楊丙峰

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司, 天津 300251)

污水排海管道工程設(shè)計與陸地上污水管道設(shè)計有許多不同之處，排海管道要堅持“以海定陸”的原則，即實行污水排放的總量控制，根據(jù)排污海域的水動力狀況和海水自凈能力確定污水排?；旌蠀^(qū)，污水排放總量應在污水排?；旌蠀^(qū)環(huán)境容量允許范圍之內(nèi)，污水排海管道不允許排放有害有毒污水。

本文結(jié)合廣西欽州的造紙廠污水排海工程，分析污水排海的特點和工藝設(shè)計參數(shù)。污水處理規(guī)模，第一期排海的廢水量為10×104m3/d，第二期排海的廢水量為20×104m3/d，排海管的污水排放能力應按遠期污水量設(shè)計，即20×104m3/d，

污水處理廠總變化系數(shù)采用1.2，排海管道設(shè)計流量為2.778 m3/s。

1 工藝方案設(shè)計

本工程設(shè)計污水處理廠的出水水質(zhì)如下[1]：

CODcr≤250 mg/L，BOD≤20 mg/L，SS≤50 mg/L，Temp≤40 ℃，pH 6～9。

排海點混合區(qū)范圍的水質(zhì)要求應根據(jù)排海污水與受納水體的CODMn背景值之和不超過《海水水質(zhì)標準》GB 3097—1997規(guī)定的海水水質(zhì)標準來確定(CODMn<5 mg/L)，混合區(qū)允許超過規(guī)定的水質(zhì)標準，但是不能形成油膜、難聞的氣味和可見的混濁云斑[2]。

排海管道的線路根據(jù)欽州市建設(shè)規(guī)劃委員會審批的線路走向，選定為穿過規(guī)劃的欽州港東航道的一個符合規(guī)定的并且經(jīng)濟節(jié)省的深海排放點。

排海管道工程由出水泵站、高位井、放流管、擴散器、警戒裝置、應急排放管等組成。工藝如圖1。

圖1 污水排海工藝示意圖

2 設(shè)計參數(shù)

2.1 出水泵站

在污水處理廠處理后排放的污水要通過出水泵站提升至高位調(diào)壓井，滿足污水排海所需要的水頭。出水泵站的土建按遠期流量設(shè)計，設(shè)備按近期安裝3套潛水排污泵，2用1備，裝機功率555 kW，運行功率370 kW。預留遠期設(shè)備位置，遠期增加同型號潛水排污泵2套。水泵的開、停根據(jù)集水井內(nèi)的水位自動控制，并采用先開先停、先停先開的方式輪換運行。

2.2 高位井

高位井的土建按遠期流量設(shè)計，控制水位(HC)需要克服排放管水頭損失HG，考慮擴散器內(nèi)外海水和污水的密度差(H1)、設(shè)計的最高潮位(H2)、剩余水頭(H3)以及浪高(HW)等因素。

2.2.1HG計算

排放管水頭損失HG主要包括放流管沿程水頭損失以及擴散器局部水頭損失。

放流管采用DN1600鋼管，摩阻損失1 000i=1.11，計算管長7 250 m，局部損失按10%計，則放流管的摩阻損失=7.250×1.11×(1+10%)，取8.85 m；

擴散器局部水頭損失主要包括小比例異徑三通、上升管及噴頭局部水頭損失，根據(jù)計算，總摩阻系數(shù)為2.77，上升管采用DN200鋼管40個，單個流量2.778/40=0.069 4 m3/s，流速為2.28 m/s，則擴散器局部摩阻損失為：

則HG=8.85+0.73=9.58 m

2.2.2H1計算

海水密度是指單位體積中所含的海水質(zhì)量，海水密度是溫度、鹽度和壓力的函數(shù)。由于缺乏實測資料，欽州灣海域的海水密度沒有準確的數(shù)值。根據(jù)《中國的海洋》論述，南海的表層等密度線幾乎呈緯向分布，密度值由北往南隨著緯度的遞減而降低。冬季南海中部為1.021 5～1.023 0，北部灣為1.023 0～1.023 5。夏季海水表層密度為一年中密度最低的季節(jié)，夏季南海中部表層密度為1.021 0，北部灣為1.018 0～1.020 0[3]。據(jù)此海水密度設(shè)計值ρa取1.022。

污水密度ρ0取1.0

H為上升管噴口至海平面的距離，上升管噴口標高-18.5 m，高潮位+6.57 m，則H=25.07

2.2.3 其他參數(shù)取值

設(shè)計最高潮位H2：+6.57 m，剩余水頭H3：0.5 m，浪高HW：1.73 m。

則高位井控制水位HC(總水頭)：

HC=HG+H1+H2+H3+HW=9.58+0.55+6.57+0.5+1.73=18.93 m

HC設(shè)計值可以采用+19.0 m。

本工程設(shè)計的高位井實際井頂標高為+22.0 m，主要是考慮到排海管道2 m的沖洗水頭以及高位井的超高等因素。高位井的平面尺寸為17 m×10 m，設(shè)有正常情況下使用的排放管以及緊急情況下使用的應急排放管。

2.3 放流管

排海管道是本工程的重點，具有投資大、風險高的特點。排海管道又分為正常排放管和應急排放管兩種，設(shè)計參數(shù)全部按遠期污水排放規(guī)?？紤]。應急排放管僅在事故、檢修等特殊情況下使用。

放流管設(shè)計要注意以下幾點：

(1)放流管直徑按遠期流量設(shè)計，用近期最小流量校核。設(shè)計流速要大于等于0.6 m/s的自凈流速，一般不超過2 m/s的最大流速。

(2)管道系統(tǒng)設(shè)計中，以設(shè)計內(nèi)外壓作為最大內(nèi)徑計算依據(jù)，應能承受最大可能外壓。管道設(shè)計溫度范圍為-20 ℃～60 ℃。排污管如需轉(zhuǎn)彎，其拐角應大于120°[4]。

(3)污水排海管道的埋深根據(jù)埋管地帶的船只數(shù)量、噸位，錨的尺寸、重量及管道外經(jīng)、壁厚，浪潮流對海底的沖刷作用，海底的地質(zhì)狀況，計算最佳的管道埋深值[4]。海底直接鋪設(shè)，要有穩(wěn)管措施；管道埋設(shè)時，其上緣埋設(shè)深度不小于1.0 m。

(4)污水排海管與其它海底管線之間的水平凈距應達30 m以上。與海底易爆、強輻射等危險物之間的距離應保持在500 m以上。

(5)污水排海管不應與其他海底管線(如海纜、海底油氣或供水管道)交叉，如交叉不可避免時應敷設(shè)在它們的下面，垂直凈距應達0.5 m以上。

(6)放流管走向與海流的流向垂直，放流管末端的水深應大于10 m，并保證擴散器第一個孔口排出的污水到達水面時發(fā)生的羽流的邊緣不觸及海岸[4]。

本工程通過技術(shù)、工程造價、50年運行費等多方面進行技術(shù)、經(jīng)濟比較，確定放流管管徑為1 600 mm。

本工程對鋼管、球墨鑄鐵管、預應力鋼套筒管、玻璃鋼管從抗腐蝕能力、抗高壓條件、抗水錘能力、粗糙度、使用壽命、適應地形變化能力、施工方法、對基礎(chǔ)要求等多方面進行了對比分析。本工程的地層條件為泥沙，地質(zhì)條件較差，對管材的抗沉降要求較高，球墨鑄鐵管和預應力混凝土管由于自重大、接頭多，在海上施工難度太大，一般不予考慮用在長距離的排海設(shè)計中；玻璃鋼管由于使用壽命不詳，在實際的給水工程中由于多方面的原因，出現(xiàn)的爆管次數(shù)相對較多，并且對基礎(chǔ)要求比較高，為確保安全排水，本工程選用鋼管為輸送管道以增加長距離排水管道對軟土地基的適應能力和滿足不同施工方法的需要。

2.4 擴散器

擴散器是本工程的技術(shù)關(guān)鍵，其長度和稀釋擴散效果成正比，但也和基建費用成正比。因此，在確保近區(qū)混合區(qū)的水質(zhì)滿足有關(guān)國家規(guī)范的前提下，充分考慮水量、初始稀釋度、有效水深、密度差以及水動力狀況等因素，合理確定擴散器長度，盡量降低工程費用。

擴散器設(shè)計要注意以下幾點：

(1)擴散器一般分為Ⅰ、T、Y三種類型。具體采用哪種類型由水流速度確定，在強流區(qū)，當水流速度大于1.5 m/s時，擴散器走向不應與流向垂直，相反在弱流區(qū)，當流速小于0.5 m/s時，擴散器走向應盡量與流向垂直。

(2)擴散器所在海域應在10 m等深線以下，并使立管—噴口型擴散器的立管在大潮低潮時也不露出水面。

(3)擴散器的長度和孔口設(shè)計應滿足規(guī)定的稀釋倍數(shù)要求[4]。

(4)擴散器噴口的間距約等于噴口至水面深度的1/3，要保證污水在初始稀釋擴散過程中相互不重疊[4]。

(5)擴散器中的流速應達到自凈流速，即不小于0.6 m/s；噴口出流應有足夠大的速率，設(shè)計采用的弗汝德數(shù)Fr>1.0。

(6)擴散器開口總面積應小于放流管的橫截面積。

根據(jù)本工程環(huán)境影響報告中資料，欽州灣漲、落潮海水流向為南北向，流速一般小于1節(jié)(1節(jié)=0.514 4 m/s)，強潮時流速也只達到2節(jié)，排海主干管的擴散器方向為東西向，具有較好的海水稀釋和擴散條件，本工程選擇Ⅰ型擴散器。

擴散器長度與污水排放量、初始稀釋度、污水最大浮升高度、海水密度等有關(guān)，影響較大的是初始稀釋度的選擇，初始稀釋度又與污水排放的水質(zhì)、海洋本底濃度、海水水質(zhì)標準等因素有關(guān)[5]。初始稀釋度可以用下式[4]求出：

式中：

Sreq—初始稀釋度；

Sd—再稀釋度；

C0—污水中污染物濃度；

Cs—污水中污染物的水質(zhì)目標；

Cp—海洋中污染物的背景濃度；

λ—衰減率；

t—污染羽流歷時。

污水排放的CODCr指標為250 mg/L，污水中污染物的水質(zhì)目標CODMn<5 mg/L；由于缺乏實測資料，根據(jù)《中國的海洋》的論述，南海COD無一超標現(xiàn)象，平均值最低為0.45 mg/L[3]，設(shè)計海洋中污染物的背景濃度采用CODMn=1.5 mg/L。如果根據(jù)污水平均排放濃度，在不考慮再稀釋度的情況下，由公式中可以得出Sreq≥36即可。

根據(jù)《污水海洋處置工程污染控制標準》[2]的要求，第三類海域一年90%時間保證率下初始稀釋度不小于45；設(shè)計初始稀釋度采用Sreq=50。

擴散器長度可根據(jù)如下公式[4]計算：

LD=4.27Q(g′)-1/2(Sc/h)3/2

式中：

LD—擴散器長度；

Q—排放的污水總量2.778 m3/s；

g—重力加速度9.81；

ρ0—污水密度1.0；

ρa—周圍海水密度1.023；

Sc—憩潮時羽流軸線處的起始稀釋度50；

h—污水排放深度18.5 m，滿足當?shù)匾?guī)劃的15萬噸級航船所需航道標高。

根據(jù)計算擴散器長度設(shè)計值采用200 m，Sc為73，可以很好的滿足污染物的擴散要求。

擴散器最末端采用45°彎管伸出海底，并安裝口徑1 000 mm的翻板閘門，平時關(guān)閉，進行沖洗時利用高位井中的沖洗時水位壓差自動打開。

污水排海能力還和擴散器的噴口數(shù)有著密切的關(guān)系。而噴口數(shù)主要由擴散器長度(LD)和污水排放深度(h)確定，可根據(jù)如下公式[4]計算：

本工程擴散器噴口數(shù)設(shè)計采用40個，噴口選用DN200的鴨嘴式噴口，不僅可以保證擴散效果，而且能將造價控制在合理區(qū)間。

設(shè)計的上升管總面積應小于擴散器斷面面積，根據(jù)經(jīng)驗其面積比在60%～70%之間為宜[4]。本設(shè)計上升管內(nèi)徑采用為200 mm時，斷面面積0.031×40=1.26 m2，擴散管內(nèi)徑采用1 600 mm，斷面面積2.01 m2，則其面積比=1.26/2.01=62.7%，滿足要求。

2.5 應急排放管

當污水排海時，遇到偶然或突發(fā)事件的情況下，將通過事故應急排放管排出。出口位置應征得有關(guān)部門同意，允許事故排放。出口盡量不要建在旅游、水產(chǎn)等對水質(zhì)要求過高的區(qū)域。本工程根據(jù)規(guī)劃要求，應急排放管出口為濱海公路涵洞，并適當考慮擴散問題。本工程應急排放管設(shè)計采用150 m，其中擴散管部分為40 m。

為防止海水、泥沙倒灌，噴頭采用鴨嘴閥，共計4個，鴨嘴閥口徑為800 mm，經(jīng)水力計算，應急排放管能滿足高潮位、大流量時的排放要求。

3 警戒裝置

該排海工程采用潛沒深水排放方式，放流管海底埋設(shè)，擴散器的上升管噴頭露出海床面約1.5 m，擴散口位于15萬噸級的東航道，為了確保水下放流管和擴散器及上升管的安全和船舶航行安全，排海管道擴散器端部設(shè)置警戒裝置系統(tǒng)。

排海管道起點高位進南側(cè)井壁上設(shè)置大型警告牌。

排海管道擴散器端部設(shè)置警示燈。采用鋼筋砼結(jié)構(gòu)的樁基式水中燈樁。燈樁按矩形布置,跨在擴散器端部兩側(cè)，距離30 m。

4 管道防腐

與海水接觸的鋼管及金屬構(gòu)件均須采取高標準的防腐措施。排海鋼管采用內(nèi)外防腐，內(nèi)防腐采用水泥砂漿，外防腐時管線中所有鋼管及鋼制管件在涂漆前必須進行表面除銹處理，達到Sa2.5級后，再做犧牲陽極保護，陽極采用鋅合金陽極塊，每隔10 m設(shè)置一塊。然后采用比利時的鋅加產(chǎn)品底涂和環(huán)氧瀝青漆面涂配套防腐，鋅加產(chǎn)品內(nèi)含鋅粒純度高，因此它不僅有優(yōu)異的陰極保護作用，而且具有一般有機涂料的屏蔽保護作用[6]。本工程的鋅加鍍層膜厚80 μm，外面再做四油二布，防腐標準執(zhí)行《埋地鋼質(zhì)管道環(huán)氧煤瀝青防腐層技術(shù)標準》。兩種涂層防腐，可保證50年的防腐壽命。

5 小結(jié)

由于污水的排海總量要控制在海水自凈能力容量允許的范圍之內(nèi)，這就導致大多數(shù)排海管道需要鋪設(shè)到遠離海岸線且具有一定深度的海洋中，因此污水排海工程中放流管是重點，具有投資高、風險大的特點。另外高位井、擴散器則是本工程的技術(shù)關(guān)鍵，其設(shè)計參數(shù)決定污水稀釋的效果。本文通過工程實例詳細介紹了出水泵站、高位井、放流管、擴散器的設(shè)計參數(shù)的選用，總結(jié)了放流管、擴散器的設(shè)計要點和注意事項，介紹了管道防腐的方法，為污水排海工程的工程設(shè)計和應用提供了重要依據(jù)。

[1] GB 8978—1996, 污水綜合排放標準[S].

[2] GB 18486—2001, 污水海洋處置工程污染控制標準[S].

[3] 編輯. 中國自然地理知識叢書: 中國的海洋[M].北京：商務印書館, 1992.

[4] GB/T 19570—2004, 污水排海管道工程技術(shù)規(guī)范[S].

[5] 陸斌. 嘉興市污水排海工程的設(shè)計[J]. 中國給水排水, 2004(1)：58-61.

[6] GB 4948—2002,鋁—鋅—銦系合金犧牲陽極[S].