排水管道沉积物控制的研究进展

排水管道沉积物雨天受冲刷而造成的河湖水体污染,已成为当前我国水环境质量持续改善面临的困境之一。深入了解管道沉积物及其沉积机制对水体污染治理至关重要。综述了管道沉积物的形成与特性,微生物或沉积物中胞外聚合物(extracellular polymeric substance,EPS)的主要组分和相关性质对沉积物抗冲刷特性的影响。结果显示:排水管道沉积物主要是由污水携带的固体颗粒发生沉降而形成,主要包含底层粗颗粒沉积物、有机层和生物膜3类。由于沉积物中富含微生物并可分泌EPS,而EPS的黏性能显著增加管道沉积物的抗冲刷性。通过控制或降解沉积物EPS中的多糖组分,可降低沉积物的抗冲刷性能,有望为控制管道沉积物淤积提供新思路。目前国内外控制管道沉积物淤积的方法主要包括离线和在线水力冲刷或机械清淤。今后的研究方向应着力在真实的排水管网中系统地研究沉积物耐冲刷特性及其影响因素,进而提出更为有效的控制技术。

城镇排水管道雨天污染排放,已成为城市河湖水系雨天频现“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来自旱天污水或混接污水、管道沉积物和雨水径流等。统计结果显示,排水管道雨天排放的主要污染物〔如化学需氧量(COD)和悬浮物(SS)等〕浓度均值接近甚至高于典型生活污水污染物的浓度低值[2],其中COD最高值接近2 000 mg/L[3]。受降雨和汇水区域等多因素影响,排水管道雨天排放的水质和水量在单场降雨内、不同降雨场次间以及不同区域间极不均匀且差异显著。排水管道雨天非稳态和高强度的污染排放,已成为当前水环境改善面临的“卡脖子”问题。

在城市排水系统中,污水所含固体颗粒占比高,管道流速低且不均匀,在排水管道内容易造成管底沉积物淤积现象。据报道,欧洲排水管道中的沉积物沉积速率可达30~50 g/(m·d)[4];法国直径1.25 m以上的排水管中,沉积物淤积厚度超过30 cm[5]。我国大部分城市的老城区为合流制系统,大管径的合流制管道在远距离输送过程中沉积率高达40%[6]。北京市二环以内老城区90%以上的合流制管道都存在不同程度的淤积[7];北京城区约60%的排水管道中存在沉积物,15%的管道沉积物淤积严重,沉积物体积占排水管道体积的15%以上[8]。广州市有50%以上的排水管道存在淤积现象,管道过流能力受到不同程度影响[9]。

研究表明[10],沉积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)污染的重要来源。吴振华[2]统计发现,上海市合流制排水系统雨天溢流放江污染中,SS、COD、生化需氧量(BOD5)、总磷(TP)、总氮(TN)、氨氮(NH+4NH4+-N)的浓度均值分别达433.6、427.4、148.1、4.5、25.9和11 mg/L,且SS与放江雨污水多种污染物存在显著相关性,表明放江雨污水中SS附着可观的污染物。据调研,英国暴雨溢流排放的污染负荷90%可能来自管道沉积物[11]。Ahyerre等[12]研究了法国某城市排水区域(面积为42 hm2),发现管道沉积物中有机层(即泥水交界面)所含COD为1.6 g/g,BOD5为0.28 g/g。此外,管道沉积物过度淤积还会增加管道中的水流阻力。Ashley等[13]在研究中得出,不同程度的沉积物淤积将使管道水流阻力增加2~3 N/m2;同时沉积物长时间处于缺氧甚至厌氧条件下,高浓度有机物在微生物作用下,会产生有毒有害气体,如H2S[14],除腐蚀管道外,还会对疏通管道的工作人员造成生命威胁。

控制沉积物在排水管道内的沉积、累积,对于削减雨天排放污染负荷和提高排水系统运营安全尤为重要。为此,笔者综述了管道沉积物的形成与特性,沉积物中EPS的组分、特性及其对抗冲刷性能的影响,总结国内外控制排水管道沉积物的主要措施及其优缺点,在此基础上展望了排水管道沉积物控制技术研究新方向,旨在为城市黑臭水体的治理提供理论依据和借鉴。

1 排水管道沉积物的形成及特性

排水管道沉积物主要是由污水携带的固体颗粒发生沉降而形成,具体途径包括2种[15]:1)雨水径流携带着旱天累积在地表的固体颗粒物,通过附近的雨水口进入雨水管道;2)污水管道中的颗粒物在长距离运输过程中沿途沉降。沉积物的主要成分可分为有机颗粒、无机颗粒以及一些较大的固体垃圾(树枝、塑料袋、瓶盖、烟蒂等)[13]。有机颗粒主要是人和动物的排泄物以及厨余垃圾等,无机颗粒主要是地表累积和大气沉降的一些沙石。

研究表明,排水管道沉积物的性质与其所处深度或厚度位置有关。Crabtree[11]对英国某合流制管道沉积物进行取样分析,将沉积物分为5类:第一类主要为矿物颗粒,相对较粗、松散,位于管道最底层;第二类与第一类类似,但该类含有脂肪等黏性物质而显得更为稳固;第三类为可移动的细小颗粒,位于第二类沉积物上面,处于疏松的流动区;第四类为管壁上的生物膜和有机污泥等;第五类则为微小的有机和无机颗粒的混合物,位于暴雨溢流的集水池中。在此基础上Ahyerre等[12]将沉积物类别简化为底层粗颗粒沉积物、有机层和生物膜3类(图1)。其中,底层粗颗粒沉积物位于管道底部,表现出无机特性,颗粒直径在mm量级,占管道沉积物比例最大。有机层覆盖于底层粗颗粒沉积物上方,又称为近底层固体,表现出很强的生化特性,抗冲刷性能差,为雨天溢流主要的污染颗粒。生物膜通常形成于水面附近的管壁上,当沉积物受扰动作用小时也会在其表面形成,由覆盖在有机质上的微生物构成[16]。

相关研究表明,底层粗颗粒沉积物、有机层和生物膜3类管道沉积物在不同国家和地区表现出类似的性质[18⇓-20]:3类沉积物在沉积量、颗粒物粒径、多环芳烃及重金属浓度上均表现为底层粗颗粒沉积物>有机层>生物膜,而在含水率、挥发性悬浮固体、总脂肪烃浓度上表现为底层粗颗粒沉积物<有机层<生物膜。由此可知,底层粗颗粒沉积物中污染物浓度较高,而有机层和生物膜中污染物浓度相对较低。但有研究认为雨天污染的主要来源为管道中有机层沉积物,实际研究发现沉积物在受雨水冲刷的过程中,底层粗颗粒沉积物层会被破坏,而小部分有机层和生物膜因具备一定的抗冲刷能力,难以被冲刷[4]。因此,需要进一步探讨沉积物与抗冲刷性能的关系,以及沉积物中主要阻碍水力冲刷的物质性质,才能有针对性地设计沉积物控制措施,减少排水管道带来的污染负荷。

2 微生物作用对管道沉积物抗冲刷性能的影响

早期研究者发现管道沉积物跟无机颗粒沉积物不一样,Crabtree[11]于1989年提出了黏性的概念,认为实际管道沉积物可能存在黏性,并测量了管道中不同层沉积物的临界屈服应力(沉积物从静止到流动的临界点所需应力大小)以揭示黏性与抗冲刷性能的关系,结果显示不同层沉积物的临界屈服应力大小不一,其中有机层的临界屈服应力较弱,近底层沉积物的临界屈服应力较强,表明有机层的黏性小、易被冲刷,而近底层沉积物黏性大、较难被冲刷。Tait等[21]将橄榄石和细砂按质量比为9∶1均匀铺设在管道底部,并与只含有橄榄石的沉积物进行对比,结果表明含有细砂的沉积物比仅有橄榄石的沉积物传输率要高出250%~550%,说明管道中黏性物质比非黏性物质的抗冲刷能力显著增强。

沉积物中的微生物促进或帮助了颗粒物间的黏结,进而降低了沉积物被冲刷的可能性,加剧了沉积物的淤积。Chen等[22]对管道沉积物表面进行元素分析,发现该薄层中C、O、N的比例分别为46.1%、30.7%和14.5%,与细胞中的比例特别接近(C为47.3%,O为27%,N为11.3%),并用DNA染色技术发现该薄层中存在大量微生物(约2.1×1011个/g),这与活性污泥中微生物数量相当,从而证实了排水管道沉积物表层的微生物存在。研究进一步发现,富含微生物的沉积物经过一定时间的培养后,其表面的微生物膜能够增强抗冲刷能力[23-24]。Fang等[25]通过对比沉积物在有无培养液的水中启动速度的大小,证明了沉积物中微生物作用可有效降低沉积物受冲刷时的启动速度。Tolhurst等[26]观察河底表层2 mm处的沉积物,并定期检测其所受临界冲刷剪切力,结果发现剪切力随时间增加而变大。Seco等[27]用高有机物浓度(约80%)的颗粒物模拟实际沉积物进行冲刷试验,发现长期沉积的颗粒物,其抗冲刷性能会更好。

微生物分泌的胞外聚合物(extracellular polymeric substance,EPS)作为一种黏性物质,通过吸附、聚集附近物质来保护微生物膜不受破坏。研究表明,EPS是黏结管道沉积物,提高沉积物抗冲刷性能的主要物质[28-29]。Rocher等[30]研究发现,EPS可将微生物和有机物等固定在管壁上,使其不易被冲刷。Liu等[31]综述结果表明,EPS是给水管道微生物膜初期形成和促进其管壁附着的重要物质,能够保护微生物菌群抵抗外界的不利影响。陈珂莉[17]测定了上海不同地区排水管道沉积物的抗剪切力和EPS浓度,发现排水管道沉积物EPS总量(多糖与蛋白总和)为3.0~42.4 mg/g(以VSS计,下同);合流管为0.094~1.006 N/㎡,平均值为0.316 N/㎡,EPS总量为2.0~19.9 mg/g,沉积物的临界剪切力为0.094~1.006 N/㎡,平均值为0.206 N/㎡。相关性分析发现,EPS总量与沉积物抗冲刷剪切力呈正相关。

排水管道沉积物中富含微生物,微生物可分泌EPS,而EPS的黏性可以使其吸附黏结周边的沉积物颗粒,随着时间增长,沉积物不断黏结累积,抗冲刷特性不断增强,这为有效减控排水管道沉积物带来了困难。但基于真实管道沉积物EPS的组分及其特性研究较少,因此,进一步开展排水管道沉积物中EPS组分、特性及其主要组分对沉积物抗冲刷性能贡献的研究具有重要意义。

3 排水管道沉积物中EPS的组分及其特性

EPS是一类由微生物产生或细胞溶出的凝胶状物质,对絮体、生物膜以及污泥颗粒的形成起着至关重要的作用。一般地,EPS分为可溶性EPS和结合型EPS(图2)[32-33]。前者表示与污泥絮凝体结合较松散且易被洗涤出去的部分;后者被认为是一个离散的覆盖层,在细胞壁外具有明显的边缘[34]。结合型EPS展示出一种动态的双层结构,由内到外分别是内层紧密结合型EPS(TB-EPS)和外层松散结合型EPS(LB-EPS)[34]。目前已知大部分微生物分泌的EPS中含有多糖、蛋白质、核酸[35-36]、脂类[37]以及其他生物聚合物如腐殖酸等[38-39]。EPS的组成情况受不同生物过程的控制,因而不同环境中的EPS组分及占比可能不一样。总体上,EPS中多糖占比为40%~90%,蛋白质占比为1%~60%,核酸占比为1%~10%,脂类占比为1%~40%[40]。

EPS中的多糖一般包括同质多糖、杂多糖、糖基、半乳糖基、戊糖残基、纤维素等。 蛋白主要包括聚合物降解酶和纤维状、淀粉状蛋白黏附素等。EPS的存在可以影响细胞周边环境中的孔隙率、密度、含水率、吸附性、机械稳定性等物理化学指标,进而影响细胞的生长[40-41]。EPS组分在细胞生物膜中的主要功能如表1所示。

目前,研究或关注EPS及其作用主要集中在活性污泥和颗粒污泥等领域[42]。Yang等[43]分别用α-淀粉酶和β-淀粉酶对好氧颗粒污泥中的EPS进行处理,并测定处理前后EPS的黏度(1.0~2.40 mPa·s)及蛋白和多糖的浓度,结果表明EPS中β多糖浓度高于α多糖,且前者对EPS黏度的影响要高于后者,EPS的黏性作用有利于好氧颗粒污泥的形成。You等[44]研究了污泥中的2种结合态EPS(TB-EPS和LB-EPS)在不同CeO2浓度下对污泥剪切力和黏度的影响,结果表明EPS提取后污泥的屈服应力和表观黏度下降,尤其是去除TB-EPS后,无论是否添加CeO2都会明显削弱污泥的黏度和屈服应力,可以看出TB-EPS对污泥黏性的贡献要强于LB-EPS。Ekstrand等[45]研究认为高浓度的EPS会增加厌氧污泥的黏度,削弱其脱水性能。Li等[46]从流变性能的角度验证了EPS对好氧颗粒污泥(AGS)凝胶强度的贡献,结果表明,蛋白质和多糖是AGS中EPS的主要组分,它们不仅维持了AGS的物理凝胶结构,还保证了AGS的稳定性。EPS的凝胶强度与α-螺旋的天然蛋白质以及每个组分分子间的氢键呈正相关。

国内外对管道沉积物的EPS及其主要组分的研究较为匮乏。陈珂莉[17]对上海不同地区排水管道沉积物的EPS的研究发现,EPS中多糖和蛋白均能提高沉积物的抗冲刷性能,但多糖作用更大,这是因为蛋白质种类多,其分泌状况受微生物所处周期的影响[47],不同的分泌物功能不同,因此并非所有蛋白质都能对沉积物起到稳定作用;此外,EPS中多糖浓度越高,颗粒间的团聚效果越好,即沉积物的抗冲刷性能越好。EPS的多糖和蛋白2种组分都可能具有提高管道沉积物的抗冲刷特性的作用,多糖组分是导致沉积物淤积难以冲刷的主要物质。因此,通过控制或降解沉积物EPS中的多糖组分,有望为降低沉积物的抗冲刷性能,进而控制管道沉积物淤积提供新思路。

4 国内外排水管道沉积物控制措施现状

为了控制或削减排水管道沉积物引发的污染问题和安全风险,20世纪60年代,美国、欧洲等发达国家开始重视并研究管道沉积物淤积的控制方法,主要是通过离线和在线水力冲刷或机械清淤措施,清除管道沉积物,或对淤积管段定期疏通。表2列举了国内外常用管道沉积物控制或清淤措施。

目前国内外管道沉积物清淤方法大致分为2类:1)不影响排水管道正常运行的在线自动冲洗模式,水力平衡阀板和水力自净系统属于此类,可以实时控制排水管道沉积物的累积;2)通过外加设备进行离线主动式清理的方法,该方法能耗大、需水量大、成本高,且不适于支线小管径的管道清淤作业,主要以绞车清淤、高压水冲清淤等方式为主。当前基于水力和机械的管道沉积物管控方法,都需要在管道内或路边安装机械装置,需要长期运行维护,也可能导致排水系统防涝安全问题,需要根据排水管道建设和运行的实际情况,将2种类型的措施综合运用。

5 展望

排水管道沉积物雨天受冲刷而造成的河湖水体污染,已成为当前我国水环境质量持续改善面临的困境之一。现有的研究已基本明确管道沉积物中的微生物及其分泌的EPS,是导致沉积物抗冲刷性能增强的主要成因。然而,国内外对于排水管道中沉积物的形成、累积及其耐冲刷特性的研究仍然较为匮乏,如何在真实的排水管网中系统地研究沉积物耐冲刷特性及其影响因素,进而提出更为有效的控制技术,仍旧是一项挑战。因此,建议今后从以下几个方面来开展削减沉积物抗冲刷性能的研究。

(1)通过模拟和实证分析,揭示不同场景,包括雨水管和合流管、管径及流速差异、区域土地和污染类型、降雨特性等,对管道沉积物抗剪切冲刷特性的影响和机制。

(2)阐明在不同场景对管道沉积物微生物种群与结构、EPS及其关键组分等的影响。

(3)揭示不同场景对管道沉积物累积特性的规律和影响因素。

(4)结合机理研究,在现有技术的基础上,探讨并提出管道沉积物微生物控制、机械和水力冲刷措施等综合控制方法。

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