排水管道沉積物控制的研究進展
排水管道沉積物雨天受沖刷而造成的河湖水體污染,已成為當前我國水環境質量持續改善面臨的困境之一。深入了解管道沉積物及其沉積機制對水體污染治理至關重要。綜述了管道沉積物的形成與特性,微生物或沉積物中胞外聚合物(extracellular polymeric substance,EPS)的主要組分和相關性質對沉積物抗沖刷特性的影響。結果顯示:排水管道沉積物主要是由污水攜帶的固體顆粒發生沉降而形成,主要包含底層粗顆粒沉積物、有機層和生物膜3類。由于沉積物中富含微生物并可分泌EPS,而EPS的黏性能顯著增加管道沉積物的抗沖刷性。通過控制或降解沉積物EPS中的多糖組分,可降低沉積物的抗沖刷性能,有望為控制管道沉積物淤積提供新思路。目前國內外控制管道沉積物淤積的方法主要包括離線和在線水力沖刷或機械清淤。今后的研究方向應著力在真實的排水管網中系統地研究沉積物耐沖刷特性及其影響因素,進而提出更為有效的控制技術。
城鎮排水管道雨天污染排放,已成為城市河湖水系雨天頻現“返黑返臭”的重要原因之一[1]。排水管道雨天排放的污染物主要來自旱天污水或混接污水、管道沉積物和雨水徑流等。統計結果顯示,排水管道雨天排放的主要污染物〔如化學需氧量(COD)和懸浮物(SS)等〕濃度均值接近甚至高于典型生活污水污染物的濃度低值[2],其中COD最高值接近2 000 mg/L[3]。受降雨和匯水區域等多因素影響,排水管道雨天排放的水質和水量在單場降雨內、不同降雨場次間以及不同區域間極不均勻且差異顯著。排水管道雨天非穩態和高強度的污染排放,已成為當前水環境改善面臨的“卡脖子”問題。
在城市排水系統中,污水所含固體顆粒占比高,管道流速低且不均勻,在排水管道內容易造成管底沉積物淤積現象。據報道,歐洲排水管道中的沉積物沉積速率可達30~50 g/(m·d)[4];法國直徑1.25 m以上的排水管中,沉積物淤積厚度超過30 cm[5]。我國大部分城市的老城區為合流制系統,大管徑的合流制管道在遠距離輸送過程中沉積率高達40%[6]。北京市二環以內老城區90%以上的合流制管道都存在不同程度的淤積[7];北京城區約60%的排水管道中存在沉積物,15%的管道沉積物淤積嚴重,沉積物體積占排水管道體積的15%以上[8]。廣州市有50%以上的排水管道存在淤積現象,管道過流能力受到不同程度影響[9]。
研究表明[10],沉積物中大量污染物是排水管道雨天排放(包括合流制排水管道溢流污染和分流制管道初期雨水排放)污染的重要來源。吳振華[2]統計發現,上海市合流制排水系統雨天溢流放江污染中,SS、COD、生化需氧量(BOD5)、總磷(TP)、總氮(TN)、氨氮(NH+4NH4+-N)的濃度均值分別達433.6、427.4、148.1、4.5、25.9和11 mg/L,且SS與放江雨污水多種污染物存在顯著相關性,表明放江雨污水中SS附著可觀的污染物。據調研,英國暴雨溢流排放的污染負荷90%可能來自管道沉積物[11]。Ahyerre等[12]研究了法國某城市排水區域(面積為42 hm2),發現管道沉積物中有機層(即泥水交界面)所含COD為1.6 g/g,BOD5為0.28 g/g。此外,管道沉積物過度淤積還會增加管道中的水流阻力。Ashley等[13]在研究中得出,不同程度的沉積物淤積將使管道水流阻力增加2~3 N/m2;同時沉積物長時間處于缺氧甚至厭氧條件下,高濃度有機物在微生物作用下,會產生有毒有害氣體,如H2S[14],除腐蝕管道外,還會對疏通管道的工作人員造成生命威脅。
控制沉積物在排水管道內的沉積、累積,對于削減雨天排放污染負荷和提高排水系統運營安全尤為重要。為此,筆者綜述了管道沉積物的形成與特性,沉積物中EPS的組分、特性及其對抗沖刷性能的影響,總結國內外控制排水管道沉積物的主要措施及其優缺點,在此基礎上展望了排水管道沉積物控制技術研究新方向,旨在為城市黑臭水體的治理提供理論依據和借鑒。
1 排水管道沉積物的形成及特性
排水管道沉積物主要是由污水攜帶的固體顆粒發生沉降而形成,具體途徑包括2種[15]:1)雨水徑流攜帶著旱天累積在地表的固體顆粒物,通過附近的雨水口進入雨水管道;2)污水管道中的顆粒物在長距離運輸過程中沿途沉降。沉積物的主要成分可分為有機顆粒、無機顆粒以及一些較大的固體垃圾(樹枝、塑料袋、瓶蓋、煙蒂等)[13]。有機顆粒主要是人和動物的排泄物以及廚余垃圾等,無機顆粒主要是地表累積和大氣沉降的一些沙石。
研究表明,排水管道沉積物的性質與其所處深度或厚度位置有關。Crabtree[11]對英國某合流制管道沉積物進行取樣分析,將沉積物分為5類:第一類主要為礦物顆粒,相對較粗、松散,位于管道最底層;第二類與第一類類似,但該類含有脂肪等黏性物質而顯得更為穩固;第三類為可移動的細小顆粒,位于第二類沉積物上面,處于疏松的流動區;第四類為管壁上的生物膜和有機污泥等;第五類則為微小的有機和無機顆粒的混合物,位于暴雨溢流的集水池中。在此基礎上Ahyerre等[12]將沉積物類別簡化為底層粗顆粒沉積物、有機層和生物膜3類(圖1)。其中,底層粗顆粒沉積物位于管道底部,表現出無機特性,顆粒直徑在mm量級,占管道沉積物比例最大。有機層覆蓋于底層粗顆粒沉積物上方,又稱為近底層固體,表現出很強的生化特性,抗沖刷性能差,為雨天溢流主要的污染顆粒。生物膜通常形成于水面附近的管壁上,當沉積物受擾動作用小時也會在其表面形成,由覆蓋在有機質上的微生物構成[16]。
相關研究表明,底層粗顆粒沉積物、有機層和生物膜3類管道沉積物在不同國家和地區表現出類似的性質[18?-20]:3類沉積物在沉積量、顆粒物粒徑、多環芳烴及重金屬濃度上均表現為底層粗顆粒沉積物>有機層>生物膜,而在含水率、揮發性懸浮固體、總脂肪烴濃度上表現為底層粗顆粒沉積物<有機層<生物膜。由此可知,底層粗顆粒沉積物中污染物濃度較高,而有機層和生物膜中污染物濃度相對較低。但有研究認為雨天污染的主要來源為管道中有機層沉積物,實際研究發現沉積物在受雨水沖刷的過程中,底層粗顆粒沉積物層會被破壞,而小部分有機層和生物膜因具備一定的抗沖刷能力,難以被沖刷[4]。因此,需要進一步探討沉積物與抗沖刷性能的關系,以及沉積物中主要阻礙水力沖刷的物質性質,才能有針對性地設計沉積物控制措施,減少排水管道帶來的污染負荷。
2 微生物作用對管道沉積物抗沖刷性能的影響
早期研究者發現管道沉積物跟無機顆粒沉積物不一樣,Crabtree[11]于1989年提出了黏性的概念,認為實際管道沉積物可能存在黏性,并測量了管道中不同層沉積物的臨界屈服應力(沉積物從靜止到流動的臨界點所需應力大小)以揭示黏性與抗沖刷性能的關系,結果顯示不同層沉積物的臨界屈服應力大小不一,其中有機層的臨界屈服應力較弱,近底層沉積物的臨界屈服應力較強,表明有機層的黏性小、易被沖刷,而近底層沉積物黏性大、較難被沖刷。Tait等[21]將橄欖石和細砂按質量比為9∶1均勻鋪設在管道底部,并與只含有橄欖石的沉積物進行對比,結果表明含有細砂的沉積物比僅有橄欖石的沉積物傳輸率要高出250%~550%,說明管道中黏性物質比非黏性物質的抗沖刷能力顯著增強。
沉積物中的微生物促進或幫助了顆粒物間的黏結,進而降低了沉積物被沖刷的可能性,加劇了沉積物的淤積。Chen等[22]對管道沉積物表面進行元素分析,發現該薄層中C、O、N的比例分別為46.1%、30.7%和14.5%,與細胞中的比例特別接近(C為47.3%,O為27%,N為11.3%),并用DNA染色技術發現該薄層中存在大量微生物(約2.1×1011個/g),這與活性污泥中微生物數量相當,從而證實了排水管道沉積物表層的微生物存在。研究進一步發現,富含微生物的沉積物經過一定時間的培養后,其表面的微生物膜能夠增強抗沖刷能力[23-24]。Fang等[25]通過對比沉積物在有無培養液的水中啟動速度的大小,證明了沉積物中微生物作用可有效降低沉積物受沖刷時的啟動速度。Tolhurst等[26]觀察河底表層2 mm處的沉積物,并定期檢測其所受臨界沖刷剪切力,結果發現剪切力隨時間增加而變大。Seco等[27]用高有機物濃度(約80%)的顆粒物模擬實際沉積物進行沖刷試驗,發現長期沉積的顆粒物,其抗沖刷性能會更好。
微生物分泌的胞外聚合物(extracellular polymeric substance,EPS)作為一種黏性物質,通過吸附、聚集附近物質來保護微生物膜不受破壞。研究表明,EPS是黏結管道沉積物,提高沉積物抗沖刷性能的主要物質[28-29]。Rocher等[30]研究發現,EPS可將微生物和有機物等固定在管壁上,使其不易被沖刷。Liu等[31]綜述結果表明,EPS是給水管道微生物膜初期形成和促進其管壁附著的重要物質,能夠保護微生物菌群抵抗外界的不利影響。陳珂莉[17]測定了上海不同地區排水管道沉積物的抗剪切力和EPS濃度,發現排水管道沉積物EPS總量(多糖與蛋白總和)為3.0~42.4 mg/g(以VSS計,下同);合流管為0.094~1.006 N/㎡,平均值為0.316 N/㎡,EPS總量為2.0~19.9 mg/g,沉積物的臨界剪切力為0.094~1.006 N/㎡,平均值為0.206 N/㎡。相關性分析發現,EPS總量與沉積物抗沖刷剪切力呈正相關。
排水管道沉積物中富含微生物,微生物可分泌EPS,而EPS的黏性可以使其吸附黏結周邊的沉積物顆粒,隨著時間增長,沉積物不斷黏結累積,抗沖刷特性不斷增強,這為有效減控排水管道沉積物帶來了困難。但基于真實管道沉積物EPS的組分及其特性研究較少,因此,進一步開展排水管道沉積物中EPS組分、特性及其主要組分對沉積物抗沖刷性能貢獻的研究具有重要意義。
3 排水管道沉積物中EPS的組分及其特性
EPS是一類由微生物產生或細胞溶出的凝膠狀物質,對絮體、生物膜以及污泥顆粒的形成起著至關重要的作用。一般地,EPS分為可溶性EPS和結合型EPS(圖2)[32-33]。前者表示與污泥絮凝體結合較松散且易被洗滌出去的部分;后者被認為是一個離散的覆蓋層,在細胞壁外具有明顯的邊緣[34]。結合型EPS展示出一種動態的雙層結構,由內到外分別是內層緊密結合型EPS(TB-EPS)和外層松散結合型EPS(LB-EPS)[34]。目前已知大部分微生物分泌的EPS中含有多糖、蛋白質、核酸[35-36]、脂類[37]以及其他生物聚合物如腐殖酸等[38-39]。EPS的組成情況受不同生物過程的控制,因而不同環境中的EPS組分及占比可能不一樣。總體上,EPS中多糖占比為40%~90%,蛋白質占比為1%~60%,核酸占比為1%~10%,脂類占比為1%~40%[40]。
EPS中的多糖一般包括同質多糖、雜多糖、糖基、半乳糖基、戊糖殘基、纖維素等。 蛋白主要包括聚合物降解酶和纖維狀、淀粉狀蛋白黏附素等。EPS的存在可以影響細胞周邊環境中的孔隙率、密度、含水率、吸附性、機械穩定性等物理化學指標,進而影響細胞的生長[40-41]。EPS組分在細胞生物膜中的主要功能如表1所示。
目前,研究或關注EPS及其作用主要集中在活性污泥和顆粒污泥等領域[42]。Yang等[43]分別用α-淀粉酶和β-淀粉酶對好氧顆粒污泥中的EPS進行處理,并測定處理前后EPS的黏度(1.0~2.40 mPa·s)及蛋白和多糖的濃度,結果表明EPS中β多糖濃度高于α多糖,且前者對EPS黏度的影響要高于后者,EPS的黏性作用有利于好氧顆粒污泥的形成。You等[44]研究了污泥中的2種結合態EPS(TB-EPS和LB-EPS)在不同CeO2濃度下對污泥剪切力和黏度的影響,結果表明EPS提取后污泥的屈服應力和表觀黏度下降,尤其是去除TB-EPS后,無論是否添加CeO2都會明顯削弱污泥的黏度和屈服應力,可以看出TB-EPS對污泥黏性的貢獻要強于LB-EPS。Ekstrand等[45]研究認為高濃度的EPS會增加厭氧污泥的黏度,削弱其脫水性能。Li等[46]從流變性能的角度驗證了EPS對好氧顆粒污泥(AGS)凝膠強度的貢獻,結果表明,蛋白質和多糖是AGS中EPS的主要組分,它們不僅維持了AGS的物理凝膠結構,還保證了AGS的穩定性。EPS的凝膠強度與α-螺旋的天然蛋白質以及每個組分分子間的氫鍵呈正相關。
國內外對管道沉積物的EPS及其主要組分的研究較為匱乏。陳珂莉[17]對上海不同地區排水管道沉積物的EPS的研究發現,EPS中多糖和蛋白均能提高沉積物的抗沖刷性能,但多糖作用更大,這是因為蛋白質種類多,其分泌狀況受微生物所處周期的影響[47],不同的分泌物功能不同,因此并非所有蛋白質都能對沉積物起到穩定作用;此外,EPS中多糖濃度越高,顆粒間的團聚效果越好,即沉積物的抗沖刷性能越好。EPS的多糖和蛋白2種組分都可能具有提高管道沉積物的抗沖刷特性的作用,多糖組分是導致沉積物淤積難以沖刷的主要物質。因此,通過控制或降解沉積物EPS中的多糖組分,有望為降低沉積物的抗沖刷性能,進而控制管道沉積物淤積提供新思路。
4 國內外排水管道沉積物控制措施現狀
為了控制或削減排水管道沉積物引發的污染問題和安全風險,20世紀60年代,美國、歐洲等發達國家開始重視并研究管道沉積物淤積的控制方法,主要是通過離線和在線水力沖刷或機械清淤措施,清除管道沉積物,或對淤積管段定期疏通。表2列舉了國內外常用管道沉積物控制或清淤措施。
目前國內外管道沉積物清淤方法大致分為2類:1)不影響排水管道正常運行的在線自動沖洗模式,水力平衡閥板和水力自凈系統屬于此類,可以實時控制排水管道沉積物的累積;2)通過外加設備進行離線主動式清理的方法,該方法能耗大、需水量大、成本高,且不適于支線小管徑的管道清淤作業,主要以絞車清淤、高壓水沖清淤等方式為主。當前基于水力和機械的管道沉積物管控方法,都需要在管道內或路邊安裝機械裝置,需要長期運行維護,也可能導致排水系統防澇安全問題,需要根據排水管道建設和運行的實際情況,將2種類型的措施綜合運用。
5 展望
排水管道沉積物雨天受沖刷而造成的河湖水體污染,已成為當前我國水環境質量持續改善面臨的困境之一。現有的研究已基本明確管道沉積物中的微生物及其分泌的EPS,是導致沉積物抗沖刷性能增強的主要成因。然而,國內外對于排水管道中沉積物的形成、累積及其耐沖刷特性的研究仍然較為匱乏,如何在真實的排水管網中系統地研究沉積物耐沖刷特性及其影響因素,進而提出更為有效的控制技術,仍舊是一項挑戰。因此,建議今后從以下幾個方面來開展削減沉積物抗沖刷性能的研究。
(1)通過模擬和實證分析,揭示不同場景,包括雨水管和合流管、管徑及流速差異、區域土地和污染類型、降雨特性等,對管道沉積物抗剪切沖刷特性的影響和機制。
(2)闡明在不同場景對管道沉積物微生物種群與結構、EPS及其關鍵組分等的影響。
(3)揭示不同場景對管道沉積物累積特性的規律和影響因素。
(4)結合機理研究,在現有技術的基礎上,探討并提出管道沉積物微生物控制、機械和水力沖刷措施等綜合控制方法。
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