基于MIKE21的污水处理厂入河排污口设置论证分析

(长江水利委员会长江科学院，湖北 武汉 430010)

随着经济快速发展，城市规模不断扩大，区域取用水及排水量大幅增加，给区域水资源的开发利用与保护带来了巨大挑战[1-2]。安徽省江北污水处理厂的建设解决了江北产业集中区起步区污水收集和处理问题，使区域内水环境得到较好的保护。

1 项目概况

江北污水处理厂位于安徽省江北产业集中区起步区沈巷片区长河南路与和平路交叉口东南，服务范围为起步区沈巷片区，近期服务面积约15km2，远期服务面积增加区外预留用地5km2，另外考虑沈巷镇6万人的污水排放。污水处理厂总用地7.4hm2，一期需用地3.65hm2。近期设计处理规模为3.0万m3/d，远期设计处理规模为6.0万m3/d。江北污水处理厂一期工程已于2017年11月正式投入运营。项目采用“A/O+深度处理”污水处理工艺，工程出水的受纳水体为长江，出水水质执行《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A类排放标准。

按照《中华人民共和国水法》《入河排污口监督管理办法》《水功能区监督管理办法》等法律法规要求，在江河、湖泊新建或扩大排污口，需要对入河排污口设置的可行性和合理性进行论证。按照江北污水处理厂近期设计处理规模3.0万m3/d排污量进行入河排污口设置论证。

2 水功能区管理要求及现有取排水状况

2.1 水功能区管理目标与要求

江北污水处理厂入河排污口位于鸠江区沈巷镇黄山寺二站下游约420m。根据《全国重要江河湖泊水功能区划》(2011—2030年)，排污口所在一级水功能区为长江左岸巢湖开发利用区；二级水功能区为长江左岸和县工业、农业用水区，起于二坝镇河滩村，止于和县白桥镇宋唐村，长20km，水质管理目标为Ⅲ类。

2.2 水功能区纳污能力及限制排放总量

根据《长江干流水域纳污能力及限制排污总量初步研究报告》《全国水资源保护规划》等资料，在最枯月平均流量90%保证率条件下，长江左岸和县工业、农业用水区主要入河污染物COD和氨氮纳污能力及限制排污量见表1。

表1 长江左岸和县工业、农业用水区纳污能力及限制排污量

2.3 水功能区现有取排水状况

根据现状调查，排污口所在水功能区长江左岸和县工业、农业用水区除江北污水处理厂入河排污口外无其他排污口；长江左岸巢湖开发利用区现状主要排水口有安徽华谊化工有限公司污水总排口和芜湖市益海嘉里(安徽)粮油工业有限公司工业入河排污口，分别位于排污口上游6.7km和9.5km。

图1 江北污水处理厂入河排污口所在江段取排水口分布

取水单元共有4个，分别为排污口上游2.6km处的裕溪口水厂，排污口上游0.5km处的江北产业集中区江北水厂，排污口下游5.5km处的芜湖市黄山寺自来水厂，排污口下游8.0km处的规划马鞍山市西梁山水厂。排污口所在江段取排水口分布见图1。

3 水功能区水质现状及纳污情况

3.1 水功能区水质现状评价

根据《芜湖市水资源公报》(2011—2017年)，长江芜湖段水质符合Ⅱ类标准，水质状况优。排污口所在水功能区长江左岸和县工业、农业用水区，水环境现状采用2017年3月的监测数据，以此进行地表水环境质量现状评价，水质评价方法采用单因子评价法，评价标准为Ⅲ类水质标准，评价结果见表2。

表2 长江左岸和县工业、农业用水区地表水环境现状评价结果 单位：mg/L

3.2 水功能区达标评价

根据《地表水资源质量评价技术规程》(SL 395—2007)，水功能区达标评价参照水功能区管理目标进行，根据水功能区划，长江左岸和县工业、农业用水区水质管理目标为Ⅲ类。水功能区水质监测断面现状水质为Ⅲ类，满足水功能区水质管理要求。

3.3 水功能区纳污情况

根据《全国水资源保护规划》，排污口所在水功能区长江左岸和县工业、农业用水区主要污染物COD和氨氮现状入河量分别为1570.4t/a和133.4t/a。江北污水处理厂一期工程按设计规模3.0万m3/d计，主要污染物COD排放量为547.50t/a，氨氮排放量为54.75t/a。因此，该水功能区主要污染物COD和氨氮现状入河总量分别为2117.9t/a和188.15t/a，小于其纳污能力及限排总量。

4 入河排污口设置影响范围

4.1 数学模型

根据入河排污口所在江段河道地形及水质状况，采用丹麦水资源及水环境研究所(DHI)开发的MIKE 21 二维水动力水质模型模拟流场和水质变化趋势，分析研究江段污染物影响范围，进行不同工况模拟计算。模型计算河段为长江芜裕河段陈桥洲左汊，上边界位于江北污水处理厂排污口上游1.4km处，下边界位于排污口下游6.8km处，河段长8.2km，宽350～940m。采用三角形网格对模拟区域进行划分，排污口附近网格加密，计算网格总数为28783个，节点数为10145个，见图2。

4.2 参数选取

4.2.1 水文参数

通常情况下，河流水质问题一般出现在枯水期。根据水文资料分析，长江芜湖段上游的水质在枯、平、丰水期变化不大，但污染物稀释扩散能力随着水体流量、流速减小呈减弱趋势。因此，采用长江芜湖段枯水期90%保证率最小月平均流量作为河流水质规划的控制流量。

江北污水处理厂入河排污口位于长江干流下游，与大通水文站集水面积相差不大，直接选取建库后大通水文站枯水期1月90%保证率月平均流量11900m3/s作为设计流量。根据长江芜湖河段陈家洲左汊历年分流比统计，枯水期(90%保证率)陈家洲左汊分流比按12%计，模型计算区域流量为1428m3/s，与上游流量相对应的下游水位为2.125m(85国家高程基准)。

4.2.2 计算参数

根据实地调研过程中拍摄照片获取的河道情况，参考水力学手册及其他项目该江段经率定和验证的水动力学模型参数，确定河床糙率在模拟区域取值范围为0.030～0.035[3]。

根据《长江干流水域纳污能力及限制排污总量初步研究报告》，长江干流下游南京、南通、泰州等江段COD衰减指数取0.20～0.25d-1，氨氮衰减指数取0.22～0.27d-1，同时参考《安微江北污水处理厂一期项目环境影响报告书》及同区域江段其他项目模型参数的取值[4-6]，最终确定本次模拟计算江段COD衰减系数取值0.21d-1，氨氮衰减系数取值0.22d-1。

4.3 计算工况

模型计算工况分别按污染物正常排放和非正常排放设计，排水量为污水处理厂近期设计规模3万m3/d。根据江北污水处理厂入河排污口江段水质特征和主要入河污染物种类与浓度，选取非持久性污染物COD、氨氮作为模型预测指标。具体计算工况见表3。

表3 入河排污口设置模型计算工况

4.4 影响范围

根据模型计算结果，正常排放工况条件下，COD和氨氮浓度劣于Ⅲ类水标准(CCOD>20mg/L，C氨氮>1mg/L)部分在排污口下游岸边水域未形成污染带。非正常排放工况条件下，COD劣于Ⅲ类水标准(CCOD>20mg/L)浓度线最大影响水域长度为40m，最大影响水域宽度为15m；氨氮劣于Ⅲ类水标准(C氨氮>1mg/L)浓度线最大影响水域长度为35m，最大影响水域宽度为12m。具体计算成果见表4、表5和图3、图4。

表5 氨氮排放影响范围计算结果 单位：m

图3 COD排放影响范围计算

图4 氨氮排放影响范围计算

5 入河排污口设置合理性分析

5.1 对水功能区纳污能力影响分析

污水处理厂尾水排放量与水功能区主要污染物COD和氨氮现状入河量叠加后，该水功能区COD和氨氮现状入河总量分别为2117.9t/a和188.15t/a，远低于水功能区纳污能力及限排总量。本项目尾水排放满足水功能区纳污能力管理要求。

5.2 对水功能区水质影响分析

污水处理厂尾水达标排放时，主要入河污染物COD和氨氮均能达到Ⅲ类水标准，满足水功能区水质管理目标要求，没有改变水功能区水质类别，未影响其使用功能。不达标排放情况下，仅在排污口下游岸边局部区域形成污染带，对水功能区局部区域水质影响较为明显。

5.3 对水生态环境的影响分析

本工程排污口位于长江左岸和县工业、农业用水区，该江段不属于鱼类产卵场，且未发现有国家保护的珍稀野生鱼类。正常排污情况下，废污水排放影响范围有限，水功能区水质未发生改变，不会对该江段生物群落结构和生物量产生明显影响。非正常排污情况下，废污水排放影响范围相对正常排放有所增加，但不会对该江段水生生物群落产生明显不利影响，仅排污口附近水域水生生物种群结构会发生一定变化，如清水种减少，耐污种增加。

5.4 对第三者影响分析

根据现状调查，排污口所在水功能区长江左岸和县工业、农业用水区共有取水单元4个，分别为排污口上游2.6km处的裕溪口水厂，排污口上游0.5km处的江北产业集中区江北水厂，排污口下游5.5km处的芜湖市黄山寺自来水厂，排污口下游8.0km处的规划马鞍山市西梁山水厂。污水处理厂尾水排放对水质影响主要集中在排污口下游长40.0m，宽15.0m范围内，排污口排污影响范围内无集中的生活取水口及工业取水口，故而不会对下游取水口产生影响。

其次，排污口排污负荷COD和氨氮排污影响范围十分有限，未改变水功能区控制断面水质类别，亦不会对邻近水功能区产生影响。因此，本项目排污口的设置不会对第三者权益产生明显不利影响。

5.5 排污口位置设置合理性分析

江北污水处理厂入河排污口位于鸠江区沈巷镇黄山寺二站下游约420m，所在水功能区为长江左岸和县工业、农业用水区，不属于禁止或限制设置入河排污口的敏感水域。排污口选址距离上游最近取水口约0.5km，距离下游最近取水口约5km，未设置于饮用水水源一、二级保护区，满足《安徽省城镇生活饮用水水源环境保护条例》中关于水源保护的要求。因此，本项目入河排污口位置设置较为合理。

6 结 语

开展污水处理厂入河排污口设置论证，目的在于合理开发利用与保护水资源，保障水域生活、生产和生态用水安全，为各级水行政主管部门审批入河排污口以及建设单位合理设置入河排污口提供科学依据。

通过对江北污水处理厂入河排污口设置的可行性和合理性进行论证分析，排污口设置对长江水功能区和水生态环境以及第三者都不会产生明显的不利影响，符合水功能区管理要求，排污口设置合理。随着江北污水处理厂的建设运营，区域内的污水排放由不经处理的零散排放转变为集中处理的达标排放，污染物排放总量大幅减少，极大削减了区域内入河污染物排放量，起到改善区域内水环境和水生态的作用。