市政給水管網(wǎng)中重金屬污染水源的遷移規(guī)律分析及治理方法研究

摘要：市政給水管網(wǎng)中重金屬污染水源包含鉛、鎘、汞、鉻等重金屬元素，受水溫、含雜質(zhì)量以及水流速度影響，使得遷移規(guī)律難以監(jiān)測(cè)。為此，提出重金屬污染水源遷移規(guī)律分析與治理。根據(jù)污染物在水中的附著或漂浮狀態(tài)，采用連續(xù)性分析方程計(jì)算在不同水溫、含氧量、含氮量以及含雜質(zhì)量水源條件下重金屬污染物滲透率和溶解質(zhì)變化，提出微生物修復(fù)和綜合性治理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)水源降解，并通過(guò)遷移規(guī)律找到污染源頭實(shí)行根本治理。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，所提方法對(duì)重金屬污染水源遷移規(guī)律分析較為清晰，治理后的水源污染情況得到了有效改善。

關(guān)鍵詞：重金屬污染水源；遷移規(guī)律；滲透率；溶解質(zhì)；生物修復(fù)

中圖分類(lèi)號(hào)：X52 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

前言

市政給水管網(wǎng)作為供應(yīng)飲用水的重要角色，如果其中出現(xiàn)重金屬污染，將對(duì)飲用水安全造成威脅。因此，為提高市政給水管網(wǎng)中重金屬污染的治理效果，對(duì)遷移規(guī)律合理分析，確定最佳的治理方式。

余天智等人計(jì)算污染濃度變化與表面釋放和水體流速的關(guān)系，建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)等級(jí)按照風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)進(jìn)行合理控制。水中的重金屬污染不只會(huì)受到水流速變化影響，只以該點(diǎn)進(jìn)行分析治理導(dǎo)致局限性過(guò)大；于江等人計(jì)算不同重金屬污染物對(duì)水中鎘物質(zhì)稀釋和吸附能力，按照污染物隨時(shí)間的稀釋程度規(guī)劃治理方案。該方法沒(méi)有考慮到不同重金屬物質(zhì)在水中的沉降問(wèn)題，以不同層次提取到的污染參數(shù)存在差異；李敏等人以水溫和水pH值為驅(qū)動(dòng)項(xiàng)，計(jì)算不同污染物在不同介質(zhì)下的質(zhì)量分?jǐn)?shù)和波動(dòng)率，按照陽(yáng)離子和酸根陰離子進(jìn)行遷移狀態(tài)分析。但沒(méi)有對(duì)采集數(shù)據(jù)預(yù)處理，導(dǎo)致數(shù)據(jù)集存在誤差影響；Lu Tang等人分析水中重金屬污染物分布與歷史產(chǎn)量、物質(zhì)類(lèi)型、土壤性質(zhì)和地下水流向的相關(guān)性，通過(guò)水力傳導(dǎo)率揭示該區(qū)域的各向異性和污染物傳輸。該方法忽略了水中其他雜質(zhì)與重金屬污染物之間的粘合性，導(dǎo)致得到的污染物數(shù)值不夠精確。

文章提出市政給水管網(wǎng)中重金屬污染水源的遷移規(guī)律分析及治理方法。

1重金屬污染水源遷移規(guī)律分析

通常情況下，與重金屬污染水源的遷移規(guī)律存在直接關(guān)系的有兩種附著或懸浮兩種狀態(tài)，附著是指：污染物附著在水中雜質(zhì)、金屬表面的一種狀態(tài)；懸浮則是指：污染物脫離附著物或不能進(jìn)行附著的一種漂浮狀態(tài)。當(dāng)重金屬在水中活動(dòng)時(shí)，常見(jiàn)的影響其吸附或懸浮的水力因素有：水體pH數(shù)值、水中雜質(zhì)、水溫以及水流速等。其中，水中雜質(zhì)的大小和數(shù)量對(duì)重金屬污染物附著的影響關(guān)系最大，水中雜質(zhì)質(zhì)量越大、粒徑越小，污染物的附著量就越大，并且隨著數(shù)量的增長(zhǎng)，附著速度也會(huì)隨之增加；pH數(shù)值上升時(shí)，污染物的附著速率和附著量都會(huì)上升，pH臨界值與附著比率之間存在直接關(guān)系；水溫與附著量存在正比例變動(dòng)關(guān)系，水溫增加，污染物附著量也增加，同時(shí)，解吸率下降。給水管網(wǎng)傳感器布設(shè)與重金屬污染物在水源中的遷移模式見(jiàn)圖1。

由于重金屬污染物在水中存在附著和漂浮特性，污染物會(huì)與水源中的微生物、膠體雜質(zhì)以及懸浮顆粒物等產(chǎn)生光合作用。在進(jìn)行治理時(shí)，因光合作用生成的雜質(zhì)會(huì)影響污染物濃度和濁度的確定，采用一種連續(xù)性的重金屬污染物遷移規(guī)律概念模型進(jìn)行分析，得到遷移滲透率的連續(xù)性方程，數(shù)學(xué)表達(dá)模型為式（1）：

按照式（1）給出的重金屬污染物在水中的連續(xù)滲透線性方程，通過(guò)三維水動(dòng)力的彌散方程計(jì)算重金屬污染物的溶解質(zhì)，見(jiàn)式（2）：

2重金屬污染水源治理方法

2.1微生物修復(fù)技術(shù)

基于微生物的治理是通過(guò)對(duì)一些特征生物進(jìn)行培養(yǎng)并放置于污染水源中，通過(guò)光合作用稀釋或去除重金屬污染物的治理方法。這種微生物在某一區(qū)域達(dá)到高度集中時(shí)，會(huì)將污染物進(jìn)行轉(zhuǎn)換、分解，改變其濃度、釋放率以及附著粘性等值。這種微生物對(duì)污染水源來(lái)說(shuō)屬于解毒物質(zhì)，再結(jié)合上述過(guò)程求得的重金屬污染物與水源條件之間的遷移規(guī)律，將治理效果最大化。這種治理方案無(wú)毒無(wú)害，在進(jìn)行污染治理的同時(shí)不會(huì)對(duì)水中有機(jī)物質(zhì)產(chǎn)生破壞，綜合性能很強(qiáng)。

考慮到城市地下水不屬于自然水源，添加藻類(lèi)、原生動(dòng)物的微生物適應(yīng)性不強(qiáng)，所以，以真菌和噬菌體為主要微生物因子。通過(guò)個(gè)體附著將汞、鉻、鎳等重金屬污染物轉(zhuǎn)換為零價(jià)態(tài)的金屬，進(jìn)而減少污染物的毒性。

2.2基于遷移規(guī)律的水源重金屬防控

根據(jù)水中重金屬污染物的遷移特點(diǎn)，再進(jìn)行污染治理時(shí)可利用該特性，再確定水中不同污染物的遷移規(guī)律之后，從規(guī)律中尋找到污染源頭。結(jié)合該區(qū)域內(nèi)重金屬的擴(kuò)散、化學(xué)特征進(jìn)行分析，在水中添加有機(jī)物質(zhì)對(duì)污染物實(shí)行分解和轉(zhuǎn)化，通過(guò)添加固定物質(zhì)吸附重金屬實(shí)現(xiàn)合理治理。

目前，市政府給水管網(wǎng)中的重金屬污染物主要包含：銅、鉛、鋅、鎳、鉻以及砷等，這些重金屬都具備水生特點(diǎn)和堆積特性。所以，在進(jìn)行治理時(shí)，需要以遷移規(guī)律為依據(jù)，通過(guò)添加針對(duì)性的降解和轉(zhuǎn)換物質(zhì)如：活性淤泥、活性炭、磺化煤、硅藻土等，通過(guò)這些物質(zhì)實(shí)現(xiàn)重金屬污染物的快速吸附，從而完成有效治理。

3性能測(cè)試

3.1測(cè)試環(huán)境

以某城市的小區(qū)市政給水管網(wǎng)為測(cè)試對(duì)象，為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可對(duì)比性，在地下水管周?chē)胖枚鄠€(gè)水質(zhì)采樣傳感器用于采集水管中的碳酸根離子、鈉離子、鈣離子等陰陽(yáng)離子的數(shù)值變化。地下水中的雜質(zhì)過(guò)多，包含的成分也較多如：氣體成分、膠體成分、離子成分、有機(jī)成分以及微量元素成分等，這些成分的變動(dòng)都可能引起重金屬污染物遷移規(guī)律的變化，所以所需的測(cè)試和數(shù)據(jù)采集時(shí)間較長(zhǎng)。因此，實(shí)驗(yàn)選擇的周期為6個(gè)月，在該時(shí)間段內(nèi)進(jìn)行市政給水網(wǎng)中污染物的采集與遷移規(guī)律分析，并按照分析結(jié)果進(jìn)行治理。

考慮到不同重金屬污染物的采集時(shí)間和反應(yīng)時(shí)間存在差異的問(wèn)題，將采集到的沉積物放在預(yù)先模擬鋪設(shè)的水箱環(huán)境中，讓污染物在其中進(jìn)行重金屬釋放，并通過(guò)虹吸法設(shè)計(jì)一種微孔過(guò)濾器用于提取重金屬物質(zhì)。耗氧污染物需要依靠水中的氧氣進(jìn)行分解，所以，在對(duì)此類(lèi)物質(zhì)進(jìn)行采集和測(cè)試時(shí)，需要進(jìn)行冷凍干燥后再測(cè)定有機(jī)物、重金屬濃度以及陰陽(yáng)離子交換量等數(shù)值。根據(jù)文中提到水源中的主要重金屬污染物種類(lèi)，以水源的水溫變化、含氧量、含雜質(zhì)量、含氮量以及水流速度作為自適應(yīng)條件，測(cè)試并分析在不同的水源環(huán)境下重金屬污染物的遷移規(guī)律。重金屬和實(shí)驗(yàn)相關(guān)條件參數(shù)見(jiàn)表1。

3.2市政給水管網(wǎng)中重金屬污染水源的遷移規(guī)律

通常情況下，水管網(wǎng)中的重金屬濃度會(huì)隨著停留時(shí)間的變化而發(fā)生改變，停留時(shí)間越長(zhǎng)，著色度、濃度以及濁度等數(shù)值會(huì)越來(lái)越高。為了能夠清晰、直觀地觀察到重金屬污染水源的遷移規(guī)律，給出污染物在不同條件（水溫、含氧量、含雜質(zhì)量、含氮量以及水流速度）下的殘余質(zhì)量分?jǐn)?shù)和波動(dòng)率變化，分析結(jié)果如圖2所示。重金屬污染物的殘余質(zhì)量分?jǐn)?shù)是指：污染溶液中重金屬質(zhì)量與溶劑質(zhì)量的比值，在這里代指重金屬污染物的濃度。

從圖2中可以看出，不同重金屬污染物在不同水源條件下的殘余質(zhì)量分?jǐn)?shù)都不相同。從污染物的波動(dòng)對(duì)比可發(fā)現(xiàn)，在水溫變化和水流速度變化條件下，重金屬的波動(dòng)率曲線與其他條件相比相對(duì)較高。這是因?yàn)?，溫度和水流速度的變化?huì)加速重金屬污染物與水中其他雜質(zhì)的相互作用，進(jìn)而導(dǎo)致波動(dòng)率增加。通過(guò)污染物與水溫條件的比例變動(dòng)關(guān)系可得，銅、鉛、鋅、鎳以及汞與水溫、含氧量以及水流速呈現(xiàn)反比遷移規(guī)律（即條件數(shù)值越高，污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)越低，擴(kuò)散和消失的進(jìn)程加快）；與含雜質(zhì)量、含氮量呈現(xiàn)正比遷移規(guī)律（即條件數(shù)值越高，污染物質(zhì)量分?jǐn)?shù)越高）；而鉻和鎘污染物則正好相反，與水溫、含氧量以及水流速呈現(xiàn)正比遷移規(guī)律；與含雜質(zhì)量、含氮量則呈反比遷移規(guī)律。這是因?yàn)?，二者污染物與水中的氮物質(zhì)作用反應(yīng)較大且附著性較強(qiáng)，所以，當(dāng)水中的雜質(zhì)顆粒增加時(shí)，重金屬可附著介質(zhì)增加，濃度自然隨之上升。

3.3重金屬污染水源的治理結(jié)果分析

在對(duì)污染物的遷移規(guī)律進(jìn)行合理有效分析后，測(cè)試對(duì)水源中污染物的治理效果，為保證實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可對(duì)比性，以不同pH（pH6.5、pH8、pH10.5為測(cè)試條件，得到7種重金屬污染物的結(jié)果見(jiàn)圖3。

從圖3中可以看出，隨著重金屬污染物在水中停留時(shí)間的增加，各個(gè)污染物的濃度都有所增加，未經(jīng)過(guò)處理的污染物曲線變化尤為明顯。其中，銅、鉛、鋅、鎳以及汞重金屬的反應(yīng)最大，因?yàn)檫@些污染物與水中氧物質(zhì)的作用關(guān)系較大，所以當(dāng)水中氧氣含量增加時(shí)，濃度自然上升；對(duì)比經(jīng)過(guò)所提方法治理后的各重金屬濃度數(shù)值，其中，銅、鉛、鋅、鎳的治理效果最好，濃度下降最為明顯，其余鉻、鎘、汞濃度也都有下降。說(shuō)明，所提方法的治理效果優(yōu)異，對(duì)重金屬污染物水中遷移規(guī)律分析后，再給出針對(duì)性的治理方案這一措施實(shí)用價(jià)值很高。

4結(jié)束語(yǔ)

為解決地下城市水環(huán)境嚴(yán)重污染的問(wèn)題，提出一種市政給水管網(wǎng)中重金屬污染水源的遷移規(guī)律分析及治理方法。研究采用了連續(xù)性分析方程來(lái)計(jì)算在多種復(fù)雜環(huán)境條件下（如不同水溫、含氧量、含氮量以及含雜質(zhì)量）重金屬污染物的滲透率和溶解質(zhì)變化，計(jì)算不同重金屬污染物隨水源條件變化的遷移規(guī)律，更準(zhǔn)確地模擬和預(yù)測(cè)污染物在水體中的行為。研究不僅關(guān)注污染物的遷移和降解，還通過(guò)遷移規(guī)律的分析找到了污染源頭，并提出了根本治理的策略。這種從源頭控制污染的方法是污染治理的重要?jiǎng)?chuàng)新，有助于實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)期的環(huán)境保護(hù)和可持續(xù)發(fā)展。通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)證明了所提方法的有效性，并增強(qiáng)了研究成果的可信度和實(shí)用性，具有一定的實(shí)用價(jià)值。