某污水處理廠尾水排海工程設計探討

石曉東，鄭超，王瑋

（杭州市市政工程集團有限公司，杭州 310014）

1 引言

排海管道是沿海污水廠的重要組成部分，排海管的設計方案要求技術先進、經濟合理、安全可靠。伴隨城區面積不斷擴大，產業不斷升級，污水量隨之增大。為更好地保護陸域水環境，充分利用海洋的環境功能，某污水廠實施擴建的同時新建污水排海管。目前該工程正在開展施工相關工作，通過對設計方案的優化，為施工的順利推進提供了技術支撐。

2 排海管工程設計

2.1 排放方案比選

排放方案需要結合排水流量、水泵能耗、排水安全性等因素進行綜合分析，管徑的選擇既應保證管道流速不可過低，又要保證管道沿程損失適中[1]。本工程排海管按遠期處理規模5.25 萬m3/d 設計，并按近期處理規模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，壓力管道的設計流速宜采用0.7～2.0 m/s，同時擴散器中流速需達到自凈流速，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；若采用雙管道則管徑DN700 最優。

由于單管道海域用海面積小，工程造價低，近期泵站水頭損失小，本次尾水達到地表水準四類標準，管道出現故障時，可通過中水回用管排放至河道，本次工程設計推薦采用單管道排放方案。

2.2 擴散器設計

擴散器一般分為3 種類型Ⅰ、T、Y。在強流區，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，當流速小于0.5 m/s 時，擴散器走向應盡量與流向垂直[3]。污水排海能力不僅與深度相關，還和擴散器的噴口數有著密切的關系。而噴口數主要由擴散器長度和污水排放深度確定[4]。

受限于排放口水深，結合排放口處潮流流向、流速，為達到良好的稀釋效果，本次設計擴散器創造性的采用了I 型+T型組合形式，可避免排海管進入航道，減少海域的使用面積。

本工程設計擴散器包括放流管、擴散管、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DN50 噴口管，共計120 個噴口，噴口末端裝設DN50 鴨嘴閥一支，采用15°仰角射流，噴口面積開口比為0.64。近期處理規模3.25 萬m3/d 條件下，每個噴頭流速約為2.25 m3/s。遠期處理規模5.25 萬m3/d條件下，每個噴頭流速約為3.44 m3/s。

5）末端：為防止海水倒灌，擴散器最末端采用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），平時關閉，需要檢修沖洗時由潛水員潛水打開。

擴散器示意圖見圖1，擴散管剖面圖見圖2，上升管及噴口示意圖見圖3。

圖1 擴散器示意圖（單位：m）

圖2 擴散管剖面圖

圖3 上升管及噴口示意圖（單位：mm）

2.3 尾水泵房（高位水池）設計

尾水優先進行廠內回用和中水（河道）回用后，剩余尾水排海。在低潮位時，高位水池水自流排海；高潮位時，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、擴散器外海水密度與擴散器內污水密度差引起的壓差、設計最高潮位、剩余水頭、浪高[5]。根據計算，在遠期規劃流量時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，以節省占地，控制工程費用。尾水泵房分配水區、回用區、高位水池，回用區包括廠內回用、中水（河道）回用。尾水泵房和高位水池的土建按遠期流量設計，尾水泵房按近期安裝2 臺潛水排污泵，1 用1 備，水泵流量Q=1 815 m3//h，揚程H=3.0 m，功率P=37 kW，遠期增加同型號潛水排污泵1 臺。

2.4 警戒裝置及標識

排海管道起點高位水池側壁上設置警告牌。排放管由陸地入海處，設置警示牌（1#警示牌）。排海管設計終點戒樁標1之上設置警示牌（2#警示牌）。

排海管末端擴散器前端及左右兩側7 m 處設置5 座警戒樁標，5 座警戒樁標之間采用兩排鐵鏈串接，以防船只進入。警戒樁標2～警戒樁標4 頂標高高于10 年一遇高潮位（2.74 m）。警戒樁標頂部設置標識牌，標識“禁止拋錨”，設置警示燈閃爍。

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 實壁管、鋼管、玻璃鋼夾砂管等管材。以下對幾種管材性能進行比較，詳見表2。

表2 管材性能比較

考慮到海域地形復雜，而鋼管在承受工作壓力、耐腐蝕、抗震、保證運行安全及可加工性等主要指標方面均可滿足本項目對輸水管材的要求；并且鋼管的設計、施工、運行、檢測檢驗等方面都已有成熟經驗，完全能夠保證輸水的安全性；且現狀污水處理廠排海管道多采用鋼管，目前運行良好，故本次新建廠區排海管道推薦采用DN900 鋼管，焊接連接。

3.2 排海管防腐設計

為保證結構的耐久性，采用的鋼管壁厚為14 mm，管道及配件內防腐采用環氧煤瀝青涂料，加強級防腐，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，防腐要求等級為加強級，環氧涂層不小于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置犧牲陽極，設置間距≤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Z1ⅠS-8，材質及規格見GB/T 4950—2021《鋅合金犧牲陽極》中相關要求。

4 管道施工工藝

根據本項目的工程地質勘探資料可知，排海管線位主要為層淤泥質粉質黏土，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。

海域段由于地基穩定性差，同時需進行抗浮設計，施工時對管道基礎采用塊石換填，管道每隔2.5 m 設置混凝土壓塊配重。沉管施工需由具有相關資質的專業施工單位進行施工。施工步驟為：挖泥船水下開挖溝槽→溝槽平整及基礎處理→管道試壓和沉放→穩管和回填。

5 結語

本次污水排海管采用DN900 鋼管，管道及配件內防腐采用環氧煤瀝青涂料，外防腐采用3PE 防腐涂層加陰極保護（犧牲陽極法），同時增加管道壁厚（壁厚14 mm），理論上使用年限可以達到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。擴散器前端及左右兩側設置警戒樁標，樁標頂部設置標識牌及警示燈。通過排海管，尾水輸移、稀釋和擴散至海域中，對保護環境起到重要作用，也可為類似工程設計提供借鑒。