多點匯流下污水管網污染物遷變規律及其機制

石 烜,高 歌,任 博,田嘉盟,金 鑫,王曉昌,金鵬康 (西安建筑科技大學環境與市政工程學院,陜西 西安 710055)

污水管網是城市污水系統的重要組成部分[1],在污水管網長距離輸送過程中,污水水質會發生顯著變化,其所攜帶的碳,氮,硫污染物存在著形態,含量的波動轉化規律,并因其含量豐富,為污水管網生物膜中微生物的繁衍代謝提供了良好的基礎[2-3],使得污水水質產生進一步改變,顯著制約了污水管網的安全穩定運行及后續污水處理環節的處理效力[4].

管網中微生物的生化反應過程主要包括發酵作用,氨化作用,硫酸鹽還原作用,產甲烷作用以及微生物的增長與衰減等[5-6].氨化作用是氨化細菌將有機氮轉化為 NH4+-N導致 NH4+-N濃度升高的過程[7].微生物自身的生長繁殖,發酵[8],產氫產乙酸[9-11],產甲烷[12-13]和硫酸鹽還原[14-15]等過程是污水管道中的主要生化反應,是污水中COD減少的主要原因.因此探究污水管網中微生物轉化對水質的作用特性成為學者們的研究熱點[16-17].

然而,目前對于城市污水管網的研究,主要集中于在一條主干管中污水的遷移轉化特性和微生物作用[18-20],而忽略了實際情況中的支管匯流污水對主干管污水水質的影響,目前對于支管污水進入主干管對主干管污水產生沖擊以及匯流區域微生物的研究甚少.在實際情況下,污水從污水源排出后,首先進入的是各級污水支管管道,從污水支管流入干管,再匯入主干管,最終進入污水處理廠,在此期間,污水需經過多次匯流,匯流會對主干管污水有沖擊作用,同時污水還進行著復雜的物理,化學和生物學變化,這些變化不僅影響污水管道的輸送效率和管網中生物膜的生長情況,還會影響污水處理廠的進水水質.

基于此,本文建立多點匯流城市污水管道模擬中試試驗系統,在原有的一根主干管模擬系統中增加 5個匯流支管進行多點匯流模擬,通過檢測分析污水中的 SCOD,NH4+-N和 SO42-等污染物質濃度和管道中的微生物分布,探究城市污水管網中多點匯流條件下污染物的遷變規律以及微生物對污染物變化的影響,為進一步探明實際城市污水管網污水水質轉化特征及其對污水處理廠的影響機制提供理論依據.

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

反應器在原有的城市污水模擬管道反應器[21]基礎上增加 5個匯流點,形成城市污水管網多點匯流中試試驗系統(圖1).裝置主體由管徑為40mm的PVC管構成,總有效長度為1200m,坡度為0.5%,管壁經適當打磨,使其管道內壁粗糙度與實際污水管道粗糙度相近,共有35層,每層長度約為35m,相鄰兩層之間由直徑100mm,高50mm的圓柱形有機玻璃檢查井連接.5個匯流點分別設置在如圖 1所示的6,12,18,24,30層的檢查井位置,5個支管由管徑為20mm的PVC管構成.

圖1 城市污水管網多點匯流中試試驗系統示意Fig.1 Schematic diagram of pilot test system for multi-point confluence in urban sewage pipe network

每層模擬管段以及匯流點前,后均設有取樣點,為便于觀察水流狀態以及放置生物膜載體,取樣點兩側設有活結連接的有機玻璃管段,同時模擬管段外部裹有保溫材料,使其處于一個避光恒溫的環境中.

1.2 模擬試驗條件

試驗溫度為(26±2)℃,溶解氧為(0.1±0.05) mg/L.系統依靠潛水泵將1號和2號水箱中經充分混合的原水分別提升至具有一定高度的3號和4號水箱,1號和 2號水箱的尺寸為 D×H=1200mm×1500mm,3號和 4號水箱的尺寸為 B×L×H=500mm×500mm×500mm,3號水箱污水依靠重力流進入模擬主管段,4號水箱污水依靠重力流進入模擬支管段,而后匯入模擬主管段,在連續運行期間流速約為0.15～0.25m/s,水力停留時間約為2.5h,管道充滿度為0.6.

1.3 進水水質

試驗采用人工配水作為原水,主管和支管的原水組成和水質相同,如表1和表2所示:

表1 原水組成和水質Table 1 Composition and quality of raw water

1.4 取樣方法

反應器共設17個水樣取樣點,在每個匯流點前后各設置一個取樣點,并且在距進水口為 0,200, 400,600,800,1000和1200m的地方分別設置1個取樣點.以5個匯流點為界,將1200m管道分為5段, 0m(進口),200m,300m匯流點前,300m匯流點后分別為第1段的第1、2、3、4個取樣點;400m,500m匯流點前,500m匯流點后為第2段的第1、2、3個取樣點;600m,700m匯流點前,700m匯流點后為第3段的第1、2、3個取樣點;800m,900m匯流點前,900m匯流點后為第4段的第1、2、3個取樣點;1000m, 1100m匯流點前,1100m匯流點后為第5段的第1、2、3個取樣點.

在反應器 200,300,400,500,600,700,800,900,1000,1100和1200m處共設置11個生物膜取樣點,在反應器穩定運行20,50,90d對生物膜進行取樣檢測.

1.5 分析指標與測定方法

1.5.1 常規水質指標分析 定期在每個取樣點處采集污水后,測定 SCOD、NH4+-N、SO42-等水質指標.采用第四版《水和廢水監測分析方法》中規定的標準方法測定 SCOD、NH4+-N、SO42-,SCOD采用0.45μm 濾膜過濾后重鉻酸鉀法檢測,NH4+-N采用納氏試劑光度法測定,SO42-采用鉻酸鋇光度法測定.

1.5.2 環境因子測定分析 使用 HQ30d便攜式測定儀(HACH.USA)對系統污水的pH值、DO進行測定.經過前期穩定運行,污水中的 DO 平均濃度隨著管網距離的增加呈現降低的趨勢,從進口的0.35mg/L降為出口的 0.19mg/L,表明模擬管網內部環境在由缺氧向厭氧轉變.污水中的pH值基本保持不變,沿程均在6.9～7.2之間.這與實際污水管道的環境條件相近.

1.5.3 16S高通量測序分析 16S高通量測序分析由上海美吉生物醫藥科技有限公司與北京諾禾致源生物信息科技有限公司依照DNA提取與檢測、PCR擴增、熒光定量、Miseq文庫構、Miseq測序等步驟開展[22].對管道中的生物膜進行檢測分析,共檢測33個樣品,每個樣品設置3個平行樣,每個樣品測定大約8萬條序列.

1.6 計算方法

在多點匯流污水模擬管網中,導致污染物發生變化的原因主要有兩方面.第一,支管匯入主管,使主管污染物濃度發生變化;其二,生物作用導致污染物濃度發生變化.

1.6.1 支管匯流導致污染物的濃度變化量

式中:ΔCi,1表示第i段管道支管匯流導致污染物的濃度變化量;i代表1200m管道的段數; Ci,3表示第i段管道第3個取樣點的濃度; Ci,2表示第i段管道第2個取樣點的濃度,i=2,3,4,5;當i=1時, ΔC1,1=C1,4-C1,3,即第一段管道支管匯流導致污染物的濃度變化量等于第一段管道第4個取樣點濃度減去第一段管道第3個取樣點濃度.

1.6.2 匯流點之間管段生物作用導致污染物的濃度變化量

式中:ΔCi,2表示第i段管道匯流點之間管段生物作用導致污染物的濃度變化量;i代表 1200m管道的段數;Ci,2表示第i段管道第2個取樣點的濃度,Ci-1,3表示第i-1段管道第3個取樣點的濃度,i=3,4,5;當i=1時,ΔC1,2=C1,3-C1,1,即第一段管道生物作用導致污染物的濃度變化量等于第一段管道第3個取樣點濃度減去第一段管道第 1個取樣點濃度;當 i=2時,ΔC2,2=C2,2-C1,4,即第二段管道生物作用導致污染物的濃度變化量等于第二段管道第2個取樣點濃度減去第一段管道第4個取樣點濃度.

2 結果與討論

2.1 多點匯流條件下碳類污染物遷變規律

模擬管網系統在經過前期運行后,各項指標趨于穩定,開始對管網中污染物變化進行分析.

SCOD在管網中的初始進水濃度均在 325mg/L左右,根據SCOD各取樣點濃度運用式(1)計算可得,支管匯流導致SCOD的濃度變化量為正值,即表明支管匯流使主管SCOD的濃度增加.由式(2)計算可得,生物作用導致 SCOD的濃度變化量為負值,即表明生物作用使匯流點之間管段 SCOD濃度降低(取ΔC1,2, ΔC2,2和ΔCi,2的絕對值后作圖).與王寶寶[23]研究一條主干管城市污水管網中污染物的轉化規律不同,污水在經過1200m管道后,SCOD沿程呈現持續降低的趨勢,平均去除率分別為 34.0%.管道系統中污水COD濃度降低主要由于微生物的水解酸化作用,污水中的大分子有機物通過微生物的水解酸化作用被分解為簡單的小分子有機物,小分子物質經微生物進一步轉化最終成為如二氧化碳,甲烷等簡單的無機物,從而使污水中 COD濃度降低[24].

從圖2(a)可以看出,SCOD的濃度在生物作用下呈現降低的趨勢,在匯流作用下呈現增大的趨勢,并且匯流作用增加的濃度大于在生物作用下降解的濃度,所以 SCOD的濃度整體呈現上升的趨勢,出口濃度在 375mg/L左右.從柱狀圖中可以看出,5個匯流點對主管濃度的增加量基本一致,大約均為30mg/L,而隨著管道沿程距離的增加,生物作用使SCOD濃度的減少量先增大后減小,每200m的減少量分別為12.05,13.04,17.43,15.41和12.17mg/L,其減少量在管道 500～700m 之間達到峰值.圖 2(b)～(d)的濃度變化和變化量趨勢與圖 2(a)基本一致.在圖2(e)～(i)中,因為生物作用導致 SCOD 的降解量大于匯流作用導致SCOD濃度的增加量,因此SCOD的濃度整體呈現下降的趨勢,其余特征與圖 2(a)一致.可見,在多點匯流管網系統中,支管的匯流補充使主管SCOD濃度增大,而生物降解作用使SCOD濃度減小.因此,支管污水匯入會對主管污水產生沖擊,實際城市污水管網中,碳類污染物濃度并不是一直呈現沿程下降的趨勢,當支管污水的碳類污染物濃度較高時,匯入主管會使主管碳類污染物濃度增大,故支管污水的匯入是碳類污染物濃度發生變化的重要因素之一.

圖2 碳類污染物(SCOD)的遷變規律Fig.2 The changing laws of carbon pollutants (SCOD)

隨著時間的變化,在生物作用下 SCOD 的降解量在前70d一直增大,在70d后基本穩定(可能由于生物膜的生長與脫落處于動態平衡狀態),降解量最大值出現在70d后,即生物對SCOD的影響作用呈現先增強后基本穩定的趨勢.匯流作用導致主管濃度的總增加量基本在150mg/L左右,在50d后,生物作用導致SCOD的總減少量大于匯流作用導致SCOD的總增加量,所以 SCOD的出口濃度先減小后基本穩定于280mg/L左右(見圖2).這說明,雖支管匯流可使 SCOD濃度升高,但是經長期運行,生物作用導致SCOD濃度下降總量會大于匯流導致的增加總量,進而導致 SCOD濃度整體降低,因此微生物的水解酸化作用對污水管網的碳類污染物濃度變化影響占主導作用.

2.2 多點匯流條件下氮類污染物遷變規律

NH4+-N在管網中的初始進水濃度均在40mg/L左右,由NH4+-N各取樣點濃度運用式(1)計算可得,支管匯流導致NH4+-N的濃度變化量為正值,即表明支管匯流使主管NH4+-N的濃度增加.由式(2)計算可得,生物作用導致NH4+-N的濃度變化量為正值,即表明生物作用使匯流點之間管段NH4+-N濃度升高.NH4+-N濃度升高的主要原因是有機氮的氨化作用[7,25].

以圖3(a)為例,從折線圖中可以看出,NH4+-N濃度在 1200m多點匯流模擬管道中呈現逐漸增大的趨勢,其出水濃度升高至55mg/L左右.從柱狀圖可以看出,匯流作用使 NH4+-N的濃度增大值基本相同,都在 2.5mg/L左右,而生物作用下每200m NH4+-N濃度的增大量分別為0.36,0.52,0.67,0.58和0.49mg/L,最大值在500～700m之間,其變化量可以分為兩個階段,在700m之前,生物作用使NH4+-N升高的濃度一直逐漸增大,而在 700m 之后,其變化量逐漸減小.其余取樣時間的變化趨勢與圖3(a)變化趨勢相一致.可以得出,在多點匯流管網系統中,微生物作用可使NH4+-N濃度增大,匯流作用也使主管NH4+-N濃度升高.因此,支管污水的匯入是氮類污染物質濃度發生變化的重要因素之一.在實際城市污水管網中,NH4+-N濃度的升高不只是因為有機氮的氨化作用,還與支管污水的匯入有關,當支管污水的NH4+-N濃度較高時,匯入主管會使主管 NH4+-N 濃度增大.王斌[26]研究了一條主干管中 NH4+-N 的含量變化,結果顯示,污水經過1200m管道輸送, NH4+-N含量由38.8mg/L升高至 42.9mg/L,其變化只來源于微生物的代謝作用.

圖3 氮類污染物(NH4+-N)的遷變規律Fig.3 The changing laws of nitrogen pollutants (NH4+-N)

從圖 3(a)～(i)可以看出,NH4+-N 濃度呈現持續升高的趨勢,從反應器穩定運行第 10d～第 60d,生物作用使NH4+-N濃度升高的變化量呈現持續增大的趨勢,即生物對NH4+-N濃度變化的影響作用一直在增強,在60d后,因生物作用導致NH4+-N濃度的增加量基本保持穩定(可能由于生物膜的生長與脫落處于動態平衡),NH4+-N出口濃度也基本保持在大約70mg/L,即在生物作用影響下 NH4+-N的變化量在60d后達到穩定且最大.匯流作用使主管NH4+-N濃度的總增加量基本在12.5mg/L左右,在50d后,因生物降解作用使NH4+-N的總增加量大于匯流作用導致 NH4+-N 的總增加量.這說明,支管匯流會對主管NH4+-N 有補充作用,但是經過長期運行,在氨氧化作用下導致的NH4+-N增加總量會超過因匯流增加的總量,因此氨化作用使有機氮轉化為 NH4+-N是NH4+-N濃度發生變化的主要因素.

2.3 多點匯流條件下硫類污染物遷變規律

SO42-在管網中的初始進水濃度均在20mg/L左右,由 SO42-各取樣點濃度運用式(1)計算可得,支管匯流導致 SO42-的濃度變化量為正值,即表明支管匯流使主管 SO42-的濃度增加.由式(2)計算可得,生物作用導致 SO42-的濃度變化量為負值,即表明生物作用使匯流點之間管段 SO42-濃度減小(取的絕對值后作圖).王寶寶[23]對一條主干管污水管網中的SO42-轉化研究結果表明,SO42-沿程持續降低,去除率為 23.1%.SO42-含量降低主要是由于管網內硫酸鹽還原菌的作用,在缺氧/厭氧的環境下硫酸鹽還原菌將 SO42-還原為 S2-,從而導致 SO42-的濃度減小[13,27].

由圖4(a)可知,經過1200m管道,SO42-出口濃度為 30mg/L左右,主要由于 5個匯流點(每個大約為2mg/L)的補充,SO42-濃度整體呈現上升的趨勢.匯流點之間管段的生物膜對硫酸鹽有降解作用,使其濃度減小,每200m減少量分別為0.00,0.13, 0.24,0.18和0.10mg/L,減少量先增大后減小,最大值在500～700m 之間.除圖 4(g),(h),(i)外,其余時間取樣變化趨勢與圖 4(a)相一致.圖 4(g),(h),(i)的硫酸鹽濃度分別由入口的20.78,20.82,20.80mg/L下降到出口的 19.61, 20.53, 19.98mg/L,整體稍有下降.可見,在多點匯流管網系統中,支管匯流作用對主管 SO42-有補充作用,微生物對 SO42-有降解作用.因此,支管匯流是硫類污染物濃度發生變化的重要因素之一,在實際城市污水管網中,硫類污染物濃度并不是一直沿程降低,當支管匯流的硫類污染物濃度較高時,可使主管的硫類污染物濃度升高.

圖4 硫類污染物(SO42-)的遷變規律Fig.4 The changing laws of sulfur pollutants (SO42-)

從圖 4(a)～(g),在生物作用下 SO42-的濃度降解 量一直在增大,從圖 4(g)～4(i),其值基本保持穩定(可能由于生物膜的生長與脫落處于動態平衡狀態),也就是生物對 SO42-降解的作用先增強后保持穩定,因此 SO42-的出口濃度隨時間變化呈現先減小后基本維持在20mg/L左右的趨勢.在70d后,匯流點補充的SO42-總量和生物作用導致 SO42-的減少總量大約都在 10mg/L,即兩者對 SO42-的影響作用大致相等,呈現平衡狀態.

2.4 多點匯流條件下微生物分布特征

碳類污染物轉化菌屬包括 Trichococcus[28],Cloacibacterium[29],Tolumonas[30]等水解發酵菌(FB),Veillonella[31],Anaerolinea[32]等產氫產乙酸菌(HPA)和 Levilinea[33]等產甲烷菌(MA),氮類污染物轉化菌屬包括 Thiomonas[34],Parabacteroides[35]等氨氧化菌(AOB),硫類污染物轉化菌屬包括Desulfovibrio[36],Desulfonema[37],Acidithiobacillus[38]等硫酸鹽還原菌(SRB).

如圖5(a)所示,管道系統沿程具有碳氮硫類污染物轉化功能的總菌屬相對豐度在生長過程中逐漸增加,在700m處相對豐度最大,沿程呈現先增大后減小的趨勢,因前700m管道中適宜的生存條件和越來越豐富的碳氮類物質提供了大量的有機物和營養鹽,使得微生物快速繁殖,促使了污水在流動過程中有機污染物質含量和形態的轉變,因此在生物作用下污染物的濃度減少量越多(與 2.1,2.2,2.3生物作用導致污染物濃度減少量的變化趨勢相一致),而在700m之后,可能因600～800m范圍內環境因子發生了變化,生物膜內部的微環境發生了劇烈的變化,微生物群落不適應環境的突變,導致微生物群落在該范圍內的分布發生了改變[19],因此管網內的總微生物豐度整體呈現減少的趨勢,但在匯流點處會有少量的增加,說明支管匯流對微生物生長也有一定的促進作用,進而影響污染物的變化.700m后微生物豐度整體降低,因微生物作用導致污染物的濃度減少量也會相應減少(與2.1,2.2,2.3生物作用導致污染物濃度減少量的變化趨勢相一致).

圖5 多點匯流條件下微生物分布Fig.5 Microbial distribution under multi-point confluence conditions

與具有碳氮硫類污染物轉化功能的總菌屬繁殖規律類似,碳,硫類污染物轉化菌屬歷時呈現逐漸增大的趨勢(如圖5(b),(d)所示).FB將大分子有機物質進行水解酸化之后可產生兩類結構更為簡單的有機物,第一類主要由乳酸,乙醇,丙酸和丁酸等物質構成,HPA通過降解此類物質生成氫氣和乙酸,從而為產甲烷過程提供物質來源[39],第二類物質主要由甲酸,甲醇,甲胺和乙酸等物質構成,這部分有機物可以直接被MA所消耗利用,SRB以甲醇和乳酸為碳源進行生長繁殖[40].碳,硫類污染物轉化菌屬在 0～700m相對豐度逐漸增大,在700m后逐漸減小(如圖5(b),(d)所示),變化原因與總菌屬類似.與以上菌屬不同的是,氮類污染物轉化菌屬在污水管道生物膜中含量較低,且無明顯的變化趨勢(如圖5(c)所示),這是由于在污水管道缺氧-厭氧的環境條件下無法進行氨氧化過程,這也是污水在流動過程中氨氮逐漸積聚的原因之一.

由圖 5(e)可以看出,隨著時間的變化,各類菌屬豐度持續增加,即微生物持續繁殖增長.對碳類污染物進行轉化的微生物菌屬主要有 Trichococcus,Flavobacterium,Cloacibacterium,Raoultella,Aeromon as,Veillonella,Anaerolinea,Levilinea等,其中FB菌屬占比較大,因此發酵菌是主要優勢菌群,說明微生物對水質的改變主要以水解酸化作用為主.對硫酸鹽起還原作用的主要菌屬有 Desulfovibrio和Desulfonema等.

3 結論

3.1 匯流點前SCOD和SO42-濃度降低,NH4+-N濃度升高,經過匯流點后,3類污染物濃度均明顯增加,故支管污水的匯入是污染物質濃度變化的重要因素之一.

3.2 后期水質達到穩定,SCOD濃度由進口的320mg/L左右下降至出口的 280mg/L左右,在氨化作用下導致的NH4+-N總增加量在15mg/L左右,高于因匯流產生的增加總量 12.5mg/L左右,表明匯流管網系統中微生物的消耗代謝作用是碳氮類污染物變化的主導因素,而 SO42-后期進出口濃度均在20mg/L左右,說明支管匯流和生化代謝使SO42-的含量維持在動態平衡的狀態.

3.3 在管道前 700m,微生物豐度逐漸增長,同時在生物作用下 SCOD,NH4+-N,SO42-的變化量逐漸增長,在700m 后,微生物豐度降低,從而導致各類污染物的降解量逐漸減小,因此生物作用導致三類污染物質的變化量沿程呈現先增大后減小的趨勢.FB為主要優勢菌,說明微生物主要利用水解酸化作用改變水質.