污水處理廠尾水排放對(duì)水環(huán)境影響的模擬研究

污水處理廠尾水排放對(duì)水環(huán)境影響的模擬研究

近年來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，城市水的急劇增加和廢水的顯著增加，城市污水處理廠的建設(shè)也越來(lái)越頻繁。新建的污水處理廠一般要求達(dá)標(biāo)排放時(shí)不影響下游取水口水質(zhì),但排污口停電事故排放時(shí),產(chǎn)生的污染團(tuán)隨水體向下游遷移,勢(shì)必會(huì)對(duì)下游取用水產(chǎn)生一定的影響。探索入河排污口事故排放時(shí)對(duì)下游取用水的影響,對(duì)其進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)是有必要的。陳逸、李小虎、李娜、錢(qián)小娟等主要研究了入河排污口達(dá)標(biāo)排放時(shí)尾水對(duì)河道水質(zhì)的影響,目前學(xué)者對(duì)入河排污口事故排放時(shí)尾水對(duì)下游水質(zhì)的影響研究較少。目前已有一些軟件用于水質(zhì)的模擬,應(yīng)用比較廣泛的有WASP、Pamolare、CE-QUAL-ICM、OOMAS、CAEDYM、EFDC等。其中,EFDC(EnvironmentFluidDynamicsCode)由弗吉尼亞海洋科學(xué)學(xué)院的JohnHamrick開(kāi)發(fā),水質(zhì)模塊基于切薩皮克灣水質(zhì)模型(CE-QUAL-IC)發(fā)展而來(lái),可模擬22個(gè)水體狀態(tài)變量,用于河流、湖泊、水庫(kù)、河口、海岸、濕地等一維、橫向或者縱向二維以及三維模擬,定量模擬環(huán)境特征、污染負(fù)荷與湖泊水質(zhì)間的動(dòng)態(tài)響應(yīng)關(guān)系。本文以安徽宣城市敬亭圩污水處理廠為例,采用EFDC模型模擬分析了典型水文條件下污水處理廠排污口達(dá)標(biāo)和事故排放時(shí)尾水對(duì)受納水體水環(huán)境的影響。1聯(lián)合行1.1污水排放排放敬亭圩污水處理廠位于安徽宣城市敬亭圩片區(qū),污水處理廠建設(shè)規(guī)模為10萬(wàn)m3/d,污水排放執(zhí)行GB18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn),排污口尾水排入水陽(yáng)江,排污口為連續(xù)排放。水陽(yáng)江多年平均流量為80.4m3/s,90%保證率最枯月流量為22m3/s。1.2截面污水處理點(diǎn)見(jiàn)—控制斷面控制斷面為河流重要的水文斷面,一般在河道水流發(fā)生急劇變化、現(xiàn)狀生態(tài)基流保證程度較低,且下泄流量對(duì)下游生態(tài)影響較大的斷面。水陽(yáng)江該段水流平緩、無(wú)突變且無(wú)水文斷面,考慮到敬亭圩污水處理廠排污口下游4.2km有巷口橋水廠取水口的影響(圖1),根據(jù)HJ/T338—2007《飲用水水源保護(hù)區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》,將取水口及取水口一級(jí)、二級(jí)保護(hù)區(qū)上游邊界設(shè)為控制斷面。巷口橋水廠位于本次預(yù)測(cè)排污口下游4.2km處,根據(jù)HJ/T338—2007,取水口上游1km為飲用水地表源地一級(jí)保護(hù)區(qū),一級(jí)保護(hù)區(qū)邊界上游2km為二級(jí)保護(hù)區(qū),保護(hù)區(qū)內(nèi)禁止排放超過(guò)國(guó)家或地方規(guī)定的污染物排放標(biāo)準(zhǔn)的污染物。設(shè)巷口橋水廠取水口上游3km處(距敬亭圩污水處理廠排污口約1.2km)為預(yù)測(cè)段面1,巷口橋水廠取水口上游1km處(距敬亭圩污水處理廠排污口約3.2km)為預(yù)測(cè)段面2。為預(yù)測(cè)排污口事故排放時(shí)各預(yù)測(cè)段面的污染物濃度值,在各預(yù)測(cè)段面離岸附近及巷口橋水廠取水口處設(shè)三個(gè)預(yù)測(cè)點(diǎn)。預(yù)測(cè)段面及預(yù)測(cè)點(diǎn)位置見(jiàn)圖2。1.3污水處理廠達(dá)標(biāo)與事故排放時(shí)污染物時(shí)空分布不同水文條件下水體中污染物擴(kuò)散范圍變化較大,受納水體流量越小,水體自凈能力越差,排污口對(duì)水環(huán)境的影響也越大。90%保證率最枯月平均流量為河道生態(tài)與環(huán)境長(zhǎng)期基本需求的最小流量,水文計(jì)算過(guò)程中一般將此流量作為極端水文條件。因此,從偏安全角度考慮,預(yù)測(cè)90%保證率最枯月流量時(shí)污水處理廠達(dá)標(biāo)與事故排放兩種工況下污染物時(shí)空分布情況。排污口達(dá)標(biāo)排放時(shí)可達(dá)GB18918—2002一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn),COD濃度為50mg/L;事故排放時(shí)污水處理廠進(jìn)水濃度等于出水濃度,COD進(jìn)水濃度為360mg/L,事故排放時(shí)間為24h,然后恢復(fù)正常生產(chǎn)。參照GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。2模型建設(shè)2.1水質(zhì)變量的質(zhì)量控制方程EFDC水動(dòng)力模塊主要采用CH3D水力學(xué)模型的原理,在二階有限微分的基礎(chǔ)上對(duì)垂向、自由表面和擾動(dòng)進(jìn)行數(shù)值求解,從而得出湖流場(chǎng)、水位和水溫場(chǎng)。在水動(dòng)力模塊提供的物理?xiàng)l件并考慮泥水界面行為的基礎(chǔ)上,模擬多項(xiàng)水污染物的遷移轉(zhuǎn)化。EFDC模型中水質(zhì)變量的質(zhì)量守恒控制方程見(jiàn)式(1):式中:C是水質(zhì)變量濃度;u、v和w分別是x、y、z方向的速度分量;Kx、Ky和Kz分別是x、y、z方向的擴(kuò)散系數(shù);SC是單位體積源匯項(xiàng)。模型中,化學(xué)需氧量是可通過(guò)無(wú)機(jī)方式氧化的被還原物質(zhì)的濃度。淡水中,沉積物模型包括了甲烷釋放到水體的過(guò)程。硫化物和甲烷用需氧量單位來(lái)量化。包含外部負(fù)荷的動(dòng)力學(xué)方程如下:式中:COD為化學(xué)需氧量濃度,g/m3;KHCOD為化學(xué)需氧量氧化消耗溶解氧的半飽和常數(shù),g/m3;KCOD為化學(xué)需氧量的氧化率,d-1;BFCOD為化學(xué)需氧量的沉積物通量,g/(m2·d),僅用于底層;WCOD為化學(xué)需氧量的外部負(fù)荷,g/d;DO為溶解氧,包括了藻類(lèi)光合作用和水氣界面交換的溶解氧。2.2研究范圍及網(wǎng)格設(shè)置水陽(yáng)江在排污口上游4.7km處及下游7.8km處與其他河道交匯,為避免交叉河道對(duì)預(yù)測(cè)的影響,選取排污口上游4.2km至下游7.8km段為本次研究范圍,總長(zhǎng)度為12km。水平網(wǎng)格采用矩形正交坐標(biāo),能較好的擬合岸線形狀。共設(shè)網(wǎng)格數(shù)17233個(gè),網(wǎng)格距為10m。通過(guò)內(nèi)插方案賦予每個(gè)網(wǎng)格一個(gè)高程值。2.3正常模擬計(jì)算的建立EFDC具有很好的通用性、數(shù)值計(jì)算能力強(qiáng),水動(dòng)力模塊的模擬精度很高。EFDC水動(dòng)力模型中常需調(diào)整的參數(shù)為河底粗糙度Z0,默認(rèn)設(shè)置為0.02m。在本研究區(qū)域中,Z0取默認(rèn)值0.02m。此處選擇0.1~0.15m作為干濕網(wǎng)格的臨界水深。當(dāng)某網(wǎng)格水深>0.15m時(shí),作濕網(wǎng)格處理,進(jìn)行正常模擬計(jì)算;當(dāng)水深<0.1m時(shí),網(wǎng)格變?yōu)楦删W(wǎng)格,不參與計(jì)算。動(dòng)邊界模型能詳細(xì)地模擬水陽(yáng)江水位變化引起的漫灘及水位變化過(guò)程。模型水動(dòng)力及水質(zhì)主要參數(shù)取值見(jiàn)表1。3結(jié)果與討論3.1河道流速分布水體中污染物遷移擴(kuò)散受流場(chǎng)的影響很大,流場(chǎng)的空間分布對(duì)污染團(tuán)在水體中遷移擴(kuò)散形態(tài)影響較大,在河道較寬、流速較小的河段,污染物橫向擴(kuò)散比較明顯。根據(jù)水陽(yáng)江90%保證率最枯月流量時(shí)排污口附近流場(chǎng)分布(圖3)可知,計(jì)算江段流速很小,空間分布不均勻,整個(gè)區(qū)域內(nèi)流速為0~0.07m/s。流速方向平行于岸線,河道中心流速較大,岸邊流速較小。排污口附近流速約為0.03m/s。3.2水質(zhì)分析的結(jié)果3.2.1od超標(biāo)范圍該段河道比較狹窄,流速較大,污染物的混合范圍狹長(zhǎng),橫向擴(kuò)散不明顯。排污口達(dá)標(biāo)排放時(shí)COD超標(biāo)范圍為縱向1050m、橫向60m(圖4),等濃度線以外的區(qū)域?yàn)镃OD濃度達(dá)III類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)的區(qū)域。預(yù)測(cè)段面距排污口為1.2km,該斷面的COD濃度可達(dá)到GB3838—2002III類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn),排污口對(duì)下游各預(yù)測(cè)段面及取水口水質(zhì)沒(méi)有影響。3.2.2預(yù)排放段截面質(zhì)量過(guò)高,污染團(tuán)未到達(dá)預(yù)測(cè)段外2排污口事故排放時(shí)由于COD濃度較高,不能與水體完全混合,排污口尾水會(huì)形成污染團(tuán)向下游遷移擴(kuò)散。由不同時(shí)間COD污染團(tuán)遷移擴(kuò)散情況可知:事故排放1d后(圖5a)污染團(tuán)經(jīng)過(guò)預(yù)測(cè)段面1,達(dá)到預(yù)測(cè)段面2時(shí),預(yù)測(cè)斷面1附近水質(zhì)不能滿足III類(lèi)水水質(zhì)要求;由于污染團(tuán)尚未到達(dá)預(yù)測(cè)段面2及巷口橋水廠取水口,此時(shí)排污口事故排放對(duì)預(yù)測(cè)段面2及巷口橋水廠取水口附近水質(zhì)沒(méi)有影響,水廠仍可以正常運(yùn)行。事故排放2d后(圖5b),排污口達(dá)標(biāo)排放,污染團(tuán)已完全經(jīng)過(guò)預(yù)測(cè)斷面1,事故排放對(duì)預(yù)測(cè)斷面1附近水質(zhì)的影響已經(jīng)結(jié)束;此時(shí)污染團(tuán)正經(jīng)過(guò)預(yù)測(cè)斷面2和巷口橋水廠取水口,巷口橋水廠取水口附近水質(zhì)不能滿足III類(lèi)水要求,水廠無(wú)法正常運(yùn)行。事故排放3d后(圖5c),污染團(tuán)已完全經(jīng)過(guò)預(yù)測(cè)斷面2,事故排放對(duì)預(yù)測(cè)斷面2附近水質(zhì)的影響已經(jīng)結(jié)束,但仍對(duì)巷口橋水廠取水口附近水質(zhì)有一定的影響。事故排放4d后(圖5d),污染團(tuán)已完全經(jīng)過(guò)巷口橋水廠取水口,取水口附近水質(zhì)能達(dá)地表水III類(lèi)水要求,水廠可正常運(yùn)行。3.3排污口cod濃度及預(yù)測(cè)結(jié)果入河排污口的設(shè)置需遵循國(guó)家法律法規(guī),達(dá)標(biāo)排放時(shí)一般不會(huì)對(duì)下游水廠及水廠一級(jí)、二級(jí)保護(hù)區(qū)上游邊界水質(zhì)產(chǎn)生影響,各預(yù)測(cè)斷面COD濃度仍能達(dá)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》III類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn),但是風(fēng)險(xiǎn)事故時(shí)會(huì)對(duì)下游取水口產(chǎn)生影響。排污口事故排放時(shí)污染物不能與水體充分混合,會(huì)形成污染團(tuán)向下游遷移擴(kuò)散,不同時(shí)間對(duì)下游各預(yù)測(cè)點(diǎn)水質(zhì)影響不同。由排污口事故排放時(shí)各預(yù)測(cè)點(diǎn)COD濃度隨時(shí)間變化(圖6)可知,由上游至下游各預(yù)測(cè)點(diǎn)COD濃度依次增大,經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后減小至穩(wěn)定狀態(tài)。事故排放時(shí),排污口附近COD濃度受排污口尾水濃度和上游來(lái)水濃度共同影響,擴(kuò)散范圍很小,因此該處COD濃度較高,且會(huì)產(chǎn)生一定波動(dòng)。排污口附近COD濃度在事故排放1d后可達(dá)標(biāo)排放。由于排污口達(dá)標(biāo)排放時(shí)對(duì)預(yù)測(cè)斷面1、2及下游水廠取水口附近水質(zhì)沒(méi)有影響,因此污染團(tuán)經(jīng)過(guò)各預(yù)測(cè)點(diǎn)后,COD濃度值逐漸恢復(fù)至原來(lái)濃度,達(dá)《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》III類(lèi)水水質(zhì)要求。由各預(yù)測(cè)點(diǎn)預(yù)測(cè)結(jié)果(表2)可知:排污口事故排放時(shí),排污口處COD最大濃度為250mg/L,事故排放1.1d后污染團(tuán)離開(kāi)排污口附近向下游擴(kuò)散,事故排放對(duì)排污口附近水質(zhì)的影響持續(xù)時(shí)間為1.1d;事故排放1.7d后污染團(tuán)到達(dá)巷口橋水廠取水口附近,COD最大濃度達(dá)59.1mg/L,事故排放3.1d后污染團(tuán)離開(kāi)取水口附近,事故排放對(duì)排污口附近水質(zhì)的影響持續(xù)時(shí)間為1.4d。從上游至下游,水體降解污染團(tuán)經(jīng)過(guò)各預(yù)測(cè)點(diǎn)時(shí)濃度最大值逐漸減小;考慮污染團(tuán)擴(kuò)散,污染團(tuán)經(jīng)過(guò)各預(yù)測(cè)點(diǎn)的時(shí)間逐漸增加。綜上所述,排污口風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生后,污染團(tuán)經(jīng)過(guò)取水口附近水域時(shí)水廠取水口不能取水,尤其在水文條件不利的情況下,污染團(tuán)在取水口附近水域停留時(shí)間較長(zhǎng),對(duì)水廠的正常運(yùn)行及城鎮(zhèn)居民用水構(gòu)成了嚴(yán)重威脅。因此排污口設(shè)計(jì)中應(yīng)考慮風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生的可能性,設(shè)置事故池、制定一系列事故應(yīng)急預(yù)案等,嚴(yán)防排污口事故排放對(duì)下游取水口產(chǎn)生影響。當(dāng)上游污水處理廠出現(xiàn)事故排放時(shí),下游水廠仍有一定的緩沖時(shí)間可以正常運(yùn)行,可啟用一系列的安全措施,待污染團(tuán)完全經(jīng)過(guò)取水口附近水域時(shí)再?gòu)暮拥廊∷?防止水廠水質(zhì)受到污染。通過(guò)模型預(yù)測(cè)可知不同水文條件下上游排污口事故排放時(shí)污染團(tuán)到達(dá)取水口附近水域的時(shí)間及停留時(shí)間,為水廠制定風(fēng)險(xiǎn)事故運(yùn)行方式及應(yīng)急響應(yīng)決策起到一定的指導(dǎo)作用。4排污事故排放1)排污口在達(dá)標(biāo)排放時(shí),不會(huì)對(duì)下游水廠附近及水廠一級(jí)、二級(jí)保護(hù)區(qū)上游邊界水質(zhì)產(chǎn)生影響,各預(yù)測(cè)斷面COD濃度仍能達(dá)GB3838—2002III類(lèi)水標(biāo)準(zhǔn)。2)90%保證率最枯月流量時(shí),排污口事故排放1.7d后污染團(tuán)到達(dá)水