城市市政排水管網污染物溯源技術研究進展

季驍楠

1.上海勘測設計研究院有限公司

2.同濟大學環境科學與工程學院

3.中國長江三峽集團有限公司, 長江生態環境工程研究中心(上海)

城市高速發展和人口聚集，高強度的生產、生活活動給城市水環境帶來了高通量的污染負荷，但由于排水系統存在缺陷、面源污染難以有效控制、城市水體自凈能力不足及水動力條件不善等原因[1]，城市水環境污染、水生態破壞及水域空間萎縮等問題十分普遍[2]。黑臭是水體污染的極端現象，黑臭水體整治是我國污染防治攻堅戰中的重要抓手[3]，截至2020年12月，全國仍有556個黑臭水體亟待整治[4]。排水系統污水直排是水體發生黑臭的重要原因，雨污混接及錯接、管道中的積泥及雨天徑流也可能導致雨水排口或合流排口排出污染水體，因此黑臭水體治理的核心對象是城市市政排水管網[5-6]。

城市市政排水管網的問題主要表現在易出現污染源錯位現象，即應無污染源處識別出存在污染源或應有污染源處識別出無污染源。對錯位污染源高效識別的前提是進行污染物溯源，即通過對污染物的來源進行定性或定量研究，判斷管網內污染物及其來源的因果對應關系。傳統的污染源調查工作僅能初步判斷污染源類型及產污負荷[7]，較難反映不同污染源對管網水體的具體貢獻率；另外，城市排水管網的排水戶數量龐大、種類繁多且污水成分復雜，主要污染源包括生活污水[8]、工業廢水[9]、地表徑流[10]、入滲地下水[11]及倒灌地表水[12]等，導致污染源調查工作需要很高的成本。而污染物溯源技術可對管網內未知污染源的位置、源強及排放過程進行精準識別，對管網的非法連接及違規排放判斷具有重要指導意義。

針對城市市政排水管網污染物溯源的技術方法已經有較多的研究報道，常見的溯源技術包括物理排查法、特征因子法及水紋識別法等，可供各技術選擇的具體方法種類繁多。目前對于這些技術方法的系統性總結較少，考慮到污染物溯源的必要性、迫切性以及溯源方法的多樣性，針對排水管網污染物溯源技術的系統總結非常重要。筆者圍繞城市市政排水管網污染物溯源技術研究進展，詳細闡述已有溯源技術方法的原理及典型案例，比較各種方法的優劣性及適用場景，提出其面臨的挑戰及未來發展方向，有助于針對不同污染場景篩選適配的溯源技術，并為城市市政排水管網的問題識別提供參考。

1 物理排查法

物理排查法是指通過對排放口、市政排水管線及小區排水管等進行摸查，實現排放口污染物溯源的方法[13]。采用該方法進行污染物溯源時，通常首先需要對入河排污口進行調查和監測，在此基礎上通過物理檢查確定排水管網系統的重點探查區域，再采用管網探查技術進行針對性檢測。物理排查法技術路線見圖1。

圖1 物理排查法技術路線Fig.1 Technical route of physical investigation method

在進行物理檢查前，首先需要對入河排污口進行全面調查與監測，充分了解入河排污口的類型、數量和位置分布，入河排污口排放方式，廢/污水入河方式等[14]。對入河排污口的監測主要涉及水量和水質2個方面，要對入河排污口污水流量和水質進行同步監測；針對如明渠、暗管和潛沒等常見排污口入河方式，分別采用不同儀器方法進行監測；根據污水的不同來源，對水質監測指標進行調整[15]。

在對入河排污口進行全面調查與監測后，可對市政排水管網實施物理檢查。在1個典型案例中，研究人員以葡萄牙埃斯托里爾海岸為研究對象，探討了在截流系統覆蓋流域范圍較大、但市政管網資料缺乏的情況下，采用流量數據分析各污染源分布的可行性。該流域內共布設24臺流量計，流量監測間隔為5 min，監測時間持續1年，通過對各節點流量的監測判斷了各污染源的污染負荷比例，并對管網存在問題進行了評估[16]。考慮到管網內的惡劣條件及流量計的維護、校準等工作，流量監測的空缺期難以避免，另外管網內部逐段流量觀測較為費時、費力，需結合其他方法進行補充檢查。除流量監測外，也可通過煙霧測試[17]、染料測試[18]、光纖分布式溫度傳感[19]及視頻識別等物理方法初步確定管網問題區域，各方法的特點見表1。

表1 物理排查法技術特點Table 1 Characteristics of different physical investigation methods

之后，按照“自下而上，由末端向源頭追溯”以及“雨天查雨水混入污水，晴天查污水混入雨水”的溯源路徑，通過潛水檢測、目視檢測及簡易工具檢測等人工探查方法，結合管道內窺攝像檢查技術（CCTV）、管道潛望鏡（QV）、聲吶檢測等儀器設備[20]，對市政排水管網進行內窺檢測，為管網接駁完善、維護修復和小區正本清源等提供關鍵技術支持[13]。各方法的特點見表1。

物理排查法可以直接探清市政排水管網的主要結構缺陷及部分功能缺陷，能部分回答管網內污染源的錯位問題。但由于管網水質與污染排放源之間關系復雜，源與受體之間并不是簡單的線性對應關系，因此物理排查法不能作為城市市政排水管網污染物溯源的唯一措施。

2 特征因子法

特征因子法通過采用不同市政污水來源的特征因子，結合流量圖法或化學質量平衡法定性、定量判定各污染物的來源及污水組成比例，以此來確定管網的非法連接等問題[21]。原則上，理想的特征因子需滿足以下要求：污染源和非污染源之間濃度差異顯著；每種可能的污染源排放濃度變化較小；基本上不發生物理、化學及生物反應；具有合適的檢出限、靈敏度和較高的可重復性[22]。特征因子法可準確定性、定量確定各污水的來源，在國內雨污管網錯/混接排查領域應用廣泛。目前常用的特征因子主要包括糞便污染指示菌，含氮化合物，鈉、鉀及氯化物等無機鹽，人造甜味劑，藥物及化妝品類和其他多種特征因子等。

2.1 糞便污染指示菌

糞便污染指示菌主要包括總大腸菌群、糞大腸菌群、大腸埃希氏菌及腸球菌等，可作為水體受糞便污染的特征指示菌[23]，其中大腸埃希氏菌和腸球菌對糞便污染的指示效果最佳[24]。已有研究表明，大腸埃希氏菌從寄主體內排泄后可在環境中生存21 d，可作為糞便污染或不衛生處理過程中的評價指標[25]。各市政污水來源中糞便污染指示菌的濃度見表2。通過對比生活污水與雨水管網旱天出流的糞便指示菌濃度，可確定生活污水的混接比例[24]。另外，通過測定從水樣中提取的DNA基因標記物，可避開傳統繁瑣的建庫過程，快速找到水體中的糞便污染源[26]。

表2 城市市政排水管網不同污染源的特征因子參考濃度Table 2 Reference concentrations for different pollution source marker species of urban municipal drainage pipe networks

2.2 含氮化合物

1993年，美國國家環境保護局發布了《污染物非法排入雨水排水系統調查指南》，將氨氮（NH3-N）列為表征生活污水的特征因子[36]。然而在旱天時，雨水管網的充滿度較低，雨水管道易處于好氧狀態，管道中的NH3-N會發生硝化反應，可造成NH3-N通量的損失，因此目前已不建議將NH3-N作為生活污水的特征污染因子[21]。為評估降雨導致的雨水入滲入流的嚴重性，研究人員篩選了包括咖啡因、總氮（TN）、總懸浮物、大腸桿菌和腸道球菌素等在內的多種特征因子，對各特征因子的通量穩定性及預測準確度進行了比較。結果發現TN呈現出比其他指標更高、更一致的通量穩定性，并且與雨水入滲入流預測值的相關性最高（R為0.74～0.78）[37]。因此，TN可被用作研究污水管網雨水混流程度的主要特征因子之一。

2.3 鈉、鉀及氯化物等無機鹽

食品工業是城市內普遍存在的行業類型，2017年化學需氧量、NH3-N、TN及總磷排放量前3的行業均包含農副食品加工業或食品制造業[7]。通過對包括水產品加工業、植物油加工業、焙烤食品制造業（膨化）、焙烤食品制造業（糕點）、豆制品加工業、乳制品制造業及方便食品制造業等典型工業企業生產廢水水質的檢測，可確定食品加工與食品制造業廢水的特征因子，根據各候選特征因子穩定性的分析結果，判斷鈉、鉀及氯化物等無機鹽可作為食品行業廢水的特征因子，其典型濃度見表2[30-31]。另外，考慮到廢水中鈉、鉀及氯化物濃度與電導率的相關性較好[30]，且管網廢水電導率的在線監測成本通常較低[38]，因此可以根據電導率監測的結果實現食品行業廢水污染物的溯源。

2.4 人造甜味劑

人造甜味劑包括乙磺胺[39]、環磺酸鹽[40]、糖精[41]和三氯蔗糖[42]等，廣泛存在于食品、飲料、藥物及個人護理品中，其中乙磺胺、三氯蔗糖等難以發生降解，可作為生活污水的特征因子[39]。國內典型城市生活污水中乙磺胺濃度均值可達10 μg/L[43]，而在背景地下水樣品中通常難以檢出[44]，因此有研究利用乙磺胺作為特征因子來評估地下水入滲對市政管網的影響。通過檢測管網節點的水質，結合Monte Carlo化學質量平衡計算，可實現對地下水下滲進入市政管網情況的分析[45]。對于高風險匯水區域，地下水的來源及流動時空特征可利用基于微生物遺傳算法的數值自我優化模型進行分析，再通過現場管道流量測量及在出口處示蹤劑濃度的時間序列模式進行驗證[46]。

2.5 藥物及化妝品類

在制藥生產過程中，通常原輔料投入量大、產出比小，并且化學品用量及工藝環節中的廢水排放均有高鹽、高有機物的特點，因此可以在對產品、工藝路線及原輔材料充分調研的基礎上，確定不同類型制藥工藝廢水的特征因子[47]。例如，手性藥物心得安（propranolol）的對映體分數可被用于區分地表水中少量未經處理的生活污水以及工業廢水。研究人員通過對5家污水處理廠進水及二級處理后出水中心得安對映體的檢測，發現進水中心得安對映體分數為0.50±0.02，經過二級處理后小于或等于0.42。另外，在實驗室模擬的市政污水活性污泥處理系統中，經過生物處理后，心得安的對映體分數從0.50降至0.43。在已知或懷疑存在未經處理市政污水排放的地表水樣品中，心得安的對映體分數約為0.50；且廢水排放量大的地表水中心得安的對映體分數與廢水中所觀察到的對映體分數相似，說明心得安對映體分數可用來檢測制藥生產廢水的管網泄露和溢流情況[32]。

2.6 多種特征因子

有研究通過監測城市典型分流制雨水系統旱流污水的水質及水量，結合流程圖法和化學質量平衡法，判斷了系統的混接程度及污染來源，LAS/NH3-N、NH3-N/K、Mg/K則可分別作為灰水、黑水及地下水的示蹤水質參數，其特征濃度見表2[34]。徐祖信等[21]分別采用TN和乙磺胺、氟化物及硬度指示生活污水、半導體工業廢水和地下水，并利用Monte Carlo算法計算了上海市中心城區某分流制排水系統管網混接水量的比例，發現當Monte Carlo運算次數達1 000次以上時，可得到穩定的混接比例，提出不同混接來源特征因子的監測濃度（表2）。另有研究發現鋅、NH3-N及磷濃度分別在地表徑流、旱流污水和管渠污泥中具有特異性且相對穩定，因此可采用Zn/P、NH3-N/Zn及P/K作為上述3個污染源的特征參數，其特征濃度見表2[33]。

根據上述各特征因子的指示對象，針對市政排水管網的不同污染源總結其適配特征因子如下：生活污水可采用的特征因子包括糞便污染指示菌（如大腸埃希氏菌和腸球菌等）、LAS/NH3-N、NH3-N/K、TN及乙磺胺等；在工業廢水中，食品工業廢水可采用的特征因子包括鈉、鉀及氯化物，制藥廢水可采用的特征因子包括藥物及化妝品類指標（如心得安對映體分數），半導體企業廢水可采用的特征因子包括氟化物等；地下水入滲可采用的特征因子包括人造甜味劑（如乙磺胺和三氯蔗糖等）、Mg/K及硬度等；雨水混接或地表徑流可采用的特征因子包括TN及鋅等。利用特征因子法進行污染物溯源的研究較多，但也存在一定局限。例如在污染物來源復雜的情況下難以準確判斷污染源，得到的結論較模糊；水化學參數往往穩定性較差，只能在具有如鈉、鉀及氯化物等穩定特征因子的污染源識別中才能使用，適用范圍有限[48]，實際工程中通常需要結合多種特征因子或與其他污染物溯源技術一同運用。

3 水紋識別法

水樣的三維熒光光譜與水樣有機成分一一對應，因此被稱為水質指紋，簡稱水紋。隨著水污染溯源儀器及技術的發展，水紋識別技術得到了廣泛關注，其可用來確定排水管網的主要污染物，再通過與污染源數據庫的比對鎖定污染源。水紋識別法可實現對工業園區管網廢水的溯源分析研究，據此對園區內企業排污實施溯源與監督，并對下游污水處理廠的進水進行污染預警。吳靜等[49]依據水樣的三維熒光光譜構建了水質指紋溯源儀器，利用該儀器對南方某市工業園區管網內污水進行長期采樣，得到了管網污水的水質指紋圖譜；趙宇菲[50]將該圖譜與水質指紋圖譜數據庫進行比對，判斷符合印染廢水的特征。此外，與三維熒光圖譜相似，每種水體都有獨特的微生物組成，由此可形成水樣的DNA指紋圖譜[51]。荷蘭研究人員利用第二代DNA測序技術分析了污水處理廠進出水及地表水的DNA序列，用于追蹤市政污水泄露進入地下水的情況[52]。考慮到各國市政排水管網內污水的DNA序列相對穩定，基因圖譜法可為溢流污水來源、污水處理廠出水追蹤以及混合排口出水來源的深入研究提供可能[53-58]。

目前基于水紋識別法的污染源溯源技術正逐漸被政府采納，可以兼容在常規監測系統中，并可迅速定位可能導致水質異常的工業企業等。但水紋識別法同樣存在局限性，例如難以對不具有水紋特性的水樣發生響應，難以識別重金屬等同樣風險較大的污染物。為更好地體現已有城市市政排水管網污染物溯源技術方法的應用前景，表3詳細列出了上述方法的優越性、局限性以及應用場景。

表3 城市市政排水管網污染物溯源技術優劣及應用場景Table 3 Advantages and disadvantages of pollutant traceability technologies in urban municipal drainage network and their application scenarios

4 結論與展望

基于城市市政排水管網污染物溯源的迫切需求，目前已有較多針對生活污水、工業廢水、地下水下滲及面源污染等主要污染源的溯源技術研究成果。但由于排水管網污染源繁多、污染物輸送路徑不清晰、水動力條件復雜等原因，溯源技術在實際工程中的應用相對較少。我國溯源技術與國外先進技術尚存一定差距，因此未來需要開展更多針對溯源技術的應用研究，以明確污染源作用于市政排水管網的時空量化信息，并據此提出管網缺陷的精準識別技術方案。在進行實際污染物溯源作業過程中，需綜合考慮多種影響因素，包括雨水與污水管網中各自污染物的種類、濃度及分布差異，以及合流制系統、分流制系統及雨/污管網錯/混接等不同管網拓撲結構和類型等，在此基礎上篩選最適合的溯源技術方法。

現階段，污染物溯源技術研究正逐步由定性粗篩向定量精查轉變，未來我國城市市政排水管網污染物溯源技術研究可能的發展方向包括：1）穩定同位素法。穩定同位素是自然界廣泛存在的、不發生或極不易發生衰變的同位素，可用于水環境污染物的示蹤研究。常用的示蹤穩定同位素包括氧（18O）、碳（13C）及氮（15N）等，目前主要用于地表水、地下水及沉積物的污染物溯源，未來在對污染源初步篩查的基礎上，可推廣用于市政排水管網污染物的定量示蹤。考慮到各國市政排水管網內污水的DNA序列相對穩定，因此基因圖譜法可以為溢流污水來源、污水處理廠出水追蹤以及混合地表水來源的深入研究提供可能。2）數值模擬法。利用數學模型的方法求解環境水力學反問題，通過已知的污染物時空分布信息及水環境系統控制方程，反演對流擴散模型的邊界條件、參數、初始條件及源項等，目前研究主要針對地表水、地下水及供水管網。在明晰管網拓撲關系的基礎上，通過構建管網水動力模型并選擇最優的溯源反算算法，未來也可用于估算市政排水管網內污染物的來源。3）單一方法向多方法結合轉變。如在對管網物理排查的基礎上，將數值模擬法、水紋識別法及特征因子法進行耦合，可逐步確定需溯源的管段、可能的排放行業以及具體的排污行業等，再結合穩定同位素法，可厘清污染物的產生、輸送及排放特性等。