多点汇流下污水管网污染物迁变规律及其机制研究

张少锜

（长江生态环保集团有限公司，湖北 武汉 430000）

引言

污水管网作为城市污水处理的一个重要的组成部分，在污水输送的过程当中，污水的水质会出现一系列明显的变化，污水在管道当中行进时，其所包含的碳、氮等污染物在形态、含量等方面会出现一定的变化，并且因为此类污染物的含量较为丰富，所以在污水管道中为生物膜的微生物生长提供了有利的条件，这对于污水的水质发生了显著的改变，尤其是对于污水管网整体安全稳定，正常的运行以及在后续的污水处理环节造成一定的影响。

1 试验目的

当前对于城市污水管网的研究，大部分都会集中在以一条主的管道当中污水转化的特性，以及微生物发挥的作用进行研究，都在有意无意中忽略了在实际的条件当中支管汇流的污水对于主管道污水水质的影响。当前在支管的污水进入到主管之后，对于主管的污水会产生的冲击，以及在汇流的区域对于微生物的变化情况的研究较少。

实际上，从现实情况来看，污水在从出口排出之后，首先进入的就是各级污水支管的管道，随后再由各级污水支管管道汇总完之后再流入到干管当中，各干道当中再次进行汇流之后才会进入主管道，最终才会流至污水处理的地方。而在从支管汇流到干管，从干管再汇流到主管，最终在流入到污水处理的地方过程当中，会历经多次的汇流，每一次的汇流都会对主管道的污水产生一定的冲击、变化作用，并且污水在管道流程当中随着时间的变化也会起到一定的化学以及生物方面的变化，这一类的变化不仅仅会对于污水整体的运送效率以及管道当中的生物膜造成一定的影响，并且还会对污水进行污水处理之前的净水水质造成一定的影响，因此为找寻在实际情况之下，城市污水的管网水质转化的特征，以及对污水处理厂所造成的影响，提供一定的依据[1]。

2 试验条件分析

实验的反应器在已有的城市污水模拟管道的反应器基础之上，增加4个汇流点，这样可以与实际当中城市污水管网汇流的实际情况接近，其主体的管道为40毫米，总的长度为900米，坡度保持在0.5%，对于管壁内部适当的进行处理，使得其整体的粗糙程度和在实际情况当中的污水管道的粗糙程度类似，共建设35层，每层的长度保持在20米。相邻管道之间有有机玻璃检查井进行连接，每层模拟管段以及汇流点之前与之后都设置有一个采样点，这样可以有效的观察水流的实际状态以及生物膜载体的实际情况，在取样点的两端还打开一个活节连接玻璃的管段，在模拟的管段外部当中有着保温的设置，使其能够模仿城市污水管道的环境[2]。

3 试验结果分析

总体来说，汇流管网当中微生物的消耗的作用是导致碳氮类污染物变化的主要因素。污水在经过汇流点之后，污染物的浓度会有明显的增加，因此，支管的汇入是导致污染物浓度变化的主要原因。污染物总体的变化总体呈现着先增大后减少的趋势。

4 多点汇流下污水管网污染物迁变规律分析

4.1 多点汇流条件下碳类污染物迁变规律分析

所设置的模拟管道在经过前期的运行之后，各项指标渐渐稳定，条件成熟，随即可以开始对管网当中的污染物所产生的变化进行有效分析。

溶解性COD在管道当中，最开始的进水浓度值都在340 mg/L左右，根据溶解性COD取样点的浓度，进行计算可以得到支管的水流流入导致溶解性COD的浓度变化量为正，这就表示支管的水流流入之后，使得主管的溶解性COD的浓度有所增加，由此可得生物的作用会致使溶解性COD的浓度变化量为负，也就表示生物的作用会使汇流点之间的管道溶解性COD的浓度降低。污水在流经900米的管道之后溶解性COD会呈现随着距离的变长而逐渐的降低。管道系统当中污水的COD浓度出现下降的原因，最主要就是因为微生物当中水解酸化的作用，污水当中的大分子有机物利用微生物的水解酸作用，会被分解为众多比较简单的小分子有机物，这些小分子有机物经过微生物的有机转化，最终成为较为简单的无机物，例如二氧化碳、甲烷等等，从而能够使得污水当中的COD浓度有效的降低。

从表1中可以看到，可溶解性COD在生物的作用之下会出现降低。一旦当汇流流入的话，又会出现增高，因此汇流的作用造成浓度的增加会大于在生物作用下降解的浓度，因此溶解性COD浓度会出现上升的态势，出口的浓度较高。随着管道延长距离的增加，生物的作用也会使得溶解性COD浓度的量呈现前期增大后期减少的趋势，随着管程延长而不断出现变化。

表1 溶解性COD质量浓度变化量 单位：mg/L

由此也可以看出，在多点汇流之下整体的管网当中，支管的汇流会使得主管的溶解性COD的浓度整体增大，通过生物降解的作用，使得溶解性COD的浓度再次减小。所以可以得到结论，一旦当支管当中的污水流入到主管当中，就会对主管当中的污水造成冲击，但实际上在较为复杂的城市污水管道当中，碳类的污染物浓度却并不是随着管道管程的增加而出现下降的趋势，一旦当支管污水的碳类污染物浓度比较高的时候，流入主管之后会使主管的碳、硫污染物的浓度有所增加，所以从这个方面也能够看得出来，支管污水的流入就是造成碳类污染物浓度发生变化的主要因素。

随着时间的浮动，在生物分解之下，可溶解性COD降解量在50天之前一直处于增大的状态，在50天之后则渐渐的趋于稳定。最大值出现在75天的时候，也就是生物作用之下溶解性COD的影响，呈现了先增强后基本稳定的趋势的走势。汇流的作用会导致主管的浓度在增加量方面保持在一个较为平稳的状态。在50天之后，生物作用而致使溶解性COD总的减少量会大于因为汇流而导致溶解性COD的总增加量，因此，其出口的浓度会出现先减小，后逐渐的趋于稳定，总体稳定在290 mg/L左右。而这就说明虽然说支管汇入到主管当中之后，会使得溶解性的COD浓度暂时的升高，但是经过一段时间的运行之后，生物作用就会致使溶解性COD的浓度逐渐的下降，其下降的总量会大于汇流过来的增加总量，从而使得溶解性COD整体的浓度减少，这也正是微生物的水解酸化作用，对于污水管网当中碳粒污染浓度变化影响起到主要的作用[3]。

4.2 多点汇流条件下氮类污染物迁变规律分析

氨氮在管网当中最开始的进水浓度只有在40 mg/L左右，因为氨氮的取样浓度经过计算可以得出，支管汇流如果让氨氮的浓度变化量为正值的话，就代表支管汇流使得主管氨氮的浓度有所增加，生物作用一旦使得氨氮的浓度变化量成为正值的时候，就代表生物作用使得氨氮浓度有所升高，升高的最主要原因就是因为有机氮的氨化作用反应。

从表2中可以看得出来氨氮的浓度，随着管程的逐渐增长，浓度会逐渐的增大。尤其是在汇流的时候，浓度会达到最高。从数据当中也能够看得出来汇流的原因，会使得氨氮整体的浓度增大，并且数值方面基本相同。在生物作用之下，随着管程的逐渐增加，氨氮的浓度也会随之增加。但是在600米之前，因为生物的原因会使得氨氮升高，浓度渐渐的增大，在600米之后就呈现了变化量缩小的趋势。由此就可以看得出来，在多点汇流的管网系统当中，微生物的作用会使得氨氮整体的浓度增加，汇流也会使得主管氨氮的浓度有所升高。所以在支管当中，污水流入到主管当中是导致氮类污染物浓度出现变化的主要原因。

表2 氨氮质量浓度变化量 单位：mg/L

在实际情况中，城市污水管道当中氨氮浓度的升高不仅仅是和有机氮的氧化作用相关，还和支管污水汇入流入到其中有所关联，一旦当支管污水当中的氨氮的浓度比较高的时候，汇入主管当中就会使得主管中的氨氮浓度有所增大。根据相关研究表明，污水在经过一段的缓冲输送之后，氨氮的含量便会有所升高，其变化的来源也是因为微生物出现了代谢作用。

从表2中可以看出，氨氮的浓度有着持续升高的走向。在50天左右的时候，生物的作用使得氨氮的浓度升高的变化量呈现持续增大的趋势。这说明生物对于氨氮的浓质量浓度的变化一直在不断的增强，在50天之后因为生物作用而导致的氨氮能量增加量，总体保持一个稳定的状态。出口的浓度也较为稳定，也就是说在生物作用的影响之下，在50～70天这一时间氨氮的变化量会逐渐的稳定并且达到最大值。在50天之后，因为生物的降解作用，使得氨氮总增加量会大于因汇流作用而导致氨氮的总增加量，这就表明支管汇流虽然说会对于主管的氨氮有着补充的作用，但是在长时间的管道流程当中，氨化作用使得有机氮转化为氨氮，是导致氨氮浓度出现变化的关键因素[4]。

4.3 多点汇流条件下微生物分布特征

碳类污染物转化菌主要有毛球菌、氯杆菌、甲苯单胞菌等水解发酵菌。韦氏菌、厌氧生菌等产氢产乙酸菌和莱维菌属等产甲烷菌，氮类污染物转化菌属主要有硫单胞菌、拟杆菌类等氨氧化菌，硫类污染物转化菌属主要有脱硫弧菌、脱硫剂、酸性流杆菌等硫酸盐还原菌。

如表3所示，在管道系统当中，随着管程的逐渐增多，碳氮硫类的污染物转化功能的总菌属相对丰度的生长过程也呈现增高的趋势。尤其是在600米左右达到丰度最大，管程整体同样是呈现着先增大后减小的走向，因为在前600米的管道当中，有着适合生存的条件以及丰富的碳氮类物质，提供了许多的有机物以及营养盐，这样微生物在其中可以得到快速的生长，确保了污水在流动的过程当中有机污染物质的含量以及形态的转变。

表3 多点汇流条件下微生物分布（%）

所以，在生物的作用之下，污染物的浓度减少量越多。在600米之后，可能因为在这一段的管程之内环境的因素出现了变化，导致生物膜内部的微环境也因此变化了起来，微生物群落不能够适应环境的突变，致使微生物群落在600～900米的范围之内的分布出现了变化，由此，管网之内的总微生物风度整体呈现了减少的趋势，但是汇流点处仍然有着一定的增加，这说明支管的汇流对于微生物来说是有相当的促进作用的，所以会产生一定的变化。到900米时已经能够看出有着一定的下降趋势。

因为微生物所出现的作用，导致污染物的浓度减少，量也会相同的减少，和碳氧硫类污染物转化功能的总菌属的生长规律有些相同，碳类、硫类的污染物转化菌会有着逐渐增高的趋势。水解发酵菌会把大分子有机物质进行水解酸化，由此产生了结构更为简单的有机物，第1类主要是乳酸乙醇、丙酸等物质构成的产氢产乙酸菌。在降解之后可以生成氢气以及乙酸，以此来为生产甲烷的过程提供物质的来源。第2类物质主要是由甲酸、甲醇、甲胺和乙酸等其它的物质所构成的，这一部分的有机物会直接的被甲烷菌进行利用。

硫酸盐还原菌主要是以甲醇以及乳酸为来源进行生长，碳硫类污染物的转化菌在600米的管程时逐渐的增大，在600米之后会逐渐的减小，其变化的原因和碳硫氮类污染物转化总菌属相似。但是和其它的菌属不同的是，氮类的污染物转化菌在管道当中的生物膜含量较少，并且没有明显的变化，这也正是因为污水管道在缺少氧气的环境之下无法进行氨氧化的过程，也造就了污水在流动过程当中氨氮逐渐的增多[5]。

随着时间逐渐的推移，变化各类菌属的风度也呈现增长的趋势，微生物会逐渐的繁衍增长。

对于碳类污染物进行转化的微生物菌属主要有毛球菌、黄杆菌、克隆杆菌、拉乌尔氏菌、气单胞菌、韦氏菌等，在这其中水解发酵菌占比较大。因为水解发酵菌是主要的优势菌群，也由此说明微生物对于水质的改变，主要还是以水解酸化的作用为主。对于硫酸盐起到还原作用的菌属，主要有脱硫弧菌和脱硫菌属等[6]。

5 结语

总体来说，第一，溶解性COD在汇流之前浓度会有所降低，而氨氮的浓度会升高，在流经汇流点之后，这两类污染物的浓度都会出现明显的增高，所以支管污水的汇流是导致污染物浓度变化的关键原因。第二，在后期水质逐渐趋于稳定的时候，溶解性COD的浓度会呈现逐渐降下降的趋势，在氨化作用下的氨氮的总增加量与因为汇流产生的增加量，高于因为汇流产生的总增加量，这说明在汇流管网当中微生物的消耗作用是碳氮类污染物变化的主要原因。第三，在管道前600米的时候，微生物的丰度会呈现增长的趋势，尤其是在生物作用之下，溶解性COD氨氮的变化量出现增长的走向，在600米之后微生物的丰度会有所降低，这也导致了对于各类污染物的降解量有所减少，所以生物的作用会导致污染物质的变化量出现先增大后减小、随后在逐渐稳定的总体走向。水解发酵菌作为一种优势的菌群说明微生物，主要是以水酸菌为手段改变水质。