2019年中国城镇污泥处理处置技术与应用高级研讨会 (第十届)日程暨邀请函
 
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详细介绍
 
下水道污水处理研究进展及展望

艾海男, 李茂林, 何强, 龙腾锐

(重庆大学三峡库区生态环境教育部重点实验室,重庆400045)

摘要: 下水道在水污染控制系统中一直扮演着污水收集及输送的角色,并j王对下水道的相
关研究也处于“黑箱”状态。随着人们环保意识的增强以及科学研究手段和测试技术的发展,对下
水道的研究逐渐成为水污染控制领域的热点之一,但时至今日仍未形成系统的理论与技术。介绍
了国内外研究者对下水道处理污水方面的研究现状,并从“排水管道作为反应器”的视角出发,针
对今后下水道处理污水需要开展的研究工作提出了展望。

关键词:下水道; 污水处理;生物膜

中图分类号:TU992 文献标识码:B 文章编号:1000—4602(2013)12—0001—04

Research Progress and Prospect of Wastewater Treatment in Sewer
AI Hai-nan,LI Mao-lin,HE Qiang,LONG Teng—rui
(Key Laboratory of Three Gorges Reservoir Region’s Eco—environment<Ministry of Education>,
Chongqing University,Chongqing 400045,China)
Abstract: Sewer always plays an important role in sewage collection and transportation,and the
research on it is still in a“black box”state.However,with the enhanced awareness of environmental
protection and the development of scientific research methods and test technologies.the research on the
sewer has gradually become a hot topic in the field of water pollution contr01.But even at the present
time,the research has not yet formed a systematic theory and technology.The domestic and foreign re—
searches on sewage treatment in sewer were reviewed,and the research on sewage treatment in sewer was
prospected from“sewer as a reactor”perspective.
Key words: sewer; sewage treatment; biofilm

排水管道作为城市排水系统的重要组成部分,
担负着城市污、废水的收集与输送功能,在很长一段
时期内,人们对于排水管道作用与功能的认识也仅
限于此。城市排水管道是一个巨大的空间系统,污
水在管道内的水力停留时间一般都在数小时左右,
根据城市规模、管网长度不同而有所区别。排水管
道的建设均考虑了连接各管段以及连通管道空间与
大气环境的检查井的设置,并且在部分地形高差起
伏较大的地方还设置有跌水井。从理论上讲,在排
水管道输送污水的过程中,满足基质降解的几个重
要条件:①存在好氧、厌氧的交替环境;②存在降解
各种污染物的微生物;③具备基质降解所需的水力
停留时间。

国外学者早在20世纪80!手代初就开始关注排
基金项目:国家自然科学青年基金资助项目(51108480);重庆大学大型仪器设备开放基金资助项目; 中央高校基本
科研业务费专项资金资助项目(1061 12012CDJZR210025)


第29卷第12期中国给水排水www.watergasheat.oom

水管道在输送污水过程中对污水的净化作用,但受
到检测手段以及计算机发展水平的限制,也仅仅是
对排水管道处理污水的表观现象进行了描述与浅
析。自1994年在丹麦奥尔堡召开的第一届“排水管
道作为反应器(the sewer as a reactor)”会议以来,对
排水管道的研究逐步引起了业界研究者的重视。在
国内,由于污水处理厂进水COD浓度偏低,普遍存
在碳源不足的问题,极大地影响了后续生物脱氮除
磷过程,因此,也有部分学者开始从排水管道对污水
处理效能的角度进行探索。

随着排水科学的发展以及各种检测手段和计算
机模拟技术的提升,近年来对排水管道的研究已逐
步成为热点,研究主要集中在以下几方面:①排水管
道处理污水的效能研究与排水管道处理污水的动力
学模型开发;②排水管道内有毒有害气体的产生及
控制;③产酸对排水管道的腐蚀效应。排水管道与
污水厂的最大不同在于排水管道特殊的流态,以及
由多点进水方式而引起的流态复杂的时变性,但目
前结合流态与生物反应动力学的研究鲜见报道。

1下水道内污水处理研究进展

一般观点认为下水道负责污水的收集输送,污
水厂则对污水进行净化处理,二者功能划分明确。
随着排水科学的发展,这种功能界限划分被逐渐打
破,下水道的功能得到了更充分的认识。实际上,自
污水进入下水道开始,基质就已经在特定环境下逐
渐被降解。基于上述认识的发展,研究人员着手开
展了相关研究,取得了阶段性的成果,为充分利用下
水道的污水处理功能奠定了一定的理论基础。

1.1 下水道污水处理效能研究
污水在管道输送中水质和水量都会发生明显的
变化,进而影响下游污水处理厂的进水水质,特别是
对于下水道较长的系统¨o。国外很早之前就对这
一现象有了相关观察和研究,Raunkjaer等旧1以
BOD,作为考察指标,研究了重力下水道内BOD,的
沿程变化过程,发现在一定条件下,对BOD,的去除
率达到了30%~40%。Tanaka等旧1在一段长为3.5
km、直径为350 mm的压力排污管道中充人大量空
气,经过6~7 h的输送,管道出水溶解性BOD。比管
道进水时降低了25%~70%。
国内学者从20世纪90年代中期也开始开展这
方面的研究。周健等M o采用下水道活性污泥模拟
系统对不同浓度污水达到《城镇污水处理厂污染物

·2·

排放标准》(GB 18918--2002)中一级B标准出水水
质所需管道长度进行了研究,得到了不同流速和停
留时间下所需下水道的长度,从而在管道长度和处
理效能上建立了相应联系。黄方等∞1通过在管道
前端设置高负荷生物接触氧化渠以及在沿途污水泵
站中注入空气的方式进行了管式活性污泥法的模拟
试验,认为只要使管道内保持一定的溶解氧及足够
的停留时间,城市污水可在管道内得到较好的降解。
香港科技大学的LeungMl对高盐度下的下水道水质
转化进行了研究,结果表明高盐生活污水经过1.5
km的输送之后,污水中的溶解性有机碳沿程降解了
19%。田文龙"1通过模拟实验在排水管网中挂膜
以促进生物膜生长,同时增大生物膜与水体的接触
面积,使排水管道中的COD去除率达至1J71.4%~
84.5%。纵观上述研究,由于受到检测技术等原因
的制约,并注重于结果的研究,未对下水道内发生的
生物、化学反应机理进行剖析。

1.2下水道内污水水质转化模型
下水道内环境复杂多变,既含有具有复杂微生
物结构的生物膜,又有悬浮或沉淀在底部的活性污
泥,部分学者也试图利用既有模型,或者通过对既有
模型的修正来建立下水道污水处理的动力学模型。
但为了建模的方便,很多学者都会对模型条件进行
限定或假设。
Bjerre等旧1发现下水道内有机物的转化与污水
中的生物量、管壁生物膜和管中沉淀物有关,易生物
降解有机物的去除、转化与溶解氧浓度密切相关,提
出将水解过程分三个阶段即可利用活性污泥模型模
拟下水道好氧条件下的污水水质转化规律。
Huisman等一1提出采用ASM3来模拟下水道及
管壁微生物膜内污水水质的转化过程,取得了很好
的模拟效果,该模型考虑了水解反应、氮的转化和水
力条件对生物膜粘附和脱落的影响,并且能与1号
河流水质模型链接耦合,缺点是缺少硫化氢产生和
氧化过程模拟。

Jiang等¨驯建立了能模拟厌氧、缺氧和好氧条
件下下水道内的污染物迁移转化和生物膜变化的下
水道水质转化模型。该模型包含了硝化反应、反硝
化反应和硫化氢的产生及氧化反应等过程,重点突
出了生物膜生长的动态变化过程,同时考虑了生物
膜中各主要微生物的竞争关系,是目前描述下水道
水质和生物膜变化较全面的模型。


www.watergasheat.corn 艾海男,等:下水道污水处理研究进展及展望第29卷第12期

以上模型的建立都是基于下水道是一个稳态系
统的假设,但实际上下水道内水量水质瞬息万变,特
别是由于水量变化带来的水力条件的改变是影响下
水道污水处理过程的重要因素之一。到目前为止,
针对下水道水力条件变化与生物膜结构变化、生物
反应动力学等之间的映射关系的研究还鲜见报道。

2下水道安全问题研究
2.1有害气体问题
在下水道厌氧环境中,硫酸盐在硫酸盐还原菌
(SRB)的作用下被还原成硫化氢。由于硫化氢的臭
味对周围居民的健康会产生严重影响,同时硫化氢
释放到有氧环境时,部分被氧化为硫酸而腐蚀管道,
因此对其实施有效控制具有重大的经济效益和社会
效益。
臭氧、过氧化氢、次氯酸盐和高锰酸钾等强氧化
剂均可作为消毒剂杀灭SRB并氧化硫化氢。这种
方法存在的问题是添加剂含量过低时达不到杀灭
SRB的效果,过高则在杀灭SRB的同时杀灭其他有
益细菌,导致污染物降解能力下降,同时影响下游污
水厂的处理效果。
Gutierrez等¨划人研究了下水道内pH值对硫化
氢和硫酸盐还原菌的影响,实验表明加碱(提高pH
值)可以减小硫化氢的气液两相传质,从而减少硫
化氢从污水中的释放量,同时具有抑制硫酸盐还原
菌的功效。另外,投加铁盐和亚铁盐也是常用的控
制硫化氢释放的方法¨2|,其机理是利用铁盐或亚铁
盐与硫化氢反应生成硫化亚铁沉淀来削减硫化氢含
量,这种方法可以去除污水中已经存在的硫化氢,但
不能抑制硫化氢的产生。目前,最常用的硫化氢控
制措施包括向下水道中充氧、投加硝酸盐和亚硝酸
盐¨n 15 J,其作用机理是上述物质可以作为更有竞争
性的电子受体改变厌氧环境从而抑制硫化氢的产
生。但是,其一次投加的有效作用时间较短,Mo.
hanakfishnan等¨41的研究表明,在停止投加亚硝酸
盐后,硫化氢2个半月后即可恢复之前的产率,其本
质原因是游离亚硝酸对微生物的毒性作用,采用间
歇投加亚硝酸的策略则可较为经济有效地控制硫化
氢。
下水道内除产生硫化氢气体外,甲烷、氧化亚氮
等气体的产生也受到了关注¨6|。对于甲烷的释放,
其控制方法是通过投加硝酸盐、亚硝酸盐和充氧,改
变甲烷产生所需的严格厌氧环境。而对于氧化亚

·3·

氮,其产生的主要来源是硝化作用还是反硝化作用
争论颇多,还未有明确的控制措施u 7|。
目前,对于硫化氢等有害气体的控制依赖于外
加化学物质,人力物力耗费巨大,探索自然条件下有
害气体的控制是需要关注的重要方面。

2.2管道腐蚀问题
大量实验研究证明,下水道腐蚀的主要原因是
管道微生物腐蚀,而混凝土管道是微生物腐蚀的主
要作用对象。Nielsen等¨副证明在充满相同浓度的
硫化氢管道内,混凝土管道表i酊的腐蚀速率比塑料
管道高两个数量级。Jes Vollertsen等¨引也证明混
凝土管道内硫化氢的氧化遵循简单的n级反应动力
学方程,反应级数凡约为0.45~0.75,说明硫化氢
的氧化是一个比较复杂的反应过程,且反应速率受
硫化氢浓度影响较小,该动力学方程可以进一步用
于混凝土管道腐蚀的预测。
总之,管道腐蚀主要是由硫化氢的释放、氧化导
致的,而硫化氢的产生是管道内生物膜中微生物的
反应结果ⅢJ,所以对于管道腐蚀的控制多采用投加
硝酸盐和亚硝酸盐法,以从源头上抑制硫化氢的产
生,管道腐蚀问题最终归结为硫化氢控制问题。

3展望

下水道是一个复杂而庞大的系统,其与污水处
理厂体系具有一定的相似性,而又有其特点。目前,
对于下水道的研究越来越多,这些研究很多都参照
了对污水处理厂的研究方法和思路,往往忽视了下
水道系统的特殊性,而将下水道内污水与微生物之
间的生化效应与污水处理厂统一考量的相关研究尚
未开展。量化下水道对污水水质的转化作用,将下
水道和污水处理厂综合考量、统一设计,优化检查井
间距大小及污水处理厂运行模j戈是未来污水处理工
程的发展趋势。

①下水道不同于污水处理厂的一个显著特点
是流态的不同,且下水道内的流态瞬息万变,流态与
下水道中的生物膜结构及反应特性之间必然存在着
一定的映射关系,因此,必须开展下水道流态特征研
究,探寻流态与生物反应动力学之间的耦合关系。

②下水道的腐蚀及有害气体问题关乎整个排
水体系的安全,也会影响社会经济的发展。下水道
内生化反应错综复杂,随着对其机理研究的完善深
入,对引导其向有利面发展具有重要意义。进一步
探讨下水道气体控制方式,寻找经济适用的方案是

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必要的。从下水道内生化反应动力学机理着手,深
刻解析造成管道腐蚀的机制及影响因素,是从根源
上解决此类问题的关键,也是目前亟待解决的问题
之一。


参考文献:
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作者简介:艾海男(1982一),男,湖南新邵人,
博士后, 讲师, 主要从事废水处理理论与
技术研究。
E—mail:aihainan@126.com
收稿日期:2012一12—18

第29卷第12期
2013年6月
中国给水排水
CHINA WATER&WASTEWATER
V01.29 No.12
Jun.2013

 
 
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