多點匯流下污水管網污染物遷變規律及其機制研究

張少锜

（長江生態環保集團有限公司，湖北 武漢 430000）

引言

污水管網作為城市污水處理的一個重要的組成部分，在污水輸送的過程當中，污水的水質會出現一系列明顯的變化，污水在管道當中行進時，其所包含的碳、氮等污染物在形態、含量等方面會出現一定的變化，并且因為此類污染物的含量較為豐富，所以在污水管道中為生物膜的微生物生長提供了有利的條件，這對于污水的水質發生了顯著的改變，尤其是對于污水管網整體安全穩定，正常的運行以及在后續的污水處理環節造成一定的影響。

1 試驗目的

當前對于城市污水管網的研究，大部分都會集中在以一條主的管道當中污水轉化的特性，以及微生物發揮的作用進行研究，都在有意無意中忽略了在實際的條件當中支管匯流的污水對于主管道污水水質的影響。當前在支管的污水進入到主管之后，對于主管的污水會產生的沖擊，以及在匯流的區域對于微生物的變化情況的研究較少。

實際上，從現實情況來看，污水在從出口排出之后，首先進入的就是各級污水支管的管道，隨后再由各級污水支管管道匯總完之后再流入到干管當中，各干道當中再次進行匯流之后才會進入主管道，最終才會流至污水處理的地方。而在從支管匯流到干管，從干管再匯流到主管，最終在流入到污水處理的地方過程當中，會歷經多次的匯流，每一次的匯流都會對主管道的污水產生一定的沖擊、變化作用，并且污水在管道流程當中隨著時間的變化也會起到一定的化學以及生物方面的變化，這一類的變化不僅僅會對于污水整體的運送效率以及管道當中的生物膜造成一定的影響，并且還會對污水進行污水處理之前的凈水水質造成一定的影響，因此為找尋在實際情況之下，城市污水的管網水質轉化的特征，以及對污水處理廠所造成的影響，提供一定的依據[1]。

2 試驗條件分析

實驗的反應器在已有的城市污水模擬管道的反應器基礎之上，增加4個匯流點，這樣可以與實際當中城市污水管網匯流的實際情況接近，其主體的管道為40毫米，總的長度為900米，坡度保持在0.5%，對于管壁內部適當的進行處理，使得其整體的粗糙程度和在實際情況當中的污水管道的粗糙程度類似，共建設35層，每層的長度保持在20米。相鄰管道之間有有機玻璃檢查井進行連接，每層模擬管段以及匯流點之前與之后都設置有一個采樣點，這樣可以有效的觀察水流的實際狀態以及生物膜載體的實際情況，在取樣點的兩端還打開一個活節連接玻璃的管段，在模擬的管段外部當中有著保溫的設置，使其能夠模仿城市污水管道的環境[2]。

3 試驗結果分析

總體來說，匯流管網當中微生物的消耗的作用是導致碳氮類污染物變化的主要因素。污水在經過匯流點之后，污染物的濃度會有明顯的增加，因此，支管的匯入是導致污染物濃度變化的主要原因。污染物總體的變化總體呈現著先增大后減少的趨勢。

4 多點匯流下污水管網污染物遷變規律分析

4.1 多點匯流條件下碳類污染物遷變規律分析

所設置的模擬管道在經過前期的運行之后，各項指標漸漸穩定，條件成熟，隨即可以開始對管網當中的污染物所產生的變化進行有效分析。

溶解性COD在管道當中，最開始的進水濃度值都在340 mg/L左右，根據溶解性COD取樣點的濃度，進行計算可以得到支管的水流流入導致溶解性COD的濃度變化量為正，這就表示支管的水流流入之后，使得主管的溶解性COD的濃度有所增加，由此可得生物的作用會致使溶解性COD的濃度變化量為負，也就表示生物的作用會使匯流點之間的管道溶解性COD的濃度降低。污水在流經900米的管道之后溶解性COD會呈現隨著距離的變長而逐漸的降低。管道系統當中污水的COD濃度出現下降的原因，最主要就是因為微生物當中水解酸化的作用，污水當中的大分子有機物利用微生物的水解酸作用，會被分解為眾多比較簡單的小分子有機物，這些小分子有機物經過微生物的有機轉化，最終成為較為簡單的無機物，例如二氧化碳、甲烷等等，從而能夠使得污水當中的COD濃度有效的降低。

從表1中可以看到，可溶解性COD在生物的作用之下會出現降低。一旦當匯流流入的話，又會出現增高，因此匯流的作用造成濃度的增加會大于在生物作用下降解的濃度，因此溶解性COD濃度會出現上升的態勢，出口的濃度較高。隨著管道延長距離的增加，生物的作用也會使得溶解性COD濃度的量呈現前期增大后期減少的趨勢，隨著管程延長而不斷出現變化。

表1 溶解性COD質量濃度變化量 單位：mg/L

由此也可以看出，在多點匯流之下整體的管網當中，支管的匯流會使得主管的溶解性COD的濃度整體增大，通過生物降解的作用，使得溶解性COD的濃度再次減小。所以可以得到結論，一旦當支管當中的污水流入到主管當中，就會對主管當中的污水造成沖擊，但實際上在較為復雜的城市污水管道當中，碳類的污染物濃度卻并不是隨著管道管程的增加而出現下降的趨勢，一旦當支管污水的碳類污染物濃度比較高的時候，流入主管之后會使主管的碳、硫污染物的濃度有所增加，所以從這個方面也能夠看得出來，支管污水的流入就是造成碳類污染物濃度發生變化的主要因素。

隨著時間的浮動，在生物分解之下，可溶解性COD降解量在50天之前一直處于增大的狀態，在50天之后則漸漸的趨于穩定。最大值出現在75天的時候，也就是生物作用之下溶解性COD的影響，呈現了先增強后基本穩定的趨勢的走勢。匯流的作用會導致主管的濃度在增加量方面保持在一個較為平穩的狀態。在50天之后，生物作用而致使溶解性COD總的減少量會大于因為匯流而導致溶解性COD的總增加量，因此，其出口的濃度會出現先減小，后逐漸的趨于穩定，總體穩定在290 mg/L左右。而這就說明雖然說支管匯入到主管當中之后，會使得溶解性的COD濃度暫時的升高，但是經過一段時間的運行之后，生物作用就會致使溶解性COD的濃度逐漸的下降，其下降的總量會大于匯流過來的增加總量，從而使得溶解性COD整體的濃度減少，這也正是微生物的水解酸化作用，對于污水管網當中碳粒污染濃度變化影響起到主要的作用[3]。

4.2 多點匯流條件下氮類污染物遷變規律分析

氨氮在管網當中最開始的進水濃度只有在40 mg/L左右，因為氨氮的取樣濃度經過計算可以得出，支管匯流如果讓氨氮的濃度變化量為正值的話，就代表支管匯流使得主管氨氮的濃度有所增加，生物作用一旦使得氨氮的濃度變化量成為正值的時候，就代表生物作用使得氨氮濃度有所升高，升高的最主要原因就是因為有機氮的氨化作用反應。

從表2中可以看得出來氨氮的濃度，隨著管程的逐漸增長，濃度會逐漸的增大。尤其是在匯流的時候，濃度會達到最高。從數據當中也能夠看得出來匯流的原因，會使得氨氮整體的濃度增大，并且數值方面基本相同。在生物作用之下，隨著管程的逐漸增加，氨氮的濃度也會隨之增加。但是在600米之前，因為生物的原因會使得氨氮升高，濃度漸漸的增大，在600米之后就呈現了變化量縮小的趨勢。由此就可以看得出來，在多點匯流的管網系統當中，微生物的作用會使得氨氮整體的濃度增加，匯流也會使得主管氨氮的濃度有所升高。所以在支管當中，污水流入到主管當中是導致氮類污染物濃度出現變化的主要原因。

表2 氨氮質量濃度變化量 單位：mg/L

在實際情況中，城市污水管道當中氨氮濃度的升高不僅僅是和有機氮的氧化作用相關，還和支管污水匯入流入到其中有所關聯，一旦當支管污水當中的氨氮的濃度比較高的時候，匯入主管當中就會使得主管中的氨氮濃度有所增大。根據相關研究表明，污水在經過一段的緩沖輸送之后，氨氮的含量便會有所升高，其變化的來源也是因為微生物出現了代謝作用。

從表2中可以看出，氨氮的濃度有著持續升高的走向。在50天左右的時候，生物的作用使得氨氮的濃度升高的變化量呈現持續增大的趨勢。這說明生物對于氨氮的濃質量濃度的變化一直在不斷的增強，在50天之后因為生物作用而導致的氨氮能量增加量，總體保持一個穩定的狀態。出口的濃度也較為穩定，也就是說在生物作用的影響之下，在50～70天這一時間氨氮的變化量會逐漸的穩定并且達到最大值。在50天之后，因為生物的降解作用，使得氨氮總增加量會大于因匯流作用而導致氨氮的總增加量，這就表明支管匯流雖然說會對于主管的氨氮有著補充的作用，但是在長時間的管道流程當中，氨化作用使得有機氮轉化為氨氮，是導致氨氮濃度出現變化的關鍵因素[4]。

4.3 多點匯流條件下微生物分布特征

碳類污染物轉化菌主要有毛球菌、氯桿菌、甲苯單胞菌等水解發酵菌。韋氏菌、厭氧生菌等產氫產乙酸菌和萊維菌屬等產甲烷菌，氮類污染物轉化菌屬主要有硫單胞菌、擬桿菌類等氨氧化菌，硫類污染物轉化菌屬主要有脫硫弧菌、脫硫劑、酸性流桿菌等硫酸鹽還原菌。

如表3所示，在管道系統當中，隨著管程的逐漸增多，碳氮硫類的污染物轉化功能的總菌屬相對豐度的生長過程也呈現增高的趨勢。尤其是在600米左右達到豐度最大，管程整體同樣是呈現著先增大后減小的走向，因為在前600米的管道當中，有著適合生存的條件以及豐富的碳氮類物質，提供了許多的有機物以及營養鹽，這樣微生物在其中可以得到快速的生長，確保了污水在流動的過程當中有機污染物質的含量以及形態的轉變。

表3 多點匯流條件下微生物分布（%）

所以，在生物的作用之下，污染物的濃度減少量越多。在600米之后，可能因為在這一段的管程之內環境的因素出現了變化，導致生物膜內部的微環境也因此變化了起來，微生物群落不能夠適應環境的突變，致使微生物群落在600～900米的范圍之內的分布出現了變化，由此，管網之內的總微生物風度整體呈現了減少的趨勢，但是匯流點處仍然有著一定的增加，這說明支管的匯流對于微生物來說是有相當的促進作用的，所以會產生一定的變化。到900米時已經能夠看出有著一定的下降趨勢。

因為微生物所出現的作用，導致污染物的濃度減少，量也會相同的減少，和碳氧硫類污染物轉化功能的總菌屬的生長規律有些相同，碳類、硫類的污染物轉化菌會有著逐漸增高的趨勢。水解發酵菌會把大分子有機物質進行水解酸化，由此產生了結構更為簡單的有機物，第1類主要是乳酸乙醇、丙酸等物質構成的產氫產乙酸菌。在降解之后可以生成氫氣以及乙酸，以此來為生產甲烷的過程提供物質的來源。第2類物質主要是由甲酸、甲醇、甲胺和乙酸等其它的物質所構成的，這一部分的有機物會直接的被甲烷菌進行利用。

硫酸鹽還原菌主要是以甲醇以及乳酸為來源進行生長，碳硫類污染物的轉化菌在600米的管程時逐漸的增大，在600米之后會逐漸的減小，其變化的原因和碳硫氮類污染物轉化總菌屬相似。但是和其它的菌屬不同的是，氮類的污染物轉化菌在管道當中的生物膜含量較少，并且沒有明顯的變化，這也正是因為污水管道在缺少氧氣的環境之下無法進行氨氧化的過程，也造就了污水在流動過程當中氨氮逐漸的增多[5]。

隨著時間逐漸的推移，變化各類菌屬的風度也呈現增長的趨勢，微生物會逐漸的繁衍增長。

對于碳類污染物進行轉化的微生物菌屬主要有毛球菌、黃桿菌、克隆桿菌、拉烏爾氏菌、氣單胞菌、韋氏菌等，在這其中水解發酵菌占比較大。因為水解發酵菌是主要的優勢菌群，也由此說明微生物對于水質的改變，主要還是以水解酸化的作用為主。對于硫酸鹽起到還原作用的菌屬，主要有脫硫弧菌和脫硫菌屬等[6]。

5 結語

總體來說，第一，溶解性COD在匯流之前濃度會有所降低，而氨氮的濃度會升高，在流經匯流點之后，這兩類污染物的濃度都會出現明顯的增高，所以支管污水的匯流是導致污染物濃度變化的關鍵原因。第二，在后期水質逐漸趨于穩定的時候，溶解性COD的濃度會呈現逐漸降下降的趨勢，在氨化作用下的氨氮的總增加量與因為匯流產生的增加量，高于因為匯流產生的總增加量，這說明在匯流管網當中微生物的消耗作用是碳氮類污染物變化的主要原因。第三，在管道前600米的時候，微生物的豐度會呈現增長的趨勢，尤其是在生物作用之下，溶解性COD氨氮的變化量出現增長的走向，在600米之后微生物的豐度會有所降低，這也導致了對于各類污染物的降解量有所減少，所以生物的作用會導致污染物質的變化量出現先增大后減小、隨后在逐漸穩定的總體走向。水解發酵菌作為一種優勢的菌群說明微生物，主要是以水酸菌為手段改變水質。