重慶市主城區(qū)排水管道沉積物性質(zhì)研究

潘偉亮,何 強(qiáng),李 果,艾海男,劉立恒 (重慶大學(xué),三峽庫(kù)區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,重慶 400045)

排水管道沉積物不僅影響排水管道的過(guò)流能力、增加徑流污染負(fù)荷,而且在排水管道特殊的環(huán)境下會(huì)產(chǎn)生有害氣體,從而影響整個(gè)排水系統(tǒng)的正常運(yùn)行.老城區(qū)排水管網(wǎng)由于年久失修,排水管道沉積物更是普遍存在且較為嚴(yán)重[1].沉積物沉積對(duì)排水管道的影響主要有3種[2]:首先,降低過(guò)水能力導(dǎo)致檢查井超負(fù)荷,過(guò)早產(chǎn)生溢流污染;其次,粗大顆粒易堵塞管道;最后,沉積物被徑流沖刷產(chǎn)生再污染,產(chǎn)氣影響管道工人安全、產(chǎn)酸腐蝕管道.

據(jù)估計(jì),美國(guó)合流制排水系統(tǒng)旱流產(chǎn)生的管道沉積物占每天進(jìn)入管道固體和污染物總量的5%～30%;在歐洲,排水管道沉積物的沉積速率達(dá)到 30～50g/(m·d)[3].Sakrabani 等[4]認(rèn)為在合流制排水系統(tǒng)中,管道沉積物累積引發(fā)的污染問(wèn)題尤為突出,是合流制溢流污染負(fù)荷的重要組成,會(huì)對(duì)收納水體造成威脅. Samrani等[5]利用氯化鐵溶液和聚氯化鋁處理合流制溢流污水,建立了混凝劑最佳投加量與CSO導(dǎo)電率的化學(xué)關(guān)系.鑒于沉積物中的重金屬對(duì)生物的毒害性,Yuan等[6]建立了一個(gè)初步的模型,利用鉛作為預(yù)測(cè)重金屬含量的指示物,取得了較好的效果.Houhou等[7]對(duì)排水管道系統(tǒng)重金屬的來(lái)源、性質(zhì)、歸趨進(jìn)行了詳細(xì)的研究,認(rèn)為家庭活動(dòng)是 Cu、Pb的主要來(lái)源,而供水系統(tǒng)是 Cu的主要來(lái)源,地下水入滲是 Ni和Cd的補(bǔ)充來(lái)源. Bertrand-Krajewski 等[8]研究表明排水系統(tǒng)中沉積污染物的再懸浮對(duì)徑流中SS 和 COD 的貢獻(xiàn)均為 60%.Ahyerre等[9]通過(guò)大量現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)和模型模擬指出排水管道旱季沉積對(duì)受納水體的污染負(fù)荷貢獻(xiàn)達(dá)到了30%～80%.管道沉積物的性質(zhì)受排水區(qū)域特征、排水系統(tǒng)類(lèi)型與結(jié)構(gòu)以及污水性質(zhì)等因素的影響[10].

國(guó)外關(guān)于管道沉積物的研究為國(guó)內(nèi)研究提供了一定的參考,然而,山地城市排水管道沉積物的組成及性質(zhì)特征還鮮見(jiàn)報(bào)道.針對(duì)此種情況,以重慶市主城區(qū)為例,采集不同功能區(qū)排水管道的沉積物,分析其理化性質(zhì),以期豐富排水管道沉積物研究數(shù)據(jù),為排水管道沉積的控制提供依據(jù)和參考.

1 樣品采集與分析

1.1 樣品采集

通過(guò)對(duì)重慶市沙坪壩區(qū)不同功能區(qū)排水管道沉積物沉積狀況的調(diào)查,主城排水管道中普遍存在不同程度的沉積現(xiàn)象,各區(qū)域排水管道沉積物物理表觀性質(zhì)(如沉積量、臭味、顏色等)有較大差異.

按生活區(qū)、交通區(qū)、文教區(qū)、商業(yè)廣場(chǎng) 4個(gè)功能區(qū)布設(shè)采樣點(diǎn),每個(gè)功能區(qū)4個(gè)采樣點(diǎn),共16個(gè)采樣點(diǎn).具體做法:在每個(gè)功能區(qū)排水管道檢查井中,用金屬鏟采樣,采集管道沉積物約1000g,裝入樣品袋,帶回實(shí)驗(yàn)室自然風(fēng)干(剔除雜物),低溫保存并及時(shí)分析沉積物.

1.2 測(cè)試方法

在規(guī)定的保存時(shí)間內(nèi)對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)定.化學(xué)需氧量(CODcr)采用重鉻酸鉀法測(cè)定,重金屬(Cu、Zn、Pb、Cd)采用石墨爐加原子吸收分光光譜儀進(jìn)行測(cè)定[11];總氮(TN)采用半微量凱式法測(cè)定,總磷(TP)采用鉬銻抗分光光度法測(cè)定[12];總沉積固體(TSS)和揮發(fā)性沉積固體(VSS)采用馬弗爐灼燒法測(cè)定,密度采用比重瓶法測(cè)定[1].

1.3 數(shù)據(jù)分析

(1) 單項(xiàng)指數(shù)(Ii)的計(jì)算式為:

式中:Ci為管道沉積物中污染物實(shí)測(cè)值,mg/kg;Coi為背景值, mg/kg;Ii為單項(xiàng)累積指數(shù).

(2) 內(nèi)梅羅綜合指數(shù)的計(jì)算式為:

2 結(jié)果與討論

2.1 排水管道沉積物干密度及粒徑

由表1知,不同功能區(qū)的干密度差異明顯,交通區(qū)＞商業(yè)廣場(chǎng)＞文教區(qū)＞居住區(qū).交通區(qū)主要受車(chē)輛磨損,交通揚(yáng)塵和大氣降塵的影響,產(chǎn)生大量固體顆粒物,經(jīng)雨天沖刷進(jìn)入雨水管道;而居住區(qū)污水管道沉積物密度較小,這與污水管道沉積物僅來(lái)自生活污水,由于流速較小,發(fā)生旱季沉積有關(guān);文教區(qū)排水管道為合流制,沉積物密度介于雨水管道沉積物與污水管道沉積物之間.

表1 不同功能區(qū)沉積物粒徑與干密度Table 1 The size and density of sediments in different functional areas

不同功能區(qū)的 VSS/TSS差異較大,居住區(qū)＞文教區(qū)＞商業(yè)廣場(chǎng)＞交通區(qū).居住區(qū)與文教區(qū)VSS/TSS顯著高于商業(yè)廣場(chǎng)與交通區(qū)是因?yàn)槠渑潘艿罏槲鬯艿馈⒑狭髦乒艿?沉積物中有機(jī)質(zhì)相對(duì)較高,且比某工業(yè)城市居住區(qū) VSS/TSS(0.118)高,這與居民飲食結(jié)構(gòu)和生活習(xí)慣,抑或與采樣點(diǎn)具體情況不同有一定關(guān)系;商業(yè)廣場(chǎng)與交通區(qū)管道沉積物 VSS/TSS分別為0.06與0.02,有機(jī)質(zhì)含量低,這與沉積物的來(lái)自地表沉積物雨季沖刷有關(guān),測(cè)定結(jié)果與其他研究較一致[1];對(duì)干密度與有機(jī)物含量(以 VSS/TSS表征)進(jìn)行相關(guān)性分析,結(jié)果為 ρ=0.1453(1-VSS/TSS)+0.6108(R2=0.998),說(shuō)明沉積物干密度與有機(jī)物含量呈負(fù)相關(guān).

不同功能區(qū)沉積物不同粒徑空間分異性明顯.粒徑分析排序,居住區(qū)＜商業(yè)廣場(chǎng)＜文教區(qū)＜交通區(qū),居住區(qū)以小顆粒沉積物居優(yōu)勢(shì)(＜75μm),這主要是由于污水管道沉積物主要來(lái)自生活污水懸浮物顆粒沉降;交通區(qū)沉積物的顆粒比其他功能區(qū)沉積物粒徑大,是因?yàn)椴蓸狱c(diǎn)周?chē)鸀r青路面糙度大,大顆粒路面塵土多,強(qiáng)降雨期間易被沖刷進(jìn)入雨水檢查井.沉積物粒徑分布除與路面交通狀況影響之外,還與降雨期間, 雨強(qiáng)、周?chē)乇盹L(fēng)速,前期晴天數(shù),日常清掃等情況有關(guān)[13].

2.2 排水管道沉積物常規(guī)污染物含量

不同功能區(qū)排水管道沉積物常規(guī)污染物含量見(jiàn)圖1.從圖 1中可以看出,不同功能區(qū)排水管道沉積物中TN、TP和COD差異明顯.對(duì)于TN,不同功能區(qū)沉積物含量大小;文教區(qū)＞商業(yè)廣場(chǎng)＞居住區(qū)＞交通區(qū),分別為 6.6,3.0,2.0,0.5mg/g,這與文教區(qū)污水管道(合流制)年久失修,取樣點(diǎn)距離學(xué)校餐廳廢水排放距離較近有關(guān);交通區(qū)雨水管道沉積物主要來(lái)自降雨期間路面塵土與大氣降塵的沖刷進(jìn)入,主要為無(wú)機(jī)物,這與相關(guān)研究一致

[2,14].對(duì)于TP,不同功能區(qū)排水管道沉積物含量大小;文教區(qū)＞居住區(qū)＞商業(yè)廣場(chǎng)＞交通區(qū),分別為12.3,9.7,7.8,3.7mg/g,而有關(guān)朱旻航等[15]研究重慶市主城區(qū)街道塵土營(yíng)養(yǎng)物 TP含量為 0.46～1.49mg/g,故,排水管道沉積物 TP表現(xiàn)為顯著富集的特點(diǎn).這可能與磷的賦存形態(tài)有很大關(guān)系,相關(guān)研究認(rèn)為磷主要以顆粒態(tài)存在于地表街塵

[16]、雨水徑流[17]中,暴雨時(shí)易沖刷入排水管道,造成富集.文教區(qū)與居住區(qū)排水管道沉積物 TP含量顯著高于商業(yè)廣場(chǎng)與交通區(qū),這是與排水管道性質(zhì),及所處周?chē)乇憝h(huán)境清掃頻率密切相關(guān).對(duì)于COD,不同功能區(qū)的含量大小為;文教區(qū)＞居住區(qū)＞商業(yè)廣場(chǎng)＞交通區(qū),含量分別為339、295、152、73mg/g,文教區(qū)與居住區(qū)排水管道有機(jī)物含量高,這與污水來(lái)自生活污水有關(guān);商業(yè)廣場(chǎng)雨水管道沉積物有機(jī)物含量較高,這可能與部分雨水管道混接有關(guān).對(duì)于文教區(qū),合流制管道沉積物污染物含量,雨天與旱天差異明顯,雨天 TN、TP、COD含量均高于旱天,且降雨徑流中TSS對(duì)污染負(fù)荷貢獻(xiàn)最高可達(dá) 30%,這是由于來(lái)自匯水面的地面徑流沖刷地表街塵加劇了管道沉積物中污染物的累積,與李田等[18]的研究相似.

圖1 排水管道沉積物常規(guī)污染物含量Fig.1 The content of pollutants in sewer sediments

2.3 排水管道沉積物重金屬含量及累積程度評(píng)價(jià)

不同功能區(qū)排水管道沉積物重金屬含量見(jiàn)圖 2.從圖 2可以看出,不同功能區(qū)排水管道沉積物重金屬含量空間分異性較大.

圖2 排水管道沉積物重金屬含量Fig.2 The content of heavy metals in sewer sediments

表2 排水管道沉積物重金屬含量及累積指數(shù)Table 2 The content of heavy metals in sewer sediments and the cumulative index

Pb與Zn在不同功能區(qū)排水管道沉積物的含量分布,交通區(qū)＞商業(yè)廣場(chǎng)＞居住區(qū)＞文教區(qū),含量分布與交通狀況成正相關(guān);而Cu與Cd含量分布,交通區(qū)＞居住區(qū)＞商業(yè)廣場(chǎng)＞文教區(qū),說(shuō)明 Cu與Cd污染來(lái)源可能一致.重金屬含量交通區(qū)最高,Cu、Zn、Pb、Cd 4種金屬含量分別為304,539,104,1.14mg/kg,這些重金屬主要來(lái)自制動(dòng)器、輪胎、車(chē)體,燃料及潤(rùn)滑油等,交通狀況越繁忙,重金屬污染越嚴(yán)重,且有關(guān)研究表明[13],汽車(chē)排放的重金屬一般都是吸附于顆粒物的表面存在于地表沉積物中,降雨期間沖刷進(jìn)入雨水管道;對(duì)于 Pb,重慶市排水管道沉積物含量約在100mg/kg以下,低于李海燕等[16]、楊云安等[1]的研究(150mg/kg),可能與污染物Pb的來(lái)源有很大關(guān)系;對(duì)于 Cd,居住區(qū)排水管道沉積物含量達(dá)到0.84mg/kg,這與排水管道年久失修破損,地下水滲漏有關(guān),國(guó)外 Laritiges等[8]研究也證明地下水入滲是Cd的補(bǔ)充來(lái)源.居住區(qū)排水管道Cd的含量高,應(yīng)引起重視.不同功能區(qū)排水管道沉積物重金屬污染程度評(píng)價(jià)(表2、表3)如下:與主城區(qū)背景值相比,Cu、Zn、Pb、Cd四種金屬含量分別是背景值的7.2倍、3.6倍、2.6倍、5.6倍;重金屬污染程度次序?yàn)?Cu＞Cd ＞Zn＞Pb,建議優(yōu)先控制金屬為Cu、Cd;不同功能區(qū)污染程度次序?yàn)榻煌▍^(qū)＞居住區(qū)＞商業(yè)廣場(chǎng)＞文教區(qū),與相關(guān)研究稍有差異[12,19-21].

表3 排水管道沉積物重金屬單項(xiàng)指數(shù)與綜合指數(shù)Table 3 The single index and cumulative index of heavy metals in sewer sediments

表4 排水管道沉積物中污染物含量對(duì)比Table 4 The content of pollutants in sewer sediments was compared with other cities

2.4 與其他平原城市的對(duì)比

為揭示山地城市重慶與其他平原城市排水管道沉積物中污染物含量差異,表 4對(duì)比了重慶與北京[16]及 C市[1]的污染物含量.從表中可以看出,沉積物中重金屬的含量差異顯著,對(duì)于Cu、Zn,重慶市明顯低于北京市,但高于C市,這與重慶市汽車(chē)保有量位居全國(guó)第二有一定關(guān)系,因?yàn)镃u、Zn,主要來(lái)自交通車(chē)輛制動(dòng)器、輪胎與車(chē)體的磨損[13];對(duì)于Pb、Cd,重慶市低于北京市和C市,這可能與污染物來(lái)源有關(guān)(如大氣降塵、周?chē)I(yè)情況或街塵清掃等);對(duì)于常規(guī)污染指標(biāo),重慶高于C市,這與排水管道性質(zhì)、地形特征區(qū)域降雨特征,采樣點(diǎn)環(huán)境信息(如車(chē)流量,人為活動(dòng)等)有很大關(guān)系[18].

3 結(jié)論

3.1 不同功能區(qū)排水管道均有不同程度的沉積;沉積物粒徑,交通區(qū)＞文教區(qū)＞商業(yè)廣場(chǎng)＞居住區(qū),且粒徑大致在250μm以下;沉積物的密度與有機(jī)物含量(VSS/TSS)呈正相關(guān)(R2=0.998);有機(jī)物含量與管道性質(zhì), 廢水來(lái)源顯著相關(guān).

3.2 不同功能區(qū)排水管道沉積物常規(guī)污染物含量空間分異性大.COD 含量,文教區(qū)＞居住區(qū)＞商業(yè)廣場(chǎng)＞交通區(qū),含量分別為 339、295、152、73mg/g; TN和TP含量,文教區(qū)＞商業(yè)廣場(chǎng)＞居住區(qū)＞交通區(qū);TN 含量分別為 6.6、3.0、2.0、0.5mg/g;TP含量分別為12.3、9.7、7.8、3.7mg/g;與街塵相比,TP呈現(xiàn)明顯富集特性.

3.3 不同功能區(qū)排水管道沉積物重金屬污染水平差異顯著.Cu、Zn、Pb、Cd四種金屬含量分別為 75～304mg/kg, 144～539mg/kg, 41～104mg/kg,0.41～1.14mg/kg;與主城區(qū)背景值相比, Cu、Zn、Pb、Cd四種金屬含量分別是背景值的7.2倍、3.6倍、2.6倍、5.6倍;重金屬污染程度次序?yàn)镃u＞Cd＞Zn＞Pb;不同功能區(qū)污染程度次序?yàn)榻煌▍^(qū)＞居住區(qū)＞商業(yè)廣場(chǎng)＞文教區(qū).

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