污水管道沉積物分層沖刷的起動規(guī)律及其污染貢獻(xiàn)特性

韓劍霜,石 烜,2,張建鋒,惠依蓮,金鵬康,2*

污水管道沉積物分層沖刷的起動規(guī)律及其污染貢獻(xiàn)特性

韓劍霜1,石 烜1,2,張建鋒1,惠依蓮1,金鵬康1,2*

(1.西安建筑科技大學(xué)環(huán)境與市政工程學(xué)院,陜西 西安 710055；2.西安交通大學(xué)人居環(huán)境與建筑工程學(xué)院,陜西 西安 710049)

為探明管道沉積物的斷面污染物分布特征,揭示梯度沖刷強(qiáng)度下沉積物的分層沖刷起動規(guī)律及其污染貢獻(xiàn)特性,通過建立一套污水管道沉積物沖刷模擬裝置,基于管道沉積物分層分布理論,揭示了沉積物不同斷面顆粒粒徑以及碳、氮、磷等污染物的含量變化規(guī)律.此外,根據(jù)無黏性沉積物初始運動的臨界剪應(yīng)力公式進(jìn)行計算,結(jié)果表明,隨粒徑的增大,不同分層顆粒下理論臨界剪切應(yīng)力從0.038N/m2增加0.261N/m2;隨設(shè)計水流剪切力從0.1N/m2增加到0.3N/m2時,沉積物對污水的TCOD貢獻(xiàn)率從6.4%增加到46.3%,TN貢獻(xiàn)率從25.3%增加到40.6%,而TP從42.9%降低到25.1%,且在各類污染物的附著含量對比下,隨水流強(qiáng)度增大,沖刷起動的懸浮物為有機(jī)類污染物的占比最高.據(jù)此可知,粒徑大小對污染物的污染負(fù)荷分布具有較大影響,且污染負(fù)荷分布對水流沖刷的溢流污染物濃度變化具有相關(guān)性.因此,明確管道沉積物分層沖刷水流強(qiáng)度及溢流污染物濃度變化有助于有效控制水體污染情況.

溢流污染物；污水管道；沉積物；降雨強(qiáng)度；沖刷運移

城市排水系統(tǒng)用于收集和運輸污水,是城市基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分.根據(jù)設(shè)計標(biāo)準(zhǔn),下水道系統(tǒng)分為聯(lián)合式和分離式下水道系統(tǒng),由于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)條件,聯(lián)合式下水道系統(tǒng)主要在較舊及未經(jīng)過改造的城市實施[1].由于住宅廢水、工業(yè)廢水和雨水的收集要求[2],聯(lián)合下水道中的污水管直徑遠(yuǎn)大于分離式下水道系統(tǒng)中的污水管道直徑,這導(dǎo)致在正常天氣下,污水水流總保持在低流速水平[3].因此,顆粒物在管道中發(fā)生沉積形成沉積物[4],研究表明, 在緩流狀態(tài)下,顆粒物每天在單位長度管道(m)中沉積量約為30～500g.目前對沉積物的結(jié)構(gòu)及性質(zhì)進(jìn)行了大量的研究,有研究人員認(rèn)為,管道沉積物在形成過程中發(fā)生物理沉降現(xiàn)象[5],大顆粒先沉降到管道底部并逐漸累積,灰分比例也隨之提高;隨后小顆粒吸附在大顆粒表面.由此可知,管道沉積相由底層至表層存在著污染物顆粒粒徑、質(zhì)量從大到小的積累規(guī)律[6-7].管道沉積物的淤積降低了有效排水量,增加了水阻力,導(dǎo)致局部河道堵塞、污水溢出或水環(huán)境問題[8],此外,管道沉積物在大雨下通過高速水沖洗再次進(jìn)入并懸浮在污水中[9-10],它們被河流攜帶并溢出,沉積物中的常規(guī)、石油、碳?xì)浠衔锖椭亟饘傥廴疚锉会尫诺剿w中,導(dǎo)致水生物中毒[8].因此,管道沉積物對河道溢流污染的影響很大,應(yīng)將其作為CSO污染物的主要來源之一.

然而,大多數(shù)研究都集中于降雨徑流及其首次沖刷[11-13],對于溢流前管道沉積物分層污染物特征,并且在首次沖刷時分層污染物特征對水流剪切力的影響和溢流過程中管道沉積物污染物的貢獻(xiàn)率的方面少于其他研究.因此,測驗分析不同深度沉積層的粒徑、有機(jī)物、氮、磷、硫類污染物類別及含量,旨在探明管道沉積物的污染物聚集特性.此外,根據(jù)無黏性臨界剪切力公式,結(jié)合分層顆粒粒徑得出不同分層臨界剪切力值,且在設(shè)計水流剪切力沖刷下,得出溢流污染物中碳、氮、磷類污染物貢獻(xiàn)率的變化.

1 實驗方案

1.1 管道沉積物的縱向分層取樣方案

實驗所用管道沉積物來自城市道路中的污水管道,由相關(guān)工人協(xié)助取得.取樣前排出沉積物表面的污水,垂直方向上將沉積物按高度均分為四層,使用扁平寬口的小鏟子按照高度標(biāo)記從上到下進(jìn)行取樣,每層樣品厚度約為1cm,分好的樣品使用塑料自封袋包裝并冷藏,返回實驗室后即刻冷凍干燥.

1.2 分析方法

粒徑分布采用馬爾文2000激光粒度儀進(jìn)行測量;不同粒徑段的污染物含量采用篩網(wǎng)逐級篩分檢測;化學(xué)需氧量TCOD采用重鉻酸鉀法測定;總氮TN采用堿性過硫酸鉀消解法測定;NH4+-N采用納氏試劑光度法測定;總磷TP和PO43-采用鉬銻抗分光光度法測定;SO42-采用鉻酸鋇光度法測定;S2-采用亞甲藍(lán)法測定;

實驗采集的樣品都采用隨取隨測的原則,且每個取樣點的分析都設(shè)置3組平行樣測定,取平均值作為最終有效數(shù)據(jù).

1.3 不同設(shè)計水流剪切力沖刷下管道溢流特征探究試驗方案

本試驗采用直流式明渠水槽作為沉積物起動沖刷的試驗裝置,主要由上游水箱、多孔穩(wěn)流板、沖刷水槽段、沉積物鋪設(shè)處、下游水箱、流量計、隔膜閥等部分組成,見圖1.各部分關(guān)鍵尺寸為:上游水箱0.5m,底面尺寸為400mm′400mm;沖刷水槽長2m、橫截面為150mm′240mm;下游水箱高1m,底面尺寸為400mm′400mm.水槽坡度為0.003.

試驗沖刷前,沉積物分層粒徑確定后采用篩網(wǎng)逐級篩分鋪設(shè)于明渠水槽中培養(yǎng)150d后進(jìn)行沖刷.

試驗沖刷過程中,水流經(jīng)裝置上游水箱進(jìn)入,培養(yǎng)成熟的沉積物在試驗前鋪設(shè)好,放置于沖刷水槽中經(jīng)受水流沖刷:水槽前部采用多孔穩(wěn)流板,穩(wěn)定水流,水槽尾部設(shè)置可調(diào)節(jié)溢流板,控制水位;其中采用D100的隔膜閥控制流量,D100的電磁流量計進(jìn)行計量,并用兩條貼面紙測量水位.采用KROHNE的電磁流量計,測量范圍為:8.38～339.29m3/h,準(zhǔn)確度等級為0.3級.

根據(jù)理論臨界剪切力值變化,本實驗設(shè)計水流剪切力分別為0.1N/m2、0.2N/m2、0.3N/m2,依據(jù)下述方程可得其對應(yīng)流速分別為0.3m/s、0.4m/s、0.5m/s.

1)管道和明渠水流的對數(shù)流速公式:

式中:為距離床面處流速,m/s;*為摩阻流速, m/s;為距離床面高度,m;為校正系數(shù),為S/d的函數(shù);S為粗糙度.

2)水流剪切力公式:

圖1 實驗裝置示意

2 結(jié)果及討論

2.1 管道沉積物分層污染物賦存特征研究

為了解管道不同深度沉積層的污染物類別及含量,在粒徑分布規(guī)律的基礎(chǔ)上,檢測了管道沉積物沿縱深方向有機(jī)物含量、氮、磷、硫類污染物濃度變化見圖2.

如圖2(a)所示,管道沉積物沿縱深方向有機(jī)物含量以TCOD含量表示其沉積物有機(jī)物含量.有機(jī)物濃度整體呈現(xiàn)出先減后增,再減小的趨勢,表層、中上層、中下層、底層的有機(jī)物含量分別為1840, 1655,2001,1818mg/g.這是由于沉積物形成過程中因物理沉降導(dǎo)致顆粒粒徑分層,有機(jī)污染物含量因顆粒粒徑增大而附著量增加,底層的大顆粒物質(zhì)經(jīng)長時間的推移逐漸處于一個穩(wěn)定的位置,整體容量接近飽和狀態(tài),中下層顆粒繼續(xù)向下遷移受阻,且中下層沉積物內(nèi)部受水流沖刷作用較弱,致使沉積物中下層較表層有機(jī)物濃度相差不大甚至更高.

由圖2(b)和圖2(c)可知,氮、磷類污染物濃度隨沉積物縱深的增加整體呈遞減趨勢,沉積物表層的TN和NH4+-N濃度分別為117.2,103.8mg/g,濃度達(dá)到最高,且沉積物中TN和NH4+-N濃度整體相差不大,說明有機(jī)氮占比相對較少,氮主要以無機(jī)態(tài)的形式出現(xiàn)在沉積物中.沉積物中TP濃度沿縱深從24.0減少到20.0mg/g, PO43-濃度沿縱深從5.2減少到2.9mg/g.此外,沉積物中TP和PO43-濃度整體相差較大,說明正磷酸鹽含量占比較少,磷主要以有機(jī)磷或聚磷酸鹽的形態(tài)存在.

硫化物的濃度沿沉積層垂直方向逐漸上升的同時硫酸鹽的濃度逐漸下降,見圖2(d).表層、中上層、中下層、底層的硫化物濃度分別為0.43,0.62, 1.0,1.3mg/g,硫酸鹽濃度分別為0.2,0.15,0.17,0.15mg/g.硫酸鹽的濃度與沉積層縱深有關(guān),沉積層越深,一方面物質(zhì)交換速率越慢,處于底層的沉積物硫酸鹽含量越少;另一方面厭氧條件越好,越有利于嚴(yán)格厭氧的硫酸鹽還原菌生長,將硫酸鹽轉(zhuǎn)化為硫化物,進(jìn)一步減少了硫酸鹽濃度.

圖2 不同沉積層下有機(jī)物、氮、磷、硫類污染物濃度分布特征

2.2 顆粒粒徑分布對沉積層抗侵蝕性的影響

將沉積物按縱深均分為表層、中上層、中下層和底層,沉積物不同深度縱斷面的粒徑分布見圖3.2(a).其中表層沉積層在<38.5mm的粒徑范圍內(nèi)質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高,為42.6%,中上層沉積層在38.5～76mm的粒徑范圍內(nèi)質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高,為40.3%.中下層以粒徑為76～150mm的顆粒物質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高,為36.5%,底層沉積層的平均粒徑最大,主要由粒徑150～ 250mm的顆粒物組成,質(zhì)量分?jǐn)?shù)共占比64.1%.沉積物的粒徑分布特征與其沉降規(guī)律有關(guān),污水中質(zhì)量較大的顆粒物更易在低流速下優(yōu)先沉降,一般以相對密度較大的砂粒和無機(jī)顆粒為主;小粒徑顆粒在大顆粒物沉降的基礎(chǔ)上,常以穿插在大顆粒間的縫隙中或吸附在大顆粒表面的形式,逐層不斷的累積,進(jìn)而形成結(jié)構(gòu)致密的管道沉積物.

對于無黏性沉積物初始運動的臨界剪應(yīng)力可以無量綱形式表示[14]:

然而,上述對于沉積物臨界剪切力計算只考慮了不同分層下粒徑的變化,并沒有考慮沉積物中生物活動對顆粒間粘性力的影響,因此經(jīng)計算得出的理論臨界剪切力值與實際沉積物沖刷剪切力[4]相比偏小.研究表明沉積物中有機(jī)物濃度與內(nèi)部生物作用具有正相關(guān)性,且劇烈的生物作用對沉積物臨界剪切力的影響也較為明顯,主要表現(xiàn)在兩個方面:一是通過加劇沉積物內(nèi)部的松散程度從而削弱其抗侵蝕能力;二是通過在沉積物表面形成致密光滑的生物膜層從而使其抗侵蝕能力得到增強(qiáng)[16].錢棟等[17]選取真實沉積物研究不同培養(yǎng)條件下起動沖蝕變化規(guī)律,研究表明生物活動產(chǎn)生生物膜,在前期會提高臨界剪切應(yīng)力,而在后期生物膜老化,內(nèi)部空蝕累積,起動剪切應(yīng)力減小.Meng等[18]研究了碳水化合物、蛋白質(zhì)、EPS和微生物群落對管道沉積物抗沖刷性的影響.結(jié)果表明合流制下水道中較深沉積物層的抗沖刷能力高于表層且EPS、蛋白質(zhì)和碳水化合物的含量與沉積物的抗沖刷性呈正相關(guān).因此,之后對于不同分層下的沉積物抗侵蝕性的分析需在結(jié)合顆粒粒徑分布的基礎(chǔ)上充分考慮生物作用的影響.

2.3 不同水流剪切力對沉積物污染物賦存形態(tài)的影響

管道沉積物的運動情況與水流強(qiáng)度有關(guān),用床面剪切應(yīng)力表征近床面水流強(qiáng)度.根據(jù)2.2節(jié)計算所得不同粒徑的理論水流臨界剪切應(yīng)力值,依據(jù)1.3節(jié)的水流剪切力公式及管道和明渠水流的對數(shù)流速公式,可知不同粒徑的理論斷面平均流速分別為0.16,0.23,0.31,0.41m/s.此外,依據(jù)我國氣象部門一般采用的降雨強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn),國內(nèi)地區(qū)1km2匯水面積在低、中、高降雨強(qiáng)度下24h的雨量分別為10,24.9, 49.9m3/d,旱天日均污水量約為332.57m3/d.因此,在實驗裝置中的明渠水槽的橫截面積與實際污水管道一致的基礎(chǔ)下,低、中、高降雨強(qiáng)度下的流量分別為14.2,14.9,15.9m3/d,在此流量下對應(yīng)沖刷流速約為0.3,0.4,0.5m/s,對應(yīng)設(shè)計水流剪切應(yīng)力值分別為0.1N/m2、0.2N/m2、0.3N/m2,目的為研究不同水流剪切力下沉積物沖刷起動的粒徑大小和溢流污染物變化.

不同剪切力下沉積物沖刷的溢流污染物TCOD、TN、TP的貢獻(xiàn)比率見圖4所示.可以看出,不同剪切力下溢流污染物TCOD、TN、TP的濃度分布存在明顯差異.根據(jù)前文所得不同分層粒徑下的臨界剪切力值,當(dāng)設(shè)計水流剪切力為0.1N/m2時,水流對沉積物的擾動與攜帶能力有限,僅能沖刷攜帶以表層及中上層為主的較小顆粒態(tài)污染物,TP主要分布在38～76mm粒徑段,因此磷類污染物濃度在水流剪切力為0.1N/m2時達(dá)到最高,貢獻(xiàn)率為42.9%,而碳、氮類污染物濃度很低,貢獻(xiàn)率僅占6.4%和25.3%.

圖4 不同水流剪切力下沉積物沖刷的溢流污染物貢獻(xiàn)率

隨水流剪切力從0.1N/m2增加到0.2N/m2時,水流對沉積物的沖刷與攜帶能力較強(qiáng),中下層大顆粒態(tài)污染物被水流攜帶,其中TN主要分布在76～ 150mm粒徑段,氮類污染物濃度升高,貢獻(xiàn)率達(dá)40.6%.沉積物中有機(jī)污染物易吸附在粒徑較大的顆粒物上,TCOD主要分布在76～250mm粒徑段,因此,碳類污染物濃度隨水流強(qiáng)度增大而顯著增加,貢獻(xiàn)率為47.3%,而磷類污染物貢獻(xiàn)率有所降低,為32%.

在水流剪切力達(dá)到0.3N/m2時,碳、氮、磷類污染物濃度貢獻(xiàn)率分別為46.3%、34.1%和25.1%.由此可知,隨著水流剪切力增加,沖刷強(qiáng)度增大,沉積物中大顆粒污染物被攜帶概率顯著增加,碳類污染物濃度升高,且主要集中在粒徑較大的污染物質(zhì)上,同時由于沉積物中氮、磷主要吸附于小顆粒上,受水流剪切力變化較小,濃度均有所降低.

2.4 不同水流剪切力下沉積物沖刷解析

根據(jù)前述管道沉積物污染物分層分布特征,管道中氮、磷類污染物易吸附在粒徑較小的顆粒物上,有機(jī)污染物易吸附在較大粒徑的顆粒物.此外,沉積物顆粒分布與其沉降規(guī)律有關(guān),隨沉積物深度增加顆粒粒徑也逐漸增大.將其沉積物粒徑分布特征及碳、氮、磷類污染物濃度質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對比后,發(fā)現(xiàn)顆粒物質(zhì)量分布對污染物的污染負(fù)荷分布具有較大影響,污染物質(zhì)在不同粒徑顆粒物的污染負(fù)荷主要取決于粒徑分布特征.結(jié)合分層顆粒的無黏性臨界剪切力值,見圖5所示,隨水流沖刷強(qiáng)度的增加,顆粒物由小到大在不同水流剪切力下發(fā)生起動,其表面附著的污染物也同時被攜帶沖刷.

對不同水流剪切力下沉積物沖刷的溢流出水的TN和TP濃度進(jìn)行相關(guān)性分析.結(jié)果表明,在0.1,0.2,0.3三個設(shè)計水流剪切力值下TN和TP的相關(guān)系數(shù)分別為0.836、0.518、0.59,兩者僅在低水流剪切力下呈中度相關(guān)性,中、高水流剪切力值下均呈低度相關(guān)性.低水流剪切力強(qiáng)度下,管道內(nèi)的污水流速較小,對沉積物的沖刷作用較弱,污染物濃度整體相對穩(wěn)定.因此,污水對于TN、TP類的溶解性污染物稀釋作用相對較弱.同時,氮、磷類污染物可吸附粒徑范圍差別不大,在沉積物沖刷懸浮的顆粒粒徑范圍內(nèi),亦可不受過多干擾的隨污水流出,兩者間相關(guān)性較高.SS與TCOD的相關(guān)性與水流剪切力強(qiáng)度呈正相關(guān),在0.1、0.2、0.3三個設(shè)計水流剪切力值下SS和TCOD的相關(guān)系數(shù)分別為0.029、0.351、0.508,如圖5中的圖表所示,原因可能為非溶解態(tài)的COD可以附著在SS顆粒表面,且管道內(nèi)水流剪切力越強(qiáng),在強(qiáng)烈的水流沖擊混合作用下污水管道內(nèi)SS濃度短時間內(nèi)驟升,顆粒物質(zhì)緊密的懸浮在水中又重新聚集在一起,非溶解態(tài)COD在此過程中與顆粒物接觸面積增加,更易被吸附從而附著在SS表面,溢流時隨SS一起流出,因此,兩者間的相關(guān)性與水流剪切力強(qiáng)度有關(guān).

圖5 不同水流剪切力下沉積物沖刷示意

3 結(jié)論

3.1 隨沉積層縱深的增加,不同斷面碳、氮、磷等污染物的含量呈規(guī)律性變化.

3.2 沉積物的粒徑分布隨縱斷面深度的增加而增大.并且根據(jù)無粘性臨界剪切力公式,得出隨粒徑的增大,水流臨界剪切應(yīng)力也與之增加.

3.3 隨水流剪切力從0.1N/m2增加到0.3N/m2時,TCOD與TN濃度與之增加,相反,TP濃度與之降低.據(jù)此分析,顆粒物質(zhì)量分布對污染物的污染負(fù)荷分布具有較大影響,且污染負(fù)荷分布對水流沖刷的溢流污染物濃度變化具有相關(guān)性.

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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

國家自然科學(xué)基金資助項目(52200117);中國博士后科學(xué)基金面上項目(2022M722527);中央高校基本科研業(yè)務(wù)費項目(xzy012022079)

* 責(zé)任作者, 教授, pkjin@xjtu.edu.cn

韓劍霜(1999-),女,陜西西安人,西安建筑科技大學(xué)碩士研究生,主要從事排水系統(tǒng)方面研究.2291753522@qq.com.

韓劍霜,石 烜,張建鋒,等.污水管道沉積物分層沖刷的起動規(guī)律及其污染貢獻(xiàn)特性 [J]. 中國環(huán)境科學(xué), 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.