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城市污水处理厂尾水排放对水环境质量影响定量评估 * 田涛1赵坤2布旻晟3田威4 1． 江苏省环境工程咨询中心， 南京 210036; 2． 河海大学环境学院， 南京 210098; 3． 河海大学机电学院， 南京 210098; 4． 江苏省水文水资源勘测局， 南京 210029 摘要 定量评估污水处理厂尾水排放对水环境的影响是科学规划污水处理厂入河排污口的基础和前提。采用环境流 体动力学模型 EFDC 对宣城市某污水处理厂排污口进行模拟预测。结果表明 在达标排放时， 排污口不会对下游取水 口水质产生影响。在事故排放时， 90保证率最枯月流量时污染团到达和离开下游水厂取水口的时间分别为 1. 7 d 和 3. 1 d， 取水口附近 COD 最大浓度超Ⅲ类水标准 1. 96 倍， 对下游水厂的正常运行造成严重威胁。因此排污口的设 计应考虑事故排放时对下游取水口的影响。 关键词 排污口; 事故; EFDC; 水质 DOI 10. 13205/j． hjgc． 201406032 THE QUANTITATIVE UATION OF EFFECT ON WATEＲ QUALITY OF UＲBAN SEWAGE TＲEATMENT PLANT DISCHAＲGE Tian Tao1Zhao Kun2Bu Minsheng3Tian Wei4 1． Jiangsu Environmental Project Consulting Center，Nanjing 210036， China; 2． Environmental Science and Engineering Institute，Hohai University，Nanjing 210098， China; 3． Electrical and Mechanical Institute， Hohai University，Nanjing 210098， China; 4． Hydrology and Water Ｒesources Survey in Jiangsu Province，Nanjing 210029， China AbstractThe estimation of the effect of tail water discharge on downstream water quality is basically to the urban sewage treatment plant． This paper used the environmental fluid dynamics code EFDCto simulate and predict the influence of sewage draining exit of a sewage treatment plant in Xuancheng City on the downstream water quality． The results show that normal discharge has no effect on the downstream water quality． The pollutant arrived and passed by the intake for 1. 7 d and 3. 1 d respectively with the accidental discharge of 90 guaranteed rate． The maximum concentration of COD is 1. 96 times greater than the standard level of III，which is a serious threat to normal operation of water plant． Hence it is necessary to avoid the effect on downstream water plant intake during planning sewage outfall by establishing a series of accident emergency plan． Keywordssewage outfall;accident;EFDC;water quality * 国家自然科学基金 51379061 ; 江苏省自然科学基金 BK20131370 。 收稿日期 2013 －08 －31 近年来， 随着经济的发展， 城镇用水急剧增加， 导 致废水量也明显增多， 城镇污水处理厂的建设也越来 越多。新建的污水处理厂一般要求达标排放时不影 响下游取水口水质， 但排污口停电事故排放时， 产生 的污染团随水体向下游迁移， 势必会对下游取用水产 生一定的影响。探索入河排污口事故排放时对下游 取用水的影响， 对其进行预测评价是有必要的。陈 逸 ［1 ］、 李小虎［2 ］、 李娜［3 ］、 钱小娟［4 ］等主要研究了入 河排污口达标排放时尾水对河道水质的影响， 目前学 者对入河排污口事故排放时尾水对下游水质的影响 研究较少。 目前已有一些软件用于水质的模拟， 应用比较广 泛的 有 WASP、Pamolare、CE- QUAL- ICM、OOMAS、 CAEDYM、 EFDC 等。其中， EFDC Environment Fluid Dynamics Code 由弗吉尼亚海洋科学学院的 John Hamrick［5 ］开发， 水质模块基于切萨皮克湾水质模型 CE- QUAL- IC 发展而来， 可模拟 22 个水体状态变 量， 用于河流、 湖泊、 水库、 河口、 海岸、 湿地等一维、 横 向或者纵向二维以及三维模拟， 定量模拟环境特征、 污染负荷与湖泊水质间的动态响应关系。本文以安 531 监测与评价 Environmental Monitoring ＆ Assessment 徽宣城市敬亭圩污水处理厂为例， 采用 EFDC 模型模 拟分析了典型水文条件下污水处理厂排污口达标和 事故排放时尾水对受纳水体水环境的影响。 1概况 1. 1工程概况 敬亭圩污水处理厂位于安徽宣城市敬亭圩片区， 污水处理厂建设规模为 10 万 m3/d， 污水排放执行 GB 189182002城镇污水处理厂污染物排放标 准 ［6 ］一级 A 标准， 排污口尾水排入水阳江， 排污口 为连续排放。水阳江多年平均流量为 80. 4m3/s， 90保证率最枯月流量为 22m3/s。 1. 2控制断面 控制断面为河流重要的水文断面， 一般在河道水 流发生急剧变化、 现状生态基流保证程度较低， 且下 泄流量对下游生态影响较大的断面。水阳江该段水 流平缓、 无突变且无水文断面， 考虑到敬亭圩污水处 理厂排污口下游 4. 2 km 有巷口桥水厂取水口的影响 图 1 ， 根据 HJ/T 3382007饮用水水源保护区划 分技术规范 ［7 ］， 将取水口及取水口一级、 二级保护 区上游边界设为控制断面。巷口桥水厂位于本次预 测排污口下游4. 2 km 处， 根据 HJ/T 3382007， 取水 口上游 1 km 为饮用水地表源地一级保护区， 一级保 护区边界上游 2 km 为二级保护区， 保护区内禁止排 放超过国家或地方规定的污染物排放标准的污染物。 设巷口桥水厂取水口上游 3 km 处 距敬亭圩污水处 理厂排污口约 1. 2 km 为预测段面 1， 巷口桥水厂取 水口上游 1 km 处 距敬亭圩污水处理厂排污口约 3. 2 km 为预测段面 2。为预测排污口事故排放时各 预测段面的污染物浓度值， 在各预测段面离岸附近及 巷口桥水厂取水口处设三个预测点。预测段面及预 测点位置见图 2。 1. 3模拟工况 不同水文条件下水体中污染物扩散范围变化较 大， 受纳水体流量越小， 水体自净能力越差， 排污口对 水环境的影响也越大。90 保证率最枯月平均流量 为河道生态与环境长期基本需求的最小流量， 水文计 算过程中一般将此流量作为极端水文条件。因此， 从 偏安全角度考虑， 预测 90 保证率最枯月流量时污 水处理厂达标与事故排放两种工况下污染物时空分 布情况。排污口达标排放时可达 GB 189182002 一 级 A 标准， COD 浓度为50 mg/L; 事故排放时污水处理 厂进水浓度等于出水浓度， COD 进水浓度为360 mg/L， 图 1污水处理厂排污口及巷口桥水厂取水口位置 Fig．1The location of sewage treatment plant outlet and Xiangkou Bridge Water Plant intake 图 2各预测段面及预测点位置 Fig．2The position of predicted sections and predicted points 事故排放时间为 24 h， 然后恢复正常生产。参照 GB 38382002地表水环境质量标准 ［8］Ⅲ类水 标准。 2模型构建 2. 1模型简介 EFDC 水动力模块主要采用 CH3D 水力学模型 的原理， 在二阶有限微分的基础上对垂向、 自由表 面和扰动进行数值求解， 从而得出湖流场、 水位和 水温场。在水动力模块提供的物理条件并考虑泥 水界面行为的基础上， 模拟多项水污染物的迁移转 化［9］。EFDC 模型中水质变量的质量守恒控制方程 见式 1 631 环境工程 Environmental Engineering C t  uC x  vC y  wC z  x Kx C  x  y Ky C  y  z Kz C  z SC 1 式中 C 是水质变量浓度; u、 v 和 w 分别是 x、 y、 z 方向 的速度分量; Kx、 Ky和 Kz分别是 x、 y、 z 方向的扩散系 数; SC是单位体积源汇项。 模型中， 化学需氧量是可通过无机方式氧化的被 还原物质的浓度。淡水中， 沉积物模型包括了甲烷释 放到水体的过程。硫化物和甲烷用需氧量单位来量 化。包含外部负荷的动力学方程如下 COD t － DO KHCOD DOKCODCOD BFCOD Δz WCOD V 2 式中 COD 为化学需氧量浓度， g/m3; KHCOD为化学需 氧量氧化消耗溶解氧的半饱和常数， g/m3; KCOD为化 学需氧量的氧化率， d －1; BF COD为化学需氧量的沉积 物通量， g/ m2d ， 仅用于底层; WCOD为化学需氧量 的外部负荷， g/d; DO 为溶解氧， 包括了藻类光合作用 和水气界面交换的溶解氧。 2. 2模型构建 水阳江在排污口上游 4. 7 km 处及下游 7. 8 km 处与其他河道交汇， 为避免交叉河道对预测的影响， 选取排污口上游 4. 2 km 至下游 7. 8 km 段为本次研 究范围， 总长度为 12 km。水平网格采用矩形正交坐 标， 能较好的拟合岸线形状。共设网格数 17 233 个， 网格距为 10 m。通过内插方案赋予每个网格一个高 程值。 2. 3模型参数设计 EFDC 具有很好的通用性、 数值计算能力强， 水 动力模块的模拟精度很高。EFDC 水动力模型中常 需调整的参数为河底粗糙度 Z0， 默认设置为 0. 02 m。 在本研究区域中， Z0取默认值 0. 02 m。此处选择 0. 1 ～0. 15 m 作为干湿网格的临界水深。当某网格 水深 ＞ 0. 15 m 时， 作湿网格处理， 进行正常模拟计 算; 当水深 ＜ 0. 1 m 时， 网格变为干网格， 不参与计 算 ［10 ］。动边界模型能详细地模拟水阳江水位变化引 起的漫滩及水位变化过程。模型水动力及水质主要 参数取值见表 1。 3结果与讨论 3. 1水动力模拟结果 水体中污染物迁移扩散受流场的影响很大， 流场 表 1模型主要参数取值 Table 1The main parameters of model 参数意义及单位取值 ΔT 时间步长/s 10 AHO 水平动能或物质扩散系数/ m s －1 10 AHD无量纲水平扩散系数0. 2 AVO 运动黏性系数背景值/ m2 s －1 0. 001 ABO 分子扩散系数背景值/ m2 s －1 10 －8 AVMN 最小动能黏性系数/ m2 s －1 0. 001 KHCOD 化学需氧量氧化消耗溶解氧的半饱和 常数/ g m －3 1. 5 KCOD 化学需氧量的氧化率/d －1 0. 2 TＲCOD 化学需氧量氧化率的参考温度/℃20 KTCOD 化学需氧量氧化率的温度影响值/℃ －1 0. 041 的空间分布对污染团在水体中迁移扩散形态影响较 大， 在河道较宽、 流速较小的河段， 污染物横向扩散比 较明显。根据水阳江 90 保证率最枯月流量时排污 口附近流场分布 图 3 可知， 计算江段流速很小， 空 间分布不均匀， 整个区域内流速为 0 ～0. 07 m/s。流 速方向平行于岸线， 河道中心流速较大， 岸边流速较 小。排污口附近流速约为 0. 03 m/s。 图 3污水厂排污口附近流场分布 Fig．3The flow field distribution near the outlet of sewage treatment plant 3. 2水质模拟结果 3. 2. 1达标排放模拟结果 该段河道比较狭窄， 流速较大， 污染物的混合范 731 监测与评价 Environmental Monitoring ＆ Assessment 围狭长， 横向扩散不明显。排污口达标排放时 COD 超标范围为纵向1 050 m、 横向60 m 图4 ， 等浓度线 以外的区域为 COD 浓度达 III 类水标准的区域。预 测段面距排污口为 1. 2 km， 该断面的 COD 浓度可达 到 GB 38382002 III 类水标准， 排污口对下游各预 测段面及取水口水质没有影响。 图 4达标排放时 COD 浓度超标范围 Fig．4COD concentration excessive range at the standard discharging situation 3. 2. 2事故排放模拟结果 排污口事故排放时由于 COD 浓度较高， 不能与 水体完全混合， 排污口尾水会形成污染团向下游迁移 扩散。由不同时间 COD 污染团迁移扩散情况可知 事故排放 1 d 后 图 5a 污染团经过预测段面 1， 达到 预测段面 2 时， 预测断面 1 附近水质不能满足 III 类 水水质要求; 由于污染团尚未到达预测段面 2 及巷口 桥水厂取水口， 此时排污口事故排放对预测段面 2 及 巷口桥水厂取水口附近水质没有影响， 水厂仍可以正 常运行。事故排放 2 d 后 图 5b ， 排污口达标排放， 污染团已完全经过预测断面 1， 事故排放对预测断面 1 附近水质的影响已经结束; 此时污染团正经过预测 断面 2 和巷口桥水厂取水口， 巷口桥水厂取水口附近 水质不能满足 III 类水要求， 水厂无法正常运行。事 故排放 3 d 后 图 5c ， 污染团已完全经过预测断面 2， 事故排放对预测断面 2 附近水质的影响已经结束， 但仍对巷口桥水厂取水口附近水质有一定的影响。 事故排放 4 d 后 图 5d ， 污染团已完全经过巷口桥 水厂取水口， 取水口附近水质能达地表水 III 类水要 求， 水厂可正常运行。 图 5排污口事故排放时不同时间 COD 污染团迁移扩散图 Fig． 5COD pollution group diffusion figure of different time at the accident discharge situation 3. 3讨论 入河排污口的设置需遵循国家法律法规， 达标排 放时一般不会对下游水厂及水厂一级、 二级保护区上 游边界水质产生影响， 各预测断面 COD 浓度仍能达 地表水环境质量标准 III 类水标准， 但是风险事故时 会对下游取水口产生影响。排污口事故排放时污染物 不能与水体充分混合， 会形成污染团向下游迁移扩散， 不同时间对下游各预测点水质影响不同。由排污口事 故排放时各预测点 COD 浓度随时间变化 图 6 可知， 由上游至下游各预测点 COD 浓度依次增大， 经过一段 时间后减小至稳定状态。事故排放时， 排污口附近 COD 浓度受排污口尾水浓度和上游来水浓度共同影 响， 扩散范围很小， 因此该处 COD 浓度较高， 且会产生 一定波动。排污口附近COD 浓度在事故排放1 d 后可 达标排放。由于排污口达标排放时对预测断面 1、 2 及 下游水厂取水口附近水质没有影响， 因此污染团经过 831 环境工程 Environmental Engineering 各预测点后， COD 浓度值逐渐恢复至原来浓度， 达 地 表水环境质量标准 III 类水水质要求。 图 6排污口事故排放时各预测点 COD 浓度随时间变化 Fig．6The change of predicted points COD concentration with time at the accident discharge situation 由各预测点预测结果 表 2 可知 排污口事故排 放时， 排污口处 COD 最大浓度为 250 mg/L， 事故排 放 1. 1 d 后污染团离开排污口附近向下游扩散， 事故 排放对排污口附近水质的影响持续时间为 1. 1 d; 事 故排放 1. 7 d 后污染团到达巷口桥水厂取水口附近， COD 最大浓度达 59. 1 mg/L， 事故排放 3. 1 d 后污染 团离开取水口附近， 事故排放对排污口附近水质的影 响持续时间为 1. 4 d。从上游至下游， 水体降解污染 团经过各预测点时浓度最大值逐渐减小; 考虑污染团 扩散， 污染团经过各预测点的时间逐渐增加。 表 2污水厂停电事故排放 COD 预测结果 Table 2The COD predicted result at shutdown of the sewage plant 距排污口距离 排污口处 0 m 断面 1 1 200 m 断面 2 3 200 m 巷口桥取水口 4 200 m 浓度最大值/ mg L －1 25059. 759. 359. 1 到达时间/d00. 4 1. 11. 7 离开时间/d1. 11. 6 2. 43. 1 综上所述， 排污口风险事故发生后， 污染团经过 取水口附近水域时水厂取水口不能取水， 尤其在水文 条件不利的情况下， 污染团在取水口附近水域停留时 间较长， 对水厂的正常运行及城镇居民用水构成了严 重威胁。因此排污口设计中应考虑风险事故发生的 可能性， 设置事故池、 制定一系列事故应急预案等， 严 防排污口事故排放对下游取水口产生影响。 当上游污水处理厂出现事故排放时， 下游水厂仍 有一定的缓冲时间可以正常运行， 可启用一系列的安 全措施， 待污染团完全经过取水口附近水域时再从河 道取水， 防止水厂水质受到污染。通过模型预测可知 不同水文条件下上游排污口事故排放时污染团到达 取水口附近水域的时间及停留时间， 为水厂制定风险 事故运行方式及应急响应决策起到一定的指导作用。 4结论 1 排污口在达标排放时， 不会对下游水厂附近 及水厂一级、 二级保护区上游边界水质产生影响， 各 预测断面 COD 浓度仍能达 GB 38382002 III 类水 标准。 2 90保证率最枯月流量时， 排污口事故排放 1. 7 d 后污染团到达水厂取水口附近，3. 1 d 后污染 团离开取水口。污染团经过水厂取水口时 COD 浓度 最大为59. 1 mg/L， 超过 III 类水标准1. 96 倍， 对下游 水厂的正常运行及城镇居民用水构成了严重威胁。 排污口设计中应制定一系列事故应急预案， 严防排污 口事故排放对下游取水口产生影响。 3 上游污水处理厂事故排放时， 水厂仍有一定 时间可以正常运行， 可采取一系列安全措施， 待污染 团完全经过取水口附近水域时再从河道取水。通过 模型预测可为水厂制定风险事故运行方式及事故预 警起到指导作用。 参考文献 ［1］陈逸， 冯裕钊， 张恒， 等． MDI 一体化项目排污口对长江水质影 响的预测［J］ ． 后勤工程学院学报， 2012， 28 1 56- 59. ［2］李小虎， 韩龙喜， 吴云波， 等． 潮汐河流排污口设置对水质的影 响［ J］ ． 水资源保护， 2011， 27 6 88- 91. ［3］李娜， 叶闵． 基于 MIKE21 的三峡库区涪陵段排污口 COD 扩散 特征及对下游水质的影响［ J］ ． 华北水利水电学院学报， 2011， 32 1 128- 131. ［4］钱小娟， 肖玉兵， 陈艳． 长江南通段大型排污口退水影响预测 ［J］． 水资源保护， 2013， 29 2 48- 52. ［5］Hamrick J． A Three- Dimensional Environmental Fluid Dynamics Computer CodeTheoretical and Computational Aspects［Ｒ］． VA The College of William and Mary ，Virginia Institute of Marine Science， 1992. ［6］GB 189182002城镇污水处理厂污染物排放标准［S］． ［7］HJ/T 3382007饮用水水源保护区划分技术规范［S］． ［8］GB 38382002地表水环境质量标准［S］ ． ［9］陈异晖． 基于 EFDC 模型的滇池水质模拟［J］ ． 云南环境科学， 2005， 24 4 28- 30. ［ 10］Li Yiping，Kumud Acharya，Chen Dong，et al． Modeling water age and thermal structure of Lake Mead under changing water levels ［J］． Lake and Ｒeservoir Management， 2010 1 258- 272. 第一作者 田涛 1982 － ， 男， 主要从事环境影响评价及水环境数学模 型研究。xinling5787126． com 931 监测与评价 Environmental Monitoring ＆ Assessment