摘要：煙臺市套子灣污水處理廠1998年10月建成正式投入運轉(zhuǎn)，日處理能力為25萬m³/d，污水排海管道工程是煙臺市套子灣污水處理廠的重要組成部分，沿海地區(qū)利用海洋處置城市污水是一種合理利用海洋水體的環(huán)境容量和自凈能力，同時又使環(huán)境質(zhì)量得到保證的可行方法。
　　關(guān)鍵詞：污水處理;排海管道;排污混合區(qū)
　　1、煙臺市污水處理工程概況
　　煙臺市市區(qū)污水處理工程現(xiàn)已正式投入運轉(zhuǎn)的有三個污水處理廠，分別是套子灣、辛安河、古現(xiàn)污水處理廠。套子灣污水處理廠是將煙臺市區(qū)的芝罘區(qū)、福山區(qū)、開發(fā)區(qū)東區(qū)的工業(yè)廢水和生活污水截流匯集到套子灣污水處理廠，經(jīng)二級處理后排海；部分污水經(jīng)深度處理后用于城市低質(zhì)用水。套子灣污水處理工程包括：①污水截流系統(tǒng)；②污水處理廠（近期工程日處理能力為25萬m³，21萬m³排海，）；③污水輸送系統(tǒng)；④污水排海管道；⑤污水排海混合區(qū)；⑥中水回用系統(tǒng)。
　　1.1污水排海管道的作用
　　1.11放流管的作用
　　放流管的作用是將污水輸送到離海岸較遠(yuǎn)、水深流大的海域。放流管的設(shè)計一般根據(jù)污水排放海域的地質(zhì)、地貌及海流的方向，排海管道方向與海流方向垂直，也考慮與海岸線的方向垂直。放流管的長度和管徑根據(jù)處理后的污水排放量及《污水排海管道工程技術(shù)規(guī)范》和《污水海洋處置工程污染控制標(biāo)準(zhǔn)》的有關(guān)規(guī)定，在保證擴散器第一個孔口排出的污水在到達(dá)海水表面時發(fā)生羽流邊緣不觸及海岸并適當(dāng)留有余地，放流管末端的水深應(yīng)大于7m。
　　1.1.2擴散器的作用
　　擴散器的作用是將污水分散成許多小流體，并要求擴散器的噴口間距以各噴口排出污水在初始稀釋過程中相互不重疊為限，在較大面積內(nèi)擴散，本質(zhì)上是擴散器將點源排放改變?yōu)榫�源排放，使排放水流與受水體充分混合形成稀釋水流。在一定水深下，當(dāng)污水通過擴散器孔口排放到周圍海水時，則受到正比于污水和周圍海水密度差的浮力作用，同時，污水噴射和海水的相對運動產(chǎn)生剪力，使污水和海水之間又產(chǎn)生了紊流混合，從而使靠近排放口的排出污水獲得有效稀釋。當(dāng)污水排入受納水域后，按摻混稀釋特點可劃分為近、遠(yuǎn)兩個區(qū)域。在分析計算中，常將排放口附近污水出口的起始動量和浮力起主導(dǎo)作用的區(qū)域稱為近區(qū)；遠(yuǎn)區(qū)是指距排放口較遠(yuǎn)的區(qū)域，摻混稀釋以紊流擴散為主。由于近區(qū)內(nèi)的污水稀釋作用的大小和擴散器的設(shè)計又有直接關(guān)系，因此，擴散器長度和孔口的設(shè)計是否合理，是人為控制環(huán)境影響的關(guān)鍵內(nèi)容之一。
　　擴散器的長度直接影響到近區(qū)的稀釋效果，影響擴散器的長度的主要因素包括污水排放量、稀釋倍數(shù)的要求、水深、密度及水動力條件等。擴散器的長度和孔口的設(shè)計應(yīng)滿足規(guī)定的起始使稀釋倍數(shù)要求（在海水靜態(tài)情況從海底到海面國際要求稀釋80-100倍）。擴散器由管徑逐漸變小的幾段，多個排水孔口組成，孔口的間距以各孔口排出的污水在初始稀釋擴散的過程中互不重疊為原則。
　　1.1.3混合區(qū)的作用
　　（1）污水排海混合區(qū)選劃原則
　　1）應(yīng)根據(jù)海洋功能區(qū)劃及海水自凈能力選定混合區(qū)
　　2）混合區(qū)和排污點的選擇，除根據(jù)海洋功能區(qū)劃外，還應(yīng)考慮該海域水動力條件和路由地質(zhì)地貌的狀況，應(yīng)選擇在海底穩(wěn)定，海域開闊，水動力活躍，水深大于7m，生物資源相對缺乏，海底面積狀況單一、易于管道施工的水域。
　　3）由排污點排放污水形成的混合區(qū)，不應(yīng)影響魚類的回游和臨近海洋功能區(qū)的功能。
　　4）混合區(qū)范圍外沿應(yīng)根據(jù)排海污水混合稀釋后與所受納水體的COD背景值之和不超過混合區(qū)外功能區(qū)《海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》（GB3097）規(guī)定的海水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)的要求來確定，混合區(qū)范圍規(guī)定按《污水海洋處置工程污染控制標(biāo)準(zhǔn)》（GB18486）中的有關(guān)規(guī)定執(zhí)行。
　　5）進(jìn)行混合區(qū)范圍計算時，應(yīng)針對其地形、地貌及水文特征和擴散器的結(jié)構(gòu)、排放形式及通過對COD、石油類、總氮和總磷四類污染物的濃度預(yù)測而采用不同的計算公式。
　　6）混合區(qū)允許超過規(guī)定的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，但是不能形成油膜、難聞的氣味和可見渾濁云斑。
　　(2)混合區(qū)選劃依據(jù)
　　1）當(dāng)?shù)氐暮Ｑ蠊δ軈^(qū)劃
　　2）排污總量
　　3）污水處理廠經(jīng)二級處理后主要水污染排放濃度值
　　4）污水排海管道路由調(diào)查勘察報告
　　5）污水排海管道設(shè)計
　　6）海底管道環(huán)評資料
　　7）對排污混合區(qū)進(jìn)行水動力模型計算和排海管道投入使用后混合區(qū)水質(zhì)預(yù)測
　　（3）混合區(qū)的使用
　　排污混合區(qū)需要申請海域使用權(quán)，海域使用是指使用某一固定海域連續(xù)三個月以上的排他性開發(fā)利用活動；海域使用的對象是從海底到海面所構(gòu)成的海域空間，包括水面、水體、海床和底土；海域使用具有排他性，即對一定范圍的海域只能對某一海域使用者確定一次使用權(quán)。排污混合區(qū)海域使用符合以上三層含義。排污混合區(qū)一旦申請確權(quán)海域使用就必有排他性。
　　2污水排海管道各參數(shù)的確定
　　2.1放流管長度計算
　　根據(jù)污水排放海域的地質(zhì)地貌及海流的方向，排海管道的方向與海流的方向垂直，即SW-NE向，也與芝罘島海岸線垂直，這樣可以獲得理想的混合效果。在保證擴散器第一個孔口排出的污水在到達(dá)海水表面時發(fā)生羽流邊緣不觸及海岸，并適當(dāng)留有余地；另根據(jù)《污水排海管道工程技術(shù)規(guī)范》和《污水海洋處置工程污染控制標(biāo)準(zhǔn)》有關(guān)規(guī)定，放流管末端的水深應(yīng)大于7m，通過計算確定，套子灣污水處理廠排海管道的放流管水平長度為280m,近期規(guī)劃污水日排放量為21萬m³，放流管直徑為1.6m。
　　2.2擴散器設(shè)計計算
　　在一定水深下，當(dāng)污水通過擴散器孔口排放到周圍海水時，則受到正比于污水和周圍海水密度差的浮力作用。同時，污水噴射和海水的相對運動產(chǎn)生剪力，使污水和海水之間又產(chǎn)生了紊流混合，從而使靠近排放口的排出污水獲得有效稀釋。當(dāng)污水排入受納水域后，按摻混稀釋特點可劃分為近、遠(yuǎn)兩個區(qū)域。在分析計算中，常將排放口附近污水出口的起始動量和浮力起主導(dǎo)作用的區(qū)域稱為近區(qū)；遠(yuǎn)區(qū)是距排放口較遠(yuǎn)的區(qū)域，摻混稀釋以紊動擴散為主，由于近區(qū)內(nèi)的污水稀釋作用很強，而稀釋作用的大小和擴散器的設(shè)計又有直接關(guān)系，因此，擴散器長度和孔口的設(shè)計是否合理，是人為控制環(huán)境影響的關(guān)鍵內(nèi)容之一。
　　影響擴散器長度的主要因素包括污水排放量、稀釋倍數(shù)的要求、水深、密度及水動力條件等。目前，國內(nèi)外還沒有關(guān)于擴散器長度設(shè)計的統(tǒng)一規(guī)范，我國在這方面還缺乏成熟的經(jīng)驗和系統(tǒng)的技術(shù)。N.H.Brooks建議，當(dāng)周圍流體是均勻、靜止時，擴散器的長度由設(shè)定的初始稀釋倍數(shù)來確定，其表達(dá)式為：=0.38
　　（2.2-1）
　　式中：
　　—起始稀釋倍數(shù)；
　　Y—污水的最大浮升高度，m
　　—擴散器單位長度的污水排放量，m³/s
　　—折減重力加速度，㎡/s
　　=（2.2-2）
　　—海水密度，t/m³；
　　—污水密度，t/m³；
　　g—重力加速度，㎡/s。
　　由式（2.2-1）將擴散器單位長度的排放量：=Q/帶入后簡化，就可以得到擴散器長度計算公式：
　　=4.27Q（2.2-3）
　　式中：
　　—擴散器長度，m；
　　Q—污水排放量，m³/s；
　　根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，該海域以鹽度為指標(biāo)利用漢森（Honsen）和雷特萊（Rattrag）公式計算分析該海域為強混合區(qū)，即為非分層海域。本排海工程應(yīng)按非分層海域設(shè)計：海水現(xiàn)場密度為1.02210t/m³；城市污水密度0.99800t/m³；污水排放量是21萬m³/d，即為2.43m³/s；擴散器的水深為12-18m，平均15m；根據(jù)我國《污水海洋處置工程污染控制標(biāo)準(zhǔn)》GB18486的規(guī)定，初始稀釋濃度在一年90%的時間保證率下，對于排放海域并且水質(zhì)類別為第三類的水域，初始稀釋度應(yīng)≥45，對于排放海域并且水質(zhì)類別為第四類的水域，初始稀釋度應(yīng)≥35。
　　（1）擴散器長度
　　經(jīng)計算，擴散器長度為370m，擴散器要變徑，分成四段，管徑分別為1.6m，1.3m，1.0m，0.72m。
　　（2）擴散器孔口間距
　　對于密度均勻的海水，污水從擴散器孔口噴出后，最終可達(dá)到海面，在水面形成相互不重疊的污水團(tuán)，其直徑（羽流寬度）約等于輻射流軸線軌跡長的1/3。一般在設(shè)計中，常以1/3的水深來代替。
　　孔口的間距以各孔口排出的污水在初始稀釋擴散過程中相互不重疊為原則，只要擴散器孔口的間距大于1/3水深，則孔口排出的污水在到達(dá)海水表面時，就不會發(fā)生羽流相互重疊的現(xiàn)象。
　　考慮海域漲潮時海水面的變化，為安全起見，孔口間距大于10m。
　　（3）擴散器孔口直徑
　　當(dāng)擴散器長度一定時，噴口的個數(shù)多少是保證一定排污流量下污水能達(dá)到某種稀釋度的必要條件，孔口數(shù)N可根據(jù)下式確定：
　　N=（為孔口間距）
　　而對水深大海域開闊的水體，可利用少孔、大直徑，可節(jié)省一些施工工作量和經(jīng)費，本設(shè)計噴口個數(shù)根據(jù)擴散器具有變徑的特點，目前國內(nèi)外噴口采用鴨嘴閥（只排不進(jìn)，鴨嘴閥造價高）。本設(shè)計噴口個數(shù)為15個。
　　孔口直徑d的確定：根據(jù)孔口的出流流速3m/s，及污水排放量Q，確定孔口直徑d。
　　孔口直徑d由下式計算得：
　　d==0.26m；
　　總之，擴散器的孔口直徑與個數(shù)的最終確定，應(yīng)當(dāng)考慮以下因素：
　　（1）滿足污水稀釋擴散的要求；
　　（2）孔口直徑應(yīng)足夠大，以保證污水中大尺寸的懸浮物能順利通過而不造成堵塞；
　　（3）孔口處具有足夠大的流速。
　　2.3混合區(qū)面積
　　根據(jù)混合區(qū)選劃的原則和方法，套子灣污水排海混合區(qū)面積為34.0h㎡。其界址點坐標(biāo)為：E121˚21′08″，N37˚37′43.5″；E121˚23′26.5″，N37˚36′40″；E121˚23′56″，N37˚37′21.5″；E121˚21′34″，N37˚38′22″。
　　2.4調(diào)壓井高程
　　通過水力計算，調(diào)壓井出水控制水位為12.0m（黃海平均海平面為基點起算）。
　　3、污水排海管道防腐
　　（1）排海管道采用陰極保護(hù)和重防腐涂料二種形式防腐。
　　（2）陰極保護(hù)法：在鋼管內(nèi)壁封鏡，布三條鎂帶，外壁每10m安裝一塊鋅塊，鎂帶長10m，寬2cm，高1cm，鋅塊20cm×20cm×20cm，重量為19.5kg，分別連接件固定，然后用檢測線連接，檢測被保護(hù)陰極的電位，以-0.85伏以下為合格。
　　（3）重防腐涂料防腐蝕處理：在鋼管內(nèi)外壁采用噴砂處理，使其表面達(dá)到sa3級，然后在內(nèi)壁做ZF101環(huán)氧砂漿重防腐涂料六道，&=2mm，外壁做環(huán)氧煤瀝青玻璃鋼六布，&=2mm。
　　4、污水排海管道試壓
　　（1）建成后的管道系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行水壓試驗，埋沒或覆蓋管道水壓試驗應(yīng)在管道敷設(shè)完成后進(jìn)行。
　　（2）試驗壓力應(yīng)為設(shè)計內(nèi)壓的1.25倍，壓力穩(wěn)壓時間不小于24h，在其時間內(nèi)允許±0.2%的變化。
　　（3）如試驗管段出現(xiàn)破裂或泄漏，事故部位應(yīng)予以修補甚至更換，對修補或更換的管道應(yīng)重新進(jìn)行水壓試驗。
　　（4）對建成的管道系統(tǒng)應(yīng)進(jìn)行最終檢驗，以確定該系統(tǒng)是否達(dá)到工程和有關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。
　　5、污水排海管道路由選擇和污水排海混合區(qū)選劃
　　污水排海管道是污水處理廠的配套工程，污水經(jīng)處理后通過海底管道的放流管和擴散器以輻射流形式排入海洋。制約特定海域污染物輸運與濃度分布的重要因素是潮流、余流的平流輸運作用。海水的混合程度受到地形結(jié)構(gòu)、氣象、海水物理性質(zhì)、潮汐、波浪、海流、湍流、徑流等物理因素的影響。因此在污水處理廠立項后必須進(jìn)行污水處理廠工程可行性研究，在鋪設(shè)污水排海管道之前必須進(jìn)行路由調(diào)查、污水排海管道設(shè)計和污水排海管道混合區(qū)的海域使用論證及環(huán)境影響評價。
　　5.1煙臺市城市污水排海管道路由選擇
　　污水排海工程可行性研究是一項復(fù)雜的系統(tǒng)性工程，經(jīng)過多部門、多學(xué)科的緊密配合，調(diào)查了煙臺市城市自然、社會環(huán)境及工業(yè)污染物的排放現(xiàn)狀；分析了煙臺排污海域的氣象、水色透明度、水溫、鹽度、波浪、潮汐、海流、水深、地質(zhì)地貌、工程地質(zhì)等自然條件；進(jìn)行了羅丹明B示蹤聯(lián)合試驗；運用流體動力學(xué)數(shù)值模擬方法對煙臺近海的潮流、拉格朗日余流、入海污染物質(zhì)的運動軌跡、遷移途徑等進(jìn)行了計算；用平流-擴散模型進(jìn)行了水質(zhì)預(yù)測；完成了煙臺近海生態(tài)調(diào)查；對煙臺市污水進(jìn)行了綜合分析，對污水處理系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化規(guī)劃方案探討。依據(jù)煙臺市的城市發(fā)展規(guī)劃和社會經(jīng)濟發(fā)展特征，結(jié)合煙臺市的自然環(huán)境條件分析及排污海域的污染物的稀釋擴散能力和輸運路徑，最后選定的排放口位于芝罘島外海域。排海工程的總體規(guī)劃是，在確保海洋生態(tài)和水體質(zhì)量的前提下，在對有毒有害物質(zhì)進(jìn)行電源治理的基礎(chǔ)上，將煙臺市芝罘區(qū)、福山區(qū)及開發(fā)區(qū)的工業(yè)廢水和生活污水截流匯集到套子灣污水處理廠，經(jīng)過二級處理后，經(jīng)過兩級泵房加壓和轉(zhuǎn)輸管道輸送到芝罘島岸邊調(diào)壓井，然后通過污水排海管道輸送到水體活躍、交換能力強的深海區(qū)。
　　5.2煙臺市套子灣污水處理廠污水排海混合區(qū)的選劃
　　在完成污水排海工程可行性研究和路由調(diào)查的基礎(chǔ)上進(jìn)行了污水排海管道設(shè)計，然后進(jìn)行了污水排污混合區(qū)的海域使用論證和環(huán)境影響評價。根據(jù)混合區(qū)選劃的原則和方法，套子灣污水處理廠排海混合區(qū)面積為34.0h㎡。
　　6結(jié)論
　　綜上所述，煙臺市套子灣污水處理工程自1998年10月運行至今每年都對排污海域進(jìn)行跟蹤調(diào)查，并對排污混合區(qū)進(jìn)行了后評估，實踐證明污水排海管道路由選擇、管道設(shè)計和排污混合區(qū)的選劃是科學(xué)、合理的。
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