微生物作用下含有機(jī)質(zhì)沉積物起動(dòng)的定量研究

占斯寧，袁棟棟，林永鋼，張儀萍，周永潮，張土喬

(1.浙江大學(xué) 建筑工程學(xué)院，浙江 杭州 310058；2.中國(guó)電建集團(tuán)環(huán)境工程有限公司，浙江 杭州 310058；3.中電建路橋集團(tuán)有限公司，浙江 杭州 310058)

排水管道的沉積現(xiàn)象是管道主要功能性病害之一.管道淤積可能導(dǎo)致管道過(guò)流斷面減小，降低管道過(guò)流能力[1-2]，甚至可能造成上游窨井漫溢，進(jìn)而引發(fā)城市內(nèi)澇，影響城市的正常生產(chǎn)、生活.目前控制管道沉積物淤積的方法主要包括離線和在線的水力沖刷、機(jī)械清淤以及管道自清淤設(shè)計(jì)等[3-5].為了更好地控制管道沉積物淤積，以及給清淤技術(shù)設(shè)計(jì)提供理論性支持，因此開(kāi)展管道沉積物的起動(dòng)沖蝕特性研究具有十分重要的意義.

沉積物起動(dòng)研究是學(xué)者關(guān)注的熱點(diǎn).早期的研究主要針對(duì)無(wú)黏性沙或黏性細(xì)顆粒沙.Shields等[6]對(duì)無(wú)黏性沙展開(kāi)研究，得到臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力與沙顆粒粒徑的關(guān)系，發(fā)現(xiàn)粗顆粒臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力和平均粒徑在雙對(duì)數(shù)坐標(biāo)下呈線性關(guān)系.Tait 等[7]通過(guò)研究下水道沉積物的特征，發(fā)現(xiàn)沉積物表現(xiàn)出明顯的內(nèi)聚力，揭示沉積物起動(dòng)過(guò)程中黏性作用的存在.Banasiak 等[2]通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)沉積物的起動(dòng)還受到微生物的影響，管道沉積物在沉積過(guò)程中發(fā)生生化反應(yīng)，這種生物黏性作用會(huì)對(duì)沉積物堆積密度、含水率、沉積結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響.方紅衛(wèi)等[8-9]通過(guò)水槽試驗(yàn)研究微生物作用下無(wú)機(jī)質(zhì)沉積物的起動(dòng)規(guī)律，發(fā)現(xiàn)生物黏性作用可以增強(qiáng)沉積物的抗侵蝕性能，在此基礎(chǔ)上將微生物作用?；癁樯锬ぎa(chǎn)生的表面黏力，推導(dǎo)出沉積物在微生物作用下的起動(dòng)公式.

排水管道內(nèi)沉積物還有較多有機(jī)質(zhì)，研究發(fā)現(xiàn)，含有機(jī)質(zhì)沉積物在微生物作用下的起動(dòng)規(guī)律表現(xiàn)出了與無(wú)機(jī)沉積物不同的特征[10].沉積物中的有機(jī)質(zhì)會(huì)對(duì)微生物作用產(chǎn)生影響，導(dǎo)致沉積物的內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，進(jìn)而影響抗侵蝕能力[11].馬妍等[12]對(duì)不同有機(jī)物含量的管道沉積物在微生物作用下的起動(dòng)規(guī)律進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)有機(jī)質(zhì)含量對(duì)沉積物的抗侵蝕性能影響重大.目前針對(duì)含有機(jī)質(zhì)沉積物在微生物作用下的起動(dòng)規(guī)律和生物黏性作用仍缺乏定量的研究.

本研究擬開(kāi)展在不同有機(jī)質(zhì)含量和不同微生物作用時(shí)間下沉積物的起動(dòng)規(guī)律試驗(yàn)，研究有機(jī)質(zhì)含量與微生物作用時(shí)間對(duì)沉積物起動(dòng)的影響.引入絮體強(qiáng)度常數(shù)γ，對(duì)含有機(jī)質(zhì)沉積物在起動(dòng)過(guò)程中受到的生物黏性作用進(jìn)行定量分析和表征，在此基礎(chǔ)上建立生物作用下沉積物臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力的經(jīng)驗(yàn)公式，為排水管道沉積物管理提供一定的理論支撐.

1 試驗(yàn)裝置及試驗(yàn)方案

1.1 小型明渠沖刷試驗(yàn)裝置與方法

本研究試驗(yàn)裝置包括小型明渠裝置與圓桶攪拌裝置.小型明渠試驗(yàn)裝置由水箱、水泵、閥門(mén)、電磁流量計(jì)、明渠、整流板、采樣盒等部分組成，如圖1 所示.明渠尺寸為70 cm×5 cm×16 cm，水流由水泵注入明渠，通過(guò)閥門(mén)和電磁流量計(jì)對(duì)流量進(jìn)行調(diào)整和檢測(cè)，前端設(shè)置的整流板用以穩(wěn)定明渠流.在明渠中段放置不同培養(yǎng)時(shí)間后的沉積物（與培養(yǎng)盒同步放置），在沉積物下游段設(shè)置3 層采沙盒，尺寸為30.0 cm×5.0 cm×0.6 cm，用于收集不同沖刷工況下的推移質(zhì).

圖1 小型明渠沖刷試驗(yàn)的裝置圖Fig.1 Scheme of experimental open channel flume

試驗(yàn)開(kāi)始前先將培養(yǎng)好的沉積物試樣與培養(yǎng)盒整體放入水槽，開(kāi)啟閥門(mén)逐級(jí)提高流速.待每級(jí)流速穩(wěn)定后，每隔30 s 放置1 塊采沙盒以采集不同時(shí)間段內(nèi)的推移質(zhì)，同步在明渠末端采集水樣以測(cè)定懸移質(zhì).每級(jí)沖刷結(jié)束后依次收集推移質(zhì)和懸移質(zhì)，將收集到的懸移質(zhì)和推移質(zhì)依次進(jìn)行抽濾、烘干和稱重.根據(jù)沉積物沖蝕重量計(jì)算沉積物沖蝕率（E），沉積物沖蝕率計(jì)算為

式中：M為沖蝕量，m1為推移質(zhì)重量，m2為明渠出水中懸移質(zhì)的濃度，Q為流量，t為沖刷的時(shí)間.

水流剪切應(yīng)力計(jì)算式為

實(shí)驗(yàn)以沉積物試樣的沖蝕率作為起動(dòng)的判斷標(biāo)準(zhǔn)[14]，當(dāng)沖蝕率達(dá)到0.007 8 g/s 時(shí)，沉積物受到的水流剪切應(yīng)力為該沉積物試樣的臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力.

1.2 圓筒攪拌試驗(yàn)裝置與方法

圓筒攪拌試驗(yàn)裝置示意圖如圖2 所示.試驗(yàn)開(kāi)始前，將培養(yǎng)結(jié)束的含有機(jī)質(zhì)沉積物轉(zhuǎn)移至1 L 燒杯中.選用攪拌機(jī)（RWD50）對(duì)沉積物試樣進(jìn)行攪拌，使得在微生物作用下含有機(jī)質(zhì)沉積物試樣以絮體形式懸浮在溶液中.待絮體尺寸穩(wěn)定后，采集懸浮液放入比色皿，用相機(jī)（Baumer VCXG–13M）對(duì)沉積物絮體樣本進(jìn)行圖像采集，利用Image Pro Plus 軟件對(duì)絮體的直徑進(jìn)行計(jì)算和分析.

圖2 圓筒攪拌試驗(yàn)裝置的示意圖Fig.2 Scheme of cylinder stirring experiment

圓筒攪拌試驗(yàn)選取5 級(jí)攪拌轉(zhuǎn)速，分別為160、175、190、205 及220 r/min.本試驗(yàn)選用速度梯度（G）表征不同轉(zhuǎn)速下的水流剪切力，計(jì)算式[15]為

式中：v為水的動(dòng)力黏度； ? 為平均湍流能量耗散率.平均湍流能量耗散率的表達(dá)式為

式中：Np為功率準(zhǔn)數(shù)，N為攪拌槳轉(zhuǎn)速，D為攪拌槳直徑，V為水體的體積.不同轉(zhuǎn)速下的G值如表1 所示.

表1 圓筒攪拌試驗(yàn)的攪拌轉(zhuǎn)速及速度梯度Tab.1 Stirring speed and velocity gradient of cylinder stirring experiment

1.3 試驗(yàn)材料及工況

為了研究微生物作用下不同有機(jī)質(zhì)含量（organic matter content, OMC）沉積物的抗沖蝕性能，本試驗(yàn)選用與部分雨污混接的分流制雨水管道沉積物相近的塑料沙作為沉積物主體.選用成分與分流制雨水管道沉積物所含有機(jī)物相近的面粉作為有機(jī)質(zhì)，將兩者以一定比例混合后得到不同有機(jī)質(zhì)含量的沉積物試樣.使用馬爾文激光粒度儀（Malvern-MS2000）和真密度儀（TD-1200）對(duì)模型沙粒徑和密度進(jìn)行分析，其物理參數(shù)如表2 所示.表中ρ 為真密度，d50為中值粒徑，Cu 為不均勻系數(shù).為了研究不同有機(jī)質(zhì)含量和微生物作用時(shí)間對(duì)沉積物抗侵蝕性能的影響，配置了有機(jī)質(zhì)含量為2%、3.5%、5%、6.5%、8%的含有機(jī)質(zhì)沉積物.每種有機(jī)質(zhì)含量沉積物設(shè)置7 組不同的培養(yǎng)時(shí)間，每種工況設(shè)置3 個(gè)平行樣.具體工況如表3 所示，表中T為培養(yǎng)時(shí)間.

表2 塑料沙的物理參數(shù)Tab.2 Physical parameters of plastic sand

表3 沉積物試樣的培養(yǎng)時(shí)間及有機(jī)質(zhì)含量Tab.3 Incubation time and organic matter content of sediments

沉積物試樣在相同環(huán)境下進(jìn)行微生物培養(yǎng)，在培養(yǎng)箱中注入污水進(jìn)行微生物接種與培養(yǎng).箱內(nèi)水位保持恒定，水力停留時(shí)間為48 h，并進(jìn)行曝氣以形成適宜的微生物生長(zhǎng)條件.將含有機(jī)質(zhì)沉積物裝填入內(nèi)徑尺寸為10 cm×5 cm×2 cm 的培養(yǎng)盒中，鋪設(shè)高度為2 cm，浸沒(méi)于培養(yǎng)箱中進(jìn)行微生物培養(yǎng).

2 結(jié)果與討論

2.1 微生物作用對(duì)沉積物臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力的影響規(guī)律

不同微生物作用時(shí)間、有機(jī)質(zhì)含量沉積物的臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力的變化情況如圖3 所示.由圖3可知，含有機(jī)質(zhì)沉積物起動(dòng)規(guī)律與微生物作用時(shí)間、沉積物有機(jī)質(zhì)含量有關(guān).當(dāng)有機(jī)質(zhì)含量一定時(shí)，沉積物試樣的臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力隨著微生物作用時(shí)間的增長(zhǎng)呈現(xiàn)先增大后減小的變化規(guī)律.當(dāng)初始時(shí)刻沉積物起動(dòng)并未受到微生物作用的影響時(shí)，其臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力在0.036～0.048 N/m2內(nèi).當(dāng)沉積物試樣培養(yǎng)5 d 后，沉積物的臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力出現(xiàn)大幅上升，幾乎達(dá)到初始時(shí)刻的兩倍.臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力峰值分別出現(xiàn)在第10 或15 d.Fang[9]等在研究微生物作用下無(wú)機(jī)沉積物的抗侵蝕性能變化規(guī)律時(shí)也得到了相同的變化趨勢(shì).這種先增后減的現(xiàn)象產(chǎn)生原因主要是在培養(yǎng)前期，沉積物試樣中有機(jī)質(zhì)含量充足，微生物活動(dòng)劇烈，分泌出大量胞外聚合物（extracellular polymeric substances, EPS）.EPS 將沉積物顆粒緊密黏結(jié)，形成穩(wěn)定的三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)[16]，使得沉積物顆粒的結(jié)合力逐漸增強(qiáng)，臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力隨之增大.當(dāng)培養(yǎng)進(jìn)行至中后期時(shí)，微生物活動(dòng)進(jìn)入主動(dòng)分散階段，這個(gè)階段中微生物將產(chǎn)生特定酶對(duì)部分生物膜進(jìn)行降解和重構(gòu)[16]，因此生物膜強(qiáng)度降低，臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力隨之減小.

圖3 不同工況下的臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力圖Fig.3 Change of critical shear stress at different experiment conditions

相同微生物作用時(shí)間下沉積物試樣的臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力還與其有機(jī)質(zhì)含量呈負(fù)相關(guān)（R=-0.939，p<0.01）.在OMC 為2%時(shí)，臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力在0.10 N/m2左右.而隨著OMC 逐漸提高，臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力不斷下降.當(dāng)OMC 提高到8%時(shí)，臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力下降到0.065 N/m2左右.這種現(xiàn)象與文獻(xiàn)[12]的研究結(jié)論一致.過(guò)量的有機(jī)質(zhì)含量使得微生物活動(dòng)更加劇烈，這些微生物會(huì)產(chǎn)生大量的EPS 并在沉積物內(nèi)部形成氣泡，氣泡的逸出和過(guò)量的EPS 導(dǎo)致沉積物試樣發(fā)生膨脹，從而造成沉積物試樣堆積變得松散，堆積密度減小[11,17].過(guò)量的EPS 還會(huì)降低無(wú)機(jī)顆粒黏結(jié)力，阻礙沉積物絮體的形成[18-19].

2.2 微生物作用對(duì)沉積物起動(dòng)影響的定量表征

為了表征微生物作用對(duì)沉積物起動(dòng)的影響，將進(jìn)一步對(duì)生物黏性作用進(jìn)行分析.研究表明生物黏性作用會(huì)使沉積物顆粒聚集形成生物絮體顆粒，從而導(dǎo)致沉積物絮體的粒徑發(fā)生變化[20]，而絮體粒徑大小與生物黏性作用大小有關(guān)[20-21].本研究引入絮體強(qiáng)度試驗(yàn)方法，通過(guò)探究不同速度梯度下沉積物產(chǎn)生的絮體粒徑大小對(duì)生物黏性作用強(qiáng)度進(jìn)行分析.不同G值下沉積物試樣懸浮后的絮體平均直徑如圖4 所示.圖中d為絮體的平均直徑.

圖4 不同G 值下沉積物試樣的絮體平均直徑Fig.4 Average floc diameter of sediments at different G

由圖4 可知，沉積物絮體的平均直徑受速度梯度、有機(jī)質(zhì)含量的影響顯著.由于G值越高，水流剪切力越大，對(duì)沉積物絮體造成的剪切破壞作用越強(qiáng)，相同有機(jī)質(zhì)含量下沉積物絮體平均直徑隨著G值的增加而減小；相同G值下沉積物試樣的絮體平均直徑隨著有機(jī)質(zhì)含量的增高而降低.在相同的工況下，沉積物試樣的有機(jī)質(zhì)含量越高，其形成的絮體結(jié)合強(qiáng)度越弱，這與臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力隨有機(jī)質(zhì)含量增高而下降的變化規(guī)律一致.Leentvaar 等[22-23]提出絮體結(jié)合強(qiáng)度可以用絮體強(qiáng)度常數(shù)γ 進(jìn)行表征，因此進(jìn)一步引入絮體強(qiáng)度常數(shù)γ 對(duì)生物黏性作用進(jìn)行定量表征，絮體強(qiáng)度常數(shù)計(jì)算式[23]為

式中：C為絮體強(qiáng)度系數(shù).

由式（7）計(jì)算得到絮體強(qiáng)度常數(shù)結(jié)果如圖5所示.由圖5 可知，對(duì)于OMC 為2.0%、3.5%的沉積物試樣，在沉積物培養(yǎng)前10 d 時(shí)，γ 值隨微生物作用時(shí)間的增加而減??；在第10 d 達(dá)到最小值，隨后逐漸增大.這表明沉積物試樣的絮體結(jié)合強(qiáng)度隨著微生物作用時(shí)間先增后減，并在第10 d 時(shí)達(dá)到峰值.對(duì)于OMC 為5.0%、6.5%、8.0%的沉積物，γ 值也呈現(xiàn)出類(lèi)似變化規(guī)律，不同的是最低值出現(xiàn)在第15 d.

圖5 沉積物試樣絮體強(qiáng)度常數(shù)隨時(shí)間變化的示意圖Fig.5 Change of stable floc size constant with microbial activity time for different sediments

由圖5 還可知絮體強(qiáng)度常數(shù)隨著有機(jī)質(zhì)含量的增大而增大（R=0.709，p<0.01），即高有機(jī)質(zhì)含量沉積物形成的絮體在受到水流剪切應(yīng)力時(shí)更容易發(fā)生破碎，這表明沉積物絮體的抗侵蝕能力與沉積物的有機(jī)質(zhì)含量呈負(fù)相關(guān)，與臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力隨有機(jī)質(zhì)含量增高而減小的變化規(guī)律相同（圖3）.γ 值是有機(jī)質(zhì)含量與微生物作用時(shí)間的函數(shù)，通過(guò)擬合可得γ 值計(jì)算式，擬合結(jié)果見(jiàn)圖6.圖中γc為γ 值的計(jì)算值，γe為γ 值的實(shí)驗(yàn)所得值.由圖6 所示，式（8）的擬合效果較好，R2=0.91.

圖6 絮體強(qiáng)度常數(shù)計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比結(jié)果Fig.6 Comparison of calculated and experimental values of stable floc size constant

2.3 微生物作用下含有機(jī)質(zhì)沉積物起動(dòng)經(jīng)驗(yàn)公式推求

微生物作用下的臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力可以分成無(wú)黏性項(xiàng)、黏性項(xiàng)以及生物黏性作用項(xiàng)3 個(gè)部分組成[9,24].本試驗(yàn)研究的模型沙粒徑為0.183 mm，黏性特征并不顯著，黏性項(xiàng)在泥沙起動(dòng)過(guò)程中的作用可以忽略不計(jì)[13].因此，微生物作用下的沉積物臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力為

式中： τa為生物的黏性作用， τ0為無(wú)黏性沙的臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力.當(dāng)沙粒以滾動(dòng)作為起動(dòng)的模式時(shí)， τ0可以通過(guò)受力平衡計(jì)算[24]得

式中：ρs和ρ 分別為沙顆粒和水的真密度；g為重力加速度，g=9.8 N/kg； α 為形狀系數(shù)；αd為拖曳力系數(shù)；η 為拖曳力和上舉力的聯(lián)系系數(shù)，拖曳力系數(shù)、拖曳力和上舉力的聯(lián)系系數(shù)均是粒子雷諾數(shù)Re*的函數(shù)；a為顆粒水下重力和上舉力的力臂；b為拖曳力的力臂.

對(duì)比圖3、5 發(fā)現(xiàn)，γ 值變化規(guī)律與臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力變化較為一致.通過(guò)對(duì)比生物黏性作用與絮體強(qiáng)度常數(shù)的變化規(guī)律發(fā)現(xiàn)二者具有很好的相關(guān)性（R=-0.767，p<0.01），如圖7 所示.由此可知，生物黏性作用可以用γ 值進(jìn)行表征.

圖7 生物黏性作用與絮體強(qiáng)度常數(shù)的關(guān)系Fig.7 Relationship between bio-adhesive effect and stable floc size constant

生物黏性作用的計(jì)算式如下，此時(shí)公式的擬合效果最佳，R2=0.9.

微生物作用下的含有機(jī)質(zhì)沉積物臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力為

通過(guò)式（12）計(jì)算的臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力與實(shí)際剪切應(yīng)力的效果如圖8 所示.圖中 τc為臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力計(jì)算值， τe為臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力實(shí)驗(yàn)值.由圖8 可知，式（12）可以較為準(zhǔn)確地計(jì)算在微生物作用下含有機(jī)質(zhì)沉積物的臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力.

圖8 臨界剪切應(yīng)力計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比結(jié)果Fig.8 Comparison of calculated and experimental values of critical shear stress

3 結(jié) 論

在微生物作用下，針對(duì)不同微生物的作用時(shí)間、有機(jī)質(zhì)含量沉積物的臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力，展開(kāi)試驗(yàn)研究.結(jié)合在微生物作用下絮體強(qiáng)度常數(shù)的變化規(guī)律，對(duì)起動(dòng)過(guò)程中的生物黏性作用進(jìn)行量化與表征，主要研究結(jié)論如下.

（1）在微生物的作用下，含有機(jī)質(zhì)沉積物的臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力顯著增大.微生物作用下含有機(jī)質(zhì)沉積物的臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力變化情況與微生物的作用時(shí)間、沉積物的有機(jī)質(zhì)含量有關(guān)，沉積物的臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力隨著微生物作用時(shí)間的增大呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢(shì)，與有機(jī)質(zhì)含量呈現(xiàn)顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系.

（2）在沉積物起動(dòng)過(guò)程中，生物黏性作用可以用絮體強(qiáng)度常數(shù)進(jìn)行表征.絮體強(qiáng)度常數(shù)的大小受到微生物的作用時(shí)間以及有機(jī)質(zhì)含量的影響.絮體強(qiáng)度常數(shù)與沉積物的臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力呈現(xiàn)類(lèi)似變化規(guī)律，與生物黏性作用呈現(xiàn)較強(qiáng)的負(fù)相關(guān).

（3）通過(guò)引入生物黏性作用項(xiàng)，可得到在微生物作用下含有機(jī)質(zhì)沉積物的臨界起動(dòng)公式.公式計(jì)算值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)照結(jié)果表明，該公式可以較準(zhǔn)確地計(jì)算微生物作用下含有機(jī)質(zhì)沉積物的臨界起動(dòng)剪切應(yīng)力大小.