污水管道沉积物分层冲刷的起动规律及其污染贡献特性

韩剑霜,石 烜,2,张建锋,惠依莲,金鹏康,2*

污水管道沉积物分层冲刷的起动规律及其污染贡献特性

韩剑霜1,石 烜1,2,张建锋1,惠依莲1,金鹏康1,2*

(1.西安建筑科技大学环境与市政工程学院,陕西 西安 710055；2.西安交通大学人居环境与建筑工程学院,陕西 西安 710049)

为探明管道沉积物的断面污染物分布特征,揭示梯度冲刷强度下沉积物的分层冲刷起动规律及其污染贡献特性,通过建立一套污水管道沉积物冲刷模拟装置,基于管道沉积物分层分布理论,揭示了沉积物不同断面颗粒粒径以及碳、氮、磷等污染物的含量变化规律.此外,根据无黏性沉积物初始运动的临界剪应力公式进行计算,结果表明,随粒径的增大,不同分层颗粒下理论临界剪切应力从0.038N/m2增加0.261N/m2;随设计水流剪切力从0.1N/m2增加到0.3N/m2时,沉积物对污水的TCOD贡献率从6.4%增加到46.3%,TN贡献率从25.3%增加到40.6%,而TP从42.9%降低到25.1%,且在各类污染物的附着含量对比下,随水流强度增大,冲刷起动的悬浮物为有机类污染物的占比最高.据此可知,粒径大小对污染物的污染负荷分布具有较大影响,且污染负荷分布对水流冲刷的溢流污染物浓度变化具有相关性.因此,明确管道沉积物分层冲刷水流强度及溢流污染物浓度变化有助于有效控制水体污染情况.

溢流污染物；污水管道；沉积物；降雨强度；冲刷运移

城市排水系统用于收集和运输污水,是城市基础设施的重要组成部分.根据设计标准,下水道系统分为联合式和分离式下水道系统,由于经济和技术条件,联合式下水道系统主要在较旧及未经过改造的城市实施[1].由于住宅废水、工业废水和雨水的收集要求[2],联合下水道中的污水管直径远大于分离式下水道系统中的污水管道直径,这导致在正常天气下,污水水流总保持在低流速水平[3].因此,颗粒物在管道中发生沉积形成沉积物[4],研究表明, 在缓流状态下,颗粒物每天在单位长度管道(m)中沉积量约为30～500g.目前对沉积物的结构及性质进行了大量的研究,有研究人员认为,管道沉积物在形成过程中发生物理沉降现象[5],大颗粒先沉降到管道底部并逐渐累积,灰分比例也随之提高;随后小颗粒吸附在大颗粒表面.由此可知,管道沉积相由底层至表层存在着污染物颗粒粒径、质量从大到小的积累规律[6-7].管道沉积物的淤积降低了有效排水量,增加了水阻力,导致局部河道堵塞、污水溢出或水环境问题[8],此外,管道沉积物在大雨下通过高速水冲洗再次进入并悬浮在污水中[9-10],它们被河流携带并溢出,沉积物中的常规、石油、碳氢化合物和重金属污染物被释放到水体中,导致水生物中毒[8].因此,管道沉积物对河道溢流污染的影响很大,应将其作为CSO污染物的主要来源之一.

然而,大多数研究都集中于降雨径流及其首次冲刷[11-13],对于溢流前管道沉积物分层污染物特征,并且在首次冲刷时分层污染物特征对水流剪切力的影响和溢流过程中管道沉积物污染物的贡献率的方面少于其他研究.因此,测验分析不同深度沉积层的粒径、有机物、氮、磷、硫类污染物类别及含量,旨在探明管道沉积物的污染物聚集特性.此外,根据无黏性临界剪切力公式,结合分层颗粒粒径得出不同分层临界剪切力值,且在设计水流剪切力冲刷下,得出溢流污染物中碳、氮、磷类污染物贡献率的变化.

1 实验方案

1.1 管道沉积物的纵向分层取样方案

实验所用管道沉积物来自城市道路中的污水管道,由相关工人协助取得.取样前排出沉积物表面的污水,垂直方向上将沉积物按高度均分为四层,使用扁平宽口的小铲子按照高度标记从上到下进行取样,每层样品厚度约为1cm,分好的样品使用塑料自封袋包装并冷藏,返回实验室后即刻冷冻干燥.

1.2 分析方法

粒径分布采用马尔文2000激光粒度仪进行测量;不同粒径段的污染物含量采用筛网逐级筛分检测;化学需氧量TCOD采用重铬酸钾法测定;总氮TN采用碱性过硫酸钾消解法测定;NH4+-N采用纳氏试剂光度法测定;总磷TP和PO43-采用钼锑抗分光光度法测定;SO42-采用铬酸钡光度法测定;S2-采用亚甲蓝法测定;

实验采集的样品都采用随取随测的原则,且每个取样点的分析都设置3组平行样测定,取平均值作为最终有效数据.

1.3 不同设计水流剪切力冲刷下管道溢流特征探究试验方案

本试验采用直流式明渠水槽作为沉积物起动冲刷的试验装置,主要由上游水箱、多孔稳流板、冲刷水槽段、沉积物铺设处、下游水箱、流量计、隔膜阀等部分组成,见图1.各部分关键尺寸为:上游水箱0.5m,底面尺寸为400mm´400mm;冲刷水槽长2m、横截面为150mm´240mm;下游水箱高1m,底面尺寸为400mm´400mm.水槽坡度为0.003.

试验冲刷前,沉积物分层粒径确定后采用筛网逐级筛分铺设于明渠水槽中培养150d后进行冲刷.

试验冲刷过程中,水流经装置上游水箱进入,培养成熟的沉积物在试验前铺设好,放置于冲刷水槽中经受水流冲刷:水槽前部采用多孔稳流板,稳定水流,水槽尾部设置可调节溢流板,控制水位;其中采用D100的隔膜阀控制流量,D100的电磁流量计进行计量,并用两条贴面纸测量水位.采用KROHNE的电磁流量计,测量范围为:8.38～339.29m3/h,准确度等级为0.3级.

根据理论临界剪切力值变化,本实验设计水流剪切力分别为0.1N/m2、0.2N/m2、0.3N/m2,依据下述方程可得其对应流速分别为0.3m/s、0.4m/s、0.5m/s.

1)管道和明渠水流的对数流速公式:

式中:为距离床面处流速,m/s;*为摩阻流速, m/s;为距离床面高度,m;为校正系数,为S/d的函数;S为粗糙度.

2)水流剪切力公式:

图1 实验装置示意

2 结果及讨论

2.1 管道沉积物分层污染物赋存特征研究

为了解管道不同深度沉积层的污染物类别及含量,在粒径分布规律的基础上,检测了管道沉积物沿纵深方向有机物含量、氮、磷、硫类污染物浓度变化见图2.

如图2(a)所示,管道沉积物沿纵深方向有机物含量以TCOD含量表示其沉积物有机物含量.有机物浓度整体呈现出先减后增,再减小的趋势,表层、中上层、中下层、底层的有机物含量分别为1840, 1655,2001,1818mg/g.这是由于沉积物形成过程中因物理沉降导致颗粒粒径分层,有机污染物含量因颗粒粒径增大而附着量增加,底层的大颗粒物质经长时间的推移逐渐处于一个稳定的位置,整体容量接近饱和状态,中下层颗粒继续向下迁移受阻,且中下层沉积物内部受水流冲刷作用较弱,致使沉积物中下层较表层有机物浓度相差不大甚至更高.

由图2(b)和图2(c)可知,氮、磷类污染物浓度随沉积物纵深的增加整体呈递减趋势,沉积物表层的TN和NH4+-N浓度分别为117.2,103.8mg/g,浓度达到最高,且沉积物中TN和NH4+-N浓度整体相差不大,说明有机氮占比相对较少,氮主要以无机态的形式出现在沉积物中.沉积物中TP浓度沿纵深从24.0减少到20.0mg/g, PO43-浓度沿纵深从5.2减少到2.9mg/g.此外,沉积物中TP和PO43-浓度整体相差较大,说明正磷酸盐含量占比较少,磷主要以有机磷或聚磷酸盐的形态存在.

硫化物的浓度沿沉积层垂直方向逐渐上升的同时硫酸盐的浓度逐渐下降,见图2(d).表层、中上层、中下层、底层的硫化物浓度分别为0.43,0.62, 1.0,1.3mg/g,硫酸盐浓度分别为0.2,0.15,0.17,0.15mg/g.硫酸盐的浓度与沉积层纵深有关,沉积层越深,一方面物质交换速率越慢,处于底层的沉积物硫酸盐含量越少;另一方面厌氧条件越好,越有利于严格厌氧的硫酸盐还原菌生长,将硫酸盐转化为硫化物,进一步减少了硫酸盐浓度.

图2 不同沉积层下有机物、氮、磷、硫类污染物浓度分布特征

2.2 颗粒粒径分布对沉积层抗侵蚀性的影响

将沉积物按纵深均分为表层、中上层、中下层和底层,沉积物不同深度纵断面的粒径分布见图3.2(a).其中表层沉积层在<38.5mm的粒径范围内质量分数最高,为42.6%,中上层沉积层在38.5～76mm的粒径范围内质量分数最高,为40.3%.中下层以粒径为76～150mm的颗粒物质量分数最高,为36.5%,底层沉积层的平均粒径最大,主要由粒径150～ 250mm的颗粒物组成,质量分数共占比64.1%.沉积物的粒径分布特征与其沉降规律有关,污水中质量较大的颗粒物更易在低流速下优先沉降,一般以相对密度较大的砂粒和无机颗粒为主;小粒径颗粒在大颗粒物沉降的基础上,常以穿插在大颗粒间的缝隙中或吸附在大颗粒表面的形式,逐层不断的累积,进而形成结构致密的管道沉积物.

对于无黏性沉积物初始运动的临界剪应力可以无量纲形式表示[14]:

然而,上述对于沉积物临界剪切力计算只考虑了不同分层下粒径的变化,并没有考虑沉积物中生物活动对颗粒间粘性力的影响,因此经计算得出的理论临界剪切力值与实际沉积物冲刷剪切力[4]相比偏小.研究表明沉积物中有机物浓度与内部生物作用具有正相关性,且剧烈的生物作用对沉积物临界剪切力的影响也较为明显,主要表现在两个方面:一是通过加剧沉积物内部的松散程度从而削弱其抗侵蚀能力;二是通过在沉积物表面形成致密光滑的生物膜层从而使其抗侵蚀能力得到增强[16].钱栋等[17]选取真实沉积物研究不同培养条件下起动冲蚀变化规律,研究表明生物活动产生生物膜,在前期会提高临界剪切应力,而在后期生物膜老化,内部空蚀累积,起动剪切应力减小.Meng等[18]研究了碳水化合物、蛋白质、EPS和微生物群落对管道沉积物抗冲刷性的影响.结果表明合流制下水道中较深沉积物层的抗冲刷能力高于表层且EPS、蛋白质和碳水化合物的含量与沉积物的抗冲刷性呈正相关.因此,之后对于不同分层下的沉积物抗侵蚀性的分析需在结合颗粒粒径分布的基础上充分考虑生物作用的影响.

2.3 不同水流剪切力对沉积物污染物赋存形态的影响

管道沉积物的运动情况与水流强度有关,用床面剪切应力表征近床面水流强度.根据2.2节计算所得不同粒径的理论水流临界剪切应力值,依据1.3节的水流剪切力公式及管道和明渠水流的对数流速公式,可知不同粒径的理论断面平均流速分别为0.16,0.23,0.31,0.41m/s.此外,依据我国气象部门一般采用的降雨强度标准,国内地区1km2汇水面积在低、中、高降雨强度下24h的雨量分别为10,24.9, 49.9m3/d,旱天日均污水量约为332.57m3/d.因此,在实验装置中的明渠水槽的横截面积与实际污水管道一致的基础下,低、中、高降雨强度下的流量分别为14.2,14.9,15.9m3/d,在此流量下对应冲刷流速约为0.3,0.4,0.5m/s,对应设计水流剪切应力值分别为0.1N/m2、0.2N/m2、0.3N/m2,目的为研究不同水流剪切力下沉积物冲刷起动的粒径大小和溢流污染物变化.

不同剪切力下沉积物冲刷的溢流污染物TCOD、TN、TP的贡献比率见图4所示.可以看出,不同剪切力下溢流污染物TCOD、TN、TP的浓度分布存在明显差异.根据前文所得不同分层粒径下的临界剪切力值,当设计水流剪切力为0.1N/m2时,水流对沉积物的扰动与携带能力有限,仅能冲刷携带以表层及中上层为主的较小颗粒态污染物,TP主要分布在38～76mm粒径段,因此磷类污染物浓度在水流剪切力为0.1N/m2时达到最高,贡献率为42.9%,而碳、氮类污染物浓度很低,贡献率仅占6.4%和25.3%.

图4 不同水流剪切力下沉积物冲刷的溢流污染物贡献率

随水流剪切力从0.1N/m2增加到0.2N/m2时,水流对沉积物的冲刷与携带能力较强,中下层大颗粒态污染物被水流携带,其中TN主要分布在76～ 150mm粒径段,氮类污染物浓度升高,贡献率达40.6%.沉积物中有机污染物易吸附在粒径较大的颗粒物上,TCOD主要分布在76～250mm粒径段,因此,碳类污染物浓度随水流强度增大而显著增加,贡献率为47.3%,而磷类污染物贡献率有所降低,为32%.

在水流剪切力达到0.3N/m2时,碳、氮、磷类污染物浓度贡献率分别为46.3%、34.1%和25.1%.由此可知,随着水流剪切力增加,冲刷强度增大,沉积物中大颗粒污染物被携带概率显著增加,碳类污染物浓度升高,且主要集中在粒径较大的污染物质上,同时由于沉积物中氮、磷主要吸附于小颗粒上,受水流剪切力变化较小,浓度均有所降低.

2.4 不同水流剪切力下沉积物冲刷解析

根据前述管道沉积物污染物分层分布特征,管道中氮、磷类污染物易吸附在粒径较小的颗粒物上,有机污染物易吸附在较大粒径的颗粒物.此外,沉积物颗粒分布与其沉降规律有关,随沉积物深度增加颗粒粒径也逐渐增大.将其沉积物粒径分布特征及碳、氮、磷类污染物浓度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.结合分层颗粒的无黏性临界剪切力值,见图5所示,随水流冲刷强度的增加,颗粒物由小到大在不同水流剪切力下发生起动,其表面附着的污染物也同时被携带冲刷.

对不同水流剪切力下沉积物冲刷的溢流出水的TN和TP浓度进行相关性分析.结果表明,在0.1,0.2,0.3三个设计水流剪切力值下TN和TP的相关系数分别为0.836、0.518、0.59,两者仅在低水流剪切力下呈中度相关性,中、高水流剪切力值下均呈低度相关性.低水流剪切力强度下,管道内的污水流速较小,对沉积物的冲刷作用较弱,污染物浓度整体相对稳定.因此,污水对于TN、TP类的溶解性污染物稀释作用相对较弱.同时,氮、磷类污染物可吸附粒径范围差别不大,在沉积物冲刷悬浮的颗粒粒径范围内,亦可不受过多干扰的随污水流出,两者间相关性较高.SS与TCOD的相关性与水流剪切力强度呈正相关,在0.1、0.2、0.3三个设计水流剪切力值下SS和TCOD的相关系数分别为0.029、0.351、0.508,如图5中的图表所示,原因可能为非溶解态的COD可以附着在SS颗粒表面,且管道内水流剪切力越强,在强烈的水流冲击混合作用下污水管道内SS浓度短时间内骤升,颗粒物质紧密的悬浮在水中又重新聚集在一起,非溶解态COD在此过程中与颗粒物接触面积增加,更易被吸附从而附着在SS表面,溢流时随SS一起流出,因此,两者间的相关性与水流剪切力强度有关.

图5 不同水流剪切力下沉积物冲刷示意

3 结论

3.1 随沉积层纵深的增加,不同断面碳、氮、磷等污染物的含量呈规律性变化.

3.2 沉积物的粒径分布随纵断面深度的增加而增大.并且根据无粘性临界剪切力公式,得出随粒径的增大,水流临界剪切应力也与之增加.

3.3 随水流剪切力从0.1N/m2增加到0.3N/m2时,TCOD与TN浓度与之增加,相反,TP浓度与之降低.据此分析,颗粒物质量分布对污染物的污染负荷分布具有较大影响,且污染负荷分布对水流冲刷的溢流污染物浓度变化具有相关性.

[1] Chhetr R K, Bonneru A, Andersen H R. Combined sewer overflow pretreatment with chemical coagulation and a particle settler for improved peracetic acid disinfection [J]. Journal of Industrial & Engineering Chemistry, 2016,37:372-379.

[2] Werner, Ursula, Liu, et al. Sulfide and methane production in sewer sediments [J]. Water research: A journal of the international water association, 2015,70:350-359.

[3] Jalliffie-Verne I, Henich M, Madoux-Humer A S, et al. Cumulative effects of fecal contamination from combined sewer overflows: Management for source water protection [J]. Journal of Environmental Management, 2016,174:62-70.

[4] Ashley R, Crabtree B, Fraser A, et al. European research into sewer sediments and associated pollutants and processes [J]. Journal of Hydraulic Engineering, 2003,129(4):267-275.

[5] Bo R A, Xuan S, Xin J, et al. Comprehensive evaluation of pharmaceuticals and personal care products (PPCPs) in urban sewers: Degradation, intermediate products and environmental risk [J]. Chemical Engineering Journal, 2020,404.DOI:10.1016/j.cej.2020. 127024.

[6] Ahyerre M, Chebbo G, Saad M. Sources and erosion of organic solids in a combined sewer [J]. Urban water, 2000,(4):2.

[7] Banasiak R, Verhoeve R, Sutte R D, et al. The erosion behaviour of biologically active sewer sediment deposits: Observations from a laboratory study [J]. Water Research, 2005,39(20):5221-5231.

[8] Schertzinge G, Zimmerman S, Sure B. Predicted sediment toxicity downstream of combined sewer overflows corresponds with effects measured in two sediment contact bioassays [J]. Environmental Pollution, 2019,248(MAY):782-791.

[9] Baron L, Pilott M, Valeri G, et al. Analysis of the residual nutrient load from a combined sewer system in a watershed of a deep Italian lake [J]. Journal of Hydrology, 2019,571:202-213.

[10] Meng D, Jin W, Chen K, et al. Cohesive strength changes of sewer sediments during and after ultrasonic treatment: The significance of bound extracellular polymeric substance and microbial community [J]. Science of The Total Environment, 2020,723:138029.

[11] Aukidy M A, Verlicchi P. Contributions of combined sewer overflows and treated effluents to the bacterial load released into a coastal area [J]. Science of The Total Environment, 2017,607-608:483-496.

[12] Mcginnis S, Spencer S, Firnstahl A, et al. Human bacteroides and total coliforms as indicators of recent combined sewer overflows and rain events in urban creeks [J]. Science of the Total Environment, 2018, 630(JUL.15):967-976.

[13] Taghipou M, Toloue S, Autixie L, et al. Normalized dynamic behavior of combined sewer overflow discharges for source water characterization and management [J]. Journal of Environmental Management, 2019,249:109-386.

[14] Shields A. Application of Similarity Principles and Turbulence Research to Bed Load Movement [J]. Aust Geogr Stud, 1936,42: 378-392.

[15] 郑兆珍,王尚毅.散粒体泥沙起动条件之研究 [J]. 天津大学学报, 1962(00):20-43+155.DOI:CNKI:SUN:TJDX.0.1962-00-001.

[16] 邵卫云,钱 栋,马 妍,等.明渠流下生物作用对管道沉积物冲蚀特性影响试验研究 [J]. 湖南大学学报:自然科学版, 2016,43(12):148- 155. Shao W Y, Qian D, Ma Y, et al. Flume Qxperimental Study of erosion characteristics of sever sediment with biological activities [J]. Jonrnal of Hunan Univerisity Natural Science, 2016,43(12):148-155.

[17] 钱 栋.生物作用下排水管道沉积物起动规律研究 [D]. 杭州:浙江大学, 2017.DOI:CNKI:CDMD:2.1017.255031.

[18] Meng D, Wu J, Chen K, et al. Effects of extracellular polymeric substances and microbial community on the anti-scouribility of sewer sediment [J]. Science of the Total Environment, 2019,68:494-504.

Starting law and pollution contribution characteristics of stratified sediment scouring in sewage pipes.

HAN Jian-shuang1, SHI Xuan1,2, ZHANG Jian-feng1, HUI Yi-lian1, JIN Peng-kang1,2*

(1.School of Environmental and Municipal Engineering, Xi'an University of Architecture and Technology, Xi'an 710055, China；2.School of Human Settlements and Civil Engineering, Xi'an Jiaotong University, Xi'an 710049, China)., 2023,43(10)：5208～5213

To explore the distribution characteristics of pollutants in the vertical section of sewer sediment, the mechanism of layered erosion initiation and pollution contribution characteristics of sediment under gradient erosion intensity were revealed. It could be an important foundation for scientific control of combined overflow pollutants (CSO). In this study, a pilot sewer system which could simulate the sediment erosion process was established. And based on the theory of layered distribution of sewer sediment, the characteristics of particle size, carbon and nitrogen pollutants were revealed. The results show that the theoretical critical shear stress under different layered particles increases from 0.038N/m2to 0.261N/m2with the increase of particle size. As the flow shear force increased from 0.1N/m2to 0.3N/m2, the contribution rate of sediment of TCOD increased from 6.4% to 46.3%; the contribution rate of TN increased from 25.3% to 40.6%; and TP decreased from 42.9% to 25.1%. Moreover, in comparison with the attachment content of various pollutants, as the flow intensity increased, the proportion of suspended solids that start flushing was the highest among organic pollutants. It can be concluded that, the particle size has a significant impact on the distribution of pollution load of pollutants, and the distribution of pollution load has a correlation with the concentration changes of overflow pollutants caused by water flow erosion. Thus, clarifying the flow intensity and concentration changes of overflow pollutants caused by layered sediment erosion in pipelines can help effectively control water pollution.

spill pollutants；sewage pipe；sediment；rainfall intensity；scour transport

X703

A

1000-6923(2023)10-5208-06

2023-03-01

国家自然科学基金资助项目(52200117);中国博士后科学基金面上项目(2022M722527);中央高校基本科研业务费项目(xzy012022079)

* 责任作者, 教授, pkjin@xjtu.edu.cn

韩剑霜(1999-),女,陕西西安人,西安建筑科技大学硕士研究生,主要从事排水系统方面研究.2291753522@qq.com.

韩剑霜,石 烜,张建锋,等.污水管道沉积物分层冲刷的起动规律及其污染贡献特性 [J]. 中国环境科学, 2023,43(10):5208-5213.

Han J S, Shi X, Zhang J F, et al. Starting law and pollution contribution characteristics of stratified sediment scouring in sewage pipes [J]. China Environmental Science, 2023,43(10):5208-5213.