雨水管道沉積物粒徑分布與污染特征研究

司 韋，于江華，解麗媛

(1.南京信息工程大學，江蘇 南京 210044；2.濰坊安健安全技術咨詢有限公司，山東 濰坊 261061)

0 引言

由于城市化進程的加快，不透水城市路面與車輛的快速增長，造成面源污染越來越嚴重[1-3]。 這種面源污染主要由地表徑流污染引起，研究表明：在不同國家中，地表徑流中含有的污染物質遠超當地環境標準[4-5]。 地表徑流中污染物主要來源于車輛、大氣沉降、建筑、路面養護以及其他人類活動，同時地表徑流污染特征受交通流量、降雨規模、路面類型、污染物狀態、周圍環境和氣候特征的影響[6-7]。 降雨初期，大量的污染物被沖刷進雨水管道，其中存在高濃度污染物[8-9]。 在30%的初期降雨中能夠發現約60%的總懸浮固體（TSS）[10]，同時TN 與TP 與TSS 存在相關性[11]。

城市地表徑流中的有機質（COD） 與懸浮固體（SS）占管內徑流的70%，其中60%的SS 和COD 是沉積物再次懸浮于管內徑流中而產生的[12-13]。雨水管網中多為厭氧或缺氧環境，有利于COD 在其中發酵，產生大量污染物[14-16]，在雨季徑流沖刷下進入受納水體，引發黑臭，造成水體富營養化[17-18]。

本研究針對雨水管內沉積物中所含污染物進行分析，通過對沉積物粒徑，TN，TP，CODCr及VS 指標的檢測，同時對采樣點附近土地利用類型、地面衛生和生產活動進行調研，評價該地雨水管內污染情況，并提出建議。

1 檢測材料與方法

1.1 研究區域概況

常州市某區洛陽鎮北部監測區域的土地利用類型以工業用地為主，輔以部分農業用地及部分居民居住地。由當地政府部門了解到，該區域已經實行雨污分流，但由于污水、雨水管道分批次建設，管網走向比較復雜。

1.2 樣品的采集

在所選采樣點處用加長的鐵鍬鏟取雨水井內的泥樣。并拍照記錄采樣點周圍的路面環境狀況，將收集到的泥樣裝入準備好的清潔密封瓶內分別記錄為樣品1 與樣品2，帶回實驗室進行分析測定。

1.3 樣品的分析

樣品帶回實驗室后先進行風干，再去除樣品中的樹葉樹枝等雜物，篩分粒徑范圍為小于40，40~62，62 ~ 86，86 ~ 125，125 ~ 230，230 ~ 500，500 ~710 和大于710 μm 共8 個粒徑范圍。其中大于710 μm 粒徑沉積物主要是石子垃圾等雜物，不需用于后續的化學實驗研究。 樣品篩分后用清潔干燥的封口袋裝好。

分別采用重鉻酸鹽法測定CODCr；堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法測定TN；鉬酸銨分光光度法測定TP；重量法測定VS。

使用儀器：分析天平、紫外分光光度儀、馬弗爐、高溫滅菌爐。

2 結果與討論

2.1 沉積物粒徑分布

雨水管網內沉積物的粒徑分布見圖1。 由圖1可以看出，總體分布為質量分數隨粒徑的增大呈先增大后減小的規律。 在230~500 μm 的粒徑范圍內沉積物質量分數最高，分別達37.09%和59.85%。沉積物在小于86 μm 的粒徑范圍內質量分數相差不大，約5%左右。同時，粒徑小于100 μm 的沉積物質量分數低于較大粒徑的沉積物，約15%~17%。此外，沉積物樣品的均等系數（累積質量分數為60%的顆粒物粒徑與累積質量分數為10%的顆粒物粒徑之比）約為5，表明沉積物在不同粒徑下顆粒大小較為均一。 另外，通過觀察沉積物形貌特征，發現粒徑在500 ~ 710 μm 內的沉積物中含有碎葉、殘枝、橡膠顆粒等垃圾，這些富含有機質的物質在密閉管道內極易發酵從而導致水體水質惡化。

圖1 管網沉積物粒徑分布特征

根據現有研究，隨地表徑流攜帶進入雨水管道中的顆粒物粒徑基本小于1 250 μm，其主導粒徑范圍為250~ 300 μm[13]，與本研究中樣品的粒徑大小基本一致。 根據賈朝陽[19]對北京市雨水管道內沉積物粒徑分布的研究見表1。

表1 不同研究區域中管網沉積物污染特征

由表1 可以看出，沉積物粒徑分布主要為76~300 μm，各粒徑范圍內沉積物質量分數隨粒徑增大呈先上升后下降趨勢。同時，本研究中沉積物質量分數的第一眾數在150~1 250 μm 之間。

雖然不同地區雨水管內的沉積物粒徑分布相似，但是對于質量分數較大的沉積物，其所在粒徑范圍受土地利用類型的影響較大，例如第一眾數的粒徑范圍取決于采樣點匯水面的清掃頻率、人流量、交通量等[19-20]。 研究區域是城市邊緣的工業區，經過實地調研發現，采樣點附近人流量、交通流量較少，地面沉積物較多，使得研究樣品的粒徑范圍較大，并且大粒徑沉積物的質量分數較高。

2.2 沉積物污染特征

為深入了解雨水井內沉積樣品中TN，TP，CODCr及VS 的污染特征，分析比較不同粒徑的雨水井沉積物樣品中TN，TP 和CODCr的污染負荷。

2.2.1 TN

雨水管內沉積物樣品中TN 的質量分數與污染負荷特征見圖2。

圖2 不同粒徑沉積物TN 質量分數與污染負荷的變化特征

由圖2 可以看出，TN 質量分數隨粒徑增大先上升后下降，在40~86 μm 的粒徑范圍內，TN 質量分數達到最大，平均質量分數約為0.42 mg/g。

沉積物樣品的TN 污染負荷較大值主要集中在230 ~ 710 μm 的粒徑范圍內，占比分別為58 %和55%。而小于230 μm 的粒徑范圍內TN 污染貢獻量較小。 雖然粒徑范圍在40~125 μm 的沉積物中TN含量較高，粒徑范圍較大的顆粒物的TN 質量分數較低，但是本研究TN 污染特征符合主要集中在粒徑范圍大于230 μm 的沉積物上，對該粒徑的沉積物進行總量控制，將有效降低雨水管內氮的污染。

根據劉志長[20]對廣東某地雨水管內沉積物的研究，其TN 質量分數隨粒徑范圍的變化而降低，TN質量分數的變化范圍為0.5~1.5 mg/g。 變化趨勢與本研究相似，但是其TN 含量較高。 根據尚宇等[22]的研究，不同用地類型中的雨水管道沉積物所含污染物的質量分數不同，土地類型、植被覆蓋、工業、農業發展情況成為影響TN 含量的主要因素。 本研究中采樣點區域工廠較多，道路兩邊植被覆蓋較小，但是雨水管道內含氮物質較少，表明工廠內部存在具有脫氮作用的設施或是工廠本身產生的工業廢水中含氮量較低。

2.2.2 TP

沉積物樣品中TP 的質量分數與污染負荷特征見圖3。 由圖3 可以看出，沉積物樣品質量分數隨粒徑增大而減小，并且在粒徑小于40 μm 時TP 質量分數最大，為0.75 mg/g。

圖3 不同粒徑沉積物TP 質量分數與污染負荷的變化特征

對TP 的污染負荷而言，其隨沉積物粒徑變化規律與TN 相似，雖然在小于230 μm 的粒徑范圍內，沉積物樣品中的TN 質量分數較高，沉積物樣品在230~700 μm 的粒徑范圍內，污染貢獻值較高，達50%左右。沉積物樣品在該粒徑范圍內質量分數也較高，同時對該粒徑范圍內的顆粒物進行總量控制，將有助于減少雨水管內氮的污染。

根據劉志長[20]和尚宇等[22]的研究，含磷顆粒物主要來源于地面或是屋頂的無機固體顆粒，同時，排水系統是否通暢，地面清潔工作是否良好及維護管理水平是否合格也同樣影響雨水管內顆粒物含磷的濃度。 根據調研發現，該地地面存較多地表沉積物，且同時附近也存在將生活污水傾倒在路面上的現象，是造成雨水管道沉積物的TP 濃度大的原因之一。

2.2.3 CODCr

沉積物樣品中CODCr的質量分數與污染負荷特征見圖4。

圖4 不同粒徑沉積物CODCr 質量分數與污染負荷的變化特征

由圖4 可以看出，在40~125 μm 的粒徑范圍內，CODCr質量分數出現較大值，沉積物樣品中CODCr質量分數均值約為84 mg/g。

沉積物樣品中CODCr污染主要集中在大于230 μm粒徑范圍的沉積物上，且在230~710 μm 的粒徑范圍內，污染貢獻較大，約占全粒徑顆粒物的56%。將其與沉積物粒徑分布特征及CODCr質量分數變化對比后，發現顆粒物質量分布對污染物的污染負荷分布具有較大影響，污染物質在不同粒徑顆粒物的污染負荷主要取決于粒徑分布特征，雖然小粒徑的沉積物有較高的CODCr質量分數，但是其污染貢獻較小，在20 %~ 30 %，粒徑大于230 μm 的沉積物，依然是需要對其進行總量控制的重要物質。

根據RISTENPART E[23]的研究，在合流制管道中沉積物CODCr質量分數為42 mg/g。 而劉志長[20]所研究的雨水管內沉積物樣品數據，CODCr質量分數均值為27.37 mg/g。 兩者質量分數都低于本研究的沉積物樣品。 雨水管道中的沉積物主要來自大氣沉降，以及建筑物附近硬化路面磨損脫落，沉積物中有機物來源少[20]，而本研究沉積物樣品中的平均CODCr質量分數較高。 調研過程中發現，該工業園區內，企業生產過程中存在有機顆粒擴散至路面的現象，當部分含有機物顆粒隨降雨產生的地表徑流進入雨水管內，會導致沉積物樣品CODCr質量分數偏高。由于在沉積物樣品的采樣點之間，存在有機物顆粒匯入管道，較大粒徑的顆粒物沉降于管道中間，隨水流進入井口的大粒徑顆粒物減少，造成了沉積物樣品在小粒徑范圍內CODCr質量分數增大，大粒徑范圍內CODCr質量分數降低。

2.2.4 VS

雨水管道沉積物中VS 質量分數與污染負荷特征見圖5。

圖5 雨水管道沉積物不同粒徑VS 質量分數與污染負荷的變化特征

由圖5 可以看出，在粒徑范圍大于40 μm 時，VS 的質量分數受粒徑大小的影響不明顯，維持在150 mg/g 左右，但在小于40 μm 的粒徑范圍內，沉積物樣品中VS 質量分數出現最大值，為274.93 mg/g。

粒徑范圍大于230 μm 的沉積物樣品中VS污染貢獻較大，占59.0%，其中粒徑范圍為230 ～500 μm的沉積物貢獻了31.6%的VS 污染，對粒徑大于230 μm 的沉積物進行總量控制，是控制雨水管內VS 質量分數行之有效的方法。

根據楊云安等[24]在不同功能區對沉積物性質的研究，管道中沉積物主要來源于地表顆粒和大氣降塵，其中有機物含量應該低于污水管道內沉積物，VS 質量分數在29 ～130 mg/g，一般小于100 mg/g，且沉積物密度較大；而污水管內存在大量人體排泄物或是餐廚生活垃圾，VS 質量分數較高在52 ～190 mg/g，一般大于100 mg/g，同時密度較小。 而本研究沉積物樣品中VS 質量分數均值為176.98 mg/g，最大值為274.93 mg/g。 與其比較，該雨水管內有機污染較高。

3 結論與建議

3.1 結論

本文在常州市武進區采樣，探討了雨水管道內沉積物的粒徑分布特征以及不同粒徑范圍內的沉積物TN，TP，CODCr和VS 的污染特征，得出結論。

（1）沉積物主要集中于230 ～500 μm 的粒徑范圍內，并且沉積物顆粒大小較為均一。

（2）沉積物樣品中的TP，TN 濃度呈現相似規律，在小粒徑范圍內，濃度較大；大粒徑范圍內，濃度較?。欢练e物樣品的CODCr，VS 濃度與粒徑關系較小，且濃度較大，雨水管道內有機物污染較為嚴重。

（3）沉積物樣品中TN,TP,CODCr,VS 在230 ～710 μm 的粒徑范圍內污染負荷較大，結合粒徑分布特征，控制大粒徑顆粒物則能夠有效緩解雨水管內污染情況。

3.2 建議

鑒于目前我國水污染防治（黑臭水體治理）過程中出現的水質反彈現象，尤其是夏季高溫多雨條件下由于管道殘存水體及沉積污泥被沖刷進入受納水體導致的水質反彈現象比較多，為盡量避免該問題的發生，提出建議。

（1）加強管網建設，強化雨污分流改造。

（2）調整雨水管道入水體（泵站）堰高，降低殘存水體水位，減少管網積淤及殘存水體對受納水體的污染負荷。

（3）降低由徑流攜帶進入雨水管道的沉積物量，尤其是較大粒徑（＞230 μm ）沉積物的量，可在地表徑流入口處設置旋流分流器，有效降低地表徑流可攜帶顆粒物（包括可沉淀性泥沙及漂浮性樹葉、泡沫等垃圾）進入到雨水管網系統。