城市污水管網(wǎng)污染物遷移轉(zhuǎn)化特性

目錄

前言

第1章 緒論 1

第2章 城市污水管網(wǎng)水質(zhì)及水量的變化特性 4

2.1 城市污水管網(wǎng)運(yùn)行狀況分析 4

2.1.1 城市污水管網(wǎng)運(yùn)行狀況 4

2.1.2 不同氣候條件城市污水管網(wǎng)運(yùn)行狀況 6

2.2 不同排水體制下管網(wǎng)水質(zhì)及水量的變化特征 10

2.2.1 我國(guó)排水體制概述 10

2.2.2 完全分流制污水管道的水質(zhì)及水量變化特性 10

2.2.3 截流式合流制污水管道的水質(zhì)及水量變化特性 13

2.3 城市污水管網(wǎng)中污染物沉積情況 15

2.3.1 城市污水管網(wǎng)沉積現(xiàn)狀 16

2.3.2 不同因素對(duì)污水管網(wǎng)沉積狀況的影響 17

2.3.3 不同功能區(qū)域沉積物性質(zhì)對(duì)比 23

2.3.4 南北方典型城市沉積情況與影響因素分析 27

2.4 城市污水管網(wǎng)運(yùn)行中存在的問(wèn)題 28

參考文獻(xiàn) 29

第3章 城市污水管網(wǎng)污染物的沉積與釋放特性 31

3.1 城市污水管網(wǎng)污染物沉積特性 31

3.1.1 污水管道中沉積物的形成規(guī)律 31

3.1.2 污水管道沉積物特性分析 36

3.1.3 污水管道內(nèi)污染物沉積的影響因素 38

3.2 城市污水管網(wǎng)污染物釋放規(guī)律 41

3.2.1 典型流態(tài)下管道污染物在污水-沉積物間的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化規(guī)律 41

3.2.2 不同水力條件下管道內(nèi)沉積污染物的動(dòng)態(tài)變化特性 44

3.2.3 污水管網(wǎng)內(nèi)污染物沉積與釋放途徑分析 50

3.3 城市污水管網(wǎng)沉積物中微生物種群特性 54

3.3.1 沉積物中功能性微生物的種群分布特征 54

3.3.2 沉積物中微生物代謝作用區(qū)域分析 55

3.3.3 沉物中微生物作用與污染物轉(zhuǎn)化耦聯(lián)作用規(guī)律 57

參考文獻(xiàn) 58

第4章 城市污水管網(wǎng)中有機(jī)物與氮磷類(lèi)污染物的轉(zhuǎn)化規(guī)律 61

4.1 管網(wǎng)中有機(jī)物的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化 61

4.1.1 城市污水管網(wǎng)模擬系統(tǒng)構(gòu)建 61

4.1.2 管網(wǎng)水流中有機(jī)物及其中間產(chǎn)物的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化特性 63

4.1.3 溶解性有機(jī)物在管網(wǎng)沿程中的變化特性 66

4.2 管網(wǎng)中氮類(lèi)污染物的轉(zhuǎn)移特性 73

4.2.1 管網(wǎng)水流中氮類(lèi)污染物的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化 73

4.2.2 不同氮類(lèi)污染物間的相互轉(zhuǎn)化規(guī)律 76

4.2.3 氮類(lèi)污染物的微生物代謝途徑與生物利用性 81

4.3 管網(wǎng)中磷類(lèi)污染物的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化 91

4.3.1 管網(wǎng)水流中磷類(lèi)污染物的轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)化特性 91

4.3.2 不同磷類(lèi)污染物間的相互轉(zhuǎn)化規(guī)律 92

4.3.3 磷類(lèi)污染物的微生物代謝途徑與生物利用性 94

參考文獻(xiàn) 96

第5章 城市污水管網(wǎng)中的生物膜菌群分布特性 97

5.1 管網(wǎng)生物膜的形成過(guò)程 97

5.1.1 管網(wǎng)生物膜的動(dòng)態(tài)變化特征 98

5.1.2 管網(wǎng)生物膜內(nèi)的微環(huán)境條件 114

5.2 管網(wǎng)中微生物的群落分布特征 121

5.2.1 總細(xì)菌的分布及多樣性特點(diǎn) 123

5.2.2 功能性微生物群落結(jié)構(gòu)特征 133

5.2.3 功能性微生物種群間的依存關(guān)系 142

5.3 管網(wǎng)中污染物轉(zhuǎn)化的微生物作用原理 142

5.3.1 污染物轉(zhuǎn)化的微生物作用過(guò)程特征 144

5.3.2 微生物作用的動(dòng)力學(xué)解析 149

5.3.3 微生物與污染物的耦聯(lián)作用機(jī)制 151

參考文獻(xiàn) 152

第6章 城市污水管網(wǎng)輸送對(duì)污水處理廠處理過(guò)程的影響 155

6.1 對(duì)污水處理廠進(jìn)水宏觀指標(biāo)的影響 155

6.2 對(duì)進(jìn)水有機(jī)物生化降解性的影響 158

6.2.1 城市污水中有機(jī)物沿程轉(zhuǎn)化概述 158

6.2.2 城市污水輸送過(guò)程中有機(jī)組分的轉(zhuǎn)化影響 159

6.3 對(duì)生物脫氮除磷過(guò)程的影響 163

6.4 城市污水管網(wǎng)研究前景展望 165

參考文獻(xiàn) 166

彩圖 2100433B

本書(shū)結(jié)合氣候條件不同的南北方典型城市污水管網(wǎng)運(yùn)行與調(diào)研結(jié)果，系統(tǒng)論述城市污水管網(wǎng)中污染物轉(zhuǎn)化特性、不同水力條件下污水的水質(zhì)變化規(guī)律以及微生物分布特征。全書(shū)共兩部分內(nèi)容，第一部分為第1章和第2章，主要介紹城市污水管網(wǎng)的運(yùn)行現(xiàn)狀和現(xiàn)存問(wèn)題；第二部分為第3章至第6章，主要介紹城市污水管網(wǎng)中污染物遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律及作用機(jī)理。

無(wú)機(jī)污染物通過(guò)沉淀-溶解、氧化-還原、配合作用、膠體形成、吸附-解吸等一系列物理化學(xué)作用進(jìn)行遷移轉(zhuǎn)化，參與和干擾各種環(huán)境化學(xué)過(guò)程和物質(zhì)循環(huán)過(guò)程，最終以一種或多種形態(tài)長(zhǎng)期存留于環(huán)境，形成永久性的潛在危害。下面以重金屬為例來(lái)對(duì)無(wú)機(jī)污染物在水體中的遷移轉(zhuǎn)化加以說(shuō)明。

重金屬在水體中遷移轉(zhuǎn)化的過(guò)程是一個(gè)復(fù)雜的物理、化學(xué)及生物工程。所以，在研究其在河流中遷移化的規(guī)律時(shí)，必須正確綜合考慮各過(guò)程及其影響因素。重金屬遷移指的是重金屬在自然環(huán)境中空間位置的移動(dòng)和存在形態(tài)的轉(zhuǎn)化，以及由此引起的富集與分散問(wèn)題。

重金屬在水環(huán)境中的遷移，按照物質(zhì)運(yùn)動(dòng)的形式，可分為機(jī)械遷移、物理化學(xué)遷移和生物遷移三種基本類(lèi)型。

機(jī)械遷移是指重金屬離子以溶解態(tài)或顆粒態(tài)的形式被水流機(jī)械搬運(yùn)。遷移過(guò)程服從水力學(xué)原理。

物理化學(xué)遷移是指重金屬以簡(jiǎn)單離子、絡(luò)離子或可溶性分子，在環(huán)境中通過(guò)一系列物理化學(xué)作用（水解、氧化、還原、沉淀、溶解、絡(luò)合、吸附作用等）所實(shí)現(xiàn)的遷移與轉(zhuǎn)化過(guò)程。這是重金屬在水環(huán)境中的最重要遷移轉(zhuǎn)化形式。這種遷移轉(zhuǎn)化的結(jié)果決定了重金屬在水環(huán)境中的存在形式、富集狀況和潛在生態(tài)危害程度。

生物遷移是指重金屬通過(guò)生物體的新陳代謝、生長(zhǎng)、死亡等過(guò)程所進(jìn)行的遷移。這種遷移過(guò)程比較復(fù)雜，它既是物理化學(xué)問(wèn)題，也服從生物學(xué)規(guī)律。重金屬能通過(guò)生物體遷移，并使重金屬在某些有機(jī)體中富集起來(lái)，經(jīng)食物鏈的放大作用，構(gòu)成對(duì)人體危害。

水質(zhì)模型的目的是模擬污染物濃度在環(huán)境中的變化過(guò)程，這種過(guò)程包括物理、化學(xué)和生物過(guò)程，其中物理過(guò)程主要表現(xiàn)在對(duì)流、擴(kuò)散和彌散等；化學(xué)過(guò)程主要表現(xiàn)于物質(zhì)由于化學(xué)反應(yīng)在水體中的變化規(guī)律；生物過(guò)程則是在微生物的作用下而產(chǎn)生的變化過(guò)程。主要控制因素是污染性質(zhì)、環(huán)境因素和排放的方式方法。所以有必要在這里介紹污染物的基本轉(zhuǎn)化規(guī)律和機(jī)理。

對(duì)流與擴(kuò)散

對(duì)于溶解性和懸浮性的污染物質(zhì)，其物理過(guò)程主要有對(duì)流和擴(kuò)散兩種基本方式。對(duì)流指的是由于含有污染物的水體運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的遷移過(guò)程；而擴(kuò)散是指由于水體中污染物遷移所產(chǎn)生濃度梯度的非平流轉(zhuǎn)移過(guò)程，這種過(guò)程是由于布朗寧（BROWNIAN）運(yùn)動(dòng)而引起物質(zhì)分子的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)，或由于湍流而引起的分子級(jí)遷移過(guò)程。

物理化學(xué)過(guò)程動(dòng)力學(xué)

(a)零級(jí)反應(yīng)：零級(jí)反應(yīng)的反應(yīng)速率與反應(yīng)濃度無(wú)關(guān)，當(dāng)方程中的指數(shù)v和w為零時(shí)。

(b)一級(jí)反應(yīng)：一級(jí)反應(yīng)速率與反應(yīng)物濃度成正比

(c)二級(jí)反應(yīng)：典型的二級(jí)反應(yīng)式有兩種形式

吸附－解吸

水中溶解的污染物或膠狀物，當(dāng)與懸浮于水中的泥沙等固相物質(zhì)接觸時(shí)，會(huì)被吸附在泥沙表面，并在適宜的條件下隨泥沙一起沉入水低,使水的污染濃度降低，起到凈化作用。另外，河流的底岸也有吸附作用.與之相反，被吸附的污染物,當(dāng)水流條件(如濃度、流速、pH、溫度等)改變時(shí)，也可能從吸附面上解脫一部分又進(jìn)入水中，使水的污染濃度增加。前者稱吸附，后者稱解吸。大量研究表明：吸附能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于解吸能力，常可大過(guò)幾個(gè)數(shù)量級(jí)。因此，吸附—解析的總趨勢(shì)是使水體溶解的污染物濃度降低。

沉淀與再懸浮

水中懸浮的有機(jī)物微粒和吸附有機(jī)物的泥沙，當(dāng)流速減緩時(shí)，可能出現(xiàn)沉淀，使水體凈化；當(dāng)流速變大時(shí)，沉積為底泥的有機(jī)物可能被沖刷再浮于水中，使污染濃度增大。在水質(zhì)模型中考慮這種影響，一般有兩種途徑：一是按照河流動(dòng)力學(xué)原理，先計(jì)算河段的沖淤過(guò)程，然后再考慮泥沙對(duì)污染物的吸附-解吸作用，進(jìn)一步算出有機(jī)物的沉淀與再懸浮。這種方法考慮因素全面，計(jì)算精度較高，但這種方法比較復(fù)雜，需要資料多，工作量大，僅當(dāng)沉淀與再懸浮作用很重要時(shí)才采用。另一種方法，是采用下面的簡(jiǎn)單公式估計(jì)沉浮作用引起的有機(jī)物濃度變化。

有機(jī)污水生化反應(yīng)

(a)碳化過(guò)程

在水環(huán)境中，有機(jī)物在耗氧條件下，好氧性細(xì)菌對(duì)碳化合物氧化分解，使有機(jī)物產(chǎn)生生化降解過(guò)程。反應(yīng)速度按一級(jí)動(dòng)力學(xué)公式描述，即反應(yīng)速度與剩余有機(jī)物的濃度成正比。

(b)硝化過(guò)程

在水中，氨氮和亞硝酸鹽氮在亞硝化菌和硝化菌作用下，被氧化成硝酸鹽氮的過(guò)程。

(c)厭氧過(guò)程

當(dāng)水體中有機(jī)物(主要指耗氧有機(jī)物)含量超過(guò)一定限度時(shí)，從大氣供給的氧滿足不了耗氧的要求，水體便成為厭氧狀態(tài)。這時(shí)有機(jī)物開(kāi)始腐敗，并有氣泡冒出水面(主要是CH₄、H₂S、H₂等氣體)，發(fā)出難聞的氣味。在這種條件下，引起激烈的酸性發(fā)酵，其pH在短時(shí)間內(nèi)降低到5.0~6.0的范圍。在這個(gè)發(fā)酵階段，主要是碳水化合物被分解，然后是蛋白質(zhì)被分解，有機(jī)酸和含氮的有機(jī)化合物開(kāi)始分解，并生成氮、胺、碳酸鹽及少量的碳酸氣、甲烷、氫、氮等氣體。與此同時(shí)，還產(chǎn)生硫化氫。

微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)

微生物生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)過(guò)程要比化學(xué)反應(yīng)過(guò)程更復(fù)雜。幸運(yùn)的是，微生物的重要一類(lèi)—細(xì)菌，能用簡(jiǎn)單的方法來(lái)描述，這些適合修正的動(dòng)力學(xué)也可以用于描述藻類(lèi)的生長(zhǎng)。對(duì)藻類(lèi)，其基本關(guān)系是基質(zhì)濃度和生長(zhǎng)速率。

其他過(guò)程

(a)揮發(fā)過(guò)程

在氣液界面，物質(zhì)的交換的另外一種重要過(guò)程是揮發(fā)。對(duì)于許多物質(zhì)，揮發(fā)作用是一個(gè)重要的過(guò)程。當(dāng)溶質(zhì)的化學(xué)勢(shì)降低之后就會(huì)發(fā)生溶質(zhì)從液相向氣相的揮發(fā)過(guò)程。

(b)光解過(guò)程

許多化學(xué)物質(zhì)在水體中在波長(zhǎng)大約290nm處具有光解作用。

國(guó)內(nèi)外文獻(xiàn)表明，新型污染物PPCPs（Pharmaceuticals and Personal Care Products）已經(jīng)出現(xiàn)在城市給水管網(wǎng)中。盡管濃度痕量，但管網(wǎng)直接面對(duì)用戶，水中PPCPs的分布與遷移轉(zhuǎn)化對(duì)飲用水安全影響應(yīng)該受到關(guān)注。 根據(jù)天津市水源污染狀況調(diào)研及對(duì)供水系統(tǒng)不同位置的水質(zhì)監(jiān)測(cè)，在確定目標(biāo)管網(wǎng)、典型PPCPs以及搭建實(shí)驗(yàn)管網(wǎng)的基礎(chǔ)上，首先建立和完善了典型PPCPs的痕量檢測(cè)方法，并在不同季節(jié)、不同位置檢測(cè)二種管網(wǎng)中的典型PPCPs污染物的濃度；其次依據(jù)在實(shí)驗(yàn)與實(shí)際管網(wǎng)的大量檢測(cè)數(shù)據(jù)，分析和確定了PPCPs在管網(wǎng)系統(tǒng)中的分布特征；進(jìn)而設(shè)計(jì)和進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，研究顆粒物、余氯、細(xì)菌與典型PPCPs的相互作用，確定了反應(yīng)關(guān)系；然后通過(guò)解析典型PPCPs在給水管網(wǎng)中的遷移轉(zhuǎn)化行為，確定了其遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律；最后依據(jù)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)原理構(gòu)建了典型PPCPs的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)模型，據(jù)此進(jìn)行了二種管網(wǎng)中典型PPCPs濃度分布的模擬，經(jīng)與實(shí)際檢測(cè)值對(duì)比，擬合程度較為理想。 2100433B