基于排污口叠加影响分析下水质影响预测

2021-08-18魏凯

陕西水利 2021年7期

魏凯

(甘肃甘兰水利水电勘测设计院有限责任公司，甘肃兰州 730000)

开展入河排污口设置论证是保护水环境的一项重要举措，科学指导入河排污口的设置，加强对水功能区管理，保护一些鱼类繁殖地以及水源地，保障生活、生产和生态用水安全[1-3]。入河排污口的设置受多重因素影响，包括受受纳水体的水质条件、污水处理工艺、河流纳污能力以及与第三方相关的权益等[4-8]。本文以庆阳城东污水处理厂入河排污口设置论证项目为例，利用河流一维水质数值模型，对常年Ⅴ类水质的马莲河上入河排污口设置进行论证。

1 污水处理厂概况

庆阳市城东污水处理厂位于温泉镇温泉村北头组，占地88.8亩，目前接纳的主要老城区、北部城区和东部科教区居民生活污水，污水处理工艺采用改良型SBR工艺，工程设计规模为2万m3/d。出水水质执行一级B标准，该入河排污口为混合污水排污口，类型为新建入河排污口，排放方式为连续排放，入河方式为管道。

2 排污口及水功能区水质现状

(1)入河排污口所在水功能区

庆阳市城东污水处理厂入河排污口位于甘肃省黄河流域泾河水系，二级水功能区——马莲河环县、庆城、合水、宁县工业农业用水区，污水由排放口排入陈仓沟后汇入盖家川河，再由盖家川河汇入马莲河。因此本次论证范围确定为马莲河环县、庆城、合水、宁县工业、农业用水区，起始断面洪德站，终止断面入泾河口，河长275.1 km；水质目标为Ⅳ类，见表1。

表1 论证范围内水功能区一览表

(2)水功能区取排水现状

马莲河环县、庆城、合水、宁县工业、农业用水区现状无取水口，规划建设马莲河水利枢纽工程，由干流贾咀水库、支流砚瓦川调蓄水库共同组成。已建县城污水处理厂外排口有5处，污水直排口1处。

(3)水功能区水质及纳污能力分析

由于庆阳市降水时空分布不均，且冬春连旱情况极易发生。马莲河河流水位低，水流速度变慢，又导致河流自净能力变差，污染物难以得到有效降解。部分直排生活污水是导致水质变差的主要原因。该水功能区常年水质不达标，劣V类。马莲河庆阳段2016年～2018年水质变化趋势见图1。

a.马莲河庆阳断面2016年～2018年COD浓度变化图

《庆阳市地表水功能区限制纳污红线方案》提出马莲河环县、庆城、合水、宁县工业、农业用水区2030年COD和氨氮现状纳污能力为3901.10 t/a、125.10 t/a。各排污口污染物入河量按2030年测算，COD和氨氮年均入河量分别为1646.60 t/a、148.92 t/a，其中氨氮超过其水功能区限排总量要求。由于本项目属于减排项目，保障西峰区社会和环境的可持续发展，对于马莲河水质改善起到了重要作用。到2030年，庆阳市城东污水处理厂中水回用率达到30%的前提条件下，庆阳市城东污水处理厂入河排污口设置满足其水域纳污能力要求。

3 模型预测

3.1 计算模型选择

依据《水域纳污能力计算规程》(GB/T 25173-2010)。结合马莲河干流水功能区纳污能力核定工作实践，马莲河多年平均流量7.67 m3/s，属于小型河段。首先基于河流一维模型计算排污口至陈仓沟降解后的污染物浓度，然后利用河流零维模型计算与盖家川河混合后的污染物浓度及进入马莲河后的污染物混合浓度，最后利用叠加维模型计算排污口至下游泾河汇入口断面的污染物浓度。

式中：Q为河道设计流量，m3/s；Cx为流经x距离后的污染物浓度，mg/L；x为沿河段的纵向距离，m；u为设计流量下河道断面的平均流速，m/s；K为污染物综合衰减系数，1/s；CP、QP分别为污染物排放浓度(mg/L)和污水排放量(m3/s)；C0、Q0分别为上游污染物排放浓度(mg/L)和上游来水流量(m3/s)；Cs为排污口下游某断面处污染物浓度值，mg/L;X为排污口至下游某断面的距离，km；X′为排污口至上游背景断面的距离，km；M为污染物入河量，g/s；q为污水入河流量，m3/s。

3.2 模型的参数确定

(1)影响分析范围

庆阳市城东污水处理厂处理后的废水先排入陈仓沟，流经11.33 km后汇入盖家川河，在盖家川河11.88 km后汇入了马莲河。以宁县县界(控制断面)，宁县污水处理厂(控制断面)、马莲河与泾河交汇处(控制断面)，入河排污口及支流概化示意图见图2。

图2 入河排污口及支流概化示意图

(2)设计水文水质条件

本次论证流量采用90%保证率最枯月平均流量，盖家川论证断面，设计流量0.04 m3/s，流速0.04 m/s；马莲河盖家川口，设计流量2.56 m3/s，流速0.92 m/s；马莲河雨落坪，设计流量3.13 m3/s，流速0.77 m/s。上游来水按Ⅳ类限值，即COD、氨氮、BOD5、TP分别30 mg/L、1.5 mg/L、6 mg/L、0.3 mg/L。

(3)污水处理厂设计工况

正常工况下，设计外排水量为2万m3/d，按一级B达标排放，COD、氨氮、BOD5、TP分别为60 mg/L、8 mg/L、20 mg/L、1 mg/L。事故工况条件下，设计外排水量为2万m3/d，按设计进水水质排放，即COD、氨氮、BOD5、TP分别为400 mg/L、54 mg/L、200 mg/L、6.6 mg/L。

(4)污染物综合降解系数

黄河流域水资源保护局在《黄河重点河段水功能区划及入河污染物总量控制方案研究》项目中对国内外24条河流的经验值进行统计，本论证参考其研究成果，确定马莲河河段COD的综合降解系数年均值为0.40 d-1，氨氮的综合降解系数年均值为0.33 d-1，BOD5的综合降解系数年均值为0.3 d-1，总磷的综合降解系数取0.08 d-1。

3.3 预测结果分析

(1)正常工况结果预测

正常工况的影响预测结果来看，在上游来水Ⅳ类限值条件下，按照多年最枯月平均流量，庆阳市城东污水处理厂按照设计规模排水量(2万m3/d)进行计算，污水排放浓度按《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)一级B标准排放。区段内各断面氨氮、BOD5、总磷超出地表水Ⅳ类水质目标。正常工况下各控制断面水质变化见图2。利用一维模型反推，在上游来水条件为IV类限制条件下，为保证马莲河入泾河口断面处水质达标，需同步提升各污水处理厂污染物排放浓度控制标准，并等比例提高中水回用量，减少污水外排量。即各污水处理厂中水回用达到20%，同时主要污染物COD、氨氮、BOD5、总磷的排放控制浓度控制在60 mg/L、4.6 mg/L、17.3 mg/L、0.46 mg/L以内。不同预测断面特征因子浓度变化见图3。

a.不同预测断面COD浓度变化趋势图

(2)事故工况结果预测

由上述计算结果来看(见表2)，对于事故工况，无论上游Ⅳ类来水条件还是现状来水条件，事故污水排入马莲河后，各断面水质均未达到地表水Ⅳ类标准。因此，应对庆阳市城东生活污水处理厂所排污水进行严格监管，确保达标排放。

表2 事故工况排污影响预测结果单位：mg/L

4 对水功能区水质和水生态影响分析

4.1 对水功能区水质影响分析

从以上模型计算结果来看，正常工况下，上游来水水质Ⅳ类限值条件下，同步提升污水处理厂污染物排放浓度控制标准，并等比例提高中水回用量，可以实现马莲河入泾河口断面水质达标(达到Ⅳ类标准)。庆阳城东污水处理厂的设置，对于改善马莲河水环境起到了重要作用对马莲河入泾河口断面水质改善效果见表3。

表3 庆阳城东污水处理厂设置对马莲河入泾河口断面水质影响分析表单位：mg/L

非正常工况下，无论上游Ⅳ类来水条件还是现状来水条件，事故污水排入马莲河后，各断面水质均未达到地表水Ⅳ类标准。因此，应对庆阳市城东生活污水处理厂所排污水进行严格监管，确保达标排放。

4.2 对水生态环境的影响分析

在本次调查中，未发现鱼类存在。由于本项目属于减排项目，按照现状一级B排放标准预测，到2020年每年可减排COD 2482 t，氨氮233.6 t，可有效保护马莲河水体环境。建议持续开展马莲河水生生物监测，加强河段内入河排污的监督与管理，使其对水生生物的影响减到最低。

4.3 对有利害关系的第三者权益的影响分析

根据《地表水环境质量标准》(GB 3838-2002)，地表水Ⅳ类主要适用于一般工业用水区及人体非直接接触的娱乐用水区；Ⅴ类主要适用于农业用水区及一般景观要求水域。根据模型影响分析，在上游来水按Ⅳ类限值条件下，设计条件按照近十年长系列最枯月平均流量，庆阳市城东污水处理厂按照一级B，设计排放量2万m3/d，低温枯水季节，通过相应控制措施，拟建贾咀水库和砚瓦川水库断面浓度均小于地表水Ⅳ类限值标准，满足水库工业用水水质要求。