電導率作為排水管道水質特征指標的潛力分析

陳至誠,邵銘煒,馮修平,林 芳,余子健,劉希庭,宋姍姍,吳 俊,*

(1.福州市濱海水務發展有限公司,福建福州 350207;2.福州新區生態環境與城市建設管理局城市建設管理處,福建福州 350207;3.上海城市水資源開發利用國家工程中心有限公司,上海 200082;4.上海眾毅工業控制技術有限公司,上海 200061)

排水管網數量大、隱蔽性突出,導致日常養護難以及時發現問題。管網中的水質特征往往可以反映入流的水量來源特征,對于識別混接與錯接等情況具有重要的意義。但在排水管道中開展水質檢測也面臨著離線檢測人力投入高、周期長、管網內水質特征瞬息萬變,致使樣品代表性難以評估;在線監測對設備運行與維護要求高,前期投入及后期維護成本普遍較高,因此,其廣泛應用受到限制。綜上可以發現,在線監測可以做到高頻次采樣,不易漏失關鍵數據,對于實時評估排水管道的運行狀況具有重要意義,但其投入與運維成本較高,難以系統性大范圍應用。如若在線監測點位受限,此時對有限數據的分析難以充分體現在線監測的價值,更無法實現對排水管網的系統性實時精準管控。

電導率(electrical conductivity,EC)在線監測便捷、設備穩定性高、維護成本較低,近年來在水環境與原水水質監控、農村污水治理設施運行狀態監控、工業廢水處理效果監控等領域備受青睞。考慮到排水管道內水量來源特征、水質時變化特征及監測條件的復雜性及特異性[1],應用EC在線監測設備作為排水管道日常運行管理的數據分析基礎仍缺乏驗證依據。本文重點對EC作為排水管道水質分析依據的可行性進行綜述分析,以期為EC在線監測技術在排水管道日常監管中的應用提供參考。

1 EC在指示水質污染中的應用現狀

張苒等[3]通過統計分析某水文站多年在線EC數據,分析EC時變化特征,確定EC特征閾值;基于上述基礎,成功地通過在線EC監控系統精準識別出突發重金屬污染事件,在地表水環境預警監控中起到了至關重要的作用。為了對原水水質進行長期的預警預報,黃斌等[4]統計了研究區域內多年的水質數據,并分析了EC與其他各類指標的相關性,發現堿度、氯化物及COD與EC之間存在顯著的正相關性,上述結果對采用EC在線監測預警預報咸潮入侵提供了重要的理論支撐。張智純[5]對嘉興市及富陽區、定海區等地的農村污水水質特征進行了系統性分析,通過構建各污染物指標與EC之間的相互關系,建立了基于EC的農村生活污水處理設施在線監控方法,并通過在線指令保障設施的運行維護。為了實現對印染、紡織及熱電等行業廢水總排放口出水鹽分的快速定量監控,白玲[6]研究了上述廢水中鹽分與EC的相互關系,并建立了不同水質來源下鹽分與EC的換算方法,實現了應用EC儀對工業行業廢水中鹽分的在線測定。此外,鑒于EC對多類型污染物的敏感性及其高頻的反饋能力,研究者開始在城市排水系統領域探索EC儀的應用場景。研究人員[2]通過構建雨水徑流中TN與EC的相關性,建立了基于在線EC數值的雨水截流設施運行管理模式,用于在最大排水能力下截流更高的污染物總量;研究發現,在片區內的多個截流設施中應用統一的EC閾值范圍作為運行標準時,其截污效率高于各設施采用經過獨立分析而獲取的EC閾值范圍,同時也高于常規的物理截流模式。Samrani等[7]也將在線EC設備安裝于排水管道的末端,用于監控合流制溢流(CSO)水質變化特征。

2 排水系統中EC特征

排水管道內水流的主要來源包括各類污水及雨水徑流,水流通過排水管道進入污水處理廠或通過排放口排入受納水體。為了提高水質識別的速度,提升排水系統管理的效率,已有研究針對排水系統潛在污染源、雨水徑流及末端水質的EC特征開展分析。以下將對相關研究進行綜述討論,以初步分析EC在排水管道水質監控中應用的可行性。

2.1 排水管道潛在污染源EC特征

2.2 雨水徑流EC變化特征

Lacour等[11]對多場次降雨事件進行分析后發現,當雨水徑流持續排入后,排水管道中的EC值出現顯著降低;降雨事件末期,管道中的EC值又開始逐漸上升。此外,研究[2]顯示,雨水徑流中EC與TN等污染指標具有較好的相關性。

2.3 管道末端水流EC變化特征

Montalvo-Cedillo等[12]為了分析溢流雨污混合水水質變化特征,在CSO口安裝了在線EC設備,并進行了其他水質指標的采樣分析,經過對大量數據的對比分析發現,溢流雨污混合水的EC值在溢流初期即達到峰值,其反饋速率顯著快于其他指標。Shirasuna等[13]也在初期雨水的研究中發現了相似的規律。因此,EC在反饋排水管道內的水量突變情況時有其顯著性優勢。

結合前述分析可以發現,雨水徑流、各類污水中的EC值有其常規特征,其對于水量波動具有較高的敏感度。Launay等[14]依據EC值的上述特征,通過對某片區內溢流雨污混合水、雨水徑流及旱流污水中各類化學指標及EC的數據分析,建立了基于EC值的CSO中雨水徑流及旱流污水貢獻比例分析方法,其解析結果與依據其他各類特征指標的計算結果的偏差均低于25%。Langeveld等[15]通過該方法對CSO中SARS-CoV-2濃度進行校正。

3 測量原理對水質在線監測的影響

EC可作為物質傳輸電流能力強弱的評價指標,EC值越大則導電性能越強,反之越小。因此,水體中的EC是表征水體中導電能力的指標,其可間接反映水體中導電物質(以離子為主)的數量。流體中通常采用電極法和電磁法測量EC。電極法是基于電解導電原理,通過電阻測量過程間接地測定EC。電極法的測定過程是一個復雜的電化學過程。當對電極施加直流電后,陽極發生氧化反應,同時陰極發生還原反應,即法拉第(Faraday)過程。此時,電解產物在陰陽電極和溶液間形成電勢,且電勢方向與外加電勢相反,進而電極之間的電流逐漸降低,等效溶液的電阻值上升,即發生化學極化效應。電極法中的電極需要涂抹耐腐蝕材料。電磁法是通過電磁感應原理測定溶液回路的導電能力,即通過閉環線圈在溶液中產生感應電壓,并通過另一組線圈接收由感應電壓產生的感應電流,測定中保持EC與電流成正比。

電極法通常測定速率快、設備更為輕便,且對低濃度更為靈敏,但其較易發生極化效應而影響測定的準確性[16],同時電極的使用壽命較低。電磁法中不使用電極,因此,不會發生電極的極化問題,且對高溫、高壓、強堿、強酸等惡劣環境具有耐受性。一般而言,電磁法對高EC溶液的測量精度更高,當測定純水等低電導溶液時,測量精度較低。相比于電極法,電磁法所需的一次性經濟投入相對較高,但其長期的維護費用較低且環境耐受性較強[17]。

溫度是影響EC的關鍵因素。溫度會影響電解質在溶液中的電離度和溶解度,進而使溶液的黏度和離子遷移速度發生變化,此時EC亦發生變化。一般情況下,25 ℃是表征EC的標準溫度,當溶液溫度偏離25 ℃時,可進行溫度補償,折算成25 ℃標準條件下的EC值。因此,當來源水流的常規水質較為穩定時,EC值的波動很可能受到了溫度的影響。谷建強等[17]在分析南苕溪水體EC與溫度的關系時發現,EC與溫度間的正相關系數高于0.99。這也說明,在某一特定環境下,溫度可以成為影響EC的最關鍵因素。因此,在實際應用過程中,通過優化EC儀的換算方法,使其對EC值進行定期校正,對于提升EC測量準確性至關重要。

當采用電極法時,會發生極化效應。在一定的溫度下,當在電極兩端施加直流電時,會發生極化效應,即溶液的電阻會上升,進而使誤差加劇。當溶液濃度較低時,可通過施加交流電降低極化效應;但當溶液濃度較高時,電流密度過大或是電壓存在直流分量時,均會導致極化效應的出現。當進行室外環境EC在線監測時,通常會采用直流電,此時電極法測量的準確性將受到極化效應的顯著影響[18]。

4 在排水管道中的應用潛力分析

根據上述的分析可知,以電磁法為基礎EC在線監測相對于常規水質指標的穩定性更高、適用范圍更廣,對多類型污染特征均可提供有效反饋。以下將對EC在排水管道水質監測中的應用潛力進行分析。

4.1 排水管道特征對EC應用的影響分析

排水管道中的水質特征與監測條件較為復雜、維護方式多樣,直接影響著在線監測設施的正常運行。

4.1.1 水質特征

研究[19]表明,排水管道內的水流與沉積物中存在與污水中相似的微生物種群和電子受體,因此,管段內的環境與污水處理廠預處理前端有一定相似性,其中的污染物主要包括有機物、懸浮顆粒物、無機物及微生物等。受不同污染源、管道混接、錯接及地下水入滲等因素影響,不同管段內的水質特征存在一定的差異。依據EC在污水處理廠的大量應用實踐,僅從水質特性(包括污染物特性及水溫等條件等)的角度考慮,EC在排水管道內的應用有其可行性。

4.1.2 監測條件

EC在線監測構件中通常包含傳感器、電池、信號發射器、連接線及固定裝置。排水管道在線監測設備通常安裝于檢查井內。根據大量現場調研,檢查井內尺寸均可達到在線EC設備安裝要求,而影響其應用的關鍵因素是信號的傳輸。尤其是一些傳統的污水井,井蓋上無孔洞,且一些井蓋較厚,這些因素均會導致井下信號無法傳遞。但近年來,智能井蓋方興未艾,這也給排水管道在線監測的發展提供了重要的技術支持。

電磁法在線EC監測模塊主要分為電池模塊與探測器模塊,其中電池模塊與信號發射組件集成一體固定于檢查井上部內壁[圖1(a)],探測器模塊固定于管底[圖1(b)]。盡管排水管道內水流特征復雜,但EC監測組件均固定于堅固的管道結構上,因此,其受水流的影響較低。

圖1 (a)在線EC儀在檢查井內的安裝及(b)電磁法探測器模塊

4.1.3 運行維護方式

現狀排水管道的運行維護目標主要是使管道通暢、不累積沉積物。因此,維護方式主要包括絞車疏通、高壓水射、水力沖刷等[20]。在線EC設備一般固定于檢查井內,所以其對傳統的絞車疏通方式存在一定影響。但是,近年來隨著排水管道運行維護方式的不斷升級,效率低、人力投入大的絞車疏通方式正逐漸被水力沖刷、高壓水射等方式取代。水力沖刷有其固定運行構建,造流后的水力條件也在管道的參數設計范圍以內,因此,對在線設備不會附加其他的安裝條件。高壓水射法由于其可調范圍峰值水壓較高,短距內直接沖擊設備主體,必將對其造成損害,但顯然高壓水射法可通過人為調節角度和初始沖洗位置,避免其作業時對設備主體造成傷害。此外,通過調節合理水射壓力,高壓水射的方式還可同時對在線EC設備外部進行快速清洗。

4.2 排水管道中EC在線監測設備的保障目標分析

保障EC在線監測設備的穩定性和靈敏度是關系到排水管道在線監測效益的重要基礎。

4.2.1 保障穩定性的主要措施分析

排水管道中在線監測設備的穩定性是其應用的基本保障。通過第3小節中的討論可知,EC在線監測的穩定性主要受溫度、檢測方式、外部環境及運行維護方式等因素影響。其中,溫度的影響可通過補償公式進行誤差校正,而電極法所產生的極化效應可通過采用電磁法進行規避,且上述相關技術已較為成熟。此外,通過有效的管理維護可以大幅減輕外部環境對在線監測設備的影響。例如,通過定期對探測器模塊進行沖洗可以減少垃圾、雜物等對探測器的影響;通過周期性地更換電池組,保障設備的持續運行;通過定期的信號檢測,保障傳輸信號的長期穩定。

總體而言,EC在作為排水管道中水質在線監測指標時,其測量的穩定性和設備的耐受性要遠高于其他常規化學指標[21]。因此,通過制定合理的維護計劃將有助于長期保障在線EC設備的穩定運行。

4.2.2 保障靈敏度的主要措施分析

在水質在線監測中,COD、TN等常規監測通常采用光譜法,該方法易受光譜信號背景的干擾。在排水管道中,由于水質情況復雜,此類設備必然需要進行經常性的校正維護,這也必然導致后期維護頻率和成本的上升[22]。相較而言,EC測量時采用電信號,其受到水質背景干擾較小,靈敏度也相對更高。排水管道,尤其是雨水管道的檢查井內易設置沉積槽或流槽,槽內通常存有一定的沉積物或雨污水,因此,當EC探測器浸沒于沉積槽或流槽內時,監測的上游來水將受到槽內水體和沉積物的干擾,此時設備靈敏度將受到顯著影響。因此,EC探測器安裝于檢查井底部前,需測定上下游管道底部的高程,當設備固定時,需將探測器與上下游管底連線齊平,從而不僅避免槽內污染物對其產生影響,同時可以最大限度地監測上游來水的水質波動。

4.3 應用效益初步分析

排水管道中的各類不足是導致城市水環境污染的重要原因[23]。為此,提高對排水管道水質的監測頻率、擴大監測點位,有助于提升對排水管道的維護管理水平,有利于污染物的源頭減排與排水管道的效能提升。

雨污混接是各地區排水管道普遍存在的問題。常用診斷方法包括人工和管道內窺電視(closed circuit television,CCTV)檢測,這2種方法診斷周期長且投入成本大,不宜成為診斷雨污混接問題的日常手段。近年來,已有研究者依據水質、水量特征的變化,基于輸入-輸出質量平衡方程,解析管道內的水量組成特征。但此類方法對采樣頻次、化學指標檢測等要求較高,數據檢測與分析工作量較大,難以適用于排水管網的長期跟蹤監測與評估。依據前述對EC的分析可知,EC具有測定速率和頻率高、費用低、安裝簡便、維護管理簡單等優點。因此,選取EC對排水管道水質特征變化進行在線監測有其顯著性優勢。根據筆者的文獻調研,尚無研究討論EC對不同雨污混接情況的反饋效應。

為了初步分析EC儀在排水管網監測中應用的可行性,同時也為后續的應用研究建立必要的基礎,筆者選取福州新區濱海新城核心區兩處獨立的雨水管線DH和YK,在相應區域內采集典型下墊面雨水徑流(采樣方法見文獻[24])與典型混接污水樣品,并在實驗室中將雨污水按照梯度比例進行混合(雨污比值分別為0、0.5、1、2、4、8、16、32),以驗證不同混接比下EC值的變化特性。研究中同步分析了TN和氨氮的變化特征,以與EC值進行對比分析。根據前文綜述,研究中選取基于電磁法原理的EC儀開展相關檢測工作。

根據圖2可知,雖然不同區域(DH和YK)內采集的雨水徑流及混接污水樣品的本底污染物濃度差異較大,但不同雨污混合比對污染物濃度的影響趨勢較為相近,未出現異常的波動。這一結果可以說明在不同的混接情況下,EC、TN、氨氮均呈現出較好的反饋。將上述數據與不同混接比下的標準值(按雨污比計算得)進行相對偏差的分析發現(圖3),在兩處采樣區域,EC的相對偏差比例均低于5%且標準誤差值較小,TN的相對偏差與其相近,而氨氮的相對偏差均超過10%。因此,EC不僅對不同的雨污混合比具有較好的反饋效應,同時也具有較好的數值穩定性。上述特征對EC在排水管道水質在線監測中推廣應用具有重要的意義。

圖2 不同雨污比下EC、TN、氨氮濃度的變化

圖3 不同雨污比對EC、TN、氨氮濃度影響的相對偏差

除此之外,就排水管網各重要節點而言,對于調蓄池、合流泵站、截流式雨水泵站、截流井等設施的排放口,在獲取本底EC變化特征的基礎上,同樣可以應用EC在線監測,優化各類截流或調蓄設施的運行方式,進而減少污染物總量的排出,提高排水系統總截污能力,最終使城鎮污水的實際收集效率得到有效提升,為排水系統的提質增效提供重要的技術支撐。

5 展望

選取合適的水質特征指標是在排水管道中開展在線監測的重要前提,其關鍵在于要同時兼顧便捷性、準確性、代表性及經濟性等特征。EC作為一種具有普遍適用性的水質指標,在監測技術上已較為成熟,能夠滿足必要的便捷性、準確性及經濟性要求,但在代表性上仍需要依據屬地特征進一步分析,必要時可通過一定時間的跟蹤試驗與分析模型,定量解析EC與其他水質指標之間的相關性。

排水管道中的水質波動影響因素眾多,未來可在不同混接比、不同污染來源特征及不同管道類型等因素影響下,開展EC與其他多類型水質指標的相關性分析,系統性地闡明EC在排水管道水質在線監測中的應用效益。同時,重點將其應用于各類不同特征的管道內,豐富應用場景,分析其實際應用效果,并將其與其他檢測方式進行聯用分析,逐步建立以EC為初篩方法,以其他各類檢測方法為詳細診斷方式的排水管道混接、錯接及水量來源特征評價體系,從而為排水系統提質增效發揮積極的作用。