潘伟亮,何 强,李 果,艾海男,刘立恒 (重庆大学,三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆 400045)

排水管道沉积物不仅影响排水管道的过流能力、增加径流污染负荷,而且在排水管道特殊的环境下会产生有害气体,从而影响整个排水系统的正常运行.老城区排水管网由于年久失修,排水管道沉积物更是普遍存在且较为严重[1].沉积物沉积对排水管道的影响主要有3种[2]:首先,降低过水能力导致检查井超负荷,过早产生溢流污染;其次,粗大颗粒易堵塞管道;最后,沉积物被径流冲刷产生再污染,产气影响管道工人安全、产酸腐蚀管道.

据估计,美国合流制排水系统旱流产生的管道沉积物占每天进入管道固体和污染物总量的5%～30%;在欧洲,排水管道沉积物的沉积速率达到 30～50g/(m·d)[3].Sakrabani 等[4]认为在合流制排水系统中,管道沉积物累积引发的污染问题尤为突出,是合流制溢流污染负荷的重要组成,会对收纳水体造成威胁. Samrani等[5]利用氯化铁溶液和聚氯化铝处理合流制溢流污水,建立了混凝剂最佳投加量与CSO导电率的化学关系.鉴于沉积物中的重金属对生物的毒害性,Yuan等[6]建立了一个初步的模型,利用铅作为预测重金属含量的指示物,取得了较好的效果.Houhou等[7]对排水管道系统重金属的来源、性质、归趋进行了详细的研究,认为家庭活动是 Cu、Pb的主要来源,而供水系统是 Cu的主要来源,地下水入渗是 Ni和Cd的补充来源. Bertrand-Krajewski 等[8]研究表明排水系统中沉积污染物的再悬浮对径流中SS 和 COD 的贡献均为 60%.Ahyerre等[9]通过大量现场实验和模型模拟指出排水管道旱季沉积对受纳水体的污染负荷贡献达到了30%～80%.管道沉积物的性质受排水区域特征、排水系统类型与结构以及污水性质等因素的影响[10].

国外关于管道沉积物的研究为国内研究提供了一定的参考,然而,山地城市排水管道沉积物的组成及性质特征还鲜见报道.针对此种情况,以重庆市主城区为例,采集不同功能区排水管道的沉积物,分析其理化性质,以期丰富排水管道沉积物研究数据,为排水管道沉积的控制提供依据和参考.

1 样品采集与分析

1.1 样品采集

通过对重庆市沙坪坝区不同功能区排水管道沉积物沉积状况的调查,主城排水管道中普遍存在不同程度的沉积现象,各区域排水管道沉积物物理表观性质(如沉积量、臭味、颜色等)有较大差异.

按生活区、交通区、文教区、商业广场 4个功能区布设采样点,每个功能区4个采样点,共16个采样点.具体做法:在每个功能区排水管道检查井中,用金属铲采样,采集管道沉积物约1000g,装入样品袋,带回实验室自然风干(剔除杂物),低温保存并及时分析沉积物.

1.2 测试方法

在规定的保存时间内对样品进行测定.化学需氧量(CODcr)采用重铬酸钾法测定,重金属(Cu、Zn、Pb、Cd)采用石墨炉加原子吸收分光光谱仪进行测定[11];总氮(TN)采用半微量凯式法测定,总磷(TP)采用钼锑抗分光光度法测定[12];总沉积固体(TSS)和挥发性沉积固体(VSS)采用马弗炉灼烧法测定,密度采用比重瓶法测定[1].

1.3 数据分析

(1) 单项指数(Ii)的计算式为:

式中:Ci为管道沉积物中污染物实测值,mg/kg;Coi为背景值, mg/kg;Ii为单项累积指数.

(2) 内梅罗综合指数的计算式为:

2 结果与讨论

2.1 排水管道沉积物干密度及粒径

由表1知,不同功能区的干密度差异明显,交通区＞商业广场＞文教区＞居住区.交通区主要受车辆磨损,交通扬尘和大气降尘的影响,产生大量固体颗粒物,经雨天冲刷进入雨水管道;而居住区污水管道沉积物密度较小,这与污水管道沉积物仅来自生活污水,由于流速较小,发生旱季沉积有关;文教区排水管道为合流制,沉积物密度介于雨水管道沉积物与污水管道沉积物之间.

表1 不同功能区沉积物粒径与干密度Table 1 The size and density of sediments in different functional areas

不同功能区的 VSS/TSS差异较大,居住区＞文教区＞商业广场＞交通区.居住区与文教区VSS/TSS显著高于商业广场与交通区是因为其排水管道为污水管道、合流制管道,沉积物中有机质相对较高,且比某工业城市居住区 VSS/TSS(0.118)高,这与居民饮食结构和生活习惯,抑或与采样点具体情况不同有一定关系;商业广场与交通区管道沉积物 VSS/TSS分别为0.06与0.02,有机质含量低,这与沉积物的来自地表沉积物雨季冲刷有关,测定结果与其他研究较一致[1];对干密度与有机物含量(以 VSS/TSS表征)进行相关性分析,结果为 ρ=0.1453(1-VSS/TSS)+0.6108(R2=0.998),说明沉积物干密度与有机物含量呈负相关.

不同功能区沉积物不同粒径空间分异性明显.粒径分析排序,居住区＜商业广场＜文教区＜交通区,居住区以小颗粒沉积物居优势(＜75μm),这主要是由于污水管道沉积物主要来自生活污水悬浮物颗粒沉降;交通区沉积物的颗粒比其他功能区沉积物粒径大,是因为采样点周围沥青路面糙度大,大颗粒路面尘土多,强降雨期间易被冲刷进入雨水检查井.沉积物粒径分布除与路面交通状况影响之外,还与降雨期间, 雨强、周围地表风速,前期晴天数,日常清扫等情况有关[13].

2.2 排水管道沉积物常规污染物含量

不同功能区排水管道沉积物常规污染物含量见图1.从图 1中可以看出,不同功能区排水管道沉积物中TN、TP和COD差异明显.对于TN,不同功能区沉积物含量大小;文教区＞商业广场＞居住区＞交通区,分别为 6.6,3.0,2.0,0.5mg/g,这与文教区污水管道(合流制)年久失修,取样点距离学校餐厅废水排放距离较近有关;交通区雨水管道沉积物主要来自降雨期间路面尘土与大气降尘的冲刷进入,主要为无机物,这与相关研究一致

[2,14].对于TP,不同功能区排水管道沉积物含量大小;文教区＞居住区＞商业广场＞交通区,分别为12.3,9.7,7.8,3.7mg/g,而有关朱旻航等[15]研究重庆市主城区街道尘土营养物 TP含量为 0.46～1.49mg/g,故,排水管道沉积物 TP表现为显著富集的特点.这可能与磷的赋存形态有很大关系,相关研究认为磷主要以颗粒态存在于地表街尘

[16]、雨水径流[17]中,暴雨时易冲刷入排水管道,造成富集.文教区与居住区排水管道沉积物 TP含量显著高于商业广场与交通区,这是与排水管道性质,及所处周围地表环境清扫频率密切相关.对于COD,不同功能区的含量大小为;文教区＞居住区＞商业广场＞交通区,含量分别为339、295、152、73mg/g,文教区与居住区排水管道有机物含量高,这与污水来自生活污水有关;商业广场雨水管道沉积物有机物含量较高,这可能与部分雨水管道混接有关.对于文教区,合流制管道沉积物污染物含量,雨天与旱天差异明显,雨天 TN、TP、COD含量均高于旱天,且降雨径流中TSS对污染负荷贡献最高可达 30%,这是由于来自汇水面的地面径流冲刷地表街尘加剧了管道沉积物中污染物的累积,与李田等[18]的研究相似.

图1 排水管道沉积物常规污染物含量Fig.1 The content of pollutants in sewer sediments

2.3 排水管道沉积物重金属含量及累积程度评价

不同功能区排水管道沉积物重金属含量见图 2.从图 2可以看出,不同功能区排水管道沉积物重金属含量空间分异性较大.

图2 排水管道沉积物重金属含量Fig.2 The content of heavy metals in sewer sediments

表2 排水管道沉积物重金属含量及累积指数Table 2 The content of heavy metals in sewer sediments and the cumulative index

Pb与Zn在不同功能区排水管道沉积物的含量分布,交通区＞商业广场＞居住区＞文教区,含量分布与交通状况成正相关;而Cu与Cd含量分布,交通区＞居住区＞商业广场＞文教区,说明 Cu与Cd污染来源可能一致.重金属含量交通区最高,Cu、Zn、Pb、Cd 4种金属含量分别为304,539,104,1.14mg/kg,这些重金属主要来自制动器、轮胎、车体,燃料及润滑油等,交通状况越繁忙,重金属污染越严重,且有关研究表明[13],汽车排放的重金属一般都是吸附于颗粒物的表面存在于地表沉积物中,降雨期间冲刷进入雨水管道;对于 Pb,重庆市排水管道沉积物含量约在100mg/kg以下,低于李海燕等[16]、杨云安等[1]的研究(150mg/kg),可能与污染物Pb的来源有很大关系;对于 Cd,居住区排水管道沉积物含量达到0.84mg/kg,这与排水管道年久失修破损,地下水渗漏有关,国外 Laritiges等[8]研究也证明地下水入渗是Cd的补充来源.居住区排水管道Cd的含量高,应引起重视.不同功能区排水管道沉积物重金属污染程度评价(表2、表3)如下:与主城区背景值相比,Cu、Zn、Pb、Cd四种金属含量分别是背景值的7.2倍、3.6倍、2.6倍、5.6倍;重金属污染程度次序为 Cu＞Cd ＞Zn＞Pb,建议优先控制金属为Cu、Cd;不同功能区污染程度次序为交通区＞居住区＞商业广场＞文教区,与相关研究稍有差异[12,19-21].

表3 排水管道沉积物重金属单项指数与综合指数Table 3 The single index and cumulative index of heavy metals in sewer sediments

表4 排水管道沉积物中污染物含量对比Table 4 The content of pollutants in sewer sediments was compared with other cities

2.4 与其他平原城市的对比

为揭示山地城市重庆与其他平原城市排水管道沉积物中污染物含量差异,表 4对比了重庆与北京[16]及 C市[1]的污染物含量.从表中可以看出,沉积物中重金属的含量差异显著,对于Cu、Zn,重庆市明显低于北京市,但高于C市,这与重庆市汽车保有量位居全国第二有一定关系,因为Cu、Zn,主要来自交通车辆制动器、轮胎与车体的磨损[13];对于Pb、Cd,重庆市低于北京市和C市,这可能与污染物来源有关(如大气降尘、周围工业情况或街尘清扫等);对于常规污染指标,重庆高于C市,这与排水管道性质、地形特征区域降雨特征,采样点环境信息(如车流量,人为活动等)有很大关系[18].

3 结论

3.1 不同功能区排水管道均有不同程度的沉积;沉积物粒径,交通区＞文教区＞商业广场＞居住区,且粒径大致在250μm以下;沉积物的密度与有机物含量(VSS/TSS)呈正相关(R2=0.998);有机物含量与管道性质, 废水来源显著相关.

3.2 不同功能区排水管道沉积物常规污染物含量空间分异性大.COD 含量,文教区＞居住区＞商业广场＞交通区,含量分别为 339、295、152、73mg/g; TN和TP含量,文教区＞商业广场＞居住区＞交通区;TN 含量分别为 6.6、3.0、2.0、0.5mg/g;TP含量分别为12.3、9.7、7.8、3.7mg/g;与街尘相比,TP呈现明显富集特性.

3.3 不同功能区排水管道沉积物重金属污染水平差异显著.Cu、Zn、Pb、Cd四种金属含量分别为 75～304mg/kg, 144～539mg/kg, 41～104mg/kg,0.41～1.14mg/kg;与主城区背景值相比, Cu、Zn、Pb、Cd四种金属含量分别是背景值的7.2倍、3.6倍、2.6倍、5.6倍;重金属污染程度次序为Cu＞Cd＞Zn＞Pb;不同功能区污染程度次序为交通区＞居住区＞商业广场＞文教区.

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