微生物作用下含有机质沉积物起动的定量研究

占斯宁，袁栋栋，林永钢，张仪萍，周永潮，张土乔

(1.浙江大学 建筑工程学院，浙江 杭州 310058；2.中国电建集团环境工程有限公司，浙江 杭州 310058；3.中电建路桥集团有限公司，浙江 杭州 310058)

排水管道的沉积现象是管道主要功能性病害之一.管道淤积可能导致管道过流断面减小，降低管道过流能力[1-2]，甚至可能造成上游窨井漫溢，进而引发城市内涝，影响城市的正常生产、生活.目前控制管道沉积物淤积的方法主要包括离线和在线的水力冲刷、机械清淤以及管道自清淤设计等[3-5].为了更好地控制管道沉积物淤积，以及给清淤技术设计提供理论性支持，因此开展管道沉积物的起动冲蚀特性研究具有十分重要的意义.

沉积物起动研究是学者关注的热点.早期的研究主要针对无黏性沙或黏性细颗粒沙.Shields等[6]对无黏性沙展开研究，得到临界起动剪切应力与沙颗粒粒径的关系，发现粗颗粒临界起动剪切应力和平均粒径在双对数坐标下呈线性关系.Tait 等[7]通过研究下水道沉积物的特征，发现沉积物表现出明显的内聚力，揭示沉积物起动过程中黏性作用的存在.Banasiak 等[2]通过试验发现沉积物的起动还受到微生物的影响，管道沉积物在沉积过程中发生生化反应，这种生物黏性作用会对沉积物堆积密度、含水率、沉积结构产生影响.方红卫等[8-9]通过水槽试验研究微生物作用下无机质沉积物的起动规律，发现生物黏性作用可以增强沉积物的抗侵蚀性能，在此基础上将微生物作用模化为生物膜产生的表面黏力，推导出沉积物在微生物作用下的起动公式.

排水管道内沉积物还有较多有机质，研究发现，含有机质沉积物在微生物作用下的起动规律表现出了与无机沉积物不同的特征[10].沉积物中的有机质会对微生物作用产生影响，导致沉积物的内部结构发生变化，进而影响抗侵蚀能力[11].马妍等[12]对不同有机物含量的管道沉积物在微生物作用下的起动规律进行研究，发现有机质含量对沉积物的抗侵蚀性能影响重大.目前针对含有机质沉积物在微生物作用下的起动规律和生物黏性作用仍缺乏定量的研究.

本研究拟开展在不同有机质含量和不同微生物作用时间下沉积物的起动规律试验，研究有机质含量与微生物作用时间对沉积物起动的影响.引入絮体强度常数γ，对含有机质沉积物在起动过程中受到的生物黏性作用进行定量分析和表征，在此基础上建立生物作用下沉积物临界起动剪切应力的经验公式，为排水管道沉积物管理提供一定的理论支撑.

1 试验装置及试验方案

1.1 小型明渠冲刷试验装置与方法

本研究试验装置包括小型明渠装置与圆桶搅拌装置.小型明渠试验装置由水箱、水泵、阀门、电磁流量计、明渠、整流板、采样盒等部分组成，如图1 所示.明渠尺寸为70 cm×5 cm×16 cm，水流由水泵注入明渠，通过阀门和电磁流量计对流量进行调整和检测，前端设置的整流板用以稳定明渠流.在明渠中段放置不同培养时间后的沉积物（与培养盒同步放置），在沉积物下游段设置3 层采沙盒，尺寸为30.0 cm×5.0 cm×0.6 cm，用于收集不同冲刷工况下的推移质.

图1 小型明渠冲刷试验的装置图Fig.1 Scheme of experimental open channel flume

试验开始前先将培养好的沉积物试样与培养盒整体放入水槽，开启阀门逐级提高流速.待每级流速稳定后，每隔30 s 放置1 块采沙盒以采集不同时间段内的推移质，同步在明渠末端采集水样以测定悬移质.每级冲刷结束后依次收集推移质和悬移质，将收集到的悬移质和推移质依次进行抽滤、烘干和称重.根据沉积物冲蚀重量计算沉积物冲蚀率（E），沉积物冲蚀率计算为

式中：M为冲蚀量，m1为推移质重量，m2为明渠出水中悬移质的浓度，Q为流量，t为冲刷的时间.

水流剪切应力计算式为

实验以沉积物试样的冲蚀率作为起动的判断标准[14]，当冲蚀率达到0.007 8 g/s 时，沉积物受到的水流剪切应力为该沉积物试样的临界起动剪切应力.

1.2 圆筒搅拌试验装置与方法

圆筒搅拌试验装置示意图如图2 所示.试验开始前，将培养结束的含有机质沉积物转移至1 L 烧杯中.选用搅拌机（RWD50）对沉积物试样进行搅拌，使得在微生物作用下含有机质沉积物试样以絮体形式悬浮在溶液中.待絮体尺寸稳定后，采集悬浮液放入比色皿，用相机（Baumer VCXG–13M）对沉积物絮体样本进行图像采集，利用Image Pro Plus 软件对絮体的直径进行计算和分析.

图2 圆筒搅拌试验装置的示意图Fig.2 Scheme of cylinder stirring experiment

圆筒搅拌试验选取5 级搅拌转速，分别为160、175、190、205 及220 r/min.本试验选用速度梯度（G）表征不同转速下的水流剪切力，计算式[15]为

式中：v为水的动力黏度； ϵ 为平均湍流能量耗散率.平均湍流能量耗散率的表达式为

式中：Np为功率准数，N为搅拌桨转速，D为搅拌桨直径，V为水体的体积.不同转速下的G值如表1 所示.

表1 圆筒搅拌试验的搅拌转速及速度梯度Tab.1 Stirring speed and velocity gradient of cylinder stirring experiment

1.3 试验材料及工况

为了研究微生物作用下不同有机质含量（organic matter content, OMC）沉积物的抗冲蚀性能，本试验选用与部分雨污混接的分流制雨水管道沉积物相近的塑料沙作为沉积物主体.选用成分与分流制雨水管道沉积物所含有机物相近的面粉作为有机质，将两者以一定比例混合后得到不同有机质含量的沉积物试样.使用马尔文激光粒度仪（Malvern-MS2000）和真密度仪（TD-1200）对模型沙粒径和密度进行分析，其物理参数如表2 所示.表中ρ 为真密度，d50为中值粒径，Cu 为不均匀系数.为了研究不同有机质含量和微生物作用时间对沉积物抗侵蚀性能的影响，配置了有机质含量为2%、3.5%、5%、6.5%、8%的含有机质沉积物.每种有机质含量沉积物设置7 组不同的培养时间，每种工况设置3 个平行样.具体工况如表3 所示，表中T为培养时间.

表2 塑料沙的物理参数Tab.2 Physical parameters of plastic sand

表3 沉积物试样的培养时间及有机质含量Tab.3 Incubation time and organic matter content of sediments

沉积物试样在相同环境下进行微生物培养，在培养箱中注入污水进行微生物接种与培养.箱内水位保持恒定，水力停留时间为48 h，并进行曝气以形成适宜的微生物生长条件.将含有机质沉积物装填入内径尺寸为10 cm×5 cm×2 cm 的培养盒中，铺设高度为2 cm，浸没于培养箱中进行微生物培养.

2 结果与讨论

2.1 微生物作用对沉积物临界起动剪切应力的影响规律

不同微生物作用时间、有机质含量沉积物的临界起动剪切应力的变化情况如图3 所示.由图3可知，含有机质沉积物起动规律与微生物作用时间、沉积物有机质含量有关.当有机质含量一定时，沉积物试样的临界起动剪切应力随着微生物作用时间的增长呈现先增大后减小的变化规律.当初始时刻沉积物起动并未受到微生物作用的影响时，其临界起动剪切应力在0.036～0.048 N/m2内.当沉积物试样培养5 d 后，沉积物的临界起动剪切应力出现大幅上升，几乎达到初始时刻的两倍.临界起动剪切应力峰值分别出现在第10 或15 d.Fang[9]等在研究微生物作用下无机沉积物的抗侵蚀性能变化规律时也得到了相同的变化趋势.这种先增后减的现象产生原因主要是在培养前期，沉积物试样中有机质含量充足，微生物活动剧烈，分泌出大量胞外聚合物（extracellular polymeric substances, EPS）.EPS 将沉积物颗粒紧密黏结，形成稳定的三维网状结构[16]，使得沉积物颗粒的结合力逐渐增强，临界起动剪切应力随之增大.当培养进行至中后期时，微生物活动进入主动分散阶段，这个阶段中微生物将产生特定酶对部分生物膜进行降解和重构[16]，因此生物膜强度降低，临界起动剪切应力随之减小.

图3 不同工况下的临界起动剪切应力图Fig.3 Change of critical shear stress at different experiment conditions

相同微生物作用时间下沉积物试样的临界起动剪切应力还与其有机质含量呈负相关（R=-0.939，p<0.01）.在OMC 为2%时，临界起动剪切应力在0.10 N/m2左右.而随着OMC 逐渐提高，临界起动剪切应力不断下降.当OMC 提高到8%时，临界起动剪切应力下降到0.065 N/m2左右.这种现象与文献[12]的研究结论一致.过量的有机质含量使得微生物活动更加剧烈，这些微生物会产生大量的EPS 并在沉积物内部形成气泡，气泡的逸出和过量的EPS 导致沉积物试样发生膨胀，从而造成沉积物试样堆积变得松散，堆积密度减小[11,17].过量的EPS 还会降低无机颗粒黏结力，阻碍沉积物絮体的形成[18-19].

2.2 微生物作用对沉积物起动影响的定量表征

为了表征微生物作用对沉积物起动的影响，将进一步对生物黏性作用进行分析.研究表明生物黏性作用会使沉积物颗粒聚集形成生物絮体颗粒，从而导致沉积物絮体的粒径发生变化[20]，而絮体粒径大小与生物黏性作用大小有关[20-21].本研究引入絮体强度试验方法，通过探究不同速度梯度下沉积物产生的絮体粒径大小对生物黏性作用强度进行分析.不同G值下沉积物试样悬浮后的絮体平均直径如图4 所示.图中d为絮体的平均直径.

图4 不同G 值下沉积物试样的絮体平均直径Fig.4 Average floc diameter of sediments at different G

由图4 可知，沉积物絮体的平均直径受速度梯度、有机质含量的影响显著.由于G值越高，水流剪切力越大，对沉积物絮体造成的剪切破坏作用越强，相同有机质含量下沉积物絮体平均直径随着G值的增加而减小；相同G值下沉积物试样的絮体平均直径随着有机质含量的增高而降低.在相同的工况下，沉积物试样的有机质含量越高，其形成的絮体结合强度越弱，这与临界起动剪切应力随有机质含量增高而下降的变化规律一致.Leentvaar 等[22-23]提出絮体结合强度可以用絮体强度常数γ 进行表征，因此进一步引入絮体强度常数γ 对生物黏性作用进行定量表征，絮体强度常数计算式[23]为

式中：C为絮体强度系数.

由式（7）计算得到絮体强度常数结果如图5所示.由图5 可知，对于OMC 为2.0%、3.5%的沉积物试样，在沉积物培养前10 d 时，γ 值随微生物作用时间的增加而减小；在第10 d 达到最小值，随后逐渐增大.这表明沉积物试样的絮体结合强度随着微生物作用时间先增后减，并在第10 d 时达到峰值.对于OMC 为5.0%、6.5%、8.0%的沉积物，γ 值也呈现出类似变化规律，不同的是最低值出现在第15 d.

图5 沉积物试样絮体强度常数随时间变化的示意图Fig.5 Change of stable floc size constant with microbial activity time for different sediments

由图5 还可知絮体强度常数随着有机质含量的增大而增大（R=0.709，p<0.01），即高有机质含量沉积物形成的絮体在受到水流剪切应力时更容易发生破碎，这表明沉积物絮体的抗侵蚀能力与沉积物的有机质含量呈负相关，与临界起动剪切应力随有机质含量增高而减小的变化规律相同（图3）.γ 值是有机质含量与微生物作用时间的函数，通过拟合可得γ 值计算式，拟合结果见图6.图中γc为γ 值的计算值，γe为γ 值的实验所得值.由图6 所示，式（8）的拟合效果较好，R2=0.91.

图6 絮体强度常数计算值与实验值的对比结果Fig.6 Comparison of calculated and experimental values of stable floc size constant

2.3 微生物作用下含有机质沉积物起动经验公式推求

微生物作用下的临界起动剪切应力可以分成无黏性项、黏性项以及生物黏性作用项3 个部分组成[9,24].本试验研究的模型沙粒径为0.183 mm，黏性特征并不显著，黏性项在泥沙起动过程中的作用可以忽略不计[13].因此，微生物作用下的沉积物临界起动剪切应力为

式中： τa为生物的黏性作用， τ0为无黏性沙的临界起动剪切应力.当沙粒以滚动作为起动的模式时， τ0可以通过受力平衡计算[24]得

式中：ρs和ρ 分别为沙颗粒和水的真密度；g为重力加速度，g=9.8 N/kg； α 为形状系数；αd为拖曳力系数；η 为拖曳力和上举力的联系系数，拖曳力系数、拖曳力和上举力的联系系数均是粒子雷诺数Re*的函数；a为颗粒水下重力和上举力的力臂；b为拖曳力的力臂.

对比图3、5 发现，γ 值变化规律与临界起动剪切应力变化较为一致.通过对比生物黏性作用与絮体强度常数的变化规律发现二者具有很好的相关性（R=-0.767，p<0.01），如图7 所示.由此可知，生物黏性作用可以用γ 值进行表征.

图7 生物黏性作用与絮体强度常数的关系Fig.7 Relationship between bio-adhesive effect and stable floc size constant

生物黏性作用的计算式如下，此时公式的拟合效果最佳，R2=0.9.

微生物作用下的含有机质沉积物临界起动剪切应力为

通过式（12）计算的临界起动剪切应力与实际剪切应力的效果如图8 所示.图中 τc为临界起动剪切应力计算值， τe为临界起动剪切应力实验值.由图8 可知，式（12）可以较为准确地计算在微生物作用下含有机质沉积物的临界起动剪切应力.

图8 临界剪切应力计算值与实验值的对比结果Fig.8 Comparison of calculated and experimental values of critical shear stress

3 结 论

在微生物作用下，针对不同微生物的作用时间、有机质含量沉积物的临界起动剪切应力，展开试验研究.结合在微生物作用下絮体强度常数的变化规律，对起动过程中的生物黏性作用进行量化与表征，主要研究结论如下.

（1）在微生物的作用下，含有机质沉积物的临界起动剪切应力显著增大.微生物作用下含有机质沉积物的临界起动剪切应力变化情况与微生物的作用时间、沉积物的有机质含量有关，沉积物的临界起动剪切应力随着微生物作用时间的增大呈现出先增大后减小的趋势，与有机质含量呈现显著的负相关关系.

（2）在沉积物起动过程中，生物黏性作用可以用絮体强度常数进行表征.絮体强度常数的大小受到微生物的作用时间以及有机质含量的影响.絮体强度常数与沉积物的临界起动剪切应力呈现类似变化规律，与生物黏性作用呈现较强的负相关.

（3）通过引入生物黏性作用项，可得到在微生物作用下含有机质沉积物的临界起动公式.公式计算值与实验值的对照结果表明，该公式可以较准确地计算微生物作用下含有机质沉积物的临界起动剪切应力大小.