多点汇流下污水管网污染物迁变规律及其机制

石 烜,高 歌,任 博,田嘉盟,金 鑫,王晓昌,金鹏康 (西安建筑科技大学环境与市政工程学院,陕西 西安 710055)

污水管网是城市污水系统的重要组成部分[1],在污水管网长距离输送过程中,污水水质会发生显著变化,其所携带的碳,氮,硫污染物存在着形态,含量的波动转化规律,并因其含量丰富,为污水管网生物膜中微生物的繁衍代谢提供了良好的基础[2-3],使得污水水质产生进一步改变,显著制约了污水管网的安全稳定运行及后续污水处理环节的处理效力[4].

管网中微生物的生化反应过程主要包括发酵作用,氨化作用,硫酸盐还原作用,产甲烷作用以及微生物的增长与衰减等[5-6].氨化作用是氨化细菌将有机氮转化为 NH4+-N导致 NH4+-N浓度升高的过程[7].微生物自身的生长繁殖,发酵[8],产氢产乙酸[9-11],产甲烷[12-13]和硫酸盐还原[14-15]等过程是污水管道中的主要生化反应,是污水中COD减少的主要原因.因此探究污水管网中微生物转化对水质的作用特性成为学者们的研究热点[16-17].

然而,目前对于城市污水管网的研究,主要集中于在一条主干管中污水的迁移转化特性和微生物作用[18-20],而忽略了实际情况中的支管汇流污水对主干管污水水质的影响,目前对于支管污水进入主干管对主干管污水产生冲击以及汇流区域微生物的研究甚少.在实际情况下,污水从污水源排出后,首先进入的是各级污水支管管道,从污水支管流入干管,再汇入主干管,最终进入污水处理厂,在此期间,污水需经过多次汇流,汇流会对主干管污水有冲击作用,同时污水还进行着复杂的物理,化学和生物学变化,这些变化不仅影响污水管道的输送效率和管网中生物膜的生长情况,还会影响污水处理厂的进水水质.

基于此,本文建立多点汇流城市污水管道模拟中试试验系统,在原有的一根主干管模拟系统中增加 5个汇流支管进行多点汇流模拟,通过检测分析污水中的 SCOD,NH4+-N和 SO42-等污染物质浓度和管道中的微生物分布,探究城市污水管网中多点汇流条件下污染物的迁变规律以及微生物对污染物变化的影响,为进一步探明实际城市污水管网污水水质转化特征及其对污水处理厂的影响机制提供理论依据.

1 材料与方法

1.1 试验装置

反应器在原有的城市污水模拟管道反应器[21]基础上增加 5个汇流点,形成城市污水管网多点汇流中试试验系统(图1).装置主体由管径为40mm的PVC管构成,总有效长度为1200m,坡度为0.5%,管壁经适当打磨,使其管道内壁粗糙度与实际污水管道粗糙度相近,共有35层,每层长度约为35m,相邻两层之间由直径100mm,高50mm的圆柱形有机玻璃检查井连接.5个汇流点分别设置在如图 1所示的6,12,18,24,30层的检查井位置,5个支管由管径为20mm的PVC管构成.

图1 城市污水管网多点汇流中试试验系统示意Fig.1 Schematic diagram of pilot test system for multi-point confluence in urban sewage pipe network

每层模拟管段以及汇流点前,后均设有取样点,为便于观察水流状态以及放置生物膜载体,取样点两侧设有活结连接的有机玻璃管段,同时模拟管段外部裹有保温材料,使其处于一个避光恒温的环境中.

1.2 模拟试验条件

试验温度为(26±2)℃,溶解氧为(0.1±0.05) mg/L.系统依靠潜水泵将1号和2号水箱中经充分混合的原水分别提升至具有一定高度的3号和4号水箱,1号和 2号水箱的尺寸为 D×H=1200mm×1500mm,3号和 4号水箱的尺寸为 B×L×H=500mm×500mm×500mm,3号水箱污水依靠重力流进入模拟主管段,4号水箱污水依靠重力流进入模拟支管段,而后汇入模拟主管段,在连续运行期间流速约为0.15～0.25m/s,水力停留时间约为2.5h,管道充满度为0.6.

1.3 进水水质

试验采用人工配水作为原水,主管和支管的原水组成和水质相同,如表1和表2所示:

表1 原水组成和水质Table 1 Composition and quality of raw water

1.4 取样方法

反应器共设17个水样取样点,在每个汇流点前后各设置一个取样点,并且在距进水口为 0,200, 400,600,800,1000和1200m的地方分别设置1个取样点.以5个汇流点为界,将1200m管道分为5段, 0m(进口),200m,300m汇流点前,300m汇流点后分别为第1段的第1、2、3、4个取样点;400m,500m汇流点前,500m汇流点后为第2段的第1、2、3个取样点;600m,700m汇流点前,700m汇流点后为第3段的第1、2、3个取样点;800m,900m汇流点前,900m汇流点后为第4段的第1、2、3个取样点;1000m, 1100m汇流点前,1100m汇流点后为第5段的第1、2、3个取样点.

在反应器 200,300,400,500,600,700,800,900,1000,1100和1200m处共设置11个生物膜取样点,在反应器稳定运行20,50,90d对生物膜进行取样检测.

1.5 分析指标与测定方法

1.5.1 常规水质指标分析 定期在每个取样点处采集污水后,测定 SCOD、NH4+-N、SO42-等水质指标.采用第四版《水和废水监测分析方法》中规定的标准方法测定 SCOD、NH4+-N、SO42-,SCOD采用0.45μm 滤膜过滤后重铬酸钾法检测,NH4+-N采用纳氏试剂光度法测定,SO42-采用铬酸钡光度法测定.

1.5.2 环境因子测定分析 使用 HQ30d便携式测定仪(HACH.USA)对系统污水的pH值、DO进行测定.经过前期稳定运行,污水中的 DO 平均浓度随着管网距离的增加呈现降低的趋势,从进口的0.35mg/L降为出口的 0.19mg/L,表明模拟管网内部环境在由缺氧向厌氧转变.污水中的pH值基本保持不变,沿程均在6.9～7.2之间.这与实际污水管道的环境条件相近.

1.5.3 16S高通量测序分析 16S高通量测序分析由上海美吉生物医药科技有限公司与北京诺禾致源生物信息科技有限公司依照DNA提取与检测、PCR扩增、荧光定量、Miseq文库构、Miseq测序等步骤开展[22].对管道中的生物膜进行检测分析,共检测33个样品,每个样品设置3个平行样,每个样品测定大约8万条序列.

1.6 计算方法

在多点汇流污水模拟管网中,导致污染物发生变化的原因主要有两方面.第一,支管汇入主管,使主管污染物浓度发生变化;其二,生物作用导致污染物浓度发生变化.

1.6.1 支管汇流导致污染物的浓度变化量

式中:ΔCi,1表示第i段管道支管汇流导致污染物的浓度变化量;i代表1200m管道的段数; Ci,3表示第i段管道第3个取样点的浓度; Ci,2表示第i段管道第2个取样点的浓度,i=2,3,4,5;当i=1时, ΔC1,1=C1,4-C1,3,即第一段管道支管汇流导致污染物的浓度变化量等于第一段管道第4个取样点浓度减去第一段管道第3个取样点浓度.

1.6.2 汇流点之间管段生物作用导致污染物的浓度变化量

式中:ΔCi,2表示第i段管道汇流点之间管段生物作用导致污染物的浓度变化量;i代表 1200m管道的段数;Ci,2表示第i段管道第2个取样点的浓度,Ci-1,3表示第i-1段管道第3个取样点的浓度,i=3,4,5;当i=1时,ΔC1,2=C1,3-C1,1,即第一段管道生物作用导致污染物的浓度变化量等于第一段管道第3个取样点浓度减去第一段管道第 1个取样点浓度;当 i=2时,ΔC2,2=C2,2-C1,4,即第二段管道生物作用导致污染物的浓度变化量等于第二段管道第2个取样点浓度减去第一段管道第4个取样点浓度.

2 结果与讨论

2.1 多点汇流条件下碳类污染物迁变规律

模拟管网系统在经过前期运行后,各项指标趋于稳定,开始对管网中污染物变化进行分析.

SCOD在管网中的初始进水浓度均在 325mg/L左右,根据SCOD各取样点浓度运用式(1)计算可得,支管汇流导致SCOD的浓度变化量为正值,即表明支管汇流使主管SCOD的浓度增加.由式(2)计算可得,生物作用导致 SCOD的浓度变化量为负值,即表明生物作用使汇流点之间管段 SCOD浓度降低(取ΔC1,2, ΔC2,2和ΔCi,2的绝对值后作图).与王宝宝[23]研究一条主干管城市污水管网中污染物的转化规律不同,污水在经过1200m管道后,SCOD沿程呈现持续降低的趋势,平均去除率分别为 34.0%.管道系统中污水COD浓度降低主要由于微生物的水解酸化作用,污水中的大分子有机物通过微生物的水解酸化作用被分解为简单的小分子有机物,小分子物质经微生物进一步转化最终成为如二氧化碳,甲烷等简单的无机物,从而使污水中 COD浓度降低[24].

从图2(a)可以看出,SCOD的浓度在生物作用下呈现降低的趋势,在汇流作用下呈现增大的趋势,并且汇流作用增加的浓度大于在生物作用下降解的浓度,所以 SCOD的浓度整体呈现上升的趋势,出口浓度在 375mg/L左右.从柱状图中可以看出,5个汇流点对主管浓度的增加量基本一致,大约均为30mg/L,而随着管道沿程距离的增加,生物作用使SCOD浓度的减少量先增大后减小,每200m的减少量分别为12.05,13.04,17.43,15.41和12.17mg/L,其减少量在管道 500～700m 之间达到峰值.图 2(b)～(d)的浓度变化和变化量趋势与图 2(a)基本一致.在图2(e)～(i)中,因为生物作用导致 SCOD 的降解量大于汇流作用导致SCOD浓度的增加量,因此SCOD的浓度整体呈现下降的趋势,其余特征与图 2(a)一致.可见,在多点汇流管网系统中,支管的汇流补充使主管SCOD浓度增大,而生物降解作用使SCOD浓度减小.因此,支管污水汇入会对主管污水产生冲击,实际城市污水管网中,碳类污染物浓度并不是一直呈现沿程下降的趋势,当支管污水的碳类污染物浓度较高时,汇入主管会使主管碳类污染物浓度增大,故支管污水的汇入是碳类污染物浓度发生变化的重要因素之一.

图2 碳类污染物(SCOD)的迁变规律Fig.2 The changing laws of carbon pollutants (SCOD)

随着时间的变化,在生物作用下 SCOD 的降解量在前70d一直增大,在70d后基本稳定(可能由于生物膜的生长与脱落处于动态平衡状态),降解量最大值出现在70d后,即生物对SCOD的影响作用呈现先增强后基本稳定的趋势.汇流作用导致主管浓度的总增加量基本在150mg/L左右,在50d后,生物作用导致SCOD的总减少量大于汇流作用导致SCOD的总增加量,所以 SCOD的出口浓度先减小后基本稳定于280mg/L左右(见图2).这说明,虽支管汇流可使 SCOD浓度升高,但是经长期运行,生物作用导致SCOD浓度下降总量会大于汇流导致的增加总量,进而导致 SCOD浓度整体降低,因此微生物的水解酸化作用对污水管网的碳类污染物浓度变化影响占主导作用.

2.2 多点汇流条件下氮类污染物迁变规律

NH4+-N在管网中的初始进水浓度均在40mg/L左右,由NH4+-N各取样点浓度运用式(1)计算可得,支管汇流导致NH4+-N的浓度变化量为正值,即表明支管汇流使主管NH4+-N的浓度增加.由式(2)计算可得,生物作用导致NH4+-N的浓度变化量为正值,即表明生物作用使汇流点之间管段NH4+-N浓度升高.NH4+-N浓度升高的主要原因是有机氮的氨化作用[7,25].

以图3(a)为例,从折线图中可以看出,NH4+-N浓度在 1200m多点汇流模拟管道中呈现逐渐增大的趋势,其出水浓度升高至55mg/L左右.从柱状图可以看出,汇流作用使 NH4+-N的浓度增大值基本相同,都在 2.5mg/L左右,而生物作用下每200m NH4+-N浓度的增大量分别为0.36,0.52,0.67,0.58和0.49mg/L,最大值在500～700m之间,其变化量可以分为两个阶段,在700m之前,生物作用使NH4+-N升高的浓度一直逐渐增大,而在 700m 之后,其变化量逐渐减小.其余取样时间的变化趋势与图3(a)变化趋势相一致.可以得出,在多点汇流管网系统中,微生物作用可使NH4+-N浓度增大,汇流作用也使主管NH4+-N浓度升高.因此,支管污水的汇入是氮类污染物质浓度发生变化的重要因素之一.在实际城市污水管网中,NH4+-N浓度的升高不只是因为有机氮的氨化作用,还与支管污水的汇入有关,当支管污水的NH4+-N浓度较高时,汇入主管会使主管 NH4+-N 浓度增大.王斌[26]研究了一条主干管中 NH4+-N 的含量变化,结果显示,污水经过1200m管道输送, NH4+-N含量由38.8mg/L升高至 42.9mg/L,其变化只来源于微生物的代谢作用.

图3 氮类污染物(NH4+-N)的迁变规律Fig.3 The changing laws of nitrogen pollutants (NH4+-N)

从图 3(a)～(i)可以看出,NH4+-N 浓度呈现持续升高的趋势,从反应器稳定运行第 10d～第 60d,生物作用使NH4+-N浓度升高的变化量呈现持续增大的趋势,即生物对NH4+-N浓度变化的影响作用一直在增强,在60d后,因生物作用导致NH4+-N浓度的增加量基本保持稳定(可能由于生物膜的生长与脱落处于动态平衡),NH4+-N出口浓度也基本保持在大约70mg/L,即在生物作用影响下 NH4+-N的变化量在60d后达到稳定且最大.汇流作用使主管NH4+-N浓度的总增加量基本在12.5mg/L左右,在50d后,因生物降解作用使NH4+-N的总增加量大于汇流作用导致 NH4+-N 的总增加量.这说明,支管汇流会对主管NH4+-N 有补充作用,但是经过长期运行,在氨氧化作用下导致的NH4+-N增加总量会超过因汇流增加的总量,因此氨化作用使有机氮转化为 NH4+-N是NH4+-N浓度发生变化的主要因素.

2.3 多点汇流条件下硫类污染物迁变规律

SO42-在管网中的初始进水浓度均在20mg/L左右,由 SO42-各取样点浓度运用式(1)计算可得,支管汇流导致 SO42-的浓度变化量为正值,即表明支管汇流使主管 SO42-的浓度增加.由式(2)计算可得,生物作用导致 SO42-的浓度变化量为负值,即表明生物作用使汇流点之间管段 SO42-浓度减小(取的绝对值后作图).王宝宝[23]对一条主干管污水管网中的SO42-转化研究结果表明,SO42-沿程持续降低,去除率为 23.1%.SO42-含量降低主要是由于管网内硫酸盐还原菌的作用,在缺氧/厌氧的环境下硫酸盐还原菌将 SO42-还原为 S2-,从而导致 SO42-的浓度减小[13,27].

由图4(a)可知,经过1200m管道,SO42-出口浓度为 30mg/L左右,主要由于 5个汇流点(每个大约为2mg/L)的补充,SO42-浓度整体呈现上升的趋势.汇流点之间管段的生物膜对硫酸盐有降解作用,使其浓度减小,每200m减少量分别为0.00,0.13, 0.24,0.18和0.10mg/L,减少量先增大后减小,最大值在500～700m 之间.除图 4(g),(h),(i)外,其余时间取样变化趋势与图 4(a)相一致.图 4(g),(h),(i)的硫酸盐浓度分别由入口的20.78,20.82,20.80mg/L下降到出口的 19.61, 20.53, 19.98mg/L,整体稍有下降.可见,在多点汇流管网系统中,支管汇流作用对主管 SO42-有补充作用,微生物对 SO42-有降解作用.因此,支管汇流是硫类污染物浓度发生变化的重要因素之一,在实际城市污水管网中,硫类污染物浓度并不是一直沿程降低,当支管汇流的硫类污染物浓度较高时,可使主管的硫类污染物浓度升高.

图4 硫类污染物(SO42-)的迁变规律Fig.4 The changing laws of sulfur pollutants (SO42-)

从图 4(a)～(g),在生物作用下 SO42-的浓度降解 量一直在增大,从图 4(g)～4(i),其值基本保持稳定(可能由于生物膜的生长与脱落处于动态平衡状态),也就是生物对 SO42-降解的作用先增强后保持稳定,因此 SO42-的出口浓度随时间变化呈现先减小后基本维持在20mg/L左右的趋势.在70d后,汇流点补充的SO42-总量和生物作用导致 SO42-的减少总量大约都在 10mg/L,即两者对 SO42-的影响作用大致相等,呈现平衡状态.

2.4 多点汇流条件下微生物分布特征

碳类污染物转化菌属包括 Trichococcus[28],Cloacibacterium[29],Tolumonas[30]等水解发酵菌(FB),Veillonella[31],Anaerolinea[32]等产氢产乙酸菌(HPA)和 Levilinea[33]等产甲烷菌(MA),氮类污染物转化菌属包括 Thiomonas[34],Parabacteroides[35]等氨氧化菌(AOB),硫类污染物转化菌属包括Desulfovibrio[36],Desulfonema[37],Acidithiobacillus[38]等硫酸盐还原菌(SRB).

如图5(a)所示,管道系统沿程具有碳氮硫类污染物转化功能的总菌属相对丰度在生长过程中逐渐增加,在700m处相对丰度最大,沿程呈现先增大后减小的趋势,因前700m管道中适宜的生存条件和越来越丰富的碳氮类物质提供了大量的有机物和营养盐,使得微生物快速繁殖,促使了污水在流动过程中有机污染物质含量和形态的转变,因此在生物作用下污染物的浓度减少量越多(与 2.1,2.2,2.3生物作用导致污染物浓度减少量的变化趋势相一致),而在700m之后,可能因600～800m范围内环境因子发生了变化,生物膜内部的微环境发生了剧烈的变化,微生物群落不适应环境的突变,导致微生物群落在该范围内的分布发生了改变[19],因此管网内的总微生物丰度整体呈现减少的趋势,但在汇流点处会有少量的增加,说明支管汇流对微生物生长也有一定的促进作用,进而影响污染物的变化.700m后微生物丰度整体降低,因微生物作用导致污染物的浓度减少量也会相应减少(与2.1,2.2,2.3生物作用导致污染物浓度减少量的变化趋势相一致).

图5 多点汇流条件下微生物分布Fig.5 Microbial distribution under multi-point confluence conditions

与具有碳氮硫类污染物转化功能的总菌属繁殖规律类似,碳,硫类污染物转化菌属历时呈现逐渐增大的趋势(如图5(b),(d)所示).FB将大分子有机物质进行水解酸化之后可产生两类结构更为简单的有机物,第一类主要由乳酸,乙醇,丙酸和丁酸等物质构成,HPA通过降解此类物质生成氢气和乙酸,从而为产甲烷过程提供物质来源[39],第二类物质主要由甲酸,甲醇,甲胺和乙酸等物质构成,这部分有机物可以直接被MA所消耗利用,SRB以甲醇和乳酸为碳源进行生长繁殖[40].碳,硫类污染物转化菌属在 0～700m相对丰度逐渐增大,在700m后逐渐减小(如图5(b),(d)所示),变化原因与总菌属类似.与以上菌属不同的是,氮类污染物转化菌属在污水管道生物膜中含量较低,且无明显的变化趋势(如图5(c)所示),这是由于在污水管道缺氧-厌氧的环境条件下无法进行氨氧化过程,这也是污水在流动过程中氨氮逐渐积聚的原因之一.

由图 5(e)可以看出,随着时间的变化,各类菌属丰度持续增加,即微生物持续繁殖增长.对碳类污染物进行转化的微生物菌属主要有 Trichococcus,Flavobacterium,Cloacibacterium,Raoultella,Aeromon as,Veillonella,Anaerolinea,Levilinea等,其中FB菌属占比较大,因此发酵菌是主要优势菌群,说明微生物对水质的改变主要以水解酸化作用为主.对硫酸盐起还原作用的主要菌属有 Desulfovibrio和Desulfonema等.

3 结论

3.1 汇流点前SCOD和SO42-浓度降低,NH4+-N浓度升高,经过汇流点后,3类污染物浓度均明显增加,故支管污水的汇入是污染物质浓度变化的重要因素之一.

3.2 后期水质达到稳定,SCOD浓度由进口的320mg/L左右下降至出口的 280mg/L左右,在氨化作用下导致的NH4+-N总增加量在15mg/L左右,高于因汇流产生的增加总量 12.5mg/L左右,表明汇流管网系统中微生物的消耗代谢作用是碳氮类污染物变化的主导因素,而 SO42-后期进出口浓度均在20mg/L左右,说明支管汇流和生化代谢使SO42-的含量维持在动态平衡的状态.

3.3 在管道前 700m,微生物丰度逐渐增长,同时在生物作用下 SCOD,NH4+-N,SO42-的变化量逐渐增长,在700m 后,微生物丰度降低,从而导致各类污染物的降解量逐渐减小,因此生物作用导致三类污染物质的变化量沿程呈现先增大后减小的趋势.FB为主要优势菌,说明微生物主要利用水解酸化作用改变水质.