正常工况下，排放口下游一定距离(3.9～7.5 km)内，水质超标，超过该距离后，水质能够达到Ⅲ类水质标准。可见本工程的实施对区域水质的改善和正效益明显。在汛期北排时，因水量较大，水体稀释扩散条件好，项目排污对永宁江水质影响较小。

对交界断面的影响：在上游现状来水水质情况下，在正常或非正常工况下，无论枯水期还是平水期，坝头闸和泽国河段水质COD和氨氮、总磷均超标。随着本工程的实施，上游来水水质得到改善，由现状劣Ⅴ类改善至Ⅲ类水质时，在正常工况下，无论枯水期还是平水期，坝头闸断面COD和总磷能达标，氨氮略有超标；泽国断面水质COD、氨氮和总磷均能达标。在非正常工况时，两个断面COD和氨氮、总磷均超标。汛期北排时，本项目污水排放对坝头闸断面和泽国断面没有影响。

表3 各计算方案排放口下游交界断面浓度值 mg/L

图6 上游来水水质改善后，枯水期+正常工况条件下，各河段氨氮浓度分布

图7 上游来水水质改善后，枯水期+正常工况条件下，各河段总磷浓度分布

图8 上游来水水质改善后，枯水期+非正常工况条件下，各河段COD浓度分布

图9 上游来水水质改善后，枯水期+非正常工况条件下，各河段氨氮浓度分布

图10 上游来水水质改善后，枯水期+非正常工况条件下，各河段总磷浓度分布

图11 上游来水水质改善后，平水期+正常工况条件下，各河段COD浓度分布

图12 上游来水水质改善后，平水期+正常工况条件下，各河段氨氮浓度分布

图13 上游来水水质改善后，平水期+正常工况条件下，各河段总磷浓度分布

图14 上游来水水质改善后，平水期+非正常工况条件下，COD最大浓度分布

图15 上游来水水质改善后，平水期+非正常工况条件下，各河段氨氮浓度分布

图16 上游来水水质改善后，平水期+非正常工况条件下，各河段总磷浓度分布

7 地表水环境影响评价结论

7.1 对纳污水体的影响分析

对于纳污水体温州河、南官河，从近期来看，由于现状水质本身为Ⅳ类、Ⅴ类，甚至劣Ⅴ类水，本工程准Ⅳ类水的排放，可视作为温州河、南官河的生态补水，有利于污染物的稀释净化，会使温州河、南官河水质的有所改善；从远期来看，随着该工程的建设，区域内越来越多的生活污水和工业废水由分散式排放变为集中收集处理，并按准Ⅳ类标准排放，大大减少了废水污染物的排放量。当温州河、南官河的上游水质逐步改善并达到Ⅲ类水质目标时，该工程的排放会对温州河、南官河产生一定的影响(对交界断面的贡献值基本可以达标)，尤其是对温州河的影响较大(水质整体均超标，建议对温州河进行生态化改造)，因此建设单位承诺到时会对污水处理厂的工艺再次进行提标改造，使污水厂的出水达到准Ⅲ类标准，减一步减少对纳污水体温州河、南官河水质的影响，从而使下游的交界断面(坝头闸和泽国)的水质也能稳定达到Ⅲ类水体标准。

本工程污水的排放：在时间上，枯水期比平水期的影响范围要广；在工况上，在非正常工况下，污染带的长度要远远大于正常工况污染带的长度，因此应竭力避免非正常工况的发生。

7.2 工程实施后对河道水质改善的正效益分析

7.2.1 区域水质现状分析

根据《台州市环境状况公报》(2016)，随着该污水处理厂一期工程的投入运行，以及“五水共冶”等一系列措施的实施，该工程所在的金清河网2016年总体水质属重度污染，主要污染指标为氨氮、总磷和石油类，整个河网中，45.8%的断面水质属劣Ⅴ类水。与2015年相比，劣Ⅴ类断面比例减少41.7%，总体水质明显改善。

该污水处理厂二期工程的服务范围为黄岩东南部区排水区(主要为黄岩南城街道、高桥街道、院桥镇和沙埠镇)，另含澄江街道部分地区(黄长复线以南、甬台温高速公路以西)，总计约47.10km2，较一期工程有所扩大，且尾水排放提标至准Ⅳ类标准，今后必将更进一步改善区域内的金清河水系的水质。

7.2.2 工程建设的必要性分析

本工程的实施，能够扩大该污水厂的处理规模，完善处理工艺，改善排放水质，提高水资源利用效率，充分发挥其环境效益和社会效益，是城市化进程的内在需求，有利于黄岩区的可持续发展，创造更大的发展空间。

7.2.3 工程实施后的正效益分析

根据水质现状调查，工程所在区域河网已受到较为严重的污染，温州河、南官河及交界断面坝头闸和泽国的水质本身已经不能满足Ⅲ类水质的要求，为Ⅳ类、Ⅴ类、甚至劣Ⅴ类水。主要原因是区域内尚有一些生活污水和生产废水未进行有效的截污纳管而直排附近河道，随着该工程的建设，区域内越来越多的生活污水和工业废水由分散式排放变为集中收集处理，并提标至准Ⅳ类标准排放，大大减少了纳污水体废水污染物的排放量(本工程实施后区域内COD削减量8469.82 t/年、NH3-N削减量727.53 t/年、TP削减量102.07 t/年)，经预测可知该工程的实施对区域水质的改善和正效益明显，可从根本上改变区域水环境质量恶化的现状，逐步改善温州河、南官河及交界断面(坝头闸和泽国)的水质。

7.3 要求和建议

(1) 工业废水必须进行预处理，达到进管标准后放可排入污水厂。各排污企业必须建设足够容量的污水调节池，确保排水水质稳定；各企业要加强处理，尽量减少废水氨氮浓度。

(2) 应积极预防、杜绝事故性排放和严格禁止不加处理的直接排放，做好事故防范措施，以保护纳污水体水质。

(3) 从环保角度考虑，黄岩区应发展耗水量较小，污染较小的产业。要求工业企业实行清洁生产、加强废水厂内的循环利用，倡导节约用水，降低耗水量，减少工业废水进入污水厂所占比例，降低工业发展对环境的负面影响。

(4) 根据黄岩分区规划，污水厂所在区域将会进一步开发，建设大量的基础设施，当地城市化进程将进一步加快，适合建设中水回用的配套管道。该工程处理后的尾水，在条件成熟时可进行中水回用，回用于工业用水和城市的绿化、道路清扫等。