城市合流排水管道水沉積物界面污染研究進展

李海燕,蘇豪儒,黃 延

(1.北京建筑工程學院城市雨水系統與水環境省部共建教育部重點實驗室,北京 100044; 2.北京市環境保護監測中心,北京 100048)

城市合流排水管道水沉積物界面污染研究進展

李海燕1,蘇豪儒1,黃 延2

(1.北京建筑工程學院城市雨水系統與水環境省部共建教育部重點實驗室,北京 100044; 2.北京市環境保護監測中心,北京 100048)

城市合流排水管道中水沉積物界面物質在雨水徑流的沖刷作用下會將其中的污染物重新釋放排入受納水體,成為水體面源污染的重要來源。綜述國內外對水沉積物界面物質的組成、污染特性及模型模擬方面的研究進展。將水沉積物界面污染物分成有機層、近床固體層和流動泥沙層,其中有機層和近床固體層有較高的有機物含量和含水量,流動泥沙層含有較多的揮發性物質。研究表明:水沉積物界面物質抗侵蝕性微弱,含水量是影響其剪應力的最重要因素;已有水沉積物界面的模型模擬研究主要集中在利用模型預測近床固體對初期沖刷的污染貢獻、有機層的污染物侵蝕量和近床固體層的生物降解量等。認為今后應加強對水沉積物界面污染特性的研究,建立適合本地的水沉積物界面污染貢獻模型。

水沉積物界面;面源污染;城市排水管道;管道沉積物

城市排水管道承擔城市生活污水、工業廢水和雨水的收集及輸送任務,是城市排水系統的重要組成部分。我國的排水管道普遍存在管道腐蝕、沉積物累積的現象。對北京城區部分排水管道的調查[1]發現,所研究的排水管道中有60％存在沉積物,有15％沉積物累積量較大。沉積物的存在不僅降低了管道的排水能力,在降雨徑流的沖刷作用下還會將其中賦存的大量污染物重新釋放排入受納水體,污染水體環境。有研究[2-3]表明,雨季時釋放到水體的銅、多環芳烴和總固體懸浮物的主要來源是管道沉積物,服務區雨水管道沉積物中常規污染物含量較高,雨水沖刷管道容易對附近水體造成污染。在合流制排水系統中,管道沉積物累積引發的污染問題尤為突出,是合流制溢流污染負荷的重要組成,會對受納水體造成威脅[4]。管道中水沉積物界面污染物的釋放是管道出流對城市水體污染的重要來源[5],系統研究其組成及污染特性對于控制來自管道沉積物的污染具有重要意義。

國外自20世紀中后期即開始了相關研究,并積累了大量研究成果,而國內的研究多數集中在合流制溢流污染的水質水量分析及污染控制措施方面,未關注到合流制溢流污染的主要來源——水-沉積物界面的污染。筆者綜述了國內外對城市排水管道水-沉積物界面污染的研究進展,為進一步控制合流制溢流污染提供借鑒。

1 水-沉積物界面物質的組成

不同學者在不同場地條件下采用不同的方法對水-沉積物界面進行了研究,得出的結論不盡相同,并以不同的專業術語定義了水-沉積物界面物質的組成。綜合各自特點,可將水-沉積物界面污染物按組成分為有機層、近床固體層和流動泥沙層。

1.1 有機層

根據眾多學者的研究,有機層由不同種類的顆粒物組成,呈現不同的理化特征,并且具有良好的生物活性。Skipworth等[6]將由橄欖石組成的黏性沉積物在實驗室水槽內放置4 h,然后用水流以不同的流速進行沖刷,結果發現沉積物的頂部存在一有機層。Ahyerre等[7]對Le Marais實驗區排水管網的水沉積物界面進行了研究,結果顯示水沉積物界面由有機物質和附著在沉積物表面上的纖維物質組成,該層的厚度在1.5～7 cm之間,具有良好的穩定性。研究表明,有機層在旱季時累積形成,在暴雨時非常容易受到侵蝕,由不同的層狀結構組成,隨著深度的增大礦物質含量增大,抗侵蝕力也增大[6,8-9]。Oms等[10]對巴黎Saint Gilles實驗區主干道的沉積物有機層進行了研究,并用內窺鏡對有機層的形成過程進行觀察,結果表明有機層由大的有機顆粒物、纖維物質和小顆粒物質組成,具有多相性;有機層增長到一定厚度后趨于穩定,在受到侵蝕后能在2 h內重新生成。

1.2 近床固體層

Arthur[11]將在沙床附近輸移的所有固體定義為近床固體層,并在Dundee的3個實驗區研究了該層的揮發性物質和有機物質污染負荷。研究結果顯示,不同場地樣品中兩類污染物質含量差異極大,坡度和流速最高的管道中,沉積物的污染物含量最低。其他相關研究成果表明,在Marseille實驗區排水管道主干線上采集的沉積物樣品與在Dundee的Dens Bra實驗區管道采集的樣品具有幾乎相等的揮發性物質含量[12]。McGregor[13]研究發現近床固體層極易被侵蝕,其中賦存的污染物大部分溶入污水或者處于懸浮狀態,在合流制溢流污染時被釋放出來。

1.3 流動泥沙層

多數研究發現,水-沉積物界面的部分區域含有高濃度的固體,研究區域對象不同,濃度值不同, Ashley等[14-15]將其定義為流動泥沙層。然而,對于此高濃度固體區域的形成原因,不同的學者持有不同的觀點。Verbanck[16]認為在沙床附近有一移動層,并提出了使用懸浮輸移模型預測旱季流時水沉積物界面固體的輸移量。Arthur[11]認為高濃度固體區域是由采樣時對沙床附近的固體擾動而造成的。Ahyerre等[7]觀察了管道同一截面上的懸浮固體濃度剖面圖,結果發現高濃度固體來源于底部穩定的有機層而不是上覆水流。

2 水-沉積物界面物質的污染特性

對歐洲管道沉積物的研究[5]發現,水沉積物界面物質是合流制溢流污染物的主要來源,其污染潛力主要受其自身理化性質的影響,如污染物的賦存量、抗侵蝕能力等。因此,對其懸浮固體含量、揮發性固體含量、COD及其臨界剪應力等特性進行了詳細研究。

2.1 水-沉積物界面物質的理化性質

暴雨沖刷時,有機層釋放大量的污染物質,是沉積物沖刷釋放懸浮顆粒物、揮發性固體、COD和BOD5的主要污染來源[17]。Le Marais實驗區管道中的有機層COD和BOD5含量較高,但低于上覆水中的COD和BOD5;揮發性物質的含量則與上覆水中的相似[9]。近床固體層沉積物樣品的理化性質有著相似之處:具有較高的有機物含量和含水量,其揮發性物質含量與旱季流時污水中的揮發性物質含量相似;與管道中粗糙的沉積物顆粒相比,近床固體層的有機物含量更高[12]。但是,不同采樣點沉積物近床固體層樣品的有機物含量也存在很大差異,原因可歸納為以下幾點:水流的流速和剪切力越高,顆粒物中的有機物含量越低;與主干道相連的支干道越多,沿沙床輸移的固體中有機物含量越高;管道所在的位置地勢越低,小粒徑顆粒物中有機物含量越高。流動泥沙層具有較高的揮發性物質含量,這可能是由于廚房殘余、人類排泄物等顆粒物粒徑較大不能隨著水流輸移而是在水中旋轉或懸浮造成的[5]。

2.2 水-沉積物界面的抗侵蝕性

水-沉積物界面的抗侵蝕性可以通過剪應力來表示,其強弱直接決定沉積物徑流沖刷時的污染釋放強度。水-沉積物界面的抗侵蝕性非常微弱,其臨界剪應力在0.5～1.8 N/m之間[12,16,18-20]。有機物的含量是影響水-沉積物界面抗侵蝕性的一個重要因素,Wotherspoon[21]和Arthur[11]做了進一步的研究,發現樣品有機物含量增加,剪應力降低。Desutter[22]比較了沉積物含水量和有機物含量對剪應力的影響,最后得出以下結論:含水量是影響剪應力的最重要因素,其次是有機物含量。此外,小顆粒物質含量、沙床坡度[23]和管道橫截面形狀[24]也是影響沉積床剪應力的重要因素,并且沉積物的剪應力隨沉積床深度的增加而增加[25]。

3 水-沉積物界面的模擬研究

了解水-沉積物界面對排水管道出流的污染貢獻對保護受納水體有極其重要的意義。國外從20世紀中后期就開始了對水沉積物界面污染貢獻的研究,并逐步建立了侵蝕模型、污染貢獻預測模型等對水沉積物界面污染進行模擬。

3.1 近床固體對初期沖刷的污染貢獻預測

近床固體對初期沖刷的污染貢獻包括無機顆粒物和有機物兩部分。Arthur[11]分別采用修正的Perrusquia和Nalluri層載公式(式(1))[26]和經驗公式(式(2))[27]預測近床固體的無機顆粒物和有機物對初期沖刷的污染貢獻。眾多學者認為采用修正的Perrusquia和Nalluri層載公式預測近床固體無機負荷對初期沖刷的貢獻是最合理的[12]。但是Verbanck[28]認為,近床固體不一定會以底移質的形式進行移動,采用式(1)預測近床固體無機負荷對初期沖刷的貢獻的方法并不精確,因此,提出了兩層模型,該模型將沖刷時的擾動區域分為核心層和外緣層,且假設兩層均以懸移質的形式進行移動,其中核心層即近床固體層在水流底層移動,外緣層在水流上層移動。Ashley等[19]得出了在沙床底層以懸移質形式移動的固體質量濃度的計算公式(式(3)),由此可以計算出初期沖刷時近床固體層在豎直方向上的無機負荷污染貢獻,參考水位a*的值通過旱季時用小管采樣器在管道內采集的懸浮固體進行校正,得出參考值為0.3 m[12]。有人認為此方法得出的懸浮固體的濃度值并不精確,因為采樣器管徑很小,許多本應被采集到的固體顆粒并未被采集,所以,采用此方法計算得出的近床固體的濃度值比實際值偏低[16,29]。

式中:Φb為輸移速率,g/s;為移動的顆粒物數量; D*為無因次粒徑;Z為相對粒度;B為沖積床的寬度,m;Y為流動深度,m。

式中:CV為沉積物的質量濃度,mg/L;Ir為降雨強度,mm/h;TSSS為最近一次降雨開始時與測量時的時間間隔,h;Dr為總的降雨深度,mm;y0/ymax為平均流動深度與旱流平均最大深度之比;τ0/τb為平均剪應力(通過平均流速計算得出)與沉積床的剪應力(通過沉積床上50mm處的流速計算得出)之比;ρd/ρw為近床固體層的干密度與水的密度之比,ρw=1000kg/m3。

式中:Cy為水深為y時的懸移質固體質量濃度,mg/L; a*為參考水位,m;為參考質量濃度,mg/L;η為沉降系數。

3.2 有機層污染物侵蝕量預測

Ahyerre等[9]通過研究旱季時有機層污染物(包括懸浮顆粒物、揮發性固體、COD和BOD5)的累積量及30場降雨事件對有機層的侵蝕特性,得出了降雨事件特征參數與有機層污染物侵蝕量的關系,計算公式見式(4)～(7)。

式中:ρ(SS)為懸浮顆粒物質量濃度,mg/L;ρ(VS)為揮發性固體質量濃度,mg/L;ρ(COD)為化學需氧量的質量濃度,mg/L;ρ(BOD5)為生化需氧量的質量濃度,mg/L;Qmax為最大出口流量,m3/s;DWP為降雨前的干旱時間,d;Imax為最大降雨強度,mm/h;Imean為平均降雨強度,mm/h;Htot為降雨總深度,mm。

3.3 近床固體層的生物降解量預測

為了解近床固體層對合流制溢流污染的影響, Ristenpart等[15,18-19]研究了近床固體層BOD5、COD的污染負荷,也有學者研究了近床固體層的重金屬污染負荷。但是,這些常規指標并不足以解釋近床固體層對合流制溢流的污染作用,近床固體層的可生物降解特性直接影響其污染釋放作用,生物降解量可更加清晰地反映近床固體層的污染作用。

Vollertsen等[30]采用模型模擬的方法測定了近床固體層的氧氣吸收率來分析近床固體層的生物降解量。Ashley等[31]研究發現,在初期被暴雨沖刷的近床固體層有較高的生物降解性,而在晚期被沖刷的近床固體層的生物降解性較低。

4 結 語

國外對城市排水管道水沉積物界面的研究起步較早,主要集中在對其物質組成、污染特性以及模型模擬等方面的研究。盡管這些研究取得了一定的成果,但不同學者的研究成果也存在著爭議與分歧。關于水沉積物界面物質的組成,需要在更多的區域進行更多的試驗對以前的研究成果進行驗證及補充。水沉積物界面物質的污染特性受時間、空間、降雨特點等因素的影響,應進一步研究其變化規律,為制定相應的污染控制措施提供依據。在水沉積物界面的模型模擬研究中,沉積物的輸移形式并不確定,而是基于假設得出預測模型,研究結果與實際情況存在較大偏差。

國內對城市排水管道沉積物污染的研究剛剛起步,主要集中在沉積物的來源、性質、污染物賦存狀況等方面的研究。我國許多城市尤其老城區還有較大比例的合流制,許多新建的分流制管道系統也存在嚴重的雨污混接現象,而水沉積物界面是合流制溢流污染的主要來源,因此,應加強對水沉積物界面物質污染特性的研究,與國內管道系統的實際情況相結合,建立適合本地的水沉積物界面污染貢獻模型,從而制定相應的污染防治措施。

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Research progress on the pollutant from the water-sediment interface in urban combined drainage pipes

//LI Haiyan1,SU Haoru1,HUANG Yan2(1.Ministry of Education Key Laboratory of Urban Storm Water System and Water Environment,Beijing University of Civil Engineering and Architecture,Beijing 100044,China;2.Beijing Municipal Environmental Monitoring Centre,Beijing 100048,China)

Pollutant from sediment in the combined drainage pipes has been a main source of the non-point source pollution for the receiving water.Hence,it is of great importance to study the action of the pollutant from the water-sediment interface.The composition of the water-sediment interface,the pollutant characteristics,and the simulation model of the interface of the water-sediment were reviewed.The water-sediment interface pollutant can be divided into the organic layer, the near-bed solid layer and the fluid sediment layer.Both the organic layer and the near-bead solid layer have relatively high organic content and high water content,while the fluid sediment layer has high concentration of volatile matter.It can be concluded that the erosion resistance of the water-sediment interface pollutant is weak,and the water content is the main factor which affects the shear stress of the water-sediment interface.Besides,the existing research on model simulation of the water-sediment interface mainly focuses on predicting the contribution of the near-bed solid on the initial flushing,the pollutant erosion of the organic layer,and the biological degradation of the near-bed solid layer.It is advised that the pollutant characteristics of the water-sediment interface needs further study,and the local water-sediment interface pollution contribution model needs to be established.

water-sediment interface;non-point source pollution;urban drainage pipe;pipe sediment

10.3880/j.issn.10067647.2013.03.018

X523

A

10067647(2013)03008405

2012-07-27 編輯:駱超)

國家自然科學基金(50808009);國家水體污染控制與治理科技重大專項(2010ZX07320-002);北京市城市雨水系統與水環境生態技術學術創新團隊項目(PHR201106124)

李海燕(1975—),女,河北唐山人,副教授,主要從事城市雨水利用與徑流污染控制研究。E-mail:lihaiyan@bucea.edu.cn