利用二维数值模拟对某污水处理厂排污口位置比选的研究.pdf
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1、传源卤环境研究与探讨1SSN1672-9064CN35-1272/TK利用二维数值模拟对某污水处理厂排污口位置比选的研究黄榕(福建省华厦能源设计研究院有限公司J福建福州350 0 0 3)摘要以闽东地区某工业区污水处理厂为研究对象,利用二维平面数值模拟的方法对污水处理厂拟选尾水排放口方案A、B、C所在位置进行污染扩散影响预测分析。结果显示:位于最南侧靠近港口处排污口方案C所在海域各污染因子(除无机氮外)本底值均低于海水水质标准(GB30971997)第三类标准限值;COD叠加环境本底值后,浓度超过海水水质标准(CB3097一1997)第三类标准的影响面积为0.0 17 km,影响范围内不涉及敏
2、感目标;镍、总铬的预测浓度均不超过海水水质标准(CB3097一1997)中第三类海水水质标准要求;污水处理厂排污口污染物的排放所形成混合区的面积均能够符合海洋工程环境影响评价技术导则(CB/T19485一2 0 14)要求,且排污口方案C扩散方向为东南,向港外扩散,更有利于保护港内水质环境。在同时满足工程需求和水质保护的前提下,排污口方案C经济效益更好,为较优排污口方案。关键词数值模拟污水排海工程排污口比选污染影响中图分类号:X703文献标识码:A文章编号:16 7 2-90 6 4(2 0 2 3)0 4-0 14-0 60引言近年来,随着人类社会城市化、工业化的进程不断加速,环境问题日益突
3、出,污水处理厂作为污水集中治理的重要设施,其尾水的排放问题也日益受到关注。建立污水处理厂,虽然可以避免污水直接排放对受纳水体造成严重污染,但集中排放的污水处理厂尾水仍会对水体造成一定影响,因此,污水处理厂尾水排污口位置的合理规划就显得尤为重要。对于一个集中式污水处理厂的设计而言,合理地选择尾水排放口的位置,能够有效地降低尾水排放对周边环境造成的影响1。本文选取闽东地区某工业区污水处理厂为研究对象,针对该工业区污水处理厂尾水排放口的选址问题展开研究。通过分析相关文献可以发现,对于污水处理厂尾水排放口位置的选择尚没有明确的规范和标准,而各种污水处理厂的尾水排放情况也千差万别,需根据具体情况进行选择
4、。本文利用二维平面潮流数值模拟的方法,研究尾水排放后污染物在水体中的输移扩散规律2-3,同时考虑工程需求、自然环境、社会经济等多方面因素,系统分析不同位置排污口的优缺点3,进而选出最佳方案,保障环境安全可持续发展。1潮流场数学模型与验证1.1 基本方程1.1.1水动力模型采用的控制方程(1)连续方程见式(1)。aUDo+xy(2)X、Y方向的动量方程见式(2)(3)。收稿日期:2 0 2 3-0 5-30作者简介:黄榕(198 9一),女,本科,学士,工程师,主要从事环境影响评价、土壤污染状况调查等环保咨询工作。+gD%+zUVI-VD-DF,(2)QUD+UPD+UVDtdxaVDaUVD+
5、V2D+gDo+&VIVI-fUD=DF,(3)+十otxy(3)水平扩散项定义为式(4)(5)。(2AmHaUA.H(aU+VDFdxDF,(AmHU+(2AmHVdydxYdx式中:x、y 分别表示笛卡尔坐标系东、北方向坐标;t表示时间;u为xy方向上的速度分量;H为水深;为底高程;g为重力加速度;n为曼宁糙率系数;IVI为合速度值(IVI=VUP+V2);DF、D F,为水平扩散项。(4)水平涡动黏性系数采用Smagorinsky(1963)的方案,见式(6)。2U+0.5(Am=0.5CS.1x式中:C为常数,本文取0.2 0;S为计算单元的面积。(5)闭边界见式(7)(8)。即使用不
6、可流入条件和自由滑移条件。上式中的下标n、SD+aUD-=0分别为边界的法向和切向。(1)(6)开边界见式(9)(10)。2023.NO.4.14dy(+U2VdxdyV,=0aV=0Q(x,y,t)l,=Q*(x,y,t)dxCZCZdydydxdydy2dy(4)(5)(6)(7)(8)(9)传源卤环境(11)研究与探讨h(x,y,t)l,=h*(x,y,t)(10)式中:r代表边界。使用给定通量或水位。1.1.2污染物扩散模型(1)对流-扩散方程见式(11)。a(Hc)+(Hcu)+(Hcv)_(HDxdcxdy式中:c为污染物浓度;uu分别为xy向流速分量;Dx、D y 分别为x、y
7、向分散系数;S为污染物排放源强,S=QsCs,Qs为单位面积内点源排放量,Cs为污染物排放浓度;h为衰减系数,本次模拟取k=0。(2)边界条件如下。闭边界:物质不能穿越边界,见式(12)。式中:n为闭边界法线方向。开边界见式(13)。ot4nn式中:V,为开边界的法向流速;n为开边界的法线方向。(3)初始条件。根据尾水水质特点及海域水质污染现状,确定研究海域的本底值,作为水质的初始值。1.2数学模型建立1.2.1水动力数值模型为了更好地拟合研究海域复杂的海岸线边界和海底地形,模型采用高分辨率的非结构三角网格,并且在目标海域进行网格加密。计算区域内包含1942 8 1个网格节点,948 97 个
8、三角单元,水平分辨率为4km(开边界)15m(排放口附近)。模型控制方程计算坐标x轴为东西方向,y轴为南北方向,时间步长为6 0 s。计算区域为东经11933.5 12 0 2 2.1,北纬2606.62659.1,东西宽约为8 0 km,南北长约为90 km。1.2.2污染扩散模型设置在已建立的潮流模型基础上,计算分析代表物质排放人海后随着海流的扩散情况。扩散模型计算时间步长设定为6 0 s,边界潮位驱动选择包含大潮、小潮的全潮。模拟时间超过40 d,模拟到项目周边海域污染物浓度基本达到稳定平衡。1.3数值模型验证潮位验证采用T1(观测时间为2 0 18-11-2 8 12-30)和T2(观
9、测时间为2 0 18-12-0 7 30)的临时潮位站的资料。潮流验证采用1#4#观测站位2 0 18-12-0 8 0 9大潮期间的观测资料。站位分布如图1。1.3.1潮位验证T1潮位站、T2潮位站模拟潮位与观测潮位的对比曲线如图2。从图2 中可以看出,数值模拟再现了目标海域的大潮小过程,模拟值与观测值结果吻合良好,变化规律一致。1.3.2潮流验证从大潮的流速、流向时序对比图(图3)可以看出,各站1d内都存在4次转流时刻,该海域以半日潮为主,模拟得到的转流发生时刻与实测基本一致。各潮位观测站以往复流为主,在转流时刻流速最小,总体上呈现驻波的潮波特性。1SSN1672-9064CN35-127
10、2/TK项目区(HDydc=S-k:HcdxdxD.c=0nn%c+V.c=0dydy2023.NO.4.2#图1潮位和潮流验证站位分布示意图(12)模拟值与实际观测值对比结果表明,数值模型采用的物理参数、计算参数、计算方法合理可靠,能够再现研究海域的潮流运动特性。(13)1.3.3各比选排污口海域潮流特征A排污口海域:涨急时刻流向偏NNW向,流速约0.7 m/s;落急时刻流向偏S向,流速约0.7 m/s。B排污口海域:涨急时刻流向偏NNW向,流速约1.0 m/s;落急时刻流向偏SSE向,流速约0.8 5m/s。C排污口海域:涨急时刻流向偏NW向,流速约0.8 m/s,落急时刻流向偏SE向,流
11、速约0.9m/s。1.4模拟方案设计1.4.1评价因子结合工业区污水处理厂污染物排放特征,选取COD、无机氮、镍、总铬4项作为模拟预测因子。1.4.2海洋环境本底值采用2 0 2 2 年11月在目标海域进行的海水水质现状监测结果,海域水质执行海水水质标准(GB30971997)4中的第三类海水水质标准,见表1。由表1可以看出,目标海域无机氮本底值超过海水水质标准(GB30971997)4)第三类标准限值要求。单位:mg/L项目CODMn本底值1.57三类水质标准41.4.3模拟工况污水处理厂尾水排放量为3万m/d,对所选取的3个排污口A、B、C在全潮条件下污水处理厂正常排放进行影响预测分析。2
12、结果与分析2.1模拟预测结果该污水处理厂尾水排放执行城镇污水处理厂污染物排放标准(GB189182002)51中的一级A排放标准。污水处理厂出水水质标准是以COD和氨氮计算污染物排放量,而海水水质标准中则是采用CODM和无机氮作为标准,因而在预测中需按比例对污染物排放量进行换算。本次预测取CODc和5表1海洋环境本底值无机氮总镍0.550.000.860.40.20.000 650.02传源南环境研究与探讨ISSN1672-9064CN35-1272/TK5.04.03.02.01.0/0000000000000.09-1.0-2.0-3.0-4.0-5.0L12-015.04.03.02.0
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