城市污水管道沉積負荷計算與分析

俞欣

摘 要：管道沉積物會影響排水管道的排水容量，在溢流排放下會造成水體污染，是目前合流制排水區(qū)域河道黑臭的重要原因之一。該文采用管道沉積物沉積負荷模型，結合南京市主城區(qū)管網(wǎng)分布數(shù)據(jù)，計算了主城區(qū)三大污水處理系統(tǒng)管網(wǎng)沉積負荷，并對三大污水處理系統(tǒng)沉積負荷差異進行了分析。結果顯示，主城區(qū)管道COD沉積負荷與COD實際處理量占比為6.72%，其中江心洲污水處理系統(tǒng)因管網(wǎng)結構差、管道密度大，管道COD沉積負荷占比達7.68%。

關鍵詞：污水管網(wǎng)；管道沉積；模型計算

中圖分類號 TU992 文獻標識碼 A 文章編號 1007-7731（2015）09-83-04

Calculation and Analysis of City Sewage Pipeline Sediment Loads

Yu Xin

（Nanjing Research Institute of Environmental Protection，Nanjing 210013，China）

Abstract：The pipe sediments will affect the drainage capacity of pipeline，and even cause water pollution under the overflow discharge conditions，which is one of the important reasons of black smelly river in the combined sewer area.This paper used the pipeline sediment load model，combined with the pipeline data of Nanjing urban area，calculated the pipeline sediment loads of three sewage treatment system，and then analyzed the differences between them. The results shows that，the ratio of COD pipeline sediment loads of Nanjing urban area to the actual treat capacity reaches 6.72%，while the ratio of Jiangxinzhou sewage treatment system reaches 7.68%，maybe reasons for the worse pipeline structures and higher densities.

Key words：Sewage pipeline；Pipeline sediments；Model calculation

在合流制排水系統(tǒng)中，管網(wǎng)負責城市生活污水、工業(yè)廢水和雨水的收集及輸送，管道沉積物的存在給城市排水系統(tǒng)的管理和運行帶來很多問題。一方面管道沉積物的存在降低了排水管道的排水容量，增大了水流阻力；另一方面雨天排水系統(tǒng)溢流排放時，可能將沉積物中積累的大量污染物帶入受納水體。

Ahyerre等[1]的實地研究發(fā)現(xiàn)，暴雨事件中高達80%的污染負荷來源于溢流排放帶來的管道沉積物。據(jù)估計[2]，美國的合流制排水系統(tǒng)中旱流產(chǎn)生的管道沉積物占每天進入管道的固體和污染物總量的5%～30%。在歐洲，排水管道沉積物的沉積速率達到30～50g/（m·d）。李茂英等[3]對北京城區(qū)部分排水管道的調研發(fā)現(xiàn)，60%的排水管道中存在沉積物，15%的管道中沉積物量較大（沉積物占排水管道容積的比例>15%）。因此，在考慮城市污水管網(wǎng)污染負荷過程中，管道沉積物的沉積和遷移負荷是必須考慮在內(nèi)的。

目前，我國關于城市排水管道沉積物的研究剛剛起步，缺乏相關模型及實測數(shù)據(jù)。由于我國排水系統(tǒng)比發(fā)達國家情況更加復雜，徑流水質更差，排水管道沉積負荷理論上要落后于發(fā)達國家。

1 管道沉積物來源及其污染物特性

1.1 沉積物來源 排水管道中沉積物的來源主要有兩種途徑，一是來自城市不同匯水面的固體顆粒物質隨雨水徑流的沖刷進入排水管道；二是污水管道中懸浮物質的沉降。

雨水徑流中的顆粒物質主要來自屋頂、停車場、路面、綠地等匯水面的降雨沖刷及大氣沉降等。Cotham、Bidleman和Hilts的研究[4-5]均發(fā)現(xiàn)，大氣沉降是城市暴雨徑流中有毒有害污染物質的重要來源，也是城市匯水面固體顆粒物質的主要來源。

污水中的固體顆粒物質來源于3個方面：首先是人體排泄物小粒徑殘渣和有機顆粒物，這是污水管道中沉積物的主要來源；其次是廚房、生活垃圾中的大粒徑殘渣和有機固體物質；此外還有一些紙、廢棄衣物等物體，這類物體雖然不多，但危害極大，很容易造成管道堵塞。

1.2 管道沉積物的構成及性質 管道沉積物的性質受排水區(qū)域特征、排水系統(tǒng)類型與結構以及污水性質等因素的影響。合流制排水系統(tǒng)的流量在旱流和雨天時變化很大，沉積物在旱流時沉積，在雨天時被沖刷和遷移。沉積通常發(fā)生在旱流以及暴雨過后流量減小時，在管道的特定部位發(fā)生的沉積主要是由局部的剪切力、管道結構以及沉積床附近懸浮固體的濃度和性質決定。污水的流量和性質對管道沉積物有重要影響，沉積物因此可能分層或者混合，它們的結構也會因生化反應而變化，因而具有多樣性和易變性的特征。

根據(jù)管道沉積物的物化性質，Ahyerre等[6]將它們分成底層粗顆粒沉積物（Gross Bed Sediment，GBS）、有機層（Organic Layer，OL）和生物膜（Biofilm）3類。

GBS也被稱為Class A物質，位于排水管道的底部，表現(xiàn)出無機特性，呈黑灰色，顆粒物較粗，直徑為mL級，在管道沉積物中所占比例最大。OL也被稱作Class C物質或近底層固體（Near Bed Solids），覆蓋于GBS的上方，由細小顆粒構成，呈棕色，表現(xiàn)出很強的生化特性，沖刷進入自然水體后具有潛在的污染危害。Biofilm通常形成于水面附近的管壁上，當一段時間內(nèi)沉積床不被干擾時，也會在沉積物的表層形成，是由覆蓋在有機質上的微生物層構成。

通過對管道沉積物的分析，不同國家和地區(qū)的沉積物表現(xiàn)出相似的性質：沉積量，GBS>OL>Biofilm；沉積物整體呈現(xiàn)出無機特性，GBS表現(xiàn)出無機性，而OL和Biofilm表現(xiàn)出有機性；大多數(shù)污染物存在于GBS中，OL和Biofilm中污染物含量很小，但雨天污染的主要來源是OL。

2 管道沉積物沉積負荷模型

排水管道內(nèi)沉積物及其污染負荷直接決定其對城市水環(huán)境的影響和作用。合流制排水管道中沉積物及其污染負荷模型的研究已有一定積累，但由于分流制排水管道中沉積物來源廣泛，匯水區(qū)域特性變化隨機性較強，使分流制排水管道中沉積物污染負荷模型的研究較困難，目前已有來自單一匯水面的沉積物污染負荷的相關研究，尚未見就分流制排水管道中沉積物及其污染負荷模型的系統(tǒng)性研究報道。

合流制排水管道系統(tǒng)中，沉積物一部分來自雨水徑流，另一部分來自污水管道，其中污水管道中固體懸浮物是沉積物的主要來源，因此，合流制排水管道沉積物負荷與城市類型、人口數(shù)量、自然地理條件、城市功能區(qū)構成與分布等因素有關[3]。Pisano和Queiroz在1977年和1984年分別提出Boston與Fitchburg市、Cleveland市的排水管道沉積物負荷模型[7]，見模型1-5。根據(jù)模型考慮的參數(shù)可分為簡化模型和精確模型，簡化模型只考慮管長、平均坡度和人均流量3個因素，而精確模型充分考慮管道的平均直徑、匯水面積、有沉積物的管道坡度等影響。

Boston和Fitchburg沉積物負荷模型：

簡化模型：

[TS=0.0011（L1.1）（S-0.44）（Q-0.51）][R2=0.85] （1）

中位模型：

[TS=0.0013（L1.2）（D0.61）（A-0.18）（S-0.42）（Q-0.51）][R2=0.85] （2）

精確模型：

[TS=0.00073（L0.81）（SPD-0.82）（SPD/4-0.11）（Q-0.51）][R2=0.95] （3）

Cleveland沉積物負荷模型：

簡化模型：

[TS=0.0012（L1.1）（S-0.43）（Q-0.54）][R2=0.88] （4）

精確模型：

[TS=0.00017（L0.95）（S-0.32）（SPD-0.52）（SPD/4-0.15）（Q-0.52）][R2=0.94] （5）

式中：

A——排水系統(tǒng)服務面積，arce

D——平均管徑，in

L——管道總長，ft

LPD——沉積物量占管道容積80%的管道長，ft

Q——人均流量，含下滲量，gal/人·d

S——管道平均坡度，m/m

SPD——沉積物占管道總容積80%的管道平均坡度，ft/ft

SPD/4——1/4沉積物的量占管道容積低于80%的管道的平均坡度，ft/ft

TS——污水管道沉積負荷，lb/d

以上所有模型的R2值均大于0.85，表明模型值與實測值有良好的擬合度，且兩套模型之間的R2值差值小于5%（精確模型小于1%）。但是，考慮到模型中的諸多不確定因素后，精確模型與簡化模型之間差距并不大。本研究采用簡化模型估算管道沉積物TS負荷。

目前對于排水管道沉積物污染負荷的研究及相關模型較少，Pisano等在研究合流制排水管道沉積物負荷時發(fā)現(xiàn)，沉積物有機污染負荷與沉積物之間有著密切關系，他們通過研究最終將BOD5、COD、TKN、NH3、P和VSS等污染物負荷與沉積物負荷建立聯(lián)系，得出了相應的污染負荷簡化模型。其中，COD與TS之間計算模型如下：

[COD=0.875TS1.04][R2=0.74] （6）

3 南京市主城區(qū)污水管網(wǎng)沉積物負荷估算

南京市主城區(qū)污水管網(wǎng)建設始于解放前，老城區(qū)內(nèi)大量排水管網(wǎng)為合流制，其后隨著城市建設的逐步擴大，污水管網(wǎng)建設也逐步完善，目前基本形成了江心州、城東、城北三大污水收集系統(tǒng)。截至2009年底，南京市主城區(qū)目前共有各類污水管渠1 046.05km，其中，各類管道總長1 019.55km，管渠總長26.56km，基本覆蓋主城區(qū)范圍。

本文使用簡化模型對管道沉積物污染物負荷進行估算，分別以三大污水處理系統(tǒng)收水范圍為單獨估算區(qū)域，以月為最小估算周期。管道長度按照2009年底統(tǒng)計數(shù)據(jù)，人均流量不考慮下滲量，根據(jù)污水處理廠進水量及服務人口進行估算。

污水處理廠收水范圍內(nèi)管道平均坡度數(shù)據(jù)目前無統(tǒng)計資料，可根據(jù)《室外排水設計規(guī)范》（GB50014-2006）“條文說明表7常用管徑的最小設計坡度（鋼筋混凝土管非滿流）”中推薦的最小設計坡度值進行估算（表1）。

表1 常用管徑的最小設計坡度（鋼筋混凝土管非滿流）

[管徑（mm）＼&最小設計坡度（m/m）＼&400＼&0.0015＼&500＼&0.0012＼&600＼&0.0010＼&800＼&0.0008＼&1000＼&0.0006＼&1200＼&0.0006＼&1400＼&0.0005＼&1500＼&0.0005＼&]

根據(jù)不同管徑的最小設計坡度值和管網(wǎng)統(tǒng)計數(shù)據(jù)，依據(jù)管道長度計算出加權平均最小設計坡度值，作為估算模型中的平均坡度值。南京市主城區(qū)三大污水處理系統(tǒng)各管道平均坡度計算如下（表2）。

表2 管道平均坡度

[污水處理系統(tǒng)＼&管道平均坡度（m/m）＼&江心洲＼&0.001445＼&城東＼&0.001550＼&城北＼&0.001286＼&]

對南京市主城區(qū)三大污水處理系統(tǒng)管網(wǎng)沉積物負荷進行估算（表3），結果如下。

表3 污水處理系統(tǒng)污水管道沉積物沉積負荷

[月份＼& 江心洲 ＼& 城東 ＼& 城北 ＼&Q（gpcd）＼&COD（t/m）＼&Q（gpcd）＼&COD（t/m）＼&Q（gpcd）＼&COD（t/m）＼&1＼&85.00＼&288.92＼&78.48＼&97.02＼&90.48 ＼&123.31 ＼&2＼&86.05＼&259.26＼&82.21＼&85.50＼&94.84 ＼&108.64 ＼&3＼&88.56＼&282.70＼&91.13＼&89.63＼&98.66 ＼&117.78 ＼&4＼&87.89＼&274.68＼&95.11＼&84.79＼&103.75 ＼&110.98 ＼&5＼&86.06＼&287.02＼&93.20＼&88.56＼&101.19 ＼&116.21 ＼&6＼&89.23＼&272.49＼&97.49＼&83.69＼&103.79 ＼&110.96 ＼&7＼&87.37＼&284.73＼&105.22＼&83.05＼&100.92 ＼&116.38 ＼&8＼&88.73＼&282.41＼&108.77＼&81.60＼&101.52 ＼&116.01 ＼&9＼&88.46＼&273.74＼&109.35＼&78.74＼&102.18 ＼&111.89 ＼&10＼&88.42＼&282.93＼&109.72＼&81.22＼&96.95 ＼&118.88 ＼&11＼&88.39＼&273.86＼&108.32＼&79.14＼&94.62 ＼&116.54 ＼&12＼&88.39＼&282.98＼&107.60＼&82.07＼&93.20 ＼&121.39 ＼&全年＼&＼&3345.73＼&＼&1015.00＼&＼&1388.98＼&]

由上表中估算結果可知，2009年度南京市主城區(qū)內(nèi)管道COD沉積負荷為5749.71t，占全年主城區(qū)COD產(chǎn)生量的4.66%，占全年主城區(qū)COD實際處理量的6.72%（圖1）。

[16

14

12

10

8

6

4

2

0][占比（%）][1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12][月份][江心洲][城東][城北]

圖1 南京市主城區(qū)管網(wǎng)沉積負荷占比

從3個污水處理系統(tǒng)自身而看，城東污水處理系統(tǒng)管道COD沉積負荷與處理量的占比介于4.81%～7.64%之間，年均為5.71%；城北污水處理系統(tǒng)管道COD沉積負荷與處理量的占比介于5.28%～6.96%之間，年均為5.77%。城東與城北的管道COD沉積負荷占比基本相當，城東占比的波動略大。

江心洲污水處理系統(tǒng)管道COD沉積負荷與處理量的占比介于6.80%～13.65%之間，年均值為7.68%。江心洲的管道COD沉積負荷無論是波動幅度、絕對值均顯著高于城北和城東。

美國的合流制排水系統(tǒng)中旱流產(chǎn)生的管道沉積物占每天進入管道的固體和污染物總量的5%～30%；歐洲管道沉積物的沉積速率達到30～50g/（m·d）。本次估算結果比美國及歐洲水平偏低，但無量級差異，總體上可信。

管道COD沉積負荷的差異主要體現(xiàn)在管網(wǎng)管徑構成上，3個污水處理系統(tǒng)管網(wǎng)管徑構成對比如下。

在估算結果的基礎上，本文對南京市主城區(qū)三大污水處理系統(tǒng)管道沉積負荷分別進行了對比，并結合各自管網(wǎng)管徑分布及管道密度分布進行了分析，江心洲污水處理系統(tǒng)污水管網(wǎng)管徑分布相對不合理、管道密度最大，是造成其管道沉積負荷占比最大的原因。

在暴雨時，合流制管道內(nèi)的管道沉積物會被大流量的混合污水帶走，從而形成沖刷污染[8]。在目前主城區(qū)管道仍以合流制為主的情況下，管道沉積物沖刷負荷與河道黑臭污染有著密不可分的關系。目前關于此類模型研究一般都是與地表徑流的沖刷負荷合并估算，沒有引起足夠重視，今后應該在完善管道沉積負荷研究的基礎上進一步加強管道沉積物沖刷負荷的研究。

參考文獻

[1]M.Ahyerre，G.Chebbo，B.Tassin，et.Storm water quality modelling，an ambitious objective[J].Water Science and Technology，1998，37（1）：205-213.

[2] 高原，王紅武，張善發(fā)，等.合流制排水管道沉積物及其模型研究進展[J].中國給水排水，2010，26（2）：15-27.

[3] 李茂英，李海燕.城市排水管道中沉積物及其污染研究進展.給水排水，2008，34：87-92.

[4]Cotham W，Bidlenlan T.Polycyclic aromatic hydmcarbons and polychlorinated biphenyls in air at an urban and rural site near lake Michigan[J].Environ Sci&Technol，1995，29：2782-2789.

[5] HiltsP.Fine particles in air caused many deaths，study suggests.The NewYork Times，May 9，1996.

[6]Ahyerre M，Chebbo G，Saad M.Sources and erosion oforganic solids in a combined sewer[J].Urban Water，2000，2（4）：305-315.

[7]Pisano W C，Queioz C S.Procedures for estimating dry weather pollutant deposition in sewerage systems.EPA Report，600/2-84/020，NTIS PB84141480，US EPA，Municipal Environmental Research Laboratory，Cincinnati，OH，1977.

[8]王和意，劉敏，劉巧梅，等.城市暴雨徑流初始沖刷效應和徑流污染管理[J].水科學進展，2006，17（2）：181-185.

（責編：張長青）