污水厂建设布局对重污染河流水质影响研究

张辉， 桂丽娟， 侯红勋， 司家济

（1.中节能国祯环保科技股份有限公司， 合肥 230088； 2.城市生命线工程安全运行监测中心， 合肥 230601）

近年来， 随着《水污染防治行动计划》的颁布实施， 城市水环境治理初见成效［1］。 但水环境治理仍存在系统协同不足和顶层规划不合理等问题， 导致项目盲目投资、 治理后返黑返臭现象普遍存在［2-5］。根据2019 年中国环境状况公报， 就整个地表水而言， 全国严重污染的劣Ⅴ类水体约3.6%， Ⅴ类水体约4.2%。 重点流域的劣Ⅴ类比例仍有3%， 全国水环境的形势依然严峻， 开展流域水环境系统科学整治研究已经非常迫切［6］。

本文以南方某城市重污染河流治理为研究对象， 通过污染源解析， 聚焦该流域的核心问题， 研究和模拟论证污水厂选址布局对河流水质改善的影响， 并对污水厂建成后水质改善成效进行评估， 以形成适于城市小流域系统治理的方法与经验， 为重点流域的城市水环境治理提供技术借鉴。

1 河流概况

十五里河位于合肥市西南郊， 为巢湖一级入湖支流， 自西北流向东南， 流经合肥市主城区， 河道全长35 km， 流域面积为111.25 km2。 流域下游建有十五里河污水厂， 设计规模为10 万t／d。 十五里河流域范围如图1 所示。

图1 十五里河流域范围Fig. 1 Watershed scope of Shiwuli river

2 水质原状及目标

治理前， 十五里河水质长期处于劣Ⅴ类， 2015年国控断面水质监测结果显示（见图2）， COD 月均值范围在17 ～ 33 mg／L， 氨氮月均值范围5 ～ 22 mg／L， TP 月均值范围在0.26～2.25 mg／L。

图2 治理前国控断面水质（2015 年）Fig. 2 Water quality of national control section before treatment（2015 年）

依据《合肥市水环境质量达标阶段性工作方案》要求， 十五里河分阶段主要水质目标近期（2019年）执行ρ（COD） ≤40 mg／L、 ρ（氨氮） ≤2.5 mg／L、 ρ（TP） ≤0.4 mg／L。 对比治理目标值， 氨氮超标3.3～14.6 倍， TP 超标约4.5 倍， COD 与目标值接近。 氨氮与TP 是该河流的主要污染因子， 氨氮同时也是黑臭水体的主要考核指标， 因此氨氮的削减是实现十五里河流域治理目标的关键。

3 问题与对策

3.1 流域污染主要问题

通过十五里河入河排口水质水量监测， 结合流域范围内污染源分布统计分析［7］， 对流域水质污染核心问题诊断如下：

（1） 雨污混接严重， 污水处理能力不足。 十五里河流域旱季入河总水量约18 万t／d， 其中污水直排7.2 万t／d， 为氨氮主要来源， 氨氮污染负荷占比77.21%， 市政污水厂尾水入河10.8 万t／d。 此外， 该流域内每天有4 万t 污水转输至其他污水厂处理。 该流域内雨污混接严重、 污水量超过污水厂处理能力是水质污染的直接原因。

（2） 下游污水干管频繁破损致污水溢流直排。流域污染源多集中于上游， 而污水厂位于河流的下游， 污水需要通过污水干管长距离输送至下游污水厂， 同时下游污水干管长期处于满管流状态， 造成下游污水管道水压大， 导致污水干管频繁破损， 大量污水经破损处直排入河， 严重影响河道水质。

（3） 上游无清洁补给水源。 十五里河上游来水主要为旱季直排污水和雨季合流制雨水， 因此若对上游进行截污后， 十五里河上游旱季将成干涸状态。

3.2 治理对策

基于十五里河流域问题现状， 应打破污水厂在河流下游选址建设的传统思维， 在十五里河流域上游新建污水厂（见图3）， 就近截流收集上游污水，提升流域范围内污水处理能力， 避免因长距离输送污水而造成管道频繁破损问题， 新建污水厂出水就近排入十五里河上游， 做清洁补水水源， 保障河流的生态基流功能。 考虑流域范围将来产业发展和人口增长， 同步实施下游污水厂扩建， 进一步改善河流水质。

图3 污水厂建设及优化布局示意Fig. 3 Sewage plant construction and optimized layout

4 模拟论证分析

基于EFDC_Explorer8.3 软件构建十五里河流域水动力水质模型［8-9］， 在模型校核基础上， 模拟分析污水厂布局及出水水质对河道水质影响。

4.1 污水厂上游新建与下游扩建对河道水质的影响对比

对比单独选择上游新建和单独选择下游扩建10 万t／d 污水厂对河流水质的影响， 模拟结果如图4 所示。

图4 上下游污水厂对河道断面水质的影响Fig. 4 Influence of upstream and downstream sewage treatment plants on cross section water quality of river

模拟结果表明， 流域仅有下游污水厂， 且保持原规模时， 整个十五里河断面氨氮质量浓度均在4 mg／L 以上， 在中游重污染段氨氮质量浓度在8 mg／L以上； 当下游污水厂进行扩建后， 污水厂上下游断面氨氮均有所下降， 但中上游氨氮质量浓度仍在7 mg／L 以上； 当选择在上游新建污水厂， 在上游处理部分污水时， 中上游重污染河段改善效果明显。

因此， 污水厂建在流域下游， 对下游水质改善明显， 但对十五里河上游水质没有改善， 对中游水质改善较小。 在上游建设污水厂， 处理后尾水作为河流的补给水源， 使河流上中下游水质均有显著改善。

4.2 上下游污水厂同时作用与单座污水厂运行对河道水质的影响对比

对比单独上游新建、 下游扩建、 上下游同时新（扩）建污水处理厂对河流水质的影响， 模拟结果如图5 所示。

图5 上下游污水厂同时作用与单座污水厂运行对河道断面水质的影响Fig. 5 Impact of simultaneous operation of upstream and downstream sewage plants and operation of single sewage plant on cross section water quality of river

模拟结果表明， 单独扩建下游污水厂， 仅能改善河流下游水质； 单独新建上游污水厂， 对河流上中下游均有所改善， 但下游断面氨氮指标仍难以达到考核目标要求； 上下游污水厂同时新（扩）建时，将进一步改善河流水质， 国控断面氨氮质量浓度能够达到2.5 mg／L 以下， 满足近期治理目标要求。

4.3 污水厂排放标准对河道水质的影响对比

在上游和下游同时新（扩）建污水处理厂条件下， 对比污水厂处理出水达到一级A 标准（ρ（氨氮） ≤5 mg／L）， 准Ⅳ类水标准（ρ（氨氮） ≤1.5 mg／L）和优化运行（ρ（氨氮）≤1 mg／L）对河流水质的影响， 模拟结果如图6 所示。

图6 污水厂出水水质对河道断面水质的影响Fig. 6 Influence of effluent water quality of sewage treatment plants on cross section water quality of river

模拟结果表明， 污水厂升级改造后， 对于改善城市内河的水环境具有积极影响。 出水标准由一级A 提升至准Ⅳ类标准后， 下游河道国控断面氨氮平均质量浓度由5.5 mg／L 降至3.5 mg／L 以下。 由于氨氮指标对于污水厂运营控制难度较小， 通过优化运行， 充分发挥污水处理厂的潜力， 进一步降低出水氨氮浓度［10］， 使污水厂出水氨氮质量浓度在1 mg／L 以下后， 能够进一步降低上下游河道断面氨氮浓度， 其中下游国控断面氨氮质量浓度将降低至2.5 mg／L 以下。

从各情境分析看， 通过在流域上游新建污水厂， 同步扩建下游污水厂， 并将污水厂出水氨氮质量浓度控制在1 mg／L 以下， 能够大大降低十五里河上中下游氨氮浓度， 实现国控断面关键指标氨氮达到阶段考核要求的目标。

5 实施成效

新建上游污水厂及下游污水厂扩建完成并投入运营后， 通过对十五里河上下游断面沿程取样检测结果发现， 从上游污水厂出水入河断面起， 中下游断面氨氮指标均改善明显， 氨氮质量浓度在2.5 mg／L 以下， 下游国控断面氨氮质量浓度在2 mg／L 以下， 主要污染物指标氨氮达到该流域阶段考核要求。

上游污水厂出水入河断面氨氮浓度仍然较高，主要原因是由于上游多为合流式截流制管道， 降雨期合流制溢流污染较为严重， 且上游无清洁水源，上游河道蓄水主要为合流制溢流污水。 因此， 建议强化上游的降雨期合流制溢流污染治理， 进一步改善上游水质， 发挥整个河流的生态价值。

6 结论

（1） 流域污染源调查分析结果表明， 该流域水质污染的关键原因是系统污水处理能力不足以及原污水厂选址位于下游， 污水干管长距离输送导致下游污水干管破损、 污水直排入河， 以及上游河道缺乏清洁补给水源。

（2） 河道水质模拟论证结果表明， 打破污水厂在河流下游选址建设的传统思维， 在十五里河流域上游新建污水厂， 能够就近收集上游污水， 解决下游污水管网破损和上游清洁水源问题， 对十五里河流域水质改善具有重要意义。

（3） 通过实施新建上游污水厂和扩建下游污水厂等治理措施， 十五里河流域中下游水质改善明显， 建议后续治理重点针对上游合流制溢流污染，进一步改善上游水质。