多點(diǎn)匯流下污水管網(wǎng)污染物遷變規(guī)律及其機(jī)制研究

張少锜

（長江生態(tài)環(huán)保集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430000）

引言

污水管網(wǎng)作為城市污水處理的一個(gè)重要的組成部分，在污水輸送的過程當(dāng)中，污水的水質(zhì)會出現(xiàn)一系列明顯的變化，污水在管道當(dāng)中行進(jìn)時(shí)，其所包含的碳、氮等污染物在形態(tài)、含量等方面會出現(xiàn)一定的變化，并且因?yàn)榇祟愇廴疚锏暮枯^為豐富，所以在污水管道中為生物膜的微生物生長提供了有利的條件，這對于污水的水質(zhì)發(fā)生了顯著的改變，尤其是對于污水管網(wǎng)整體安全穩(wěn)定，正常的運(yùn)行以及在后續(xù)的污水處理環(huán)節(jié)造成一定的影響。

1 試驗(yàn)?zāi)康?/h2>

當(dāng)前對于城市污水管網(wǎng)的研究，大部分都會集中在以一條主的管道當(dāng)中污水轉(zhuǎn)化的特性，以及微生物發(fā)揮的作用進(jìn)行研究，都在有意無意中忽略了在實(shí)際的條件當(dāng)中支管匯流的污水對于主管道污水水質(zhì)的影響。當(dāng)前在支管的污水進(jìn)入到主管之后，對于主管的污水會產(chǎn)生的沖擊，以及在匯流的區(qū)域?qū)τ谖⑸锏淖兓闆r的研究較少。

實(shí)際上，從現(xiàn)實(shí)情況來看，污水在從出口排出之后，首先進(jìn)入的就是各級污水支管的管道，隨后再由各級污水支管管道匯總完之后再流入到干管當(dāng)中，各干道當(dāng)中再次進(jìn)行匯流之后才會進(jìn)入主管道，最終才會流至污水處理的地方。而在從支管匯流到干管，從干管再匯流到主管，最終在流入到污水處理的地方過程當(dāng)中，會歷經(jīng)多次的匯流，每一次的匯流都會對主管道的污水產(chǎn)生一定的沖擊、變化作用，并且污水在管道流程當(dāng)中隨著時(shí)間的變化也會起到一定的化學(xué)以及生物方面的變化，這一類的變化不僅僅會對于污水整體的運(yùn)送效率以及管道當(dāng)中的生物膜造成一定的影響，并且還會對污水進(jìn)行污水處理之前的凈水水質(zhì)造成一定的影響，因此為找尋在實(shí)際情況之下，城市污水的管網(wǎng)水質(zhì)轉(zhuǎn)化的特征，以及對污水處理廠所造成的影響，提供一定的依據(jù)[1]。

2 試驗(yàn)條件分析

實(shí)驗(yàn)的反應(yīng)器在已有的城市污水模擬管道的反應(yīng)器基礎(chǔ)之上，增加4個(gè)匯流點(diǎn)，這樣可以與實(shí)際當(dāng)中城市污水管網(wǎng)匯流的實(shí)際情況接近，其主體的管道為40毫米，總的長度為900米，坡度保持在0.5%，對于管壁內(nèi)部適當(dāng)?shù)倪M(jìn)行處理，使得其整體的粗糙程度和在實(shí)際情況當(dāng)中的污水管道的粗糙程度類似，共建設(shè)35層，每層的長度保持在20米。相鄰管道之間有有機(jī)玻璃檢查井進(jìn)行連接，每層模擬管段以及匯流點(diǎn)之前與之后都設(shè)置有一個(gè)采樣點(diǎn)，這樣可以有效的觀察水流的實(shí)際狀態(tài)以及生物膜載體的實(shí)際情況，在取樣點(diǎn)的兩端還打開一個(gè)活節(jié)連接玻璃的管段，在模擬的管段外部當(dāng)中有著保溫的設(shè)置，使其能夠模仿城市污水管道的環(huán)境[2]。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

總體來說，匯流管網(wǎng)當(dāng)中微生物的消耗的作用是導(dǎo)致碳氮類污染物變化的主要因素。污水在經(jīng)過匯流點(diǎn)之后，污染物的濃度會有明顯的增加，因此，支管的匯入是導(dǎo)致污染物濃度變化的主要原因。污染物總體的變化總體呈現(xiàn)著先增大后減少的趨勢。

4 多點(diǎn)匯流下污水管網(wǎng)污染物遷變規(guī)律分析

4.1 多點(diǎn)匯流條件下碳類污染物遷變規(guī)律分析

所設(shè)置的模擬管道在經(jīng)過前期的運(yùn)行之后，各項(xiàng)指標(biāo)漸漸穩(wěn)定，條件成熟，隨即可以開始對管網(wǎng)當(dāng)中的污染物所產(chǎn)生的變化進(jìn)行有效分析。

溶解性COD在管道當(dāng)中，最開始的進(jìn)水濃度值都在340 mg/L左右，根據(jù)溶解性COD取樣點(diǎn)的濃度，進(jìn)行計(jì)算可以得到支管的水流流入導(dǎo)致溶解性COD的濃度變化量為正，這就表示支管的水流流入之后，使得主管的溶解性COD的濃度有所增加，由此可得生物的作用會致使溶解性COD的濃度變化量為負(fù)，也就表示生物的作用會使匯流點(diǎn)之間的管道溶解性COD的濃度降低。污水在流經(jīng)900米的管道之后溶解性COD會呈現(xiàn)隨著距離的變長而逐漸的降低。管道系統(tǒng)當(dāng)中污水的COD濃度出現(xiàn)下降的原因，最主要就是因?yàn)槲⑸锂?dāng)中水解酸化的作用，污水當(dāng)中的大分子有機(jī)物利用微生物的水解酸作用，會被分解為眾多比較簡單的小分子有機(jī)物，這些小分子有機(jī)物經(jīng)過微生物的有機(jī)轉(zhuǎn)化，最終成為較為簡單的無機(jī)物，例如二氧化碳、甲烷等等，從而能夠使得污水當(dāng)中的COD濃度有效的降低。

從表1中可以看到，可溶解性COD在生物的作用之下會出現(xiàn)降低。一旦當(dāng)匯流流入的話，又會出現(xiàn)增高，因此匯流的作用造成濃度的增加會大于在生物作用下降解的濃度，因此溶解性COD濃度會出現(xiàn)上升的態(tài)勢，出口的濃度較高。隨著管道延長距離的增加，生物的作用也會使得溶解性COD濃度的量呈現(xiàn)前期增大后期減少的趨勢，隨著管程延長而不斷出現(xiàn)變化。

表1 溶解性COD質(zhì)量濃度變化量 單位：mg/L

由此也可以看出，在多點(diǎn)匯流之下整體的管網(wǎng)當(dāng)中，支管的匯流會使得主管的溶解性COD的濃度整體增大，通過生物降解的作用，使得溶解性COD的濃度再次減小。所以可以得到結(jié)論，一旦當(dāng)支管當(dāng)中的污水流入到主管當(dāng)中，就會對主管當(dāng)中的污水造成沖擊，但實(shí)際上在較為復(fù)雜的城市污水管道當(dāng)中，碳類的污染物濃度卻并不是隨著管道管程的增加而出現(xiàn)下降的趨勢，一旦當(dāng)支管污水的碳類污染物濃度比較高的時(shí)候，流入主管之后會使主管的碳、硫污染物的濃度有所增加，所以從這個(gè)方面也能夠看得出來，支管污水的流入就是造成碳類污染物濃度發(fā)生變化的主要因素。

隨著時(shí)間的浮動(dòng)，在生物分解之下，可溶解性COD降解量在50天之前一直處于增大的狀態(tài)，在50天之后則漸漸的趨于穩(wěn)定。最大值出現(xiàn)在75天的時(shí)候，也就是生物作用之下溶解性COD的影響，呈現(xiàn)了先增強(qiáng)后基本穩(wěn)定的趨勢的走勢。匯流的作用會導(dǎo)致主管的濃度在增加量方面保持在一個(gè)較為平穩(wěn)的狀態(tài)。在50天之后，生物作用而致使溶解性COD總的減少量會大于因?yàn)閰R流而導(dǎo)致溶解性COD的總增加量，因此，其出口的濃度會出現(xiàn)先減小，后逐漸的趨于穩(wěn)定，總體穩(wěn)定在290 mg/L左右。而這就說明雖然說支管匯入到主管當(dāng)中之后，會使得溶解性的COD濃度暫時(shí)的升高，但是經(jīng)過一段時(shí)間的運(yùn)行之后，生物作用就會致使溶解性COD的濃度逐漸的下降，其下降的總量會大于匯流過來的增加總量，從而使得溶解性COD整體的濃度減少，這也正是微生物的水解酸化作用，對于污水管網(wǎng)當(dāng)中碳粒污染濃度變化影響起到主要的作用[3]。

4.2 多點(diǎn)匯流條件下氮類污染物遷變規(guī)律分析

氨氮在管網(wǎng)當(dāng)中最開始的進(jìn)水濃度只有在40 mg/L左右，因?yàn)榘钡娜訚舛冉?jīng)過計(jì)算可以得出，支管匯流如果讓氨氮的濃度變化量為正值的話，就代表支管匯流使得主管氨氮的濃度有所增加，生物作用一旦使得氨氮的濃度變化量成為正值的時(shí)候，就代表生物作用使得氨氮濃度有所升高，升高的最主要原因就是因?yàn)橛袡C(jī)氮的氨化作用反應(yīng)。

從表2中可以看得出來氨氮的濃度，隨著管程的逐漸增長，濃度會逐漸的增大。尤其是在匯流的時(shí)候，濃度會達(dá)到最高。從數(shù)據(jù)當(dāng)中也能夠看得出來匯流的原因，會使得氨氮整體的濃度增大，并且數(shù)值方面基本相同。在生物作用之下，隨著管程的逐漸增加，氨氮的濃度也會隨之增加。但是在600米之前，因?yàn)樯锏脑驎沟冒钡撸瑵舛葷u漸的增大，在600米之后就呈現(xiàn)了變化量縮小的趨勢。由此就可以看得出來，在多點(diǎn)匯流的管網(wǎng)系統(tǒng)當(dāng)中，微生物的作用會使得氨氮整體的濃度增加，匯流也會使得主管氨氮的濃度有所升高。所以在支管當(dāng)中，污水流入到主管當(dāng)中是導(dǎo)致氮類污染物濃度出現(xiàn)變化的主要原因。

表2 氨氮質(zhì)量濃度變化量 單位：mg/L

在實(shí)際情況中，城市污水管道當(dāng)中氨氮濃度的升高不僅僅是和有機(jī)氮的氧化作用相關(guān)，還和支管污水匯入流入到其中有所關(guān)聯(lián)，一旦當(dāng)支管污水當(dāng)中的氨氮的濃度比較高的時(shí)候，匯入主管當(dāng)中就會使得主管中的氨氮濃度有所增大。根據(jù)相關(guān)研究表明，污水在經(jīng)過一段的緩沖輸送之后，氨氮的含量便會有所升高，其變化的來源也是因?yàn)槲⑸锍霈F(xiàn)了代謝作用。

從表2中可以看出，氨氮的濃度有著持續(xù)升高的走向。在50天左右的時(shí)候，生物的作用使得氨氮的濃度升高的變化量呈現(xiàn)持續(xù)增大的趨勢。這說明生物對于氨氮的濃質(zhì)量濃度的變化一直在不斷的增強(qiáng)，在50天之后因?yàn)樯镒饔枚鴮?dǎo)致的氨氮能量增加量，總體保持一個(gè)穩(wěn)定的狀態(tài)。出口的濃度也較為穩(wěn)定，也就是說在生物作用的影響之下，在50～70天這一時(shí)間氨氮的變化量會逐漸的穩(wěn)定并且達(dá)到最大值。在50天之后，因?yàn)樯锏慕到庾饔?，使得氨氮總增加量會大于因匯流作用而導(dǎo)致氨氮的總增加量，這就表明支管匯流雖然說會對于主管的氨氮有著補(bǔ)充的作用，但是在長時(shí)間的管道流程當(dāng)中，氨化作用使得有機(jī)氮轉(zhuǎn)化為氨氮，是導(dǎo)致氨氮濃度出現(xiàn)變化的關(guān)鍵因素[4]。

4.3 多點(diǎn)匯流條件下微生物分布特征

碳類污染物轉(zhuǎn)化菌主要有毛球菌、氯桿菌、甲苯單胞菌等水解發(fā)酵菌。韋氏菌、厭氧生菌等產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌和萊維菌屬等產(chǎn)甲烷菌，氮類污染物轉(zhuǎn)化菌屬主要有硫單胞菌、擬桿菌類等氨氧化菌，硫類污染物轉(zhuǎn)化菌屬主要有脫硫弧菌、脫硫劑、酸性流桿菌等硫酸鹽還原菌。

如表3所示，在管道系統(tǒng)當(dāng)中，隨著管程的逐漸增多，碳氮硫類的污染物轉(zhuǎn)化功能的總菌屬相對豐度的生長過程也呈現(xiàn)增高的趨勢。尤其是在600米左右達(dá)到豐度最大，管程整體同樣是呈現(xiàn)著先增大后減小的走向，因?yàn)樵谇?00米的管道當(dāng)中，有著適合生存的條件以及豐富的碳氮類物質(zhì)，提供了許多的有機(jī)物以及營養(yǎng)鹽，這樣微生物在其中可以得到快速的生長，確保了污水在流動(dòng)的過程當(dāng)中有機(jī)污染物質(zhì)的含量以及形態(tài)的轉(zhuǎn)變。

表3 多點(diǎn)匯流條件下微生物分布（%）

所以，在生物的作用之下，污染物的濃度減少量越多。在600米之后，可能因?yàn)樵谶@一段的管程之內(nèi)環(huán)境的因素出現(xiàn)了變化，導(dǎo)致生物膜內(nèi)部的微環(huán)境也因此變化了起來，微生物群落不能夠適應(yīng)環(huán)境的突變，致使微生物群落在600～900米的范圍之內(nèi)的分布出現(xiàn)了變化，由此，管網(wǎng)之內(nèi)的總微生物風(fēng)度整體呈現(xiàn)了減少的趨勢，但是匯流點(diǎn)處仍然有著一定的增加，這說明支管的匯流對于微生物來說是有相當(dāng)?shù)拇龠M(jìn)作用的，所以會產(chǎn)生一定的變化。到900米時(shí)已經(jīng)能夠看出有著一定的下降趨勢。

因?yàn)槲⑸锼霈F(xiàn)的作用，導(dǎo)致污染物的濃度減少，量也會相同的減少，和碳氧硫類污染物轉(zhuǎn)化功能的總菌屬的生長規(guī)律有些相同，碳類、硫類的污染物轉(zhuǎn)化菌會有著逐漸增高的趨勢。水解發(fā)酵菌會把大分子有機(jī)物質(zhì)進(jìn)行水解酸化，由此產(chǎn)生了結(jié)構(gòu)更為簡單的有機(jī)物，第1類主要是乳酸乙醇、丙酸等物質(zhì)構(gòu)成的產(chǎn)氫產(chǎn)乙酸菌。在降解之后可以生成氫氣以及乙酸，以此來為生產(chǎn)甲烷的過程提供物質(zhì)的來源。第2類物質(zhì)主要是由甲酸、甲醇、甲胺和乙酸等其它的物質(zhì)所構(gòu)成的，這一部分的有機(jī)物會直接的被甲烷菌進(jìn)行利用。

硫酸鹽還原菌主要是以甲醇以及乳酸為來源進(jìn)行生長，碳硫類污染物的轉(zhuǎn)化菌在600米的管程時(shí)逐漸的增大，在600米之后會逐漸的減小，其變化的原因和碳硫氮類污染物轉(zhuǎn)化總菌屬相似。但是和其它的菌屬不同的是，氮類的污染物轉(zhuǎn)化菌在管道當(dāng)中的生物膜含量較少，并且沒有明顯的變化，這也正是因?yàn)槲鬯艿涝谌鄙傺鯕獾沫h(huán)境之下無法進(jìn)行氨氧化的過程，也造就了污水在流動(dòng)過程當(dāng)中氨氮逐漸的增多[5]。

隨著時(shí)間逐漸的推移，變化各類菌屬的風(fēng)度也呈現(xiàn)增長的趨勢，微生物會逐漸的繁衍增長。

對于碳類污染物進(jìn)行轉(zhuǎn)化的微生物菌屬主要有毛球菌、黃桿菌、克隆桿菌、拉烏爾氏菌、氣單胞菌、韋氏菌等，在這其中水解發(fā)酵菌占比較大。因?yàn)樗獍l(fā)酵菌是主要的優(yōu)勢菌群，也由此說明微生物對于水質(zhì)的改變，主要還是以水解酸化的作用為主。對于硫酸鹽起到還原作用的菌屬，主要有脫硫弧菌和脫硫菌屬等[6]。

5 結(jié)語

總體來說，第一，溶解性COD在匯流之前濃度會有所降低，而氨氮的濃度會升高，在流經(jīng)匯流點(diǎn)之后，這兩類污染物的濃度都會出現(xiàn)明顯的增高，所以支管污水的匯流是導(dǎo)致污染物濃度變化的關(guān)鍵原因。第二，在后期水質(zhì)逐漸趨于穩(wěn)定的時(shí)候，溶解性COD的濃度會呈現(xiàn)逐漸降下降的趨勢，在氨化作用下的氨氮的總增加量與因?yàn)閰R流產(chǎn)生的增加量，高于因?yàn)閰R流產(chǎn)生的總增加量，這說明在匯流管網(wǎng)當(dāng)中微生物的消耗作用是碳氮類污染物變化的主要原因。第三，在管道前600米的時(shí)候，微生物的豐度會呈現(xiàn)增長的趨勢，尤其是在生物作用之下，溶解性COD氨氮的變化量出現(xiàn)增長的走向，在600米之后微生物的豐度會有所降低，這也導(dǎo)致了對于各類污染物的降解量有所減少，所以生物的作用會導(dǎo)致污染物質(zhì)的變化量出現(xiàn)先增大后減小、隨后在逐漸穩(wěn)定的總體走向。水解發(fā)酵菌作為一種優(yōu)勢的菌群說明微生物，主要是以水酸菌為手段改變水質(zhì)。