市政給水管網中重金屬污染水源的遷移規律分析及治理方法研究

摘要：市政給水管網中重金屬污染水源包含鉛、鎘、汞、鉻等重金屬元素，受水溫、含雜質量以及水流速度影響，使得遷移規律難以監測。為此，提出重金屬污染水源遷移規律分析與治理。根據污染物在水中的附著或漂浮狀態，采用連續性分析方程計算在不同水溫、含氧量、含氮量以及含雜質量水源條件下重金屬污染物滲透率和溶解質變化，提出微生物修復和綜合性治理技術，實現對水源降解，并通過遷移規律找到污染源頭實行根本治理。實驗數據證明，所提方法對重金屬污染水源遷移規律分析較為清晰，治理后的水源污染情況得到了有效改善。

關鍵詞：重金屬污染水源；遷移規律；滲透率；溶解質；生物修復

中圖分類號：X52 文獻標志碼：B

前言

市政給水管網作為供應飲用水的重要角色，如果其中出現重金屬污染，將對飲用水安全造成威脅。因此，為提高市政給水管網中重金屬污染的治理效果，對遷移規律合理分析，確定最佳的治理方式。

余天智等人計算污染濃度變化與表面釋放和水體流速的關系，建立風險評價等級按照風險指數進行合理控制。水中的重金屬污染不只會受到水流速變化影響，只以該點進行分析治理導致局限性過大；于江等人計算不同重金屬污染物對水中鎘物質稀釋和吸附能力，按照污染物隨時間的稀釋程度規劃治理方案。該方法沒有考慮到不同重金屬物質在水中的沉降問題，以不同層次提取到的污染參數存在差異；李敏等人以水溫和水pH值為驅動項，計算不同污染物在不同介質下的質量分數和波動率，按照陽離子和酸根陰離子進行遷移狀態分析。但沒有對采集數據預處理，導致數據集存在誤差影響；Lu Tang等人分析水中重金屬污染物分布與歷史產量、物質類型、土壤性質和地下水流向的相關性，通過水力傳導率揭示該區域的各向異性和污染物傳輸。該方法忽略了水中其他雜質與重金屬污染物之間的粘合性，導致得到的污染物數值不夠精確。

文章提出市政給水管網中重金屬污染水源的遷移規律分析及治理方法。

1重金屬污染水源遷移規律分析

通常情況下，與重金屬污染水源的遷移規律存在直接關系的有兩種附著或懸浮兩種狀態，附著是指：污染物附著在水中雜質、金屬表面的一種狀態；懸浮則是指：污染物脫離附著物或不能進行附著的一種漂浮狀態。當重金屬在水中活動時，常見的影響其吸附或懸浮的水力因素有：水體pH數值、水中雜質、水溫以及水流速等。其中，水中雜質的大小和數量對重金屬污染物附著的影響關系最大，水中雜質質量越大、粒徑越小，污染物的附著量就越大，并且隨著數量的增長，附著速度也會隨之增加；pH數值上升時，污染物的附著速率和附著量都會上升，pH臨界值與附著比率之間存在直接關系；水溫與附著量存在正比例變動關系，水溫增加，污染物附著量也增加，同時，解吸率下降。給水管網傳感器布設與重金屬污染物在水源中的遷移模式見圖1。

由于重金屬污染物在水中存在附著和漂浮特性，污染物會與水源中的微生物、膠體雜質以及懸浮顆粒物等產生光合作用。在進行治理時，因光合作用生成的雜質會影響污染物濃度和濁度的確定，采用一種連續性的重金屬污染物遷移規律概念模型進行分析，得到遷移滲透率的連續性方程，數學表達模型為式（1）：

按照式（1）給出的重金屬污染物在水中的連續滲透線性方程，通過三維水動力的彌散方程計算重金屬污染物的溶解質，見式（2）：

2重金屬污染水源治理方法

2.1微生物修復技術

基于微生物的治理是通過對一些特征生物進行培養并放置于污染水源中，通過光合作用稀釋或去除重金屬污染物的治理方法。這種微生物在某一區域達到高度集中時，會將污染物進行轉換、分解，改變其濃度、釋放率以及附著粘性等值。這種微生物對污染水源來說屬于解毒物質，再結合上述過程求得的重金屬污染物與水源條件之間的遷移規律，將治理效果最大化。這種治理方案無毒無害，在進行污染治理的同時不會對水中有機物質產生破壞，綜合性能很強。

考慮到城市地下水不屬于自然水源，添加藻類、原生動物的微生物適應性不強，所以，以真菌和噬菌體為主要微生物因子。通過個體附著將汞、鉻、鎳等重金屬污染物轉換為零價態的金屬，進而減少污染物的毒性。

2.2基于遷移規律的水源重金屬防控

根據水中重金屬污染物的遷移特點，再進行污染治理時可利用該特性，再確定水中不同污染物的遷移規律之后，從規律中尋找到污染源頭。結合該區域內重金屬的擴散、化學特征進行分析，在水中添加有機物質對污染物實行分解和轉化，通過添加固定物質吸附重金屬實現合理治理。

目前，市政府給水管網中的重金屬污染物主要包含：銅、鉛、鋅、鎳、鉻以及砷等，這些重金屬都具備水生特點和堆積特性。所以，在進行治理時，需要以遷移規律為依據，通過添加針對性的降解和轉換物質如：活性淤泥、活性炭、磺化煤、硅藻土等，通過這些物質實現重金屬污染物的快速吸附，從而完成有效治理。

3性能測試

3.1測試環境

以某城市的小區市政給水管網為測試對象，為保證實驗結果的準確性和可對比性，在地下水管周圍放置多個水質采樣傳感器用于采集水管中的碳酸根離子、鈉離子、鈣離子等陰陽離子的數值變化。地下水中的雜質過多，包含的成分也較多如：氣體成分、膠體成分、離子成分、有機成分以及微量元素成分等，這些成分的變動都可能引起重金屬污染物遷移規律的變化，所以所需的測試和數據采集時間較長。因此，實驗選擇的周期為6個月，在該時間段內進行市政給水網中污染物的采集與遷移規律分析，并按照分析結果進行治理。

考慮到不同重金屬污染物的采集時間和反應時間存在差異的問題，將采集到的沉積物放在預先模擬鋪設的水箱環境中，讓污染物在其中進行重金屬釋放，并通過虹吸法設計一種微孔過濾器用于提取重金屬物質。耗氧污染物需要依靠水中的氧氣進行分解，所以，在對此類物質進行采集和測試時，需要進行冷凍干燥后再測定有機物、重金屬濃度以及陰陽離子交換量等數值。根據文中提到水源中的主要重金屬污染物種類，以水源的水溫變化、含氧量、含雜質量、含氮量以及水流速度作為自適應條件，測試并分析在不同的水源環境下重金屬污染物的遷移規律。重金屬和實驗相關條件參數見表1。

3.2市政給水管網中重金屬污染水源的遷移規律

通常情況下，水管網中的重金屬濃度會隨著停留時間的變化而發生改變，停留時間越長，著色度、濃度以及濁度等數值會越來越高。為了能夠清晰、直觀地觀察到重金屬污染水源的遷移規律，給出污染物在不同條件（水溫、含氧量、含雜質量、含氮量以及水流速度）下的殘余質量分數和波動率變化，分析結果如圖2所示。重金屬污染物的殘余質量分數是指：污染溶液中重金屬質量與溶劑質量的比值，在這里代指重金屬污染物的濃度。

從圖2中可以看出，不同重金屬污染物在不同水源條件下的殘余質量分數都不相同。從污染物的波動對比可發現，在水溫變化和水流速度變化條件下，重金屬的波動率曲線與其他條件相比相對較高。這是因為，溫度和水流速度的變化會加速重金屬污染物與水中其他雜質的相互作用，進而導致波動率增加。通過污染物與水溫條件的比例變動關系可得，銅、鉛、鋅、鎳以及汞與水溫、含氧量以及水流速呈現反比遷移規律（即條件數值越高，污染物質量分數越低，擴散和消失的進程加快）；與含雜質量、含氮量呈現正比遷移規律（即條件數值越高，污染物質量分數越高）；而鉻和鎘污染物則正好相反，與水溫、含氧量以及水流速呈現正比遷移規律；與含雜質量、含氮量則呈反比遷移規律。這是因為，二者污染物與水中的氮物質作用反應較大且附著性較強，所以，當水中的雜質顆粒增加時，重金屬可附著介質增加，濃度自然隨之上升。

3.3重金屬污染水源的治理結果分析

在對污染物的遷移規律進行合理有效分析后，測試對水源中污染物的治理效果，為保證實驗結果的可對比性，以不同pH（pH6.5、pH8、pH10.5為測試條件，得到7種重金屬污染物的結果見圖3。

從圖3中可以看出，隨著重金屬污染物在水中停留時間的增加，各個污染物的濃度都有所增加，未經過處理的污染物曲線變化尤為明顯。其中，銅、鉛、鋅、鎳以及汞重金屬的反應最大，因為這些污染物與水中氧物質的作用關系較大，所以當水中氧氣含量增加時，濃度自然上升；對比經過所提方法治理后的各重金屬濃度數值，其中，銅、鉛、鋅、鎳的治理效果最好，濃度下降最為明顯，其余鉻、鎘、汞濃度也都有下降。說明，所提方法的治理效果優異，對重金屬污染物水中遷移規律分析后，再給出針對性的治理方案這一措施實用價值很高。

4結束語

為解決地下城市水環境嚴重污染的問題，提出一種市政給水管網中重金屬污染水源的遷移規律分析及治理方法。研究采用了連續性分析方程來計算在多種復雜環境條件下（如不同水溫、含氧量、含氮量以及含雜質量）重金屬污染物的滲透率和溶解質變化，計算不同重金屬污染物隨水源條件變化的遷移規律，更準確地模擬和預測污染物在水體中的行為。研究不僅關注污染物的遷移和降解，還通過遷移規律的分析找到了污染源頭，并提出了根本治理的策略。這種從源頭控制污染的方法是污染治理的重要創新，有助于實現長期的環境保護和可持續發展。通過實驗數據證明了所提方法的有效性，并增強了研究成果的可信度和實用性，具有一定的實用價值。