城市排水管网，尤其是老城区管网，由于污水中颗粒态物质的存在，均出现了不同程度的淤积和堵塞^[1]，且随着污水流量的不均匀变化，沉积物被冲刷再悬浮，释放污染物质，产生二次污染^{[2, 3]}，造成管道污染物负荷增加，引起污水厂进水水质不规律波动^[4]；甚至在合流制管道中，污染物的释放还会严重威胁受纳水体的水环境^{[5, 6]}.因此，研究城市污水管网中污染物在不同水力条件下的冲刷与沉积规律十分必要.

城市污水管道内部环境复杂，并且污水流量、流速的变化波动等与人们的生活习惯密切相关.而污水流速的不均匀交替变化，导致管道沉积物受到不同程度的冲刷与沉积^[7].有研究表明，沉积物受水流冲刷随溢流进入受纳水体，会造成水体污染^{[8, 9]}，如在合流制溢流产生的污染物总量中约80%污染负荷来自排水管道内沉积物^[10]；相关研究^[11]也表明西安市污水管网形成沉积物的主要原因为流速小于0.6 m ·s^-1情况下，污水管道以直角汇入到干管中而造成的，且合流制管段中沉积物的含量大于分流制管道；Bertrand-Krajewski等^[12]的研究认为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%.目前国内关于沉积物的研究主要集中在沉积冲刷模型方面^[13]，尚未对污水管网中污染物在不同水力条件下的冲刷与沉积规律进行系统研究.又由于高强度水流冲刷造成的污染物含量剧增，势必会增加污水处理厂进水污染物负荷，破坏污水中碳氮磷的物质平衡.针对城市排水管网输送至污水处理厂的进水水质，国内外实验研究表明^[14]，当进水C/P＜20且C/N＜6时，现行脱氮除磷工艺都会因碳源偏低，难以实现同步脱氮除磷的效果，实际应用中氮和磷的排放都难以达到国家一级A排放标准.为此，本研究对西安市污水管网系统进行实际调研，并建立一套管道冲刷与沉积模拟实验装置，探究城市污水管网中污染物在不同水力条件下的冲刷与沉积规律，进而评价其对污水厂进水水质的影响.

根据西安市污水管网的划分特征，对全市已铺设的污水管道约1 350 km^[15](含合流制) 进行典型管段实际调研.经过前期调研分析^{[16, 17]}，选取了西安市第二污水厂污水收集区域的污水管道作为研究管段，总管线长度约9.67 km，排水体制为雨污完全分流制，附近主要为居民区和商业区.为了研究方便，将污水从用户流出至支管，经过干管、主干管，并最终流入污水处理厂过程中的收集管道划分为三类：① 主干管 (与污水处理厂直接连接，DN1000-1200)；② 干管 (与污水主干管连接，DN800-500)；③ 支管 (与用户直接连接，DN600-300)，如图 1所示，作为典型管路 (钢筋混凝土) 进行监测.

图 1

Fig. 1

图 1 典型管段监测点示意 Fig. 1 Typical line of sewers

为研究调研区域管道内沉积物的变化特性，采用装配有闭路电视监测与声纳监测系统的管道机器人^[18]进行沉积物厚度监测，如图 2所示.与此同时，通过哈希sigma950型流量计测量管道的水深、流速、流量信息.

图 2

Fig. 2

图 2 管道机器人工作示意 Fig. 2 Working figure of pipeline robot

如图 3所示，建立了一套模拟管道实验装置，管径为200 mm，总有效长度32 m，模拟管段有4层，层与层之间通过尺寸D×H为400 mm×600 mm的圆柱形检查井连接，同时管段连接处均采用法兰及橡胶圈密封，确保装置的严格密封性.模拟管道上每层设置出水阀和取样口，以便取样分析.装置顶部检查井内设有挡水溢流堰，以保证水流流态；并在顶部检查井内设排气口及排气阀，使进水的同时排走管内空气，保证污水DO＜0.5 mg ·L^-1.装置用铸铁架支撑，坡度可调节.模拟管道及检查井均采用有机玻璃材质，并用2 cm厚的保温材料将其包裹，以模拟实际污水管网避光恒温的环境.管道内壁适当打磨以控制管道沿程阻力系数及雷诺数，使管道内壁粗糙度与实际钢筋混凝土管的粗糙度^{[19, 20]}相接近，从而保证其流动特性与实际污水管道相仿^[21].循环水箱尺寸D×H为1 500 mm×1 600 mm，水箱外设置有外筒，通过水冷方式保证循环水箱内污水温度与原始污水温度相接近.

图 3

Fig. 3

1.城市污水; 2.循环水箱; 3.潜水泵; 4.调节阀; 5.回流管; 6.转子流量计; 7.进水管; 8.排气阀; 9.有机玻璃管道; 10.检查井; 11.出水阀; 12.排水; 13.冷却外筒; 14.检查口; 15.溢流堰; 16.取样口 图 3 城市污水管道模拟示意 Fig. 3 Schematic diagram of urban sewerage simulation

污水管道模拟装置在室温下运行，实验温度为 (25±2)℃，装置密封性良好，溶解氧 (DO) 为 (0.3±0.1) mg ·L^-1.实验进水通过污水管道内放置的潜污泵提升至模拟管道系统的循环水箱，之后在模拟管道系统中进行内循环以模拟实际污水管网.

实验用污水取自于西安市城市污水管网，TCOD (总有机物)、TN (总氮) 以及TP (总磷) 浓度分别为417~730、39.80~61.72以及6.95~9.68 mg ·L^-1，pH为6.5~7.5.

城市污水管道模拟系统在流速为0.15 m ·s^-1的缓流条件下，每日更换城市污水，水力停留时间10 h，稳定运行150 d后，模拟管道中沉积物厚度约60 mm，且沉积物的密实度与实际污水管道中沉积现象相似，进行中试实验.调节不同流速，待模拟系统稳定运行15 min后，打开取样口进行测样.

粒径分布采用马尔文2000激光粒度仪进行测量；不同粒径段的污染物含量采用筛网逐级筛分检测；化学需氧量COD采用重铬酸钾法测定；总氮TN采用碱性过硫酸钾消解法测定；总磷TP采用钼锑抗分光光度法^[22]测定.

实验采集的样品都采用随取随测的原则.且每个取样点的分析都设置3组平行样测定，取平均值作为最终有效数据.

管道中沉积物厚度及流速变化结果如图 4所示.污水支管和干管沉积物厚度的变化量分别为0~24 mm和0~12 mm，日变化较大，主要由于其直接连接用水用户，排水量时变化系数较大，在一天当中管段污水中颗粒态污染物的沉积与被冲刷携带的概率高.在排水高峰期时，流速急骤增加，污水支管和干管的流速达到0.26 m ·s^-1和0.44 m ·s^-1，水流紊流强度加大，携带能力增强，对管道沉积物造成冲刷相对显著，管道沉积物厚度存在减小趋势.在排水低谷时，流速急骤减小，污水支管和干管的流速分别降至0.03 m ·s^-1和0.26 m ·s^-1，水流冲刷强度相对较弱，污水中的污染物颗粒发生沉积的几率大于污染物颗粒随水流迁移的几率，管道沉积物厚度增加.而污水主干管沉积物厚度的变化量为0~7 mm，日变化较小，主要由于其在一天当中流量较大，且流速基本稳定在0.61~0.72 m ·s^-1范围内，同时管径较大，水流紊流强度小，流态较稳定，因此，管道内污染物颗粒沉积与沉积物冲刷水平维持相对平衡，管道沉积物厚度保持基本稳定.

图 4

Fig. 4

图 4 各级管道沉积物时变化情况 Fig. 4 Variation of sediment at all levels of pipeline

为研究不同流速下管道污染物的变化情况，本实验通过管道模拟中试装置研究了0.1、0.3、0.6、0.9、1.2 m ·s^-1这5种不同流速下污水中TCOD、TN、TP及沉积物厚度的变化规律.如图 5所示，不同流速下管道污水中TCOD、TN、TP浓度存在明显差异，且随着流速的增加，TCOD、TN、TP浓度呈递增趋势；而管道沉积物随着水流冲刷强度的增加，厚度呈递减趋势.

图 5

Fig. 5

图 5 不同流速下管道污水中TCOD、TN、TP及沉积物厚度的变化 Fig. 5 Changes of COD, TN, TP and sediment thickness in pipeline sewage at different flow rates

当水流流速由0.1 m ·s^-1增加到1.2 m ·s^-1时，污水中TCOD由371.33 mg ·L^-1增加到1725.36 mg ·L^-1，TN由31.11 mg ·L^-1增加到81.26 mg ·L^-1，TP由5.71 mg ·L^-1增加到15.23 mg ·L^-1，污染物浓度随水流增加显著，表明各流速下管道污水中污染物浓度变化与管网中水流冲刷强度存在密切关系.而控制管道模拟系统水流流速由0.1 m ·s^-1增加到1.2 m ·s^-1，不同流速下模拟系统稳定运行15 min后，沉积物厚度分别减小了2.8、4.6、5.6、6.2、7.6 mm，且随着各流速稳定时间的增加，沉积物厚度持续减小，尤其是流速大于0.6 m ·s^-1时表现得更为突出.

Ahyerre等^[10]根据管道沉积物的物化性质，将其分为底层粗颗粒沉积物 (gross bed sediment，GBS)、有机层 (organic layer，OL) 和生物膜 (biofilm) 三类.由于底层沉积物具有很强抵抗力，因此认为只有有机层及部分生物膜被冲起而释放污染物.随着管道流速的增加，水流携带能力增强即冲刷强度增加，污水中污染物颗粒发生迁移的几率大于污染物颗粒发生沉积的几率，使污水中污染物的浓度升高，沉积物厚度减小.

不同流速下管道污水中TCOD、TN、TP在不同粒径段的分布特征如图 6所示.可以看出，各流速下管道污水中污染物的粒径分布^[23]存在明显差异，同时各粒径段TCOD、TN、TP的占比也随流速变化而产生较大差别. TCOD主要分布在5~40 μm和40~100 μm粒径段，其中40~100 μm粒径段约占50.16%，由此可知管道中有机污染物易吸附在粒径较大的颗粒物上；李海燕等^[24]研究表明，污水中氮、磷主要以颗粒态存在，而实验测得TN、TP的粒径主要分布在≤5 μm的小颗粒污染物上，约占62.66%和58.38%，因此可以推测管道中氮、磷易吸附在粒径较小的颗粒物上.

图 6

Fig. 6

图 6 TCOD、TN、TP不同粒径段分布特征 Fig. 6 Distribution characteristics of TCOD, TN and TP in different particle size ranges

以污水管道在设计充满度下最小设计流速0.6 m ·s^-1[25]为划分点，对不同流速下管道污水中TCOD、TN、TP的粒径变化进行分析.结果表明，当流速小于0.6 m ·s^-1时，污水中较大颗粒态污染物自然沉积，且水流对沉积物的扰动与携带能力有限，仅能冲刷携带走较小颗粒态污染物，造成污水中以小颗粒态污染物 (0~40 μm) 为主，其中TCOD主要分布在5~40 μm粒径段，约占39.05%；当流速大于0.6 m ·s^-1时，水流对沉积物的冲刷与携带能力较强，沉降下来的大颗粒态污染物再次被水流携带，造成污水中以大颗粒态污染物 (≥40 μm) 为主，其中TCOD主要分布在40~100 μm粒径段，约占51.38%.即随着流速的增加，水流冲刷能力增强，以吸附或颗粒态形式沉积下来的有机污染物被冲刷严重，且随着冲刷强度的增大，污水中吸附在大颗粒上的有机污染物占比显著增加.当流速小于0.6 m ·s^-1时，TN、TP主要分布在0~5 μm粒径段，约占75.68%和74.60%，当流速大于0.6 m ·s^-1时，污水中TN、TP仍然主要分布在0~5 μm粒径段.由此可知，随着流速的增加，冲刷强度增大，大颗粒污染物被携带概率显著增加，碳类污染物浓度升高，且主要集中在粒径较大的污染物质上，同时由于管道中氮、磷主要吸附于小颗粒上，其受水流流速影响较小，基本处于悬浮状态，因此，当流速变化时，污水中氮、磷类污染物始终集中在较小的颗粒物质上.

城市污水管网输送污水过程中，管道内部环境复杂.其中，汇流、沉积、冲刷携带、微生物作用等会使水相、沉积相和气相之间发生着各种复杂的物理、化学及生物反应^[26].因此，本实验建立了管道中污水水质变化过程，如图 7所示.

图 7

Fig. 7

图 7 管道中污水水质变化示意 Fig. 7 Change of sewage water quality in pipeline

城市污水管道中沉积物受不同强度水流冲刷，即缓流和急流条件下，污水中颗粒态污染物的运动轨迹不同.缓流条件下，管道沉积层沉积作用大于冲刷作用，污水中颗粒态污染物随水流悬浮一段距离后沉积下来，沉积物厚度增加且向水流方向推移；急流条件下，水流冲刷强度显著增加，污水中颗粒态污染物随水流一起运动到更远处，且水流会对沉积层进行冲刷携带，致使更多的颗粒态污染物再悬浮.由此可知，不同强度水流冲刷会引起管道污水中颗粒态污染物粒径分布和污染物浓度的显著变化，最终会对污水厂进水水质产生较大影响.

根据现有工艺对城市污水处理厂进水水质营养物质平衡的要求，污水的好氧处理，一般C :N :P=100 :5 :1；而污水的厌氧处理，对污水中N、P的含量要求低，一般C :N :P=200 :5 :1.在水流流速0.1 m ·s^-1时，污水中颗粒态污染物的中值粒径D₅₀为27.83 μm，C :N :P约为100 :8.38 :1.54；在水流流速0.3 m ·s^-1时，污水中颗粒态污染物的中值粒径D₅₀为31.06 μm，C :N :P约为100 :6.24 :1.03；在水流流速为0.6 m ·s^-1时，污水中颗粒态污染物的中值粒径D₅₀为36.87 μm，C :N :P约为100 :5.88 :0.92；在水流流速0.9 m ·s^-1时，污水中颗粒态污染物的中值粒径D₅₀为37.47 μm，C :N :P约为100 :5.25 :0.88.因此，随着水流流速的增加，污水中颗粒态污染物的中值粒径D₅₀增加，且C :N :P比随之增加.即在缓流条件下，污水中颗粒态污染物物理沉积，而有机污染物主要存在于较大颗粒态污染物上，造成污水厂进水水质碳源不足；在急流条件下，管道沉积物受水流冲刷严重，吸附有大量有机污染物的大颗粒沉积物被水流冲刷携带，使污水中碳源增加.

总之，污水在管网输送的过程中，污染物质不断地进行着迁移、转化.且每天排水高峰期，沉积物大量被冲刷携带，污水中碳类有机污染物的增加比重大于氮类和磷类污染物，使现有污水碳源不足得到改观，利于生物脱氮除磷工艺^{[27, 28]}的碳源需求.

(1) 污水支管和干管沉积物厚度时变化较大，在排水高峰期时，流速逐渐增加，对管道沉积物造成冲刷显著，管道沉积物厚度减小；在排水低谷时，流速逐渐减小，污染物质较易沉积，管道沉积物厚度增加.污水主干管沉积物厚度时变化较小，管道内污染物颗粒沉积与沉积物冲刷水平维持相对平衡，管道沉积物厚度保持基本稳定.

(2) 通过管道模拟装置研究了不同流速下污水中TCOD、TN、TP及沉积物厚度的变化规律，结果表明，随着管道流速的增加，水流携带能力增强即冲刷强度增大，污水中污染物的浓度升高，沉积物厚度减小.

(3) 随着流速的增加，冲刷强度增大，污水中吸附在大颗粒上的有机污染物占比显著增加，而吸附在较小颗粒上的氮、磷类污染物占比减幅较小.

(4) 通过城市污水管道水质变化过程分析，在流速小于0.6 m ·s^-1时，吸附于大颗粒污染物上的碳类有机污染物沉积现象显著，造成污水厂进水水质碳源不足；在流速大于0.6 m ·s^-1时，水流会对沉积层进行冲刷携带，冲刷作用大于沉积作用，沉积物厚度减小，且污水中碳类有机污染物的增加比重大于氮类和磷类污染物，利于改善现有污水碳源不足的缺陷.