净水技术|城镇排水管道污水处理研究进展浅析
小编导读
排水管道在城市污水系统中一直起着污水收集和输送的重要作用。随着科学技术的快速发展，利用排水管道处理城市污水逐渐成为污水处理领域的研究热点之一，其投资省、操作简单、应用前景广阔等优点日益彰显。以污水在管道中的水质变化过程为理论基础，分别从管道污水处理效能以及管道有害气体处理技术两方面，介绍了国内外利用排水管道处理城市污水的技术研究进展，同时针对今后利用排水管道处理城市污水的技术特点提出了展望。
城市排水管道作为城市公共设施的重要组成部分，一直以来起着城市污水收集和输送的重要作用；然而除此之外，人们对于城市排水管道在其他方面的认识及利用尚不充分。自十九世纪六七十年代始，国外已有专家学者对污水在排水管道中的降解净化过程展开调查研究。美国环境保护局对此专门发布了研究报告，报告指出，在污水进入污水处理厂之前，利用排水管网系统对管道污水进行处理是可行的；而足够的生物量、充足的DO和充分的HRT是污染物基质降解的重要条件。管道污水处理技术具备减轻污水厂处理负荷、节约污水厂土建占地、提高排水管道利用效率等众多优势，具有广阔的应用前景和推广价值。
随着现代检测技术和计算机模拟手段的飞速发展，研究人员对排水管道中的污水处理过程进行了更加深入和系统的探究，研究内容主要集中在：1）污水在管道中的水质变化过程；2）各种管道污水处理技术的处理效能研究；3）管道有害气体的处理研究。本文针对这几点研究内容，综述了目前采用城镇排水管道进行污水处理的研究进展。
上世纪七十年代以前，该方面的研究重点集中在管道中固态物质的空间移动等宏观过程；随着现代管网科学技术的发展，有关城市污水在排水管道中的各种物理及生化反应等微观过程的研究才逐渐开始。排水管道中污水的水质变化过程可以通过不同类型、不同功能、不同时间段的生化反应来表征，因此明确污水水质在管道中的实际变化情况对于确定适宜的处理工艺是不可或缺的先决条件。
在温热和潮湿的污水管道环境中，微生物活性较强，可使污染物发生一系列的氧化还原反应，此即为排水管道系统中污水水质发生变化的主要原因。影响管道污水水质的微生物主要为自养微生物（XA）和异养微生物（XH），XA主要和硝化过程有关，XH则主要影响反硝化和矿化过程。由此排水管道中的生化反应过程可简述为：XA可利用无机碳源实现自身增殖，同时通过硝化过程将NH4+-N氧化为硝态氮；XH以较易生物降解的有机底物（SS）作为有机碳源，以NOX-N或DO为电子受体而生长，其中间产物为胞内贮存物（XSTO）；在底物浓度较低时，微生物将利用自身碳源进行内源呼吸；在微生物的作用下，污水中的可降解有机物逐渐降解为SS。上述过程如图1示：
Nielsen等对自然条件下不同温度时管道污水中乙酸、糖类、蛋白质、SCOD及TCOD等物质的变化规律进行了试验模拟，结果表明，以上几种物质的组分与含量比例变化较大，且其转化规律基本上符合零级动力学反应公式。
Vollertsen等通过研究压力输送管道中的污水水质变化情况得出如下结论：厌氧细菌会分解利用少部分易降解有机质，除此之外大部分的易降解有机质都未被加以利用，而且厌氧水解过程亦会产生一定量的易降解有机质，产量约为1~2 mg COD/(m3·h)。另外，在无氧情况下，易生物降解的有机质或产甲烷菌基质可生成挥发性脂肪酸。由此可知，在厌氧或者无氧条件下，下水道污水基质的无氧转化和有氧转化相比速率较慢。
管道污水水质变化的主体部分是微生物在管道中进行的各种生化反应过程，因此在现有条件基础上定性分析排水管道中的各种微生物生化反应过程，对于深化认识管道污水的净化原理及依据相关模型模拟研究管道内污水水质的变化规律具有重要意义。
随着电脑模拟技术的飞跃性发展，越来越多的学者会借助模型模拟来加深对管道污水处理的研究。模型模拟水质变化过程主要分为两类：一类是借助已有模型进行模拟，另一类是根据实际情况对已有模型进行修正以建立新的排水管道动力学模型。
Jiang等建立了模拟排水管道内污染物迁移变化和生物膜性能变化的水质模型，该模型可模拟好氧、缺氧、厌氧三种条件，涵盖了硝化、反硝化、氧化等生化过程。该模型主要模拟了生物膜在不同阶段的生化反应过程，同时探究了管道污水中各主要微生物之间的竞争关系。此模型是当前描述管道污水水质及生物膜变化较为典型和全面的模型。
Huisman等利用ASM3模型对污水管道和管壁生物膜内污水水质的转化过程进行了模拟研究，取得了较好的效果。该模型模拟了污水系统的水解反应、氮素转化、不同水力条件等因素对生物膜粘附和脱落的影响，不足之处是未模拟氧化过程及H2S的产生过程。
冯记良等依据活性污泥法的相关理论，通过修正污水管道水动力学模型创建了新的排水管道水质转化模型，该模型涉及12种水质参数以及14个微生物生化反应过程，系统模拟了排水管道水质变量间的迁移和转化过程。对该模型进行试验验证，结果表明该模型可以较好地模拟管道污水中污染物的迁移、离散、转化过程以及各种物化和生物反应过程。
现有模型的创建大都限定于排水管道水质水量相对恒定的状况，但现实情况中，排水管道系统的水质水量都较易随时间、时令、人为活动等因素发生变化，这些因素都将会对利用排水管道处理城市污水产生重要影响。随着科技的发展，利用模型动态模拟管道生物膜活性、微生物生化反应过程、微观动力学等方面的研究有待进一步深入。
在对管道中污水水质变化有了更加系统认识的基础上，有关管道污水处理效能的研究也便更加深入。众所周知，排水管道在输送污水的时候，管道中势必会存有一定的生物量，这就为污水的生化处理提供了可能性；同时，管网系统中检查井和跌水井的设置可以提高管道内的氧气含量和水体中的DO含量；另外，排水管道是一个庞大的空间系统，此即保证了污染物降解所需的水力停留时间。
Adem等在实验室条件下利用排水管道微生物模拟处理管道污水。通过向排水管道中通入足够的空气，探究了在水质恒定的条件下，不同管径的污水管达到相同的去除率时所需要的管道长度。试验结果如图2和图3所示，其表明：在好氧条件下处理管道污水，当污染物去除率相同时，小管径的污水管所需的管长少于大管径所需的管长，此即证明小管径污水管的生化反应更彻底，亦即小管径的污水管比大管径污水管具有更好的污染物去除效果。
Gutierrez等通过试验证明向排水管道中注入浓度为15~25 mg/L的纯氧时，排水管道系统中碳元素的消耗量会大幅度增加，从而证明污水中有机质的降解加快，此举在不影响硫酸盐还原菌种群活性的同时，降低了管道中65%的H2S含量。
Naoya等以OUR（氧利用率）模型为基础，通过实际试验探究重力排水管道中好氧/厌氧条件下污水管道中废水有机物的转化，发现当厌氧阶段维持3~10 h时，水相中有机物的净产率为1.5~1.8 g COD/(m3∙h)，生物膜表面有机物转化速率为0.8 g COD/(m2∙h)。
Green等利用SBR工艺模拟了DANREGION的管道污水处理系统，待运行稳定后，COD去除率可达79%~80.8%，BOD5的去除率可达85%~93%，系统末端出水的BOD5低于25 mg/L。利用排水管道系统在管道内对污水进行处理具有较大的经济优势，其可比传统意义上的活性污泥法节省50%左右的基建费用。
Wang等模拟探究了下水道内好氧和微氧条件下污水的净化情况，试验装置连续运行20 d，结果表明在装置开始运行的前两天内，污水中有机物的降解速率较快，基本符合零级反应动力学模式；在其后的时间里，污水中有机物的降解速率总体上逐渐降低，基本符合一级反应动力学模式。
黄方等通过在排水管道入口前端增设高负荷生物接触氧化池的方法，研究了管式活性污泥法对管道污水的去除效能，试验结果表明：高负荷生物接触氧化池的有机负荷控制在18.5~59.8 kg COD/(m3∙h)、HRT控制在10~35 min、水流行时间为10 h时，COD的去除率可达50.4%~72.5%；同时射流曝气器充氧l~3 min，可以满足污水在管内运行2 h生化反应所需的耗氧量。故在提升泵站内设充氧设备是可行的。
王西聘等利用固定化细胞技术模拟了排水管网净化污水的过程，对比探讨了厌氧、好氧、A/A/O以及A/O四种工艺对生活污水的处理效果，试验结果表明：保持适宜的固定细胞量、适当的人工曝气、足够的HRT，可去除污水中60%左右的COD，同时出水的SS和COD可达国家污水综合排放标准的二级标准，另外在好氧情况下系统对NH4+-N的去除率可达70.8%。
纵观上述研究，处理方式归纳为为好氧、兼性处理两种。好氧处理方式可以提高固液交界面及水体内的DO含量，为水中的微生物提供反应动力，因而具有见效快、效果明显等优势；兼性处理技术利用自身条件可满足管道微生物好氧反应、厌氧反应的需求，故经济优势和处理效果相比好氧处理工艺较为明显，且应用前景更为广阔。此外随着相关检测技术的发展，此后应加大对更深层次的生化反应等方面的研究，并在此基础上开发出更多高效低耗处理技术。
某些工艺虽可降低废水的COD，但对废水中的氮磷去除效果有限，使得进入城市污水处理厂的废水碳氮比或碳磷比下降，因而在一定程度上对后续的脱氮除磷不利。对于此类情况可以通过以下等方式加以解决：1）根据下游污水厂的进水要求，通过控制处理工艺的运行参数来控制管道污水的COD处理量；2）因地制宜地选取适宜的处理工艺和技术；3）通过在检查井中定点曝气实现好氧-厌氧的交替以提高氮磷的去除率；4）进水中加入部分生活污水或以提高碳氮比或碳磷比。
城市排水管道系统一般处于厌氧状态，管道内固相、液相、气相物质会进行相互转化，转化过程中所产生的有害气体包括硫化氢（H2S）、甲烷（CH4）、氨气和二氧化碳等十几种气体，其中H2S和CH4浓度较高。有害气体的产生不仅会对管道水体中微生物的性能产生一定的影响，而且会产生酸性物质腐蚀管道内壁，同时会严重影响周围居民的健康，因此对管道有害气体进行有效的处理控制是利用排水管道处理城市污水的重要环节，具备重要的社会意义和经济效益。
管道污水中的H2S气体主要来源于沉积物及生物膜在厌氧环境下进行的生化反应。目前限制硫化氢生成较为常用的方法为加亚硝酸盐或氧气等物质破坏其形成条件、加碱提高水体pH值、加金属盐类物质使硫化物生成沉淀。
Jiang等探究了亚硝酸盐和曝光时间对H2S的抑制作用，并绘制了二者对H2S生成的等值影响图，结果表明，在特定的抑制浓度下，较低的曝光时间可由较高的亚硝酸盐浓度补偿。Gutierrez等探讨了管道污水的pH值对H2S和硫酸盐还原菌的影响作用，研究结果表明随着pH值的提高，H2S的气液两相传质会明显减少，从而降低了污水中H2S的产生量，同时具有降低硫酸盐还原菌活性的效果。Zhang等通过模拟试验证明加入Fe2+的生物膜中硫元素的含量远远高于未加Fe2+的对比组，故可知Fe2+具有明显的脱硫效果，而且因此生成的沉淀对于整个试验过程的影响可忽略不计。
CH4是一种高危险性气体，当其空间含量很低时亦有发生爆炸的可能性。目前对管道中CH4的处理方式主要为投加亚硝酸盐和铁盐以及调节pH等方式破坏其形成条件。和其他处理方式相比，亚硝酸盐具有可间歇投加及成本较低等特点，因此更具可操作性和经济优势。
Mohanakrishnan等人通过在实验室模拟管道反应器得出结论：向管道中投加亚硝酸盐会影响CH4和H2S的产生，当投加量为20~140 mg/L、运行时间为25 d时，管道反应器中的CH4含量大幅度降低，未检测到CH4累积物的存在。Zhang等的研究证明Fe3+会抑制厌氧下水道生物膜中产甲烷细菌52%~80%活性，进而减少了30%~50%的CH4产量，和其他费用高、实施难、管理复杂的方法（如管道充氧）相比，通过添加Fe3+控制管道内CH4的产生是一种成本低且可行性高的方法。Gutierrez等通过连续数周的试验模拟和中试研究发现，维持排水管道内水体的pH值在9左右，2 h后，管壁生物膜中产甲烷细胞的活性受到抑制，从而降低了管道中75%的CH4含量。
目前我国对排水管道有害气体的研究主要集中在有害气体的监测和监测预警，关于控制方面的研究尚少。国外关于管道有害气体的研究一方面为通过安装专门的管道通风设备以及定时进行管道清淤来减少管道中的有害气体量，另外一方面为通过提高管道水环境的氧化还原电位、定点间歇投加金属盐、提高管道水环境的pH等物理化学方法减少或抑制硫化物和甲烷等有害气体的产生。
可以预见，未来对排水管道中H2S、CH4等气体物质的研究重点将会是在动态模型的基础上对其产生、转化、抑制等因素的动态研究。同时，在此基础上如何通过自然方法抑制有害管道气体的产生将成为城市排水管道有害气体排放研究的新方向。
（1）和进水水质水量较为恒定的污水处理厂相比，排水管道内水流流态变化复杂，因此，探究排水管道水质变化情况与生物反应动力学之间的映射关系是必不可少的。随着现代检测科技和电脑模拟技术的快速发展，运用模型对管道水质变化进行动态模拟，将在管道污水处理研究中扮演越来越重要的角色。
（2）研究证明，厌氧处理不如好氧处理效果显著，好氧处理不如兼性处理效果显著，而且兼性处理技术与好氧处理技术相比更具经济优势，且其后期维护管理较为简便，因此更具应用价值。
（3）管道有害气体的存在会对管道水质和周围大气环境产生双重影响，目前对于H2S和CH4等有害管道气体的控制主要依赖于投加化学药剂，经济成本较高且不具环境友好性，因此在深化认识管道气体产生与转化机制的基础上探索自然处理技术将会是研究的新方向。
（4）利用排水管道系统处理污水的研究意义在于，为管道污水和管道有害气体的处理提供科学依据，同时实现处理工艺的高效低耗可持续性运行。从我国污水处理的实情出发，此技术主要适用于尚未修建污水厂的中小城镇以及需减轻已修建污水处理厂污水处理负荷的地区。
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