管道沉积物氮及有机物污染特性研究进展

水利水电科技进展,2014,34(5)摇Tel:02583786335摇E鄄mail:[e-mail]摇基金项目:北京市自然科学基金(8142013);环境科学及环境工程专业建设项目(PXM2013_014210_000157)作者简介:李海燕(1975—),女,河北唐山人,教授,博士,主要从事城市雨水利用与径流污染控制研究。E鄄mail:[e-mail]:10.3880/j.issn.10067647.2014.05.016管道沉积物氮及有机物污染特性研究进展李海燕1,崔摇爽1,黄摇延2,岳靖淋1(1.北京建筑大学城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室,北京摇100044;2.北京市环境保护监测中心,北京摇100048)摘要:对国内外利用管道作为生物反应器去除氮及有机物、沉积物水界面氮及有机物迁移转化等研究进展进行了综述。管道生物反应器中氮及有机物去除研究方面,国内外学者通过观测微生物含量、实地测量排水管道内污染物浓度变化、改良排水管道以实现更好的污水处理效果等方法进行研究;降雨冲刷沉积物引发污染物释放主要发生在沉积物水界面,沉积物水界面氮及有机物的迁移转化研究集中在沉积物水界面层的组成及特性、沉积物水界面的冲刷与污染、沉积物水界面污染物的转化与降解等三方面,其中沉积物水界面层污染物的迁移转化模型是重要研究内容之一。关键词:管道沉积物;氮污染;有机物污染;污染特性;生物反应器;去除效果;综述中图分类号:X52摇摇摇文献标志码:A摇摇摇文章编号:10067647(2014)05008006Researchprogressonpollutioncharacteristicsofnitrogenandorganicsinsewersediment//LIHaiyan1,CUIShuang1,HUANGYan2,YUEJinglin1(1.MinistryofEducationKeyLaboratoryofUrbanStormWaterSystemandWaterEnvironment,BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture,Beijing100044,China;2.BeijingMunicipalEnvironmentalMonitoringCentre,Beijing100048,China)Abstract:Inthisreview,wepresentadomesticandforeignstate鄄of鄄the鄄artonnitrogenandorganicmatterremovalbyusingsewerasabioreactorandthemigrationandtransformationofnitrogenandorganicmatterinthesediment鄄waterinterface.Intermsofnitrogenandorganicmatterremoval,domesticandforeignresearchersmainlyobservemicrobialcontent,measurethepollutantconcentrationchangesinsitu,andimprovedrainagepipelinetoachievebetterremovalefficiencyofpollutantsinsewage.Sedimentpollutantrelease,causedbyrainfallerosion,mainlyoccursinthesediment鄄waterinterfacelayer.Researchonthemigrationandtransformationofnitrogenandorganicmatterinthesediment鄄waterinterfacefocusonthecompositionandcharacteristicsofsediment鄄waterinterfaceofthemostimportantresearchcontents.Keywords:sewersediment;nitrogenpollution;organicmatterpollution;pollutioncharacteristics;bioreactor;removalefficiency;review摇摇近几年,国内部分大中城市出现严重内涝现象,城市排水管道的运行和管理成为学者们关注的焦点。城市排水管道中沉积物的存在,直接导致管道过流能力下降从而降低管道排水容量[1];更重要的是,管道内的沉积物在暴雨时会被径流冲刷而进入水体,形成冲击性污染负荷,使非点源污染转化为点源污染[2]。Ahyerre等[3]研究指出管道沉积物赋存污染物对受纳水体的污染负荷贡献率高达80%以上;赵磊等[4]研究得出降雨期间管道沉积物中总氮对受纳水体的污染负荷贡献率为60%;徐波平[5]得出在次降雨径流冲刷强度下,溢流污水中23郾12%的总氮来源于管道沉积物;Chebbo等[6]对法国合流制排水管道研究表明,溢流污水中60%~95%的有机污染物来自管道沉积物。氮是水体富营养化的控制因素之一,沉积物经冲刷释放出的氮进入水体会增加水体负担。沉积物中有机物含量较高,且多处于缺氧及厌氧条件下,经微生物作用会产生有毒有害气体如硫化氢,并最终转换为酸类腐蚀管道,降低使用寿命甚至引起管道漏损[7]。沉积物中的有机物与氮密切相关:淤总氮和有机物含量之间存在良好的线性关系,可通过测定有机物含量估算沉积物中总氮含量[8];于可交换态氮和固定态铵主要由总氮矿化产生,总氮和总有机碳均以有机物为主要来源[9];盂氨氮主要来源于沉积物中有机氮的分解,且只有在还原性环境中才能稳定存在,沉积物中有机物含量及氧化还原环境·08·水利水电科技进展,2014,34(5)摇Tel:02583786335摇E鄄mail:[e-mail]摇直接影响着有机氮的分解[10];榆管道内存在缺氧厌氧环境且富含微生物,有机物可为反硝化作用提供碳源。综上所述,了解管道沉积物中氮及有机物的污染特性对于管理控制管道沉积物具有重要意义。1摇管道生物反应器中氮及有机物去除研究据美国国家环境保护局(EPA)的报告,利用下水道处理污水是可能的,提高污水处理效率的主要因素是足够的微生物量(biomass)、充足的溶解氧(DO)和充分的停留时间(HRT)[11]。管道内环境与污水处理反应器有很多相同之处,污水中存在的微生物、基质以及电子受体在管道沉积物中均存在,只是相较于污水处理系统不同的是管道沉积物中异养菌浓度较低,基质浓度较高[12]。Nielsen等[13]指出在管道传输污水过程中微生物反应过程一直在进行,Hvitved鄄Jacobsen等[14]进一步研究得出微生物反应发生在水层、微生物层及沉积物层,管道传输污水的长距离过程保证了一定的水力停留时间,期间沉积物进行着复杂的物理、化学和生物变化。Chen等[15]利用显微镜观察、ATP分析、SOUF测定等方式得出管道沉积物表层确实存在大量的微生物,每克干泥中微生物数量约为2郾1伊1011g-1,每克干泥氧利用的平均值为32mg/h,管道沉积物在氧利用方面较污水更为活跃。国内外很多学者将管道作为小型生物反应器(thesewerasreactor)来研究沉积物对氮及有机物的去除情况,效果明显。Raunkjaer等[16]利用一段5郾2km长的排水管道,对管道中传输时间为3h的污水中溶解性有机碳(DOC)进行了研究,结果表明,溶解性碳水化合物的去除效率与温度、浓度密切相关,实验得出有机物去除速率最高为20mg/(L·h)(转换为COD单位);何万谦等[17]利用ASM2d活性污泥理论概念模式及MCBM生物膜理论概念模式,结合实验室试验进行了大量下水道系统去除污染物过程的研究,结果表明,沉积物表层生物膜对有机物的去除贡献率要大于悬浮生物对有机物去除贡献率,并得到氨氮、总氮平均降解率分别为12郾96%和14郾26%,且发现小管径较大管径具有更高的污染物去除率;曾向前等[18]通过连续测定管道输送过程不同位置污染物浓度,得出总氮、氨氮的平均降解常数分别为1郾610g/L和1郾240g/L;江峰等[19]通过建立污水管道高盐度状况数学模型,发现与低盐度生活污水相比,高盐度生活污水硝化作用更明显,反硝化速率更快且反硝化作用不可忽略。Nielsen等[13]在实验室研究不同温度污水管道污水中多种有机物的浓度变化,发现各物质的转化过程基本遵循高活性的零级反应模式。Kaijun等[20]分别在不同的反应器内模拟了污水管道内的好氧、微氧条件,经20d的试验结果表明,在反应开始1~2d内有机物的降解速率维持在一个较高的水平,降解速率遵从零级反应模式,在随后的18d里有机物降解速率才逐渐降低并接近一级反应,与Nielsen等研究结果基本一致。利用管道作为生物反应器这一特点,为达到一定的出水水质目标,研究人员对管道也做了改进和尝试。王西俜等[21]在27515m市政管网系统中设置固定化细胞,采用缺氧好氧工艺进行日处理1500m3污水的中试,使污染物去除效率达65%,基本达到国家污水综合排放二级标准。周健等[22]采用下水道活性污泥系统处理低浓度(200mg/L)、中浓度(400mg/L)、高浓度(600mg/L)城镇污水,为使出水COD质量浓度低于60mg/L、BOD质量浓度低于20mg/L,反向推导计算出所需管道长度分别为0郾9~3郾6km、5郾4~21郾4km和10郾8~43郾2km。综上所述,污水管道是连接污水源头与终端释放的重要部分,在长距离运输污水的过程中,利用好管道沉积物的生物降解特性,在污水传输过程中同时降解污水中污染物质,将大大减轻污水处理厂的运行负担,也将大幅减少对受纳水体污染负荷的冲击,保护受纳水体环境。而对管道沉积物中污染物质的迁移转化的研究,研究者也经历了从宏观到微观的探索历程,最终将关注点集中于沉积物水界面(nearbedsolids,NBS)层上。2摇管道沉积物水界面氮及有机物的迁移转化研究摇摇国外对管道沉积物的相关研究主要集中于其物理化学性质、传输与侵蚀规律模型及对合流制溢流(CSOs)的影响等方面,在比利时、法国、德国、苏格兰、英国等欧洲国家研究较多。早在1986年,作为UPM课题(urbanpollutionmanagementprogramme)的一部分,英国阿伯泰邓迪大学(UniversityofAbertayDundee)首先开始关注合流制管道系统中旱雨季颗粒沉积物的迁移及沉积物上附带污染物性质与污染释放问题[23]。2.1摇管道沉积物水界面层的组成及特性Crabtree[24]根据管道沉积物表观、组成以及沉积位置等,首次将其分为5个类型,起主要作用的有3类,即A型存在于管道底部,为颗粒状较松散的矿物质;C型在流动较缓区域出现,为具有移动性的细颗粒有机沉积物,可独立存在或存在于A型沉积物上;D型在中等流速处出现,主要为管壁的生物淤泥。·18·水利水电科技进展,2014,34(5)摇Tel:02583786335摇E鄄mail:[e-mail]摇等[25鄄26]也将沉积物重新分类,但与Crabtree分类法大致相似,其中,C型沉积物即为NBS层。Arthur等[27]通过对英国多个地点合流制管道沉积物NBS层的性质研究得出,NBS层COD、BOD、氨氮质量浓度分别高达124246mg/L、96119mg/L和181mg/L,为同位置污水的290倍、247倍