污水處理廠尾水排放工況下河流cod濃度場(chǎng)分布模擬研究

隨著我國(guó)城市污水排放的逐漸增加，適應(yīng)的水體越來(lái)越少，尤其是城市河流的污染，影響了城市水環(huán)境的功能和生態(tài)景觀。廢水處理廠的廢水排放對(duì)河流水環(huán)境的影響逐漸成為研究的重點(diǎn)。目前,尾水排放形式主要是集中排放,由于尾水排放口設(shè)置不合理(如過(guò)于集中),排放污水初始稀釋倍數(shù)低。對(duì)比《GB3838-2002地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》,若按最高排放要求的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn),城鎮(zhèn)處理污水廠尾水仍屬于劣Ⅴ類水集中式排放,污染負(fù)荷遠(yuǎn)超受納河流的納污能力。研究者提出諸多優(yōu)化排污口的方法,例如:顧友直利用UMERGE模型對(duì)排污口的位置、污水噴口的取向進(jìn)行了優(yōu)化分析;Alvarez-Vázquez等人成功地將數(shù)學(xué)模型和優(yōu)化控制理論應(yīng)用于解決海岸生態(tài)區(qū)域污水處理系統(tǒng)的管理與設(shè)計(jì)中,并利用模擬結(jié)果對(duì)污水處理系統(tǒng)的處理效率及其排放位置等進(jìn)行了優(yōu)化比選研究;Begnudelli等人采用二維數(shù)學(xué)模型描述了河道的水動(dòng)力學(xué)、底泥輸運(yùn)和物質(zhì)運(yùn)輸?shù)穆?lián)合過(guò)程,揭示了動(dòng)力分散作用對(duì)污染物稀釋擴(kuò)散特性的影響。隨著城市河道整治力度的加大及河岸生態(tài)處理逐漸普及,城市污水處理廠尾水排放形式需要進(jìn)一步研究?jī)?yōu)化。本文在研究南京某污水廠尾水單孔直排的基礎(chǔ)上,分別模擬了岸邊和河中的單孔排放、5孔均勻排放、均勻溢流排放共6種不同排放形式對(duì)河道下游及附近區(qū)域污染物濃度的影響。1模擬方法包括廳式和尾水排放1.1掃查系數(shù)及流場(chǎng)表征根據(jù)Navier-Stokes方程,假定水流為不可壓縮流體,忽略溫度變化對(duì)流場(chǎng)的影響,應(yīng)用淺水簡(jiǎn)化方程,采用交替方向法對(duì)控制方程組進(jìn)行離散求解,建立二維水動(dòng)力模型。二維連續(xù)方程為?ζ?t+1Gξξ√Gηη√?[(d+ζ)UGηη√]?ξ+1Gξξ√Gηη√?[(d+ζ)VGξξ√]?η=Q(1)?ζ?t+1GξξGηη?[(d+ζ)UGηη]?ξ+1GξξGηη?[(d+ζ)VGξξ]?η=Q(1)式中,Q為單位面積源或匯流量;Gξξ???√Gξξ、Gηη???√Gηη為正交曲線坐標(biāo)系與笛卡爾坐標(biāo)系之間的轉(zhuǎn)換系數(shù);U、V分別為ξ和η方向的平均流速;ζ為參考水平面上的水位;d為參考水平面下的水深。ξ和η方向的動(dòng)量方程為?U?t+UGξξ√?U?ξ+VGηη√?U?η+UVGξξ√Gηη√?Gξξ√?η?V2Gξξ√Gηη√?Gηη√?ξ?fV=?1ρ0Gξξ√Pξ?gUU2+V2√C22d(d+ζ)+Fξ+1(d+ζ)2??σ(υV?U?σ)+Mξ(2)?U?t+UGξξ?U?ξ+VGηη?U?η+UVGξξGηη?Gξξ?η-V2GξξGηη?Gηη?ξ-fV=-1ρ0GξξΡξ-gUU2+V2C2d2(d+ζ)+Fξ+1(d+ζ)2??σ(υV?U?σ)+Μξ(2)?V?t+UGξξ√?V?ξ+VGηη√?V?η+UVGξξ√Gηη√?Gηη√?ξ?U2Gξξ√Gηη√?Gξξ√?η?fU=?1ρ0Gηη√Pη?gVU2+V2√C22d(d+ζ)+Fη+1(d+ζ)2??σ(υV?V?σ)+Mη(3)?V?t+UGξξ?V?ξ+VGηη?V?η+UVGξξGηη?Gηη?ξ-U2GξξGηη?Gξξ?η-fU=-1ρ0GηηΡη-gVU2+V2C2d2(d+ζ)+Fη+1(d+ζ)2??σ(υV?V?σ)+Μη(3)式中,Pξ和Pη分別表示ξ和η兩方向上的壓力梯度;f為柯氏力系數(shù);C22d2d2為二維坐標(biāo)謝才系數(shù);Fξ和Fη分別為ξ和η方向的應(yīng)力梯度;υV為垂向渦流粘度系數(shù);Mξ和Mη分別表示ξ和η兩方向上動(dòng)量的源或匯。污染物對(duì)流擴(kuò)散傳輸方程為?[(d+ζ)c]?t+1Gξξ√Gηη√×[?[(d+ζ)UGηηc√]?ξ??[(d+ζ)VGξξ√]?η]=d+ζGξξ√Gηη√{??ξ[DhGηη√Gξξ√?c?ξ]+??η[DhGξξ√Gηη√?c?η]}+(d+ζ)c+S(4)?[(d+ζ)c]?t+1GξξGηη×[?[(d+ζ)UGηηc]?ξ-?[(d+ζ)VGξξ]?η]=d+ζGξξGηη{??ξ[DhGηηGξξ?c?ξ]+??η[DhGξξGηη?c?η]}+(d+ζ)c+S(4)式中,Dh為水平渦流擴(kuò)散系數(shù);c為保守物質(zhì)濃度;S為源匯項(xiàng)。由于模擬河段比較順直,水深遠(yuǎn)小于河寬,假設(shè)污染源COD在排放口水域垂直方向上已混合均勻,即可不考慮垂向的濃度變化,同時(shí)假設(shè)污水廠尾水連續(xù)排入河道的COD濃度恒定,下游為恒定的濃度場(chǎng)。1.2下游水位、水位根據(jù)南京某污水處理廠水質(zhì)監(jiān)測(cè)現(xiàn)狀和受納河流監(jiān)測(cè)資料,模型上游水流邊界條件采用流量,約為1.2m3/s;下游采用水位,水深1.8m。為了便于比較排放形式對(duì)河流濃度場(chǎng)的影響效果,研究河段和上游邊界COD初始濃度都設(shè)置為0,下游采用紐曼邊界條件,河段初始水深按照實(shí)測(cè)資料輸入。1.3生態(tài)攔截系統(tǒng)排放形式南京某污水處理廠處理量為10萬(wàn)t/d,原始排放口位于左岸。模擬河段長(zhǎng)600m,排污口距上游邊界150m。根據(jù)近期河流整治規(guī)劃,設(shè)計(jì)了長(zhǎng)為150m的生態(tài)攔截系統(tǒng),分散污染物濃度,加快擴(kuò)散。尾水岸邊排放生態(tài)攔截系統(tǒng)的排放口及監(jiān)測(cè)斷面布置如圖1(a)所示,此時(shí)模擬工況為單孔排放(S1)、5孔均勻排放(S2)和均勻溢流排放(S3)。而尾水河中排放生態(tài)攔截系統(tǒng)的排放口及監(jiān)測(cè)斷面布置如圖1(b)所示,此時(shí)模擬工況為單孔排放(M1)、5孔均勻排放(M2)和均勻溢流排放(M3)。上述排放形式中,S1為現(xiàn)狀排放形式,主要用來(lái)率定和驗(yàn)證模型參數(shù);其余均為設(shè)計(jì)工況,具體參數(shù)見(jiàn)表1。污水處理尾水COD排放濃度50mg/L,其降解系數(shù)KCOD為0.2/d;順直河流底部粗糙系數(shù)n取0.025;水平渦動(dòng)黏性系數(shù)取1m2/s;計(jì)算網(wǎng)格步長(zhǎng)控制為1.0~3.5m;考慮到模擬網(wǎng)格尺寸和時(shí)間跨度,時(shí)間步長(zhǎng)Δt取為0.01min。2數(shù)值模擬和結(jié)果分析2.1河流cod排放情況實(shí)行算的合理性首先利用Delft3D模型對(duì)岸邊單孔排放工況(S1)進(jìn)行模擬,并與實(shí)測(cè)水質(zhì)資料進(jìn)行驗(yàn)證對(duì)比。通過(guò)對(duì)2011年10月污水處理廠尾水岸邊單孔排放情況進(jìn)行模擬,得到納污河流下游COD濃度變化曲線(圖2)。由圖可見(jiàn),模擬值與現(xiàn)狀排放的實(shí)測(cè)值比較接近,變化趨勢(shì)與實(shí)際變化趨勢(shì)基本吻合,驗(yàn)證了模型計(jì)算的合理性,可進(jìn)一步用來(lái)模擬分析其余各種工況。當(dāng)污水處理廠尾水岸邊排放達(dá)到穩(wěn)定后,在單孔(S1)、5孔均勻(S2)和均勻溢流(S3)排放形式下,河流COD濃度穩(wěn)定后分布情況如圖3所示。在3種工況下,檢測(cè)斷面A、B、C和D的COD相對(duì)濃度C/C0(C為監(jiān)測(cè)斷面的平均濃度,C0為排污口初始濃度)如圖4所示,A、B、C斷面C/C0在S1工況下最大,S2其次,S3最小;排污口D斷面在S3工況下C/C0的值小于S2工況的,且都遠(yuǎn)低于S1的值。而3種工況下C/C0的最大值分別為0.612,0.410,0.406,S1工況的最大值出現(xiàn)在排污口附近,S2和S3出現(xiàn)在1號(hào)排污口附近?？梢?jiàn)尾水岸邊分散排放不僅降低了排污口附近的污染物濃度,對(duì)下游污染物稀釋擴(kuò)散也有一定的促進(jìn)作用。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知,尾水岸邊排放時(shí),S1、S2、S3工況在E斷面的COD平均濃度值分別為5.191,6.131,5.553mg/L,可見(jiàn)3種工況下排污口對(duì)上游水質(zhì)均有一定的影響,且S2的影響稍大。2.2c/c0斷面的值污水處理廠尾水河中排放達(dá)到穩(wěn)定后,在3種工況下,河流COD濃度場(chǎng)分布情況如圖5所示。3種工況的C/C0最高值分別為0.534,0.410,0.406,M1工況最大值出現(xiàn)在排污口附近,M2和M3出現(xiàn)在1號(hào)排污口附近。各斷面C/C0如圖6所示,A、B、C斷面C/C0大小同樣為M1工況下最大,M2次之,M3最小;在排污口D斷面也是M3工況下C/C0的值小于M2工況,且都遠(yuǎn)低于M1的值?？梢?jiàn)尾水中心分散排放明顯降低了排污口附近污染物的濃度值。根據(jù)計(jì)算結(jié)果可知,尾水河中排放時(shí),M1、M2、M3工況下E斷面的COD平均濃度值分別為5.139,6.104,5.553mg/L,亦說(shuō)明3種工況下排污口對(duì)上游水質(zhì)均有一定的影響,且M2的影響稍大。2.3污水廠尾水體污染治理為了選取較好的尾水排放形式,對(duì)不同工況下,各監(jiān)測(cè)斷面COD濃度的變化趨勢(shì)進(jìn)行了分析比較。由圖7可知,排污口D斷面在單孔排放時(shí),M1工況下COD濃度為26.70mg/L,小于S1的30.62mg/L;5孔均勻排放時(shí),M2工況下COD濃度為18.35mg/L,小于S2的19.77mg/L;均勻溢流排放時(shí),M3工況下COD濃度為17.90mg/L,小于S3的19.21mg/L。在岸邊和河中2種排放形式下,經(jīng)過(guò)一段距離的稀釋、擴(kuò)散和降解,COD濃度幾乎相同,但分散排放的濃度還是要比集中排放的濃度低。由分析可知,在污水廠尾水排放口附近,尾水河中排放各工況的污染物稀釋擴(kuò)散速度明顯比尾水岸邊排放各工況快,能有效降低排污口附近污染物的濃度。尾水分散排放更能加速稀釋擴(kuò)散,使污染物質(zhì)快速分散,可有效減少排污口附近高濃度污染物的長(zhǎng)期累積。3尾水駁岸和河中分散排放,以提高排放效果為主導(dǎo)(1)在排放口區(qū)域,分散排放的C/C0遠(yuǎn)低于集中排放,說(shuō)明分散排放不僅降低了排污口附近污染物濃度,對(duì)下游污染