达标污水离岸排海末端处置技术研究综述

2014-12-21彭士涛王心海

生态学报 2014年1期

彭士涛，王心海

(1.交通运输部天津水运工程科学研究所，天津 300456;2.国家海洋局第一海洋研究所，青岛 266061)

根据2010年全国环境统计公报［1］，我国“十一五”污水排放量已达到617亿t，预计到“十二五”末污水排放量将超过700亿t，这意味着我国将有大量污水进入自然水域，严重影响水资源环境，污水的出路问题已成为制约国家经济发展的重要因素。达标污水采用离岸排海，通过放流系统排放到离岸较远的海域，一方面利用海洋强大而丰富的物理、化学和生物能力稀释净化，弥补了陆域污水处理投资大、占地多、运行费用高等的不足，大量工程应用表明离岸排海比二级处理厂费用降低将近一半;另一方面，通过污水排海口位置、扩散器射流参数及结构的优化，污水排海的初始稀释度可达到100倍左右，相比二级处理厂的稀释倍数将近增加了10倍，而且排海后污染物被快速带离海岸，对周边海岸的环境影响较小，具有低成本、高处理率等优点。

达标污水离岸排海处置技术研究最早可追溯到19世纪末英国的 Harwich污水排海工程，经历了从污水不进行处理到污水进行一级、二级预处理后排放，直到现在广泛采用的从近海延伸到深海可以满足一级处理深海排放的处置技术［2］。国内沿海城市也有采用，但相关研究起步较晚，对于直接关系到污水排海后的稀释扩散输移效果的末端排放口位置选划、扩散器射流参数及水力结构优化的研究报道的相对较少，且目前国内还没有扩散器设计的规范可以参考，制约了污水离岸处置工程技术的发展与应用［3-4］。针对现状，文中对国内外达标污水离岸排海口位置选划、扩散器射流参数及水力结构优化等技术的研究方法及存在问题进行了分析，便于后续研究的参考。

1 排污口位置选划

排污口位置选划是离岸排海末端处置的起步工程，直接决定着排海处置效果、工程安全性、经济性等。目前，排污口位置选划采用先定性选划后定量研究，主要采用建立海域水动力模型、污染物输移扩散模型、质点追踪模型、泥沙场模型等数值模型和物理模型的方法［2-18］。早期主要采用 ROBERTS、BROOKS等经验公式预测近区稀释度和海域输移扩散的方法进行排污口位置选划，由于公式预测精度不足，目前已很少使用［2］。Blumberg［5］首次采用远区环流数值模型对污水排海稀释度进行了模拟，该数值模型较多用于海域流场和污染物输移扩散的研究，用于羽流的研究还需进一步论证。Etemadshahidi［6］采用CORMIX2和VISJET模型对排海羽流的上升高度和稀释度进行了模拟，这些特征参数的确定可以为排污口位置确定提供依据。Li等［7-9］通过采用近远区复合模型模拟了污水排海的稀释扩散，预测了污水排海的输移扩散和羽流紊动稀释，这将是污染物稀释扩散研究的重要方向。孙长青等［10-11］考虑到公式选划的局限性，首次通过建立水质二维扩散预测模型及拉格朗日余流模型，对污染物输移扩散、浓度变化及质点跟踪进行了研究，预测了污染物影响包络面积和质点迁移，并提出先定性后定量的方法，大大节约了人力物力投入，对后续研究起到重要的指导作用。赵俊杰［12］采用MIKE软件的潮流模型和水动力模型模拟分析入海COD的稀释扩散浓度分布并综合考虑工程施工和经济性等进行排污口位置选划。侯堋［13］针对二维模型难以很好适应大水深的表层底层流速相差大的问题，提出采用三维水动力和水质模型更好的模拟了污水排海不同水深的输移扩散规律。宋强等［14-15］通过研究过渡区模拟方法，尝试将近区喷口射流模拟模型嵌入远区扩散模型，形成全场数学模型，更真实的反应污水排海的稀释变化，但后续相关研究较少，嵌入方法还有待深入研究。杨树森等［16］鉴于排海工程应用中经常发生喷口淤埋导致排污不正常运行问题，通过建立泥沙数学模型选取地形稳定、冲刷变化小排污口，为选取稳定安全的排污口提供了重要依据。

前人采用先定性后定量的方法，从单一的远区污染物输移扩散模拟到综合近远区的全场模拟，甚至到考虑排污口安全稳定出发的泥沙冲淤研究，但是这些研究多是就某个方面的分析，笔者［17-18］通过对区域功能符合性、海域稀释扩散、泥沙冲淤、生态环境影响、管道工程技术经济等多因素综合分析，选取了更加符合区域发展需求和环境安全要求的排污口。由此，综合考虑水动力、迁移轨迹、稀释扩散、泥沙冲淤，环境区域符合性，生态影响，工程经济性等多个角度多方面的因素分析方法是今后排污口科学选划的趋势。

但总体而言，目前排污口选划还存在以下问题需要解决:一是排污口选划多以海域水动力条件和稀释扩散预测为主，而实际还与生态敏感区等区域规划、工程冲刷稳定和运行投资密切相关，应综合加以考虑;二是选划多以物理过程模拟为主，而实际中污水排放经过几个潮周后已经被完全稀释扩散，此后的生物作用显得更为重要，应分析污水对水域生物造成的影响，并重点分析长期排污可能产生的生物累积效应;三是现有排海限制指标要求少，只对初始稀释度、混合区面积、水深做了简单的要求，与实际排海工程有较大差别，急需结合污水的排放量和类别制定相应的规范和标准，指导离岸排海工程的健康发展。

2 扩散器射流参数优化

离岸排海末端扩散器射流结构决定着扩散器百米区域的紊动稀释和高浓度场的存在与否，是排海处置工程实现环保达标排放的保障。扩散器射流参数主要有扩散管长度、上升管个数、间距、喷口角度、喷口型式等，通过优化这些参数可使初始稀释倍数达到几百倍，对污水排海工程建设的成败起着决定性作用。目前，对于扩散器射流参数优化主要采用经验公式、物理模型试验、射流数值模拟、量纲分析以及基础理论分析相结合的研究方法［2-4，19-35］。扩散器射流参数优化早期多以经验公式为主，采用ROBERTS等稀释度预测经验公式，提出了影响扩散器长度的排放量、稀释度、水深、水动力等主要因素，推出扩散器长度和起始稀释度的经验公式，在初期扩散器射流结构简易设计中应用较多［2-4］。Duer Michael［19］通过物理模型研究了鸭嘴阀稀释特性，并发现扩散器通过使用鸭嘴阀能取得更好的稀释效果，保证了鸭嘴阀在扩散器应用中的可行性。Wang［20］采用DPIV和 PLIF技术进行了扩散器周边区域的浓度场测量分析，得到了浮射流的稀释度，为浮射流研究提供了重要的研究手段。Tian等［21-23］通过建立扩散器物理模型，采用3DLIF装置获取了扩散器排入密度均匀流、密度分层流海域后的污染物稀释扩散图像，并通过图像数据处理取得了稀释度，该种方法成为了近区扩散器射流研究的重要方法。Lai等［24-25］采用水槽试验和VISJET数值模型对新型的玫瑰型扩散器的射流扩散稀释特性进行了研究。Patalano［26］采用 ADV物理测量技术和 Delft3D数值模型研究了扩散器羽流的混合和稀释度特性。徐高田等［27-28］通过物理模型试验结合量纲分析方法得出半理论半经验公式，比纯经验公式有了进步，并初步揭示了环境横流和喷口射流相互作用机理，对扩散器结构优化具有一定指导意义。唐洪武等［29］运用超声流速仪对鸭嘴阀射流特性进行了系列试验研究，并发现鸭嘴阀射流近区紊动强度明显高于圆射流，有利于达标污水稀释扩散，为鸭嘴阀在离岸排海的应用上提供了基础。周连伟等［30］将远区水动力结果引入UM模型和JETLAG3模型计算初始稀释度，对扩散器参数进行优化，具有一定的实用性，但数模仍难以真实模拟环境射流稀释状况。方神光［31］提出了静水中有阻力的浮力射流，贴壁浮力射流，单孔卷吸设置，射流预稀释装置等增加扩散器稀释度的若干措施，为扩散器改进提供了理论基础，研究发现通过阻力装置能成倍提高稀释度，尤其能改善表层的污水场状况。高柱［32］采用FLUENT软件建立的同向流动环境中的椭圆射流数学模型和LDV技术量测射流速度场的方法，对扩散器排海浮射流进行了研究和验证。肖洋［33-34］除了采用FLUENT数模和LDV技术，还采用PIV测速技术对射流进行了研究，对横向流动条件下多孔水平动量射流的浓度场、速度场、涡量场和压强场的特性进行了较为全面的研究。

由于多孔扩散器深海排放稀释扩散非常复杂，受到排污条件、环境条件和扩散器参数等多种因素的影响，因此，只依据经验公式或数学模拟还很难真正解决，物理模型仍然是最重要的研究方法，笔者［18，35］鉴于扩散器长度设计主要依赖经验公式的现状，在大量水槽试验研究的基础上，提出了数模物模相结合确定扩散器长度的方法，较为准确的提出了扩散器的有效长度，取得了很好的效果，图1为天津某排海工程通过三维数值模拟的带有10，20个和30个扩散器上升管方案的污染物表层浓度分布，图中明显看到10、20、30个方案的表层最大污染物浓度分别为0.0098、0.0083 mg/L 和0.006 mg/L，10 个方案明显存在高于临界浓度0.0083 mg/L的深色超标区域，不能满足扩散器排污表层稀释浓度要求，20个方案介于临界浓度0.0083 mg/L之中，30个方案明显小于临界浓度0.0083 mg/L，鉴于上升管建设的高投资问题，通过建立水槽物理模型试验模拟10个和20个方案浮射流作用下的扩散器排污浓度分布，并用分光光度计进行了近区浓度测量，发现10个方案仍存在大于0.0083 mg/L的超标浓度，20个方案的超标浓度消失，且最大浓度仅为0.0071 mg/L，综合考虑，认为扩散器采用20个上升管方案可以满足环保要求。水质数值模拟和水槽物理模型相结合的方法可以进一步优化了扩散器的射流结构，并确保研究结论的准确性。

图1 三维数值模拟污染物表层浓度分布Fig.1 the surface concentration field of pollutants by three-dimensional numerical simulation

总之，对于扩散器长度、上升管间距、喷口角度等已有一些研究成果，但这些成果多针对某个工程进行，不具有普遍性，没有形成相应的规范和标准，不利于很好的推广;此外，扩散器经历了由单孔排放到设置多个出口，再到设置上升管及多个喷口，每一步改进都使污水离岸排海处理效果大幅度提高，海域环境得到更好的保护利用，但目前对于工程较多采用的多喷口型式的射流理论研究相对尚少，需要相关的研究为工程建设提供更多的技术支持。

3 扩散器水力结构优化

离岸排海扩散器水力结构是整个排海工程正常运行的关键。随着排海工程的大规模应用，排放量和排污口水深的要求也越来越大，扩散器出现喷口出流不均匀甚至部分管道没有出流、泥沙生物入侵管道并在管道内沉积严重等现象，都可能导致排海工程运行差甚至无法运行。扩散器水力结构优化主要通过对复杂管道的管径设计和添加附加设置，使得污水能在各个出口均匀出流，同时避免海水倒灌和泥沙生物入侵现象的发生，为污水排海提供稳定可行的运行环境。主要包括两方面内容:一是扩散器流量分配的设计，实现流量按扩散器具体工程要求进行沿程分配，使污水排出后与受纳水体进行最大程度的掺混稀释;二是海水泥沙入侵的防止及清除设计，海水密度高于污水密度，极易发生海水倒灌扩散器系统，严重影响扩散器排放量，腐蚀排海管道内壁，同时携带的泥沙还会造成扩散器内泥沙长期淤积，发生扩散器堵塞。这些问题的解决需要了解扩散器的内部水流运动规律，并对影响因素有深刻的理解，才能实现扩散器水力结构的针对性设计。

扩散器水力结构优化中管道流量分配水力参数已有较多的研究报道［2-4，36-42］。Bleninger 等［36-39］通过采用CFD软件模拟了扩散器内部流场和压力场，得出了扩散器的出口流量分布均匀度、水头损失以及局部阻力系数等。赖翼峰等［40-42］采用出流系数法和动压头法两种水力方法进行了末端处置扩散器的流场计算，并通过物理模型试验验证，这是扩散器流量分配水力设计的主要方法。

目前，笔者［18］采用FLUNENT软件建立扩散器管道水力模型，并通过物理模型验证得出很好的模拟结果，FLUNENT软件的应用也大大提高了流量分配设计便捷性和准确性。图2为天津某排海工程数值模拟扩散器管内流速分布图，图中可见最大流速出现在扩散器喷口处，其流速为3 m/s左右，主管内流速为2 m/s左右，满足扩散器喷口和主管流速的要求，通过数值模型进行扩散器水力结构方案比选，能有效减少物理模型的试验方案。在此基础上，通过建立扩散器管道水力物理模型，采用体积流量测量法和测压管法分别得到了喷口的流量，计算得到了扩散器的阻力系数和管道流速，发现数值模拟和物理模拟的误差为1%—5%，进一步验证细化了数值模拟结果，说明数模和物理模型相结合的方法可有效的用于扩散器结构优化。

图2 数值模拟的扩散器速度流场分布图Fig.2 Velocity field of the diffuser by FLUENT numerical simulation

曾小清［43］针对排海工程经常在非设计工况下运行易发生海水入侵的问题，提出了海水入侵冲洗的临界水力特点和辨别式，为非设计条件的运行管理提供依据。刘成等［44］对排海工程泥沙入侵问题进行了系统研究，提出了改进尾部和定期冲洗来降低改善淤积的措施，并提出临界入侵、冲洗密度数公式，并提出在控制密度傅汝德数的同时增设文丘里管和安装鸭嘴阀等改进措施，很好的改善了海水泥沙入侵的问题。钱达仁等［45-46］研究了波浪对管道出流的影响，发现小流量时管道出流明显受波浪影响，极易发生海水入侵，应引起后续研究的重视。综上，海水泥沙入侵扩散器的主要因素是密度差大和波浪变化，防止措施主要是通过优化喷口参数增大傅汝徳数来防止扩散器入侵，同时喷口采用安装鸭嘴阀也能较好的解决扩散器入侵问题。

目前研究中，扩散器水力参数优化还存在着海水泥沙入侵机理及泥沙入侵清除技术不够完善，这是对于扩散器大量推广应用的一个重要制约因素，有待深入研究。

4 结论

通过阐述国内外离岸排污口位置选划、扩散器射流参数及水力结构优化等技术的发展现状，分析了达标污水离岸排海末端处置技术中存在的问题及相应的解决方法:

(1)离岸排海扩散器位置选划作为排海的起始工程，决定着整个工程的成败。综合考虑水动力、迁移轨迹、稀释扩散、泥沙冲淤，环境区域符合性，生态影响，工程经济性等多个角度多方面的因素分析方法是今后排污口科学选划的趋势。而污水对生物影响的累积效应的研究是今后需要不断丰富和突破的研究内容。

(2)扩散器射流参数优化对离岸排海工程建设至关重要，需要通过扩散器射流结构和射流理论，尤其是喷口浮射流理论的系统研究，进一步完善规范扩散器射流参数的优化技术和型式设计。

(3)扩散器管道水流理论基础研究尚少，海水泥沙入侵清除机理和海泥沙入侵清除技术还不够完善，成为制约扩散器推广应用的重要因素，有待深入研究。

(4)目前为止还没有离岸排海扩散器设计的规范可以参考，设计中随意性比较大，设计规范化、标准化成为发展污水离岸排海技术急待解决的问题。

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