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污水处理与资源化创新团队 Water Research 综述:污水在管网输送过程中的水质变化与相关物理-生化过程
发布者: 金鹏康 | 2022-11-27 | 754

“污水管网中污染物转化规律与调控机制”是污水处理与资源化创新团队一直以来的重点研究方向之一。为更好地揭示污水在管网输送过程中的水质变化特性,引起国内外学者对有关管网过程的重视,团队在10余年研究工作的基础上,总结了上世纪90年代至今国内外市政污水管网中水质变化及相关物理、生化过程的研究,探讨了主要污水水质参数、微生物、污染物在管网中的时空分布和变化特征,提出了当下管网相关研究的不足和未来发展的方向,在环境领域顶级期刊 Water Research (IF=13.4)上发表了题为“A critical review of wastewater quality variation and in-sewer processes during conveyance in sewer systems”的综述文章。高耀寰副教授为论文第一作者,金鹏康教授为论文通讯作者。该项研究得到了国家水体污染控制与治理科技重大专项等项目的资助。

评论性综述:污水在管网输送过程中水质变化与相关物理-生化过程

题目:A critical review of wastewater quality variation and in-sewer processes during conveyance in sewer systems

期刊:Water Research

IF:13.4

发表时间:2022年11月

第一作者:高耀寰 副教授

通讯作者:金鹏康 教授

主要观点

  • 管网内污水水质变化缘于复杂的物理-生化过程;

  • 管网沉积物中微生物及生化过程呈现时空分布特征;

  • 管道污水在动态排放条件下物理-生化过程的相互影响尚不清晰;

  • 监测和控制来自管网的挥发性物质及生物气溶胶的任务依然艰巨;

  • 管网生物群落、污水水质、沉积物侵蚀三者之间的互作机制需进一步研究。

图文摘要

文章简介

市政污水管网作为城市基础设施的重要组成部分,所承担的污水收集与输送任务是污水处理系统的首要环节,其稳定运行是保障城镇生态环境健康及可持续发展的重要支撑。研究发现,尽管污水在管网中的停留时间较短(均值/中位数以小时为单位),污水水质仍会在管道沿程发生显著变化。故上世纪60-70年代,欧美学者开始针对污水管网中污染物转化的物理-生化反应进行初步探索,并提出管网具有典型的“生化反应器”特征,至此,揭开了污水管网多元水质转化研究的序曲。

本文以欧美和中国相关排污标准、法律对市政管网中污水水质指标的归类为框架,概述了污水运输过程中(1)常规水质指标(COD、碳水化合物、油脂类等);(2)有机污染物(卤代烃类、PAH、PCB、PPCPs等);(3)无机污染物(总氮、总磷、重金属等)的变化规律,发现不同污染物质在管道沿程经历了迥异的物理和生化转变过程。例如,有机污染物中的易生物降解物质多数于管网前端被降解;而颗粒态有机物易在水流与重力的作用下沉积于管网中前端,形成沉积层,其中,在合流制污水管网内,沉积层会受到汇入雨水的冲刷扰动,再次悬浮,从而显著增加污水的污染物浓度;对于PPCPs等非常规有机污染物而言,在生物作用下也会发生含量与形态的显著变化。

由此可知,污水管网的物理过程导致排水管道底部形成了污染物沉积相,其受到冲刷再次悬浮所增加的高污染负荷是影响溢流污染截流调控的重要因素;而物理与生物共同作用所导致的水质转变与有毒有害物质生成溢散现象,是导致下游处理厂的进水污染负荷冲击、挥发性物质和生物气溶胶泄漏于城市环境的核心要素。基于现有研究成果及其存在的不足之处,围绕上述污水管网运行所引起的环境问题,本文着重提出了四个主要的研究方向:

1. 关注常规BOD组分在污水输送过程中的自然降解与采取管网恶臭控制措施引起的污水C/N比降低和污水微生物群落演替及二者对下游生物处理单元的影响;

2. 关注污水主要有机组分在管网内的转化规律(如油脂类分解产物的皂化钙化)与无机组分在污水与沉积物(如羟基磷灰石)两相间转化的相互作用;

3. 关注多氯联苯(PCBs)、抗性基因/细菌(ARG/ARB)、药物和个人护理品(PPCPs)等非常规污染物在管网中的迁移转化规律及其与常规COD组分转化之间的相互作用机制;

4. 需通过实际管网监测,验证目前基于中试、小试实验得到的管网内物理-生化过程规律,进而为有毒有害气体和生物气溶胶溢散监测与控制、雨季溢流污染物预测与调控以及污水处理系统的稳定运行提供理论和技术支持。

总而言之,关于污水管网水质多元转化过程及其所引起的环境问题与治理措施仍存在较多研究空白。随着我国城镇化步伐的不断加快和污水管网体系的逐年扩增,对污水管网进一步深入研究,并形成科学合理的运行管理技术体系仍任重而道远。

图1(a)一般管网的组成(b)生活区污水COD组成图(c)污水处理厂进水中物质组成(d)晴天和雨天污水管网运行和管网溢流

图2(a)管网内污染物经历的主要变化过程(b)管网内碳水化合物、蛋白类、脂类物质代谢的路径(c)污水在管网内的时空变化概念图(d)中试重力流管网中物质变化趋势图

图3 中试管网中有机物分子尺寸变化趋势(a)及碳水化合物和蛋白类物质沿程浓度变化(b)

图4 管网内油脂沉积物的形成和去向(a)及已知的油脂沉积物结构构想图(b)

图5 管网沉积物分类(a)分层特征(b)及实测管网沉积物厚度的时空变化规律(c)

原文信息

 

原文链接:https://doi.org/10.1016/j.watres.2022.119398

团队相关研究成果介绍

污水处理与资源化创新团队在污水管网污染物多元转化研究领域深耕十余年,创新了污水管网污染物物化-生化耦合迁变转化理论,研发了污水管网水质、沉积物及有害气体预测与控制组合技术,为污水管网运行提质增效提供了理论依据与技术支撑。

其中,针对污废水管网中水质转变影响后续污水处理效率问题,基于污水管网污染物转化降解的多元转化原理,建立了污水输送过程中污染物转化与水质预测模型,开发了管网水质预测软件,为污水处理厂入流污染物构成的科学预测提供理论支持;针对污水管道易于沉积与有害气体释放影响管网正常运行的问题,结合污水管网污染物输运过程中的水力冲刷与淤积特征解析,构建了污水管道污染物沉积点位与有害气体释放的预测模型,有效提升了管道疏通与有害气体防治的工作效率,并根据污染物在不同水力条件下的运移规律,开发了针对管道沉积物与有害气体源头控制的污水管网改造技术,提升了污水管网运行的稳定性与安全性。

围绕上述理论创新与技术开发,团队于Water Research、Environmental Science & Technology、中国环境科学、环境科学等国内外权威期刊发表论文60余篇,申请与授权国家发明专利12项,软件著作权3项,出版专著1部,成果荣获2020年华夏建设科学技术一等奖。部分代表性成果如下表所示。