污水排海工程浅析

杨丙峰

(中国铁路设计集团有限公司, 天津 300251)

污水排海管道工程设计与陆地上污水管道设计有许多不同之处，排海管道要坚持“以海定陆”的原则，即实行污水排放的总量控制，根据排污海域的水动力状况和海水自净能力确定污水排海混合区，污水排放总量应在污水排海混合区环境容量允许范围之内，污水排海管道不允许排放有害有毒污水。

本文结合广西钦州的造纸厂污水排海工程，分析污水排海的特点和工艺设计参数。污水处理规模，第一期排海的废水量为10×104m3/d，第二期排海的废水量为20×104m3/d，排海管的污水排放能力应按远期污水量设计，即20×104m3/d，

污水处理厂总变化系数采用1.2，排海管道设计流量为2.778 m3/s。

1 工艺方案设计

本工程设计污水处理厂的出水水质如下[1]：

CODcr≤250 mg/L，BOD≤20 mg/L，SS≤50 mg/L，Temp≤40 ℃，pH 6～9。

排海点混合区范围的水质要求应根据排海污水与受纳水体的CODMn背景值之和不超过《海水水质标准》GB 3097—1997规定的海水水质标准来确定(CODMn<5 mg/L)，混合区允许超过规定的水质标准，但是不能形成油膜、难闻的气味和可见的混浊云斑[2]。

排海管道的线路根据钦州市建设规划委员会审批的线路走向，选定为穿过规划的钦州港东航道的一个符合规定的并且经济节省的深海排放点。

排海管道工程由出水泵站、高位井、放流管、扩散器、警戒装置、应急排放管等组成。工艺如图1。

图1 污水排海工艺示意图

2 设计参数

2.1 出水泵站

在污水处理厂处理后排放的污水要通过出水泵站提升至高位调压井，满足污水排海所需要的水头。出水泵站的土建按远期流量设计，设备按近期安装3套潜水排污泵，2用1备，装机功率555 kW，运行功率370 kW。预留远期设备位置，远期增加同型号潜水排污泵2套。水泵的开、停根据集水井内的水位自动控制，并采用先开先停、先停先开的方式轮换运行。

2.2 高位井

高位井的土建按远期流量设计，控制水位(HC)需要克服排放管水头损失HG，考虑扩散器内外海水和污水的密度差(H1)、设计的最高潮位(H2)、剩余水头(H3)以及浪高(HW)等因素。

2.2.1HG计算

排放管水头损失HG主要包括放流管沿程水头损失以及扩散器局部水头损失。

放流管采用DN1600钢管，摩阻损失1 000i=1.11，计算管长7 250 m，局部损失按10%计，则放流管的摩阻损失=7.250×1.11×(1+10%)，取8.85 m；

扩散器局部水头损失主要包括小比例异径三通、上升管及喷头局部水头损失，根据计算，总摩阻系数为2.77，上升管采用DN200钢管40个，单个流量2.778/40=0.069 4 m3/s，流速为2.28 m/s，则扩散器局部摩阻损失为：

则HG=8.85+0.73=9.58 m

2.2.2H1计算

海水密度是指单位体积中所含的海水质量，海水密度是温度、盐度和压力的函数。由于缺乏实测资料，钦州湾海域的海水密度没有准确的数值。根据《中国的海洋》论述，南海的表层等密度线几乎呈纬向分布，密度值由北往南随着纬度的递减而降低。冬季南海中部为1.021 5～1.023 0，北部湾为1.023 0～1.023 5。夏季海水表层密度为一年中密度最低的季节，夏季南海中部表层密度为1.021 0，北部湾为1.018 0～1.020 0[3]。据此海水密度设计值ρa取1.022。

污水密度ρ0取1.0

H为上升管喷口至海平面的距离，上升管喷口标高-18.5 m，高潮位+6.57 m，则H=25.07

2.2.3 其他参数取值

设计最高潮位H2：+6.57 m，剩余水头H3：0.5 m，浪高HW：1.73 m。

则高位井控制水位HC(总水头)：

HC=HG+H1+H2+H3+HW=9.58+0.55+6.57+0.5+1.73=18.93 m

HC设计值可以采用+19.0 m。

本工程设计的高位井实际井顶标高为+22.0 m，主要是考虑到排海管道2 m的冲洗水头以及高位井的超高等因素。高位井的平面尺寸为17 m×10 m，设有正常情况下使用的排放管以及紧急情况下使用的应急排放管。

2.3 放流管

排海管道是本工程的重点，具有投资大、风险高的特点。排海管道又分为正常排放管和应急排放管两种，设计参数全部按远期污水排放规模考虑。应急排放管仅在事故、检修等特殊情况下使用。

放流管设计要注意以下几点：

(1)放流管直径按远期流量设计，用近期最小流量校核。设计流速要大于等于0.6 m/s的自净流速，一般不超过2 m/s的最大流速。

(2)管道系统设计中，以设计内外压作为最大内径计算依据，应能承受最大可能外压。管道设计温度范围为-20 ℃～60 ℃。排污管如需转弯，其拐角应大于120°[4]。

(3)污水排海管道的埋深根据埋管地带的船只数量、吨位，锚的尺寸、重量及管道外经、壁厚，浪潮流对海底的冲刷作用，海底的地质状况，计算最佳的管道埋深值[4]。海底直接铺设，要有稳管措施；管道埋设时，其上缘埋设深度不小于1.0 m。

(4)污水排海管与其它海底管线之间的水平净距应达30 m以上。与海底易爆、强辐射等危险物之间的距离应保持在500 m以上。

(5)污水排海管不应与其他海底管线(如海缆、海底油气或供水管道)交叉，如交叉不可避免时应敷设在它们的下面，垂直净距应达0.5 m以上。

(6)放流管走向与海流的流向垂直，放流管末端的水深应大于10 m，并保证扩散器第一个孔口排出的污水到达水面时发生的羽流的边缘不触及海岸[4]。

本工程通过技术、工程造价、50年运行费等多方面进行技术、经济比较，确定放流管管径为1 600 mm。

本工程对钢管、球墨铸铁管、预应力钢套筒管、玻璃钢管从抗腐蚀能力、抗高压条件、抗水锤能力、粗糙度、使用寿命、适应地形变化能力、施工方法、对基础要求等多方面进行了对比分析。本工程的地层条件为泥沙，地质条件较差，对管材的抗沉降要求较高，球墨铸铁管和预应力混凝土管由于自重大、接头多，在海上施工难度太大，一般不予考虑用在长距离的排海设计中；玻璃钢管由于使用寿命不详，在实际的给水工程中由于多方面的原因，出现的爆管次数相对较多，并且对基础要求比较高，为确保安全排水，本工程选用钢管为输送管道以增加长距离排水管道对软土地基的适应能力和满足不同施工方法的需要。

2.4 扩散器

扩散器是本工程的技术关键，其长度和稀释扩散效果成正比，但也和基建费用成正比。因此，在确保近区混合区的水质满足有关国家规范的前提下，充分考虑水量、初始稀释度、有效水深、密度差以及水动力状况等因素，合理确定扩散器长度，尽量降低工程费用。

扩散器设计要注意以下几点：

(1)扩散器一般分为Ⅰ、T、Y三种类型。具体采用哪种类型由水流速度确定，在强流区，当水流速度大于1.5 m/s时，扩散器走向不应与流向垂直，相反在弱流区，当流速小于0.5 m/s时，扩散器走向应尽量与流向垂直。

(2)扩散器所在海域应在10 m等深线以下，并使立管—喷口型扩散器的立管在大潮低潮时也不露出水面。

(3)扩散器的长度和孔口设计应满足规定的稀释倍数要求[4]。

(4)扩散器喷口的间距约等于喷口至水面深度的1/3，要保证污水在初始稀释扩散过程中相互不重叠[4]。

(5)扩散器中的流速应达到自净流速，即不小于0.6 m/s；喷口出流应有足够大的速率，设计采用的弗汝德数Fr>1.0。

(6)扩散器开口总面积应小于放流管的横截面积。

根据本工程环境影响报告中资料，钦州湾涨、落潮海水流向为南北向，流速一般小于1节(1节=0.514 4 m/s)，强潮时流速也只达到2节，排海主干管的扩散器方向为东西向，具有较好的海水稀释和扩散条件，本工程选择Ⅰ型扩散器。

扩散器长度与污水排放量、初始稀释度、污水最大浮升高度、海水密度等有关，影响较大的是初始稀释度的选择，初始稀释度又与污水排放的水质、海洋本底浓度、海水水质标准等因素有关[5]。初始稀释度可以用下式[4]求出：

式中：

Sreq—初始稀释度；

Sd—再稀释度；

C0—污水中污染物浓度；

Cs—污水中污染物的水质目标；

Cp—海洋中污染物的背景浓度；

λ—衰减率；

t—污染羽流历时。

污水排放的CODCr指标为250 mg/L，污水中污染物的水质目标CODMn<5 mg/L；由于缺乏实测资料，根据《中国的海洋》的论述，南海COD无一超标现象，平均值最低为0.45 mg/L[3]，设计海洋中污染物的背景浓度采用CODMn=1.5 mg/L。如果根据污水平均排放浓度，在不考虑再稀释度的情况下，由公式中可以得出Sreq≥36即可。

根据《污水海洋处置工程污染控制标准》[2]的要求，第三类海域一年90%时间保证率下初始稀释度不小于45；设计初始稀释度采用Sreq=50。

扩散器长度可根据如下公式[4]计算：

LD=4.27Q(g′)-1/2(Sc/h)3/2

式中：

LD—扩散器长度；

Q—排放的污水总量2.778 m3/s；

g—重力加速度9.81；

ρ0—污水密度1.0；

ρa—周围海水密度1.023；

Sc—憩潮时羽流轴线处的起始稀释度50；

h—污水排放深度18.5 m，满足当地规划的15万吨级航船所需航道标高。

根据计算扩散器长度设计值采用200 m，Sc为73，可以很好的满足污染物的扩散要求。

扩散器最末端采用45°弯管伸出海底，并安装口径1 000 mm的翻板闸门，平时关闭，进行冲洗时利用高位井中的冲洗时水位压差自动打开。

污水排海能力还和扩散器的喷口数有着密切的关系。而喷口数主要由扩散器长度(LD)和污水排放深度(h)确定，可根据如下公式[4]计算：

本工程扩散器喷口数设计采用40个，喷口选用DN200的鸭嘴式喷口，不仅可以保证扩散效果，而且能将造价控制在合理区间。

设计的上升管总面积应小于扩散器断面面积，根据经验其面积比在60%～70%之间为宜[4]。本设计上升管内径采用为200 mm时，断面面积0.031×40=1.26 m2，扩散管内径采用1 600 mm，断面面积2.01 m2，则其面积比=1.26/2.01=62.7%，满足要求。

2.5 应急排放管

当污水排海时，遇到偶然或突发事件的情况下，将通过事故应急排放管排出。出口位置应征得有关部门同意，允许事故排放。出口尽量不要建在旅游、水产等对水质要求过高的区域。本工程根据规划要求，应急排放管出口为滨海公路涵洞，并适当考虑扩散问题。本工程应急排放管设计采用150 m，其中扩散管部分为40 m。

为防止海水、泥沙倒灌，喷头采用鸭嘴阀，共计4个，鸭嘴阀口径为800 mm，经水力计算，应急排放管能满足高潮位、大流量时的排放要求。

3 警戒装置

该排海工程采用潜没深水排放方式，放流管海底埋设，扩散器的上升管喷头露出海床面约1.5 m，扩散口位于15万吨级的东航道，为了确保水下放流管和扩散器及上升管的安全和船舶航行安全，排海管道扩散器端部设置警戒装置系统。

排海管道起点高位进南侧井壁上设置大型警告牌。

排海管道扩散器端部设置警示灯。采用钢筋砼结构的桩基式水中灯桩。灯桩按矩形布置,跨在扩散器端部两侧，距离30 m。

4 管道防腐

与海水接触的钢管及金属构件均须采取高标准的防腐措施。排海钢管采用内外防腐，内防腐采用水泥砂浆，外防腐时管线中所有钢管及钢制管件在涂漆前必须进行表面除锈处理，达到Sa2.5级后，再做牺牲阳极保护，阳极采用锌合金阳极块，每隔10 m设置一块。然后采用比利时的锌加产品底涂和环氧沥青漆面涂配套防腐，锌加产品内含锌粒纯度高，因此它不仅有优异的阴极保护作用，而且具有一般有机涂料的屏蔽保护作用[6]。本工程的锌加镀层膜厚80 μm，外面再做四油二布，防腐标准执行《埋地钢质管道环氧煤沥青防腐层技术标准》。两种涂层防腐，可保证50年的防腐寿命。

5 小结

由于污水的排海总量要控制在海水自净能力容量允许的范围之内，这就导致大多数排海管道需要铺设到远离海岸线且具有一定深度的海洋中，因此污水排海工程中放流管是重点，具有投资高、风险大的特点。另外高位井、扩散器则是本工程的技术关键，其设计参数决定污水稀释的效果。本文通过工程实例详细介绍了出水泵站、高位井、放流管、扩散器的设计参数的选用，总结了放流管、扩散器的设计要点和注意事项，介绍了管道防腐的方法，为污水排海工程的工程设计和应用提供了重要依据。

[1] GB 8978—1996, 污水综合排放标准[S].

[2] GB 18486—2001, 污水海洋处置工程污染控制标准[S].

[3] 编辑. 中国自然地理知识丛书: 中国的海洋[M].北京：商务印书馆, 1992.

[4] GB/T 19570—2004, 污水排海管道工程技术规范[S].

[5] 陆斌. 嘉兴市污水排海工程的设计[J]. 中国给水排水, 2004(1)：58-61.

[6] GB 4948—2002,铝—锌—铟系合金牺牲阳极[S].