某污水處理廠尾水排海工程設(shè)計(jì)探討

石曉東，鄭超，王瑋

（杭州市市政工程集團(tuán)有限公司，杭州 310014）

1 引言

排海管道是沿海污水廠的重要組成部分，排海管的設(shè)計(jì)方案要求技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、安全可靠。伴隨城區(qū)面積不斷擴(kuò)大，產(chǎn)業(yè)不斷升級(jí)，污水量隨之增大。為更好地保護(hù)陸域水環(huán)境，充分利用海洋的環(huán)境功能，某污水廠實(shí)施擴(kuò)建的同時(shí)新建污水排海管。目前該工程正在開展施工相關(guān)工作，通過對(duì)設(shè)計(jì)方案的優(yōu)化，為施工的順利推進(jìn)提供了技術(shù)支撐。

2 排海管工程設(shè)計(jì)

2.1 排放方案比選

排放方案需要結(jié)合排水流量、水泵能耗、排水安全性等因素進(jìn)行綜合分析，管徑的選擇既應(yīng)保證管道流速不可過低，又要保證管道沿程損失適中[1]。本工程排海管按遠(yuǎn)期處理規(guī)模5.25 萬m3/d 設(shè)計(jì)，并按近期處理規(guī)模3.25 萬m3/d 校核。不同管徑下的管道流速比較見表1。

表1 不同管徑管道流速

排水管道采用壓力流時(shí)，壓力管道的設(shè)計(jì)流速宜采用0.7～2.0 m/s，同時(shí)擴(kuò)散器中流速需達(dá)到自凈流速，即不小于0.6 m/s，一般可取0.8～1.0 m/s[2]。由表1 可知，若采用單管道，則管徑DN900 最優(yōu)；若采用雙管道則管徑DN700 最優(yōu)。

由于單管道海域用海面積小，工程造價(jià)低，近期泵站水頭損失小，本次尾水達(dá)到地表水準(zhǔn)四類標(biāo)準(zhǔn)，管道出現(xiàn)故障時(shí)，可通過中水回用管排放至河道，本次工程設(shè)計(jì)推薦采用單管道排放方案。

2.2 擴(kuò)散器設(shè)計(jì)

擴(kuò)散器一般分為3 種類型Ⅰ、T、Y。在強(qiáng)流區(qū)，當(dāng)水流速度大于1.5 m/s 時(shí)，擴(kuò)散器走向不應(yīng)與流向垂直，相反在弱流區(qū)，當(dāng)流速小于0.5 m/s 時(shí)，擴(kuò)散器走向應(yīng)盡量與流向垂直[3]。污水排海能力不僅與深度相關(guān)，還和擴(kuò)散器的噴口數(shù)有著密切的關(guān)系。而噴口數(shù)主要由擴(kuò)散器長度和污水排放深度確定[4]。

受限于排放口水深，結(jié)合排放口處潮流流向、流速，為達(dá)到良好的稀釋效果，本次設(shè)計(jì)擴(kuò)散器創(chuàng)造性的采用了I 型+T型組合形式，可避免排海管進(jìn)入航道，減少海域的使用面積。

本工程設(shè)計(jì)擴(kuò)散器包括放流管、擴(kuò)散管、上升管、噴頭、鴨嘴閥等。

1）放流管：放流管采用DN900 鋼管，壁厚14 mm。

2）擴(kuò)散管：采用DN250 鋼管，壁厚6 mm，每段長度15 m，共10 段，總長150 m。

3）上升管：采用DN125 不銹鋼鋼管，壁厚6 mm，共30 根，各上升管間距6.0 m，每根上升管長度2.5 m，露出海底約0.5 m。上升管頂部安裝口徑125 mm 的不銹鋼盲板（采用不銹鋼螺絲）。

4）噴口及鴨嘴閥：上升管頂部開4 個(gè)DN50 噴口管，共計(jì)120 個(gè)噴口，噴口末端裝設(shè)DN50 鴨嘴閥一支，采用15°仰角射流，噴口面積開口比為0.64。近期處理規(guī)模3.25 萬m3/d 條件下，每個(gè)噴頭流速約為2.25 m3/s。遠(yuǎn)期處理規(guī)模5.25 萬m3/d條件下，每個(gè)噴頭流速約為3.44 m3/s。

5）末端：為防止海水倒灌，擴(kuò)散器最末端采用45°彎管伸出海底，并安裝口徑900 mm 的不銹鋼盲板（采用不銹鋼螺絲），平時(shí)關(guān)閉，需要檢修沖洗時(shí)由潛水員潛水打開。

擴(kuò)散器示意圖見圖1，擴(kuò)散管剖面圖見圖2，上升管及噴口示意圖見圖3。

圖1 擴(kuò)散器示意圖（單位：m）

圖2 擴(kuò)散管剖面圖

圖3 上升管及噴口示意圖（單位：mm）

2.3 尾水泵房（高位水池）設(shè)計(jì)

尾水優(yōu)先進(jìn)行廠內(nèi)回用和中水（河道）回用后，剩余尾水排海。在低潮位時(shí)，高位水池水自流排海；高潮位時(shí)，泵提升至高水位，依靠水位差排海。

高位水池控制水位（總水頭）包括排放管水頭損失、擴(kuò)散器外海水密度與擴(kuò)散器內(nèi)污水密度差引起的壓差、設(shè)計(jì)最高潮位、剩余水頭、浪高[5]。根據(jù)計(jì)算，在遠(yuǎn)期規(guī)劃流量時(shí)高位水池控制水位為+9.1 m。

本工程將尾水泵房和高位水池合建，以節(jié)省占地，控制工程費(fèi)用。尾水泵房分配水區(qū)、回用區(qū)、高位水池，回用區(qū)包括廠內(nèi)回用、中水（河道）回用。尾水泵房和高位水池的土建按遠(yuǎn)期流量設(shè)計(jì)，尾水泵房按近期安裝2 臺(tái)潛水排污泵，1 用1 備，水泵流量Q=1 815 m3//h，揚(yáng)程H=3.0 m，功率P=37 kW，遠(yuǎn)期增加同型號(hào)潛水排污泵1 臺(tái)。

2.4 警戒裝置及標(biāo)識(shí)

排海管道起點(diǎn)高位水池側(cè)壁上設(shè)置警告牌。排放管由陸地入海處，設(shè)置警示牌（1#警示牌）。排海管設(shè)計(jì)終點(diǎn)戒樁標(biāo)1之上設(shè)置警示牌（2#警示牌）。

排海管末端擴(kuò)散器前端及左右兩側(cè)7 m 處設(shè)置5 座警戒樁標(biāo)，5 座警戒樁標(biāo)之間采用兩排鐵鏈串接，以防船只進(jìn)入。警戒樁標(biāo)2～警戒樁標(biāo)4 頂標(biāo)高高于10 年一遇高潮位（2.74 m）。警戒樁標(biāo)頂部設(shè)置標(biāo)識(shí)牌，標(biāo)識(shí)“禁止拋錨”，設(shè)置警示燈閃爍。

3 管材選擇及防腐

3.1 排海管道管材選擇

排海管是壓力輸送管，可選用PE 實(shí)壁管、鋼管、玻璃鋼夾砂管等管材。以下對(duì)幾種管材性能進(jìn)行比較，詳見表2。

表2 管材性能比較

考慮到海域地形復(fù)雜，而鋼管在承受工作壓力、耐腐蝕、抗震、保證運(yùn)行安全及可加工性等主要指標(biāo)方面均可滿足本項(xiàng)目對(duì)輸水管材的要求；并且鋼管的設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)行、檢測(cè)檢驗(yàn)等方面都已有成熟經(jīng)驗(yàn)，完全能夠保證輸水的安全性；且現(xiàn)狀污水處理廠排海管道多采用鋼管，目前運(yùn)行良好，故本次新建廠區(qū)排海管道推薦采用DN900 鋼管，焊接連接。

3.2 排海管防腐設(shè)計(jì)

為保證結(jié)構(gòu)的耐久性，采用的鋼管壁厚為14 mm，管道及配件內(nèi)防腐采用環(huán)氧煤瀝青涂料，加強(qiáng)級(jí)防腐，一底兩面，涂層干膜總厚度不少于300 μm。外防腐采用3PE 防腐涂層，防腐要求等級(jí)為加強(qiáng)級(jí)，環(huán)氧涂層不小于120 μm，膠黏劑不小于170 μm，防腐涂層不小于3.7 mm。

排海管采用陰極保護(hù)后，一方面可有效防止由于管道涂層老化及破損引起的鋼管腐蝕穿孔、泄漏，另一方面可使鋼管的使用壽命得到成倍延長，服役期安全性得到較大提高[6]。排海管每間距一定距離設(shè)置犧牲陽極，設(shè)置間距≤50 m，每組4 塊（40 kg/塊）。采用陽極塊為鋅-鋁-鎘合金犧牲陽極，型號(hào)Z1ⅠS-8，材質(zhì)及規(guī)格見GB/T 4950—2021《鋅合金犧牲陽極》中相關(guān)要求。

4 管道施工工藝

根據(jù)本項(xiàng)目的工程地質(zhì)勘探資料可知，排海管線位主要為層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，呈流塑狀，排海管陸域段施工采用開挖放坡法+頂管施工法（穿越老海塘處），海域段施工采用沉管法施工。

海域段由于地基穩(wěn)定性差，同時(shí)需進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)，施工時(shí)對(duì)管道基礎(chǔ)采用塊石換填，管道每隔2.5 m 設(shè)置混凝土壓塊配重。沉管施工需由具有相關(guān)資質(zhì)的專業(yè)施工單位進(jìn)行施工。施工步驟為：挖泥船水下開挖溝槽→溝槽平整及基礎(chǔ)處理→管道試壓和沉放→穩(wěn)管和回填。

5 結(jié)語

本次污水排海管采用DN900 鋼管，管道及配件內(nèi)防腐采用環(huán)氧煤瀝青涂料，外防腐采用3PE 防腐涂層加陰極保護(hù)（犧牲陽極法），同時(shí)增加管道壁厚（壁厚14 mm），理論上使用年限可以達(dá)到50 年。排海管陸域段施工采用開挖放坡法+頂管施工法，海域段施工采用沉管法施工。擴(kuò)散器前端及左右兩側(cè)設(shè)置警戒樁標(biāo)，樁標(biāo)頂部設(shè)置標(biāo)識(shí)牌及警示燈。通過排海管，尾水輸移、稀釋和擴(kuò)散至海域中，對(duì)保護(hù)環(huán)境起到重要作用，也可為類似工程設(shè)計(jì)提供借鑒。