雨水管道沉积物粒径分布与污染特征研究

司 韦，于江华，解丽媛

(1.南京信息工程大学，江苏 南京 210044；2.潍坊安健安全技术咨询有限公司，山东 潍坊 261061)

0 引言

由于城市化进程的加快，不透水城市路面与车辆的快速增长，造成面源污染越来越严重[1-3]。 这种面源污染主要由地表径流污染引起，研究表明：在不同国家中，地表径流中含有的污染物质远超当地环境标准[4-5]。 地表径流中污染物主要来源于车辆、大气沉降、建筑、路面养护以及其他人类活动，同时地表径流污染特征受交通流量、降雨规模、路面类型、污染物状态、周围环境和气候特征的影响[6-7]。 降雨初期，大量的污染物被冲刷进雨水管道，其中存在高浓度污染物[8-9]。 在30%的初期降雨中能够发现约60%的总悬浮固体（TSS）[10]，同时TN 与TP 与TSS 存在相关性[11]。

城市地表径流中的有机质（COD） 与悬浮固体（SS）占管内径流的70%，其中60%的SS 和COD 是沉积物再次悬浮于管内径流中而产生的[12-13]。雨水管网中多为厌氧或缺氧环境，有利于COD 在其中发酵，产生大量污染物[14-16]，在雨季径流冲刷下进入受纳水体，引发黑臭，造成水体富营养化[17-18]。

本研究针对雨水管内沉积物中所含污染物进行分析，通过对沉积物粒径，TN，TP，CODCr及VS 指标的检测，同时对采样点附近土地利用类型、地面卫生和生产活动进行调研，评价该地雨水管内污染情况，并提出建议。

1 检测材料与方法

1.1 研究区域概况

常州市某区洛阳镇北部监测区域的土地利用类型以工业用地为主，辅以部分农业用地及部分居民居住地。由当地政府部门了解到，该区域已经实行雨污分流，但由于污水、雨水管道分批次建设，管网走向比较复杂。

1.2 样品的采集

在所选采样点处用加长的铁锹铲取雨水井内的泥样。并拍照记录采样点周围的路面环境状况，将收集到的泥样装入准备好的清洁密封瓶内分别记录为样品1 与样品2，带回实验室进行分析测定。

1.3 样品的分析

样品带回实验室后先进行风干，再去除样品中的树叶树枝等杂物，筛分粒径范围为小于40，40~62，62 ~ 86，86 ~ 125，125 ~ 230，230 ~ 500，500 ~710 和大于710 μm 共8 个粒径范围。其中大于710 μm 粒径沉积物主要是石子垃圾等杂物，不需用于后续的化学实验研究。 样品筛分后用清洁干燥的封口袋装好。

分别采用重铬酸盐法测定CODCr；碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法测定TN；钼酸铵分光光度法测定TP；重量法测定VS。

使用仪器：分析天平、紫外分光光度仪、马弗炉、高温灭菌炉。

2 结果与讨论

2.1 沉积物粒径分布

雨水管网内沉积物的粒径分布见图1。 由图1可以看出，总体分布为质量分数随粒径的增大呈先增大后减小的规律。 在230~500 μm 的粒径范围内沉积物质量分数最高，分别达37.09%和59.85%。沉积物在小于86 μm 的粒径范围内质量分数相差不大，约5%左右。同时，粒径小于100 μm 的沉积物质量分数低于较大粒径的沉积物，约15%~17%。此外，沉积物样品的均等系数（累积质量分数为60%的颗粒物粒径与累积质量分数为10%的颗粒物粒径之比）约为5，表明沉积物在不同粒径下颗粒大小较为均一。 另外，通过观察沉积物形貌特征，发现粒径在500 ~ 710 μm 内的沉积物中含有碎叶、残枝、橡胶颗粒等垃圾，这些富含有机质的物质在密闭管道内极易发酵从而导致水体水质恶化。

图1 管网沉积物粒径分布特征

根据现有研究，随地表径流携带进入雨水管道中的颗粒物粒径基本小于1 250 μm，其主导粒径范围为250~ 300 μm[13]，与本研究中样品的粒径大小基本一致。 根据贾朝阳[19]对北京市雨水管道内沉积物粒径分布的研究见表1。

表1 不同研究区域中管网沉积物污染特征

由表1 可以看出，沉积物粒径分布主要为76~300 μm，各粒径范围内沉积物质量分数随粒径增大呈先上升后下降趋势。同时，本研究中沉积物质量分数的第一众数在150~1 250 μm 之间。

虽然不同地区雨水管内的沉积物粒径分布相似，但是对于质量分数较大的沉积物，其所在粒径范围受土地利用类型的影响较大，例如第一众数的粒径范围取决于采样点汇水面的清扫频率、人流量、交通量等[19-20]。 研究区域是城市边缘的工业区，经过实地调研发现，采样点附近人流量、交通流量较少，地面沉积物较多，使得研究样品的粒径范围较大，并且大粒径沉积物的质量分数较高。

2.2 沉积物污染特征

为深入了解雨水井内沉积样品中TN，TP，CODCr及VS 的污染特征，分析比较不同粒径的雨水井沉积物样品中TN，TP 和CODCr的污染负荷。

2.2.1 TN

雨水管内沉积物样品中TN 的质量分数与污染负荷特征见图2。

图2 不同粒径沉积物TN 质量分数与污染负荷的变化特征

由图2 可以看出，TN 质量分数随粒径增大先上升后下降，在40~86 μm 的粒径范围内，TN 质量分数达到最大，平均质量分数约为0.42 mg/g。

沉积物样品的TN 污染负荷较大值主要集中在230 ~ 710 μm 的粒径范围内，占比分别为58 %和55%。而小于230 μm 的粒径范围内TN 污染贡献量较小。 虽然粒径范围在40~125 μm 的沉积物中TN含量较高，粒径范围较大的颗粒物的TN 质量分数较低，但是本研究TN 污染特征符合主要集中在粒径范围大于230 μm 的沉积物上，对该粒径的沉积物进行总量控制，将有效降低雨水管内氮的污染。

根据刘志长[20]对广东某地雨水管内沉积物的研究，其TN 质量分数随粒径范围的变化而降低，TN质量分数的变化范围为0.5~1.5 mg/g。 变化趋势与本研究相似，但是其TN 含量较高。 根据尚宇等[22]的研究，不同用地类型中的雨水管道沉积物所含污染物的质量分数不同，土地类型、植被覆盖、工业、农业发展情况成为影响TN 含量的主要因素。 本研究中采样点区域工厂较多，道路两边植被覆盖较小，但是雨水管道内含氮物质较少，表明工厂内部存在具有脱氮作用的设施或是工厂本身产生的工业废水中含氮量较低。

2.2.2 TP

沉积物样品中TP 的质量分数与污染负荷特征见图3。 由图3 可以看出，沉积物样品质量分数随粒径增大而减小，并且在粒径小于40 μm 时TP 质量分数最大，为0.75 mg/g。

图3 不同粒径沉积物TP 质量分数与污染负荷的变化特征

对TP 的污染负荷而言，其随沉积物粒径变化规律与TN 相似，虽然在小于230 μm 的粒径范围内，沉积物样品中的TN 质量分数较高，沉积物样品在230~700 μm 的粒径范围内，污染贡献值较高，达50%左右。沉积物样品在该粒径范围内质量分数也较高，同时对该粒径范围内的颗粒物进行总量控制，将有助于减少雨水管内氮的污染。

根据刘志长[20]和尚宇等[22]的研究，含磷颗粒物主要来源于地面或是屋顶的无机固体颗粒，同时，排水系统是否通畅，地面清洁工作是否良好及维护管理水平是否合格也同样影响雨水管内颗粒物含磷的浓度。 根据调研发现，该地地面存较多地表沉积物，且同时附近也存在将生活污水倾倒在路面上的现象，是造成雨水管道沉积物的TP 浓度大的原因之一。

2.2.3 CODCr

沉积物样品中CODCr的质量分数与污染负荷特征见图4。

图4 不同粒径沉积物CODCr 质量分数与污染负荷的变化特征

由图4 可以看出，在40~125 μm 的粒径范围内，CODCr质量分数出现较大值，沉积物样品中CODCr质量分数均值约为84 mg/g。

沉积物样品中CODCr污染主要集中在大于230 μm粒径范围的沉积物上，且在230~710 μm 的粒径范围内，污染贡献较大，约占全粒径颗粒物的56%。将其与沉积物粒径分布特征及CODCr质量分数变化对比后，发现颗粒物质量分布对污染物的污染负荷分布具有较大影响，污染物质在不同粒径颗粒物的污染负荷主要取决于粒径分布特征，虽然小粒径的沉积物有较高的CODCr质量分数，但是其污染贡献较小，在20 %~ 30 %，粒径大于230 μm 的沉积物，依然是需要对其进行总量控制的重要物质。

根据RISTENPART E[23]的研究，在合流制管道中沉积物CODCr质量分数为42 mg/g。 而刘志长[20]所研究的雨水管内沉积物样品数据，CODCr质量分数均值为27.37 mg/g。 两者质量分数都低于本研究的沉积物样品。 雨水管道中的沉积物主要来自大气沉降，以及建筑物附近硬化路面磨损脱落，沉积物中有机物来源少[20]，而本研究沉积物样品中的平均CODCr质量分数较高。 调研过程中发现，该工业园区内，企业生产过程中存在有机颗粒扩散至路面的现象，当部分含有机物颗粒随降雨产生的地表径流进入雨水管内，会导致沉积物样品CODCr质量分数偏高。由于在沉积物样品的采样点之间，存在有机物颗粒汇入管道，较大粒径的颗粒物沉降于管道中间，随水流进入井口的大粒径颗粒物减少，造成了沉积物样品在小粒径范围内CODCr质量分数增大，大粒径范围内CODCr质量分数降低。

2.2.4 VS

雨水管道沉积物中VS 质量分数与污染负荷特征见图5。

图5 雨水管道沉积物不同粒径VS 质量分数与污染负荷的变化特征

由图5 可以看出，在粒径范围大于40 μm 时，VS 的质量分数受粒径大小的影响不明显，维持在150 mg/g 左右，但在小于40 μm 的粒径范围内，沉积物样品中VS 质量分数出现最大值，为274.93 mg/g。

粒径范围大于230 μm 的沉积物样品中VS污染贡献较大，占59.0%，其中粒径范围为230 ～500 μm的沉积物贡献了31.6%的VS 污染，对粒径大于230 μm 的沉积物进行总量控制，是控制雨水管内VS 质量分数行之有效的方法。

根据杨云安等[24]在不同功能区对沉积物性质的研究，管道中沉积物主要来源于地表颗粒和大气降尘，其中有机物含量应该低于污水管道内沉积物，VS 质量分数在29 ～130 mg/g，一般小于100 mg/g，且沉积物密度较大；而污水管内存在大量人体排泄物或是餐厨生活垃圾，VS 质量分数较高在52 ～190 mg/g，一般大于100 mg/g，同时密度较小。 而本研究沉积物样品中VS 质量分数均值为176.98 mg/g，最大值为274.93 mg/g。 与其比较，该雨水管内有机污染较高。

3 结论与建议

3.1 结论

本文在常州市武进区采样，探讨了雨水管道内沉积物的粒径分布特征以及不同粒径范围内的沉积物TN，TP，CODCr和VS 的污染特征，得出结论。

（1）沉积物主要集中于230 ～500 μm 的粒径范围内，并且沉积物颗粒大小较为均一。

（2）沉积物样品中的TP，TN 浓度呈现相似规律，在小粒径范围内，浓度较大；大粒径范围内，浓度较小；而沉积物样品的CODCr，VS 浓度与粒径关系较小，且浓度较大，雨水管道内有机物污染较为严重。

（3）沉积物样品中TN,TP,CODCr,VS 在230 ～710 μm 的粒径范围内污染负荷较大，结合粒径分布特征，控制大粒径颗粒物则能够有效缓解雨水管内污染情况。

3.2 建议

鉴于目前我国水污染防治（黑臭水体治理）过程中出现的水质反弹现象，尤其是夏季高温多雨条件下由于管道残存水体及沉积污泥被冲刷进入受纳水体导致的水质反弹现象比较多，为尽量避免该问题的发生，提出建议。

（1）加强管网建设，强化雨污分流改造。

（2）调整雨水管道入水体（泵站）堰高，降低残存水体水位，减少管网积淤及残存水体对受纳水体的污染负荷。

（3）降低由径流携带进入雨水管道的沉积物量，尤其是较大粒径（＞230 μm ）沉积物的量，可在地表径流入口处设置旋流分流器，有效降低地表径流可携带颗粒物（包括可沉淀性泥沙及漂浮性树叶、泡沫等垃圾）进入到雨水管网系统。