污水處理廠尾水排放對水環(huán)境影響的模擬研究

污水處理廠尾水排放對水環(huán)境影響的模擬研究

近年來，隨著經(jīng)濟的發(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)也越來越頻繁。新建的污水處理廠一般要求達標排放時不影響下游取水口水質(zhì),但排污口停電事故排放時,產(chǎn)生的污染團隨水體向下游遷移,勢必會對下游取用水產(chǎn)生一定的影響。探索入河排污口事故排放時對下游取用水的影響,對其進行預(yù)測評價是有必要的。陳逸、李小虎、李娜、錢小娟等主要研究了入河排污口達標排放時尾水對河道水質(zhì)的影響,目前學者對入河排污口事故排放時尾水對下游水質(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學院的JohnHamrick開發(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,可模擬22個水體狀態(tài)變量,用于河流、湖泊、水庫、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、污染負荷與湖泊水質(zhì)間的動態(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標和事故排放時尾水對受納水體水環(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準》一級A標準,排污口尾水排入水陽江,排污口為連續(xù)排放。水陽江多年平均流量為80.4m3/s,90%保證率最枯月流量為22m3/s。1.2截面污水處理點見—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,且下泄流量對下游生態(tài)影響較大的斷面。水陽江該段水流平緩、無突變且無水文斷面,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《飲用水水源保護區(qū)劃分技術(shù)規(guī)范》,將取水口及取水口一級、二級保護區(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保護區(qū),一級保護區(qū)邊界上游2km為二級保護區(qū),保護區(qū)內(nèi)禁止排放超過國家或地方規(guī)定的污染物排放標準的污染物。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)測段面2。為預(yù)測排污口事故排放時各預(yù)測段面的污染物濃度值,在各預(yù)測段面離岸附近及巷口橋水廠取水口處設(shè)三個預(yù)測點。預(yù)測段面及預(yù)測點位置見圖2。1.3污水處理廠達標與事故排放時污染物時空分布不同水文條件下水體中污染物擴散范圍變化較大,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)境長期基本需求的最小流量,水文計算過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90%保證率最枯月流量時污水處理廠達標與事故排放兩種工況下污染物時空分布情況。排污口達標排放時可達GB18918—2002一級A標準,COD濃度為50mg/L;事故排放時污水處理廠進水濃度等于出水濃度,COD進水濃度為360mg/L,事故排放時間為24h,然后恢復正常生產(chǎn)。參照GB3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》Ⅲ類水標準。2模型建設(shè)2.1水質(zhì)變量的質(zhì)量控制方程EFDC水動力模塊主要采用CH3D水力學模型的原理,在二階有限微分的基礎(chǔ)上對垂向、自由表面和擾動進行數(shù)值求解,從而得出湖流場、水位和水溫場。在水動力模塊提供的物理條件并考慮泥水界面行為的基礎(chǔ)上,模擬多項水污染物的遷移轉(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方向的擴散系數(shù);SC是單位體積源匯項。模型中,化學需氧量是可通過無機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程。硫化物和甲烷用需氧量單位來量化。包含外部負荷的動力學方程如下:式中:COD為化學需氧量濃度,g/m3;KHCOD為化學需氧量氧化消耗溶解氧的半飽和常數(shù),g/m3;KCOD為化學需氧量的氧化率,d-1;BFCOD為化學需氧量的沉積物通量,g/(m2·d),僅用于底層;WCOD為化學需氧量的外部負荷,g/d;DO為溶解氧,包括了藻類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,為避免交叉河道對預(yù)測的影響,選取排污口上游4.2km至下游7.8km段為本次研究范圍,總長度為12km。水平網(wǎng)格采用矩形正交坐標,能較好的擬合岸線形狀。共設(shè)網(wǎng)格數(shù)17233個,網(wǎng)格距為10m。通過內(nèi)插方案賦予每個網(wǎng)格一個高程值。2.3正常模擬計算的建立EFDC具有很好的通用性、數(shù)值計算能力強,水動力模塊的模擬精度很高。EFDC水動力模型中常需調(diào)整的參數(shù)為河底粗糙度Z0,默認設(shè)置為0.02m。在本研究區(qū)域中,Z0取默認值0.02m。此處選擇0.1~0.15m作為干濕網(wǎng)格的臨界水深。當某網(wǎng)格水深>0.15m時,作濕網(wǎng)格處理,進行正常模擬計算;當水深<0.1m時,網(wǎng)格變?yōu)楦删W(wǎng)格,不參與計算。動邊界模型能詳細地模擬水陽江水位變化引起的漫灘及水位變化過程。模型水動力及水質(zhì)主要參數(shù)取值見表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散受流場的影響很大,流場的空間分布對污染團在水體中遷移擴散形態(tài)影響較大,在河道較寬、流速較小的河段,污染物橫向擴散比較明顯。根據(jù)水陽江90%保證率最枯月流量時排污口附近流場分布(圖3)可知,計算江段流速很小,空間分布不均勻,整個區(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超標范圍該段河道比較狹窄,流速較大,污染物的混合范圍狹長,橫向擴散不明顯。排污口達標排放時COD超標范圍為縱向1050m、橫向60m(圖4),等濃度線以外的區(qū)域為COD濃度達III類水標準的區(qū)域。預(yù)測段面距排污口為1.2km,該斷面的COD濃度可達到GB3838—2002III類水標準,排污口對下游各預(yù)測段面及取水口水質(zhì)沒有影響。3.2.2預(yù)排放段截面質(zhì)量過高,污染團未到達預(yù)測段外2排污口事故排放時由于COD濃度較高,不能與水體完全混合,排污口尾水會形成污染團向下游遷移擴散。由不同時間COD污染團遷移擴散情況可知:事故排放1d后(圖5a)污染團經(jīng)過預(yù)測段面1,達到預(yù)測段面2時,預(yù)測斷面1附近水質(zhì)不能滿足III類水水質(zhì)要求;由于污染團尚未到達預(yù)測段面2及巷口橋水廠取水口,此時排污口事故排放對預(yù)測段面2及巷口橋水廠取水口附近水質(zhì)沒有影響,水廠仍可以正常運行。事故排放2d后(圖5b),排污口達標排放,污染團已完全經(jīng)過預(yù)測斷面1,事故排放對預(yù)測斷面1附近水質(zhì)的影響已經(jīng)結(jié)束;此時污染團正經(jīng)過預(yù)測斷面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類水要求,水廠無法正常運行。事故排放3d后(圖5c),污染團已完全經(jīng)過預(yù)測斷面2,事故排放對預(yù)測斷面2附近水質(zhì)的影響已經(jīng)結(jié)束,但仍對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),污染團已完全經(jīng)過巷口橋水廠取水口,取水口附近水質(zhì)能達地表水III類水要求,水廠可正常運行。3.3排污口cod濃度及預(yù)測結(jié)果入河排污口的設(shè)置需遵循國家法律法規(guī),達標排放時一般不會對下游水廠及水廠一級、二級保護區(qū)上游邊界水質(zhì)產(chǎn)生影響,各預(yù)測斷面COD濃度仍能達《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》III類水標準,但是風險事故時會對下游取水口產(chǎn)生影響。排污口事故排放時污染物不能與水體充分混合,會形成污染團向下游遷移擴散,不同時間對下游各預(yù)測點水質(zhì)影響不同。由排污口事故排放時各預(yù)測點COD濃度隨時間變化(圖6)可知,由上游至下游各預(yù)測點COD濃度依次增大,經(jīng)過一段時間后減小至穩(wěn)定狀態(tài)。事故排放時,排污口附近COD濃度受排污口尾水濃度和上游來水濃度共同影響,擴散范圍很小,因此該處COD濃度較高,且會產(chǎn)生一定波動。排污口附近COD濃度在事故排放1d后可達標排放。由于排污口達標排放時對預(yù)測斷面1、2及下游水廠取水口附近水質(zhì)沒有影響,因此污染團經(jīng)過各預(yù)測點后,COD濃度值逐漸恢復至原來濃度,達《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》III類水水質(zhì)要求。由各預(yù)測點預(yù)測結(jié)果(表2)可知:排污口事故排放時,排污口處COD最大濃度為250mg/L,事故排放1.1d后污染團離開排污口附近向下游擴散,事故排放對排污口附近水質(zhì)的影響持續(xù)時間為1.1d;事故排放1.7d后污染團到達巷口橋水廠取水口附近,COD最大濃度達59.1mg/L,事故排放3.1d后污染團離開取水口附近,事故排放對排污口附近水質(zhì)的影響持續(xù)時間為1.4d。從上游至下游,水體降解污染團經(jīng)過各預(yù)測點時濃度最大值逐漸減小;考慮污染團擴散,污染團經(jīng)過各預(yù)測點的時間逐漸增加。綜上所述,排污口風險事故發(fā)生后,污染團經(jīng)過取水口附近水域時水廠取水口不能取水,尤其在水文條件不利的情況下,污染團在取水口附近水域停留時間較長,對水廠的正常運行及城鎮(zhèn)居民用水構(gòu)成了嚴重威脅。因此排污口設(shè)計中應(yīng)考慮風險事故發(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,嚴防排污口事故排放對下游取水口產(chǎn)生影響。當上游污水處理廠出現(xiàn)事故排放時,下游水廠仍有一定的緩沖時間可以正常運行,可啟用一系列的安全措施,待污染團完全經(jīng)過取水口附近水域時再從河道取水,防止水廠水質(zhì)受到污染。通過模型預(yù)測可知不同水文條件下上游排污口事故排放時污染團到達取水口附近水域的時間及停留時間,為水廠制定風險事故運行方式及應(yīng)急響應(yīng)決策起到一定的指導作用。4排污事故排放1)排污口在達標排放時,不會對下游水廠附近及水廠一級、二級保護區(qū)上游邊界水質(zhì)產(chǎn)生影響,各預(yù)測斷面COD濃度仍能達GB3838—2002III類水標準。2)90%保證率最枯月流量時,排污口事故排放1.7d后污染團到達水