排水管道沉積物控制的研究進(jìn)展

黃乃先，齊一凡，金偉*

1.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院 2.上海污染控制與生態(tài)安全研究院

城鎮(zhèn)排水管道雨天污染排放，已成為城市河湖水系雨天頻現(xiàn)“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(tǒng)計結(jié)果顯示，排水管道雨天排放的主要污染物〔如化學(xué)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(qū)域等多因素影響，排水管道雨天排放的水質(zhì)和水量在單場降雨內(nèi)、不同降雨場次間以及不同區(qū)域間極不均勻且差異顯著。排水管道雨天非穩(wěn)態(tài)和高強(qiáng)度的污染排放，已成為當(dāng)前水環(huán)境改善面臨的“卡脖子”問題。

在城市排水系統(tǒng)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(nèi)容易造成管底沉積物淤積現(xiàn)象。據(jù)報道，歐洲排水管道中的沉積物沉積速率可達(dá)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(qū)為合流制系統(tǒng)，大管徑的合流制管道在遠(yuǎn)距離輸送過程中沉積率高達(dá)40%[6]。北京市二環(huán)以內(nèi)老城區(qū)90%以上的合流制管道都存在不同程度的淤積[7]；北京城區(qū)約60%的排水管道中存在沉積物，15%的管道沉積物淤積嚴(yán)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(xiàn)象，管道過流能力受到不同程度影響[9]。

控制沉積物在排水管道內(nèi)的沉積、累積，對于削減雨天排放污染負(fù)荷和提高排水系統(tǒng)運(yùn)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(jié)國內(nèi)外控制排水管道沉積物的主要措施及其優(yōu)缺點(diǎn)，在此基礎(chǔ)上展望了排水管道沉積物控制技術(shù)研究新方向，旨在為城市黑臭水體的治理提供理論依據(jù)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?dāng)y帶的固體顆粒發(fā)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(jìn)入雨水管道；2)污水管道中的顆粒物在長距離運(yùn)輸過程中沿途沉降。沉積物的主要成分可分為有機(jī)顆粒、無機(jī)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(jī)顆粒主要是人和動物的排泄物以及廚余垃圾等，無機(jī)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(zhì)與其所處深度或厚度位置有關(guān)。Crabtree[11]對英國某合流制管道沉積物進(jìn)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(zhì)而顯得更為穩(wěn)固；第三類為可移動的細(xì)小顆粒，位于第二類沉積物上面，處于疏松的流動區(qū)；第四類為管壁上的生物膜和有機(jī)污泥等；第五類則為微小的有機(jī)和無機(jī)顆粒的混合物，位于暴雨溢流的集水池中。在此基礎(chǔ)上Ahyerre等[12]將沉積物類別簡化為底層粗顆粒沉積物、有機(jī)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(xiàn)出無機(jī)特性，顆粒直徑在mm量級，占管道沉積物比例最大。有機(jī)層覆蓋于底層粗顆粒沉積物上方，又稱為近底層固體，表現(xiàn)出很強(qiáng)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(dāng)沉積物受擾動作用小時也會在其表面形成，由覆蓋在有機(jī)質(zhì)上的微生物構(gòu)成[16]。

圖1 管道沉積物分類示意[17]Fig.1 Schematic diagram of pipeline sediment classification

相關(guān)研究表明，底層粗顆粒沉積物、有機(jī)層和生物膜3類管道沉積物在不同國家和地區(qū)表現(xiàn)出類似的性質(zhì)[18-20]：3類沉積物在沉積量、顆粒物粒徑、多環(huán)芳烴及重金屬濃度上均表現(xiàn)為底層粗顆粒沉積物>有機(jī)層>生物膜，而在含水率、揮發(fā)性懸浮固體、總脂肪烴濃度上表現(xiàn)為底層粗顆粒沉積物<有機(jī)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(jī)層和生物膜中污染物濃度相對較低。但有研究認(rèn)為雨天污染的主要來源為管道中有機(jī)層沉積物，實(shí)際研究發(fā)現(xiàn)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(jī)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(jìn)一步探討沉積物與抗沖刷性能的關(guān)系，以及沉積物中主要阻礙水力沖刷的物質(zhì)性質(zhì)，才能有針對性地設(shè)計沉積物控制措施，減少排水管道帶來的污染負(fù)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(fā)現(xiàn)管道沉積物跟無機(jī)顆粒沉積物不一樣，Crabtree[11]于1989年提出了黏性的概念，認(rèn)為實(shí)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(yīng)力(沉積物從靜止到流動的臨界點(diǎn)所需應(yīng)力大小)以揭示黏性與抗沖刷性能的關(guān)系，結(jié)果顯示不同層沉積物的臨界屈服應(yīng)力大小不一，其中有機(jī)層的臨界屈服應(yīng)力較弱，近底層沉積物的臨界屈服應(yīng)力較強(qiáng)，表明有機(jī)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(xì)砂按質(zhì)量比為9∶1均勻鋪設(shè)在管道底部，并與只含有橄欖石的沉積物進(jìn)行對比，結(jié)果表明含有細(xì)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(zhì)比非黏性物質(zhì)的抗沖刷能力顯著增強(qiáng)。

沉積物中的微生物促進(jìn)或幫助了顆粒物間的黏結(jié)，進(jìn)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(jìn)行元素分析，發(fā)現(xiàn)該薄層中C、O、N的比例分別為46.1%、30.7%和14.5%，與細(xì)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(shù)發(fā)現(xiàn)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(shù)量相當(dāng)，從而證實(shí)了排水管道沉積物表層的微生物存在。研究進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，富含微生物的沉積物經(jīng)過一定時間的培養(yǎng)后，其表面的微生物膜能夠增強(qiáng)抗沖刷能力[23-24]。Fang等[25]通過對比沉積物在有無培養(yǎng)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(jié)果發(fā)現(xiàn)剪切力隨時間增加而變大。Seco等[27]用高有機(jī)物濃度(約80%)的顆粒物模擬實(shí)際沉積物進(jìn)行沖刷試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)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(zhì)，通過吸附、聚集附近物質(zhì)來保護(hù)微生物膜不受破壞。研究表明，EPS是黏結(jié)管道沉積物，提高沉積物抗沖刷性能的主要物質(zhì)[28-29]。Rocher等[30]研究發(fā)現(xiàn),EPS可將微生物和有機(jī)物等固定在管壁上，使其不易被沖刷。Liu等[31]綜述結(jié)果表明，EPS是給水管道微生物膜初期形成和促進(jìn)其管壁附著的重要物質(zhì)，能夠保護(hù)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(qū)排水管道沉積物的抗剪切力和EPS濃度，發(fā)現(xiàn)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/m2，平均值為0.316 N/m2，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/m2，平均值為0.206 N/m2。相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn)，EPS總量與沉積物抗沖刷剪切力呈正相關(guān)。

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(jié)周邊的沉積物顆粒，隨著時間增長，沉積物不斷黏結(jié)累積，抗沖刷特性不斷增強(qiáng)，這為有效減控排水管道沉積物帶來了困難。但基于真實(shí)管道沉積物EPS的組分及其特性研究較少，因此，進(jìn)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(xiàn)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(chǎn)生或細(xì)胞溶出的凝膠狀物質(zhì)，對絮體、生物膜以及污泥顆粒的形成起著至關(guān)重要的作用。一般地，EPS分為可溶性EPS和結(jié)合型EPS(圖2)[32-33]。前者表示與污泥絮凝體結(jié)合較松散且易被洗滌出去的部分；后者被認(rèn)為是一個離散的覆蓋層，在細(xì)胞壁外具有明顯的邊緣[34]。結(jié)合型EPS展示出一種動態(tài)的雙層結(jié)構(gòu)，由內(nèi)到外分別是內(nèi)層緊密結(jié)合型EPS(TB-EPS)和外層松散結(jié)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(zhì)、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(huán)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(zhì)占比為1%～60%，核酸占比為1%～10%，脂類占比為1%～40%[40]。

圖2 EPS分散示意[32]Fig.2 EPS dispersion diagram

EPS中的多糖一般包括同質(zhì)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(xì)胞周邊環(huán)境中的孔隙率、密度、含水率、吸附性、機(jī)械穩(wěn)定性等物理化學(xué)指標(biāo)，進(jìn)而影響細(xì)胞的生長[40-41]。EPS組分在細(xì)胞生物膜中的主要功能如表1所示。

表1 EPS在細(xì)胞生物膜中的功能[38]Table 1 Function of EPS in cell biofilm

目前，研究或關(guān)注EPS及其作用主要集中在活性污泥和顆粒污泥等領(lǐng)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(jìn)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(jié)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(jié)合態(tài)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(jié)果表明EPS提取后污泥的屈服應(yīng)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(yīng)力，可以看出TB-EPS對污泥黏性的貢獻(xiàn)要強(qiáng)于LB-EPS。Ekstrand等[45]研究認(rèn)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(yàn)證了EPS對好氧顆粒污泥(AGS)凝膠強(qiáng)度的貢獻(xiàn)，結(jié)果表明，蛋白質(zhì)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(jié)構(gòu)，還保證了AGS的穩(wěn)定性。EPS的凝膠強(qiáng)度與α-螺旋的天然蛋白質(zhì)以及每個組分分子間的氫鍵呈正相關(guān)。

國內(nèi)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(qū)排水管道沉積物的EPS的研究發(fā)現(xiàn)，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?yàn)榈鞍踪|(zhì)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(zhì)都能對沉積物起到穩(wěn)定作用；此外，EPS中多糖濃度越高，顆粒間的團(tuán)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(dǎo)致沉積物淤積難以沖刷的主要物質(zhì)。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(jìn)而控制管道沉積物淤積提供新思路。

4 國內(nèi)外排水管道沉積物控制措施現(xiàn)狀

為了控制或削減排水管道沉積物引發(fā)的污染問題和安全風(fēng)險，20世紀(jì)60年代，美國、歐洲等發(fā)達(dá)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(jī)械清淤措施，清除管道沉積物，或?qū)τ俜e管段定期疏通。表2列舉了國內(nèi)外常用管道沉積物控制或清淤措施。

表2 國內(nèi)外管道沉積物控制措施Table 2 Domestic and foreign pipeline sediment control measures

目前國內(nèi)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(yùn)行的在線自動沖洗模式，水力平衡閥板和水力自凈系統(tǒng)屬于此類，可以實(shí)時控制排水管道沉積物的累積；2)通過外加設(shè)備進(jìn)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(yè)，主要以絞車清淤、高壓水沖清淤等方式為主。當(dāng)前基于水力和機(jī)械的管道沉積物管控方法，都需要在管道內(nèi)或路邊安裝機(jī)械裝置，需要長期運(yùn)行維護(hù)，也可能導(dǎo)致排水系統(tǒng)防澇安全問題，需要根據(jù)排水管道建設(shè)和運(yùn)行的實(shí)際情況，將2種類型的措施綜合運(yùn)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(dāng)前我國水環(huán)境質(zhì)量持續(xù)改善面臨的困境之一。現(xiàn)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(dǎo)致沉積物抗沖刷性能增強(qiáng)的主要成因。然而，國內(nèi)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(shí)的排水管網(wǎng)中系統(tǒng)地研究沉積物耐沖刷特性及其影響因素，進(jìn)而提出更為有效的控制技術(shù)，仍舊是一項挑戰(zhàn)。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(shí)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(qū)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(jī)制。

(2)闡明在不同場景對管道沉積物微生物種群與結(jié)構(gòu)、EPS及其關(guān)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(guī)律和影響因素。

(4)結(jié)合機(jī)理研究，在現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)上，探討并提出管道沉積物微生物控制、機(jī)械和水力沖刷措施等綜合控制方法。