（环境工程专业论文）下水道污水水质转化机理研究与数值模拟.pdf

中山大学博士学位论文 下水道污水水质转化机理研究与数值模拟 专业：环境工程 博士学位申请人：江峰 指导老师：李适宇( 教授) 摘要 随着我国城市污水产生量的迅速增长和污水处理能力相对滞后的矛盾的日益彰 显，加上沿海城市对海水的大规模直接利用将导致下水道腐蚀和管网维护成本不断 增高，研究利用下水道处理城市污水和控制下水道硫化氢的核心技术，即下水道污 水的水质转化十分必要通过对下水道水质转化研究的应用，既可以对城市污水进 行初步处理以减轻城市污水处理厂的负担、节约污水处理成本，又可以控制下水道 硫化氢以延长市政管网的使用寿命、保护管网维护人员的生命安全，一举数得。然 而，下水道中的水质转化过程非常复杂，仅仅依靠实验手段不足以全面透彻地了解 整个过程，数学模型的介入已成趋势。但是，现有的下水道水质转化数学模型过于 简单，因为它们既忽略了生物膜在下水道水质转化过程中所起的关键作用，也不考 虑因为海水帚j 用导致污水的盐度和硫酸盐浓度大幅提高对水质转化过程的影响，不 可能准确地模拟上述下水道研究的核心技术。 为此，本论文分别从污水相和生物膜相中的污染物转化研究入手，通过大量的 理论分析和实验研究确定污水水体和生物膜中的水质转化机理，据此分别开发适用 于高盐度生活污水的下水道污水相水质转化模型和生物膜模型。通过在实体下水道 和实验室开展的实验确定大量参数的取值之后，对这两个模型进行分别验证，然后 在此基础上将这两个模型耦合连接成完整的下水道水质转化数学模型，并通过在实 体高盐度和高硫酸盐浓度的下水道中进行的现场监测和取样分析实验得到的数据进 行验证。最后，为检验新模型性能，本论文还应用此模型对硫化氢控制和利用下水 道处理城市污水技术的两个案例进行了数值模拟研究，分别是：一、硝酸盐投放对 香港东涌压力式排污干管中的硫化氢控制效果评估；二、尿液分离处理技术对下水 道水质转化的影响研究。 论文的主要研究成果归纳如下： 摘要 ( 1 ) 建立了新的一维动态下水道污水相水质转化数学模型。该模型整合了水力 模式、迁移与分散模式、复氧模式和微生物反应模式，并首次考虑了盐度对污水水 质转化的影响。其中，考虑盐度影响的微生物反应模型是在理论和实验分析的基础 上建立的。经验证，该微生物反应模型可以较为准确地模拟高盐度生活污水中的微 生物反应对水质的影响。 ( 2 ) 提出了结合批量实验和模型率定，采用遗传算法来确定复杂的微生物反应 模型中大量微生物反应动力与化学计量参数的新方法。运用本方法，可以较为方便、 快捷地确定大量微生物反应表征参数，有助于下水道水质转化数学模型的推广应用。 ( 3 ) 开发了第一个动态、可模拟生物膜厚度和密度动态变化、可反映微生物竞 争的下水道多菌种生物膜模型。该生物膜模型全面考虑了粘附、剥落、扩散和生物 膜中的各种生物化学反应过程。 ( 4 ) 首次实现从生物膜厚度、密度、d o 、n h 4 n 、n o x - n 和h 2 s 在生物膜内 部的浓度剖面和s r b 分布剖面等多方面对生物膜模型进行全面、直接的验证。验证 结果表明模拟结果与实测结果较为吻合。 ( 5 ) 耦合污水相水质转化模型和生物膜模型，建立了新的、更全面的二维动态 下水道水质转化数学模型，并通过实际下水道中的现场监测实验和取样分析实验验 证了该模型。验证结果表明，该模型能较好地反映下水道污水的水质转化。 ( 6 ) 应用模型研究尿液分离处理技术的实施对下水道水质转化的影响的结果显 示，尿液经分离硝化处理后再排放至下水道，可显著提高下水道污水的脱氮率和 c 0 d 去除率，并且可以减轻下水道中的硫化氢危害。 ( 7 ) 两项案例研究的结果表明，本研究建立的下水道水质转化模型是下水道污 水水质转化的科学研究和工程应用的得力工具。 关键词：下水道，生物膜，水质模型，高盐度污水，尿液分离处理 中山大学博士学位论文 m e c h a n i s m sa n dm a t h e m a t i c a lm o d e l i n go f s e w a g eq u a l i t yt r a n s f o r m a t i o ni ns e w e r s d e p a r t m e n t ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g p h dc a n d i d a t e ：j i a n gf e 昭 s u p e r v i s o r ：p r o ll is h i y u a b s t r a c t m a n ys t u d i e sh a v er e v e a l e dt h a ts e w a g eq u a l i t yt r a n s f o r m a t i o ni n 翻钾咐d oo c c u ri n b o t ht h es e w a g ea n db i o f i l mp h a s e s s o m er e s e a r c h e r sf u r t h e ri n d i c a t e dt h a ts e w e r b i o f i l mp l a y sam o r ei m p o r t a n tr o l et h a ns u s p e n d e db i o m a s si nt h et r a n s f o r m a t i o n p r o c e s s e s s e w e rb i o f i l mi sn o to n l yc a p a b l eo fb i o d e g r a d i n go r g a n i cp o l l u t a n t s , b u ta l s o r c s p o u s m l e f o rs u l f i d e p r o d u c t i o n n i t r a t e i s u s u a l l yd o s e dt o i n d u c ei n - s e w e r d e n i t r i f i c a t i o nc o m p e t i n ga g a i n s tt h es u l f a t er e d u c t i o ns oa st or e d u c es e w e rc o r r o s i o n d u et ot h eh i g ha c t i v i t yo fs e w e rb i o f i l m , l 雠o fs e w e rb i o f i l mt or e a l i z ei n - s e w e r u e a t m e m o f s e w a g e o r a b a t e m e n t o f s e w a g es t r e n g t h d u r i n gs e w a g e c o n v e y a n c eh a s b e e n p r o p o s e dr e c e n t l y b o t ho ft h es e w e rh y d r o g e ns u l f i d ec o n t r o la n di n - s e w e rt r e a t m e n t o r g a n i ct e c h n o l o g i e sa r ec o n s i d e r e di m p o r t a n tu r a t e g i ct e c h n o l o g i e sf o ro u rc o u n t r y s e a w a t e rs u p p l i e sh a v ea c t u a l l yb e e np l a c e di nt h ef u t u r ew a t e rr l 眵o u r c em a n a g e m e n t p r o g r a m si ns o m eo fo u rl a r g ec o a s t a lc i t i e s t h i sw i l lc a u s es e r i o u s8 c w e rc o r r o s i o na n d m a i n t e n a n c ep r o b l e m sd u et oh i g hs u l f a t ec o n t e n tr e s u l t e df r o mt h es e a w a t e rs u p p l i e s d e v e l o p m e n to fc o s t e f f e c t i v ec o n t r o lt e c h n o l o g i e so fs u l f a t er e d u c t i o nf o ro u rs a l i n e s e w a g es e w e r sw i l ld e f i n i t e l yb en e c e s s a r y o nt h eo t h e rh a n d , t h e r ea r ev a r i o u ss m a l l t o w na n dc i t i e si no u rc o u n t r yt h a ta r cs t i l ln o ta f f o r d a b l et oc o u s t m c ta n do p e r a t e e x p e n s i v es e c o n d a r ys e w a g et r e a t m e n tf a c i l i t i e s u t i l i z a t i o no ft h ei n - s e w e rt r e a t m e n t t e c h n o l o g i e sw i l lt i m e l yp r o v i d eal o w c o s ti n t e r i ms o l u t i o nt ot h e s ep l a c e s t h u s , h o wt o d e v e l o pa n da p p l yt h e s es t r a t c g i cs e w e r - b a s e dt e c h n o l o g i e sa r cc e r t a i n l ye s s e n t i a l t h ek e ys t e pf o rt h ed e v e l o p m e n tl i e si n u n d e m a n d i n go ft h es e w a g eq u a l i t y m t r a n s f o r m a t i o np r o c e s s e si ns e w e rt h a ta r ev e r yc o m p l i c a t e d i n v o l v i n gv a r i o u sm a s s t r a n s f e ra n dm i c r o b i a lr e a c t i o n si nb o t h s e w a g ea n dh i o f i l mp h a s e s t h e r e f o r e , m a t h e m a t i c a lm o d e l sa r eg e n e r a l l ye m p l o y e dt oa s s i s ti ns e w e rp r o c e s ss t u d i e s h o w e v e r , e x i s t i n gs e w e rq u a l i t yt r a n s f o r m a t i o nm o d e l sd on o tc o n s i d e rt h er o l eo fs e w e rb i o f i l m , s u l f a t er e d u c t i o n , s a l i n i t ye f f e c t s ，a n dt h em i c r o b i a lc o m p e t i t i o nb e t w e e nd e n i t r i f i c a t i o n a n ds u l f a t er e d u c t i o n w i t ht h i s i nv i e w , 1w a sm o t i v a t e dt op r o p o s ean e wa n d c o m p r e h e n s i v es e w e rp r o c e s sm o d e lt os u p p l e m e n tt h ee x i s t i n gm o d e l si no r d e r t ob e t t e r d e s c r i b es e w a g eq u a l i t yt r a n s f o r m a t i o ni ns e w e r sc o n v e y i n gv a r i o u st y p e so fs e w a g e i n c l u d i n gs a l i n es e w a g eu n d e rv a r i o u ss c w e rh y d r a u f i cc o n d i t i o n s i nm ys t u d y , t h r e en e wm o d e l sh a v eb e e nd e v e l o p e d ：1 ) o n ef o rd e s c r i p t i o no f p o l l u t a n tt r a n s f o r m a t i o n si ns e w a g ep h a s e ，2 ) o n ef o rp o l l u t a n tt r a n s f o r mi ns e w e r b i o f i l m , a n d3 ) ac o m p r e h e n s i v es e w e rp r o c e s sm o d e lb yi n t e g r a t i n g1 ) a n d2 ) m o d e l t h ef i r s ta n ds e c o n dm o d e l sw e r ev e r i f i e db ye x p e r i m e n t a ld a t ao b t a i n e df r o mt h i ss t u d y a n dr e l e v a n ts t u d i e s t h et h i r dm o d e ln a m e l yan 哪t w o - d i m e n s i o n a la n dd y n a m i c s e w a g eq u a l i t y t r a n s f o r m a t i o n p r o c e s sm o d e l , w a sv e r i f i e dt h r o u g h f o i l - s c a l e m e a s u r e m e n td a t ao b t a i n e df r o mar e a ls t w v e lt h i sn e ws e w e rp r o c e s sm o d e lw a st h e n a p p l i e dt os i m u l a t et h ee f f e c to fn i t r a t ed o s i n go nh 2 sc o n t r o li nt h et u n gc h u n g p r e s s u r e ds e w e r ( t c p s ) i nh o n gk o n ga n dt oe v a l u a t et h ee f f e c t i v e n e s so fi n - s e w e r d e n i t r i f i c a t i o ni n d u c e db yd i s c h a r g eo fn i t r i f i e du r i n es e p a r a t e df r o mt o i l e t s , w h i c hi s v i e w e da sas t r a t e g i ct e c h n o l o g yf o rs u s t a i n a b i l i t yo f s e w a g et r e a t m e n ti ns o m ee u r o p e a n n a t i o n s 1 1 峙m a i na c h i e v e m e n t so f t h i sp h dw o r ka r es u m m a r i z e da sf o b o w s ： ( 1 ) d e v e l o p m e n to fan e wo n e d i m e n s i o n a la n dd y n a m i cm o d e lf o rs e w a g eq u a l i t y t r a n s f o r m a t i o ni nt h es e w a g ep h a s e t h i sm o d e lf i r s tt i m ei n t e g r a t e da l ln e c e s s a r y a s p e c t sf r o ms e w e rh y d r a u l i c s ，t r a n s p o r t a t i o n , d i s p e r s i o n , r e a e r a t i o nt om i c r o b i a l t r a n s f o r m a t i o ni ns a l i n e s e w a g e t h ep r o p o s e dm i c r o b i a l k i n e t i c sb u i nf r o m t h e o r e t i c a la n de x p e r i m e n t a la n a l y s e sw e r ev e r i f i e da f t e rm o d e lc a l i b r a t i o n t h i sn e w m o d e lc a na c c u r a t e l ys i m u l a t et h es e w a g eq u a l i t yt r a n s f o r m a t i o ni nt h es e w a g ep h a s e o f as a l i n es e w a g es e w e r 中山大学博士学位论文 ( 2 ) a n e wm e t h o dw a sp r o p o s e dt os i m u l t a n e o u s l yd e t e r m i n ev a r i o u sm o d e lp a r a m e t e r s o fm i c r o b i a lk i n e t i c s t h i sm e t h o dw a sd e v e l o p e db a s e do nb a t c he x p e r i m e n t a t i o n a n dm o d e lc a l m r a t i o n , a n dag e n e t i ca l g o r i t h mf o re s t i m a t i n gp a r a m e t e rv a l u e s t h i s m e t h o dc a ne s t i m a t ea l ln e c e s s a r yk e yp a r a m e t e r se f f i c i e n t l y ( 3 ) t h ep r o p o s e d 绷b i o f i l mm o d e lc a nf i r s tt i m es i m u l t a n e o u s l yp r e d i c td y n a m i c v a r i a t i o 璐o fs u l f a t er e d u c t i o na n ds u m d eo x i d a t i o n , b i o f i l mt h i c k n e s sa n db i o f i l m d e n s i t yo fas e w e rb i o f i l m t h i sn e wc o m p r e h e n s i v eb i o f i l mm o d e l 锄r e f l e c t d y n a m i ca t t a c h m e n ta n dd e t a c h m e n to f t h eb i o f i l m ( 4 ) t h eb i o f i i mm o d e lw a s f i r s tt i m ed i r e c t l yv e r i f i e dt h r o u g hc o m p a r i s o nb e t w e e n m o d e lp r e d i c t i o n sa n dm e a s u r e m e n t so fb i o f i i mt h i c k n e s sa n dd e n s i t y , a n dh 2 s ， n h 4 - n ，0 2 ，n o x - n , a n ds r bp r o f i l e sw i t h i nt h eb i o f i l m t h eb i o f i l mm o d e lc a n a c c u r a t e l yp r c d i c ta l lt h e s ep r o f i l e s ( 5 ) d e v e i o p m e n to fan l 州w yd y n a m i ca n dc o m p r e h e n s i v es e w e rp r o c e s sm o d e lf r o mt h e p r o p o s e ds e w a g ep h a s em o d e la n dt h eb i o f i l mm o d e lt h i ss e w e rp r o c e s sm o d e lc a n p r e d i c tt h ef u l l - s c a l em e a s u r e m e n t so f d i s s o l v e do x y g e nl e v e li nar e a ls e w e r ( 6 ) t h es e - , 0 v e rm o d e ls i m u l a t i o np r e d i c t e dt h a tt h ed i s c h a r g eo fn t r i f l e du r i n ec a n e v e n t u a l l yi n c r e a s en i t r o g e na n dc o dr e m o v a lr a t e si nt h es e w c l a n dr e d u c et h e s u l f i d ep r o d u c t i o nr a t e 砒t h es a m et i m e 仍t h er e s u l t so fm o d e la p p l i c a t i o n ss h o w e dt h a t ，t h ep r o p o s e ds e w e rm o d e lw a sa u s e f u la n de f f i c i e n tt o o lf o rf u r t h e rr e s e a r c ha n de n g i n e e r i n ga p p l i c a t i o ni ns e w a g e t r a n s f o r m a t i o n si ns e w e r s k e y w o r d s ：s e w e r , b i o f i l l n ，s e w a g eq u a l i t ym o d e l , h i g hs a l i n es e w a g e ，b r i d es e p a r a t i o n a n do n s i t et r e a t m e n t v 中山大学博士学位论文 图表目录 图1 - 1 w a t s 模型中下水道中的主要水质转化过程i 5 。1 0 1 6 。2 1 图1 - 2h 【s m a n 的基于a s m 3 的f 水道水质模型概念图 柚i 图l - 3 研究技术路线图 圈2 - 1 水质转化过程中微生物反应过程分类 图2 - 2 香港科技大学捧污干管 图2 - 3 反应器示意图 图2 - 4o u r 测定装置示意图 图2 - 5 批量实验曝气反应器中的o u r 图2 - 6 第二组批量实验曝气反应器中的d o cn h 4 - n 与n o x - n 凰2 7 两组批量实验无氧反应器中的d o en h i - n 与n o x - n 图2 - 8 下水道污水相中的污染物转化示意图 图2 - 9 呼吸计量法测定s s 图2 - 1 0 呼吸计量法测定) 【s 图2 - 1 1 微生物反应参数估测路线图 图2 - 1 2 敏感度分析结果示意图 周2 1 3 遗传算法计算流程图 图2 1 4o u r 、n h 4 - n 和n o x - n 计算与实测数据的最优拟合结果 图2 - 1 5 参数估测结果的验证 图2 - 1 6 参数估测的数据依赖性分析结果 图2 - 1 7 下水道污水相水质转化模型的计算流程图 图3 - 1 生物膜模型组分分类图 图3 - 2 物质在体积元内的质量守恒示意图 图3 - 3 生物膜模型的基本示意图 图3 - 4 生物膜厚度与水力条件对生物膜剥落过程的影响示意图【例 图3 - 5 温度对水体中溶质扩散系数的影响 图3 - 6 求解生物膜模型的流程图 图3 - 7 调整生物膜分层间隔的流程图 图粥经s r b 3 8 5 探头和c l s m 技术成像得到的生物膜中下层的s r b 图像 圈3 - 9 香港科技大学捧污管2 4 小时水深与流量变化图嗍 图3 - 1 0 香港科技大学捧污管中生活污水的2 4 小时d o c 浓度变化鲫 图3 - 1 1 香港科技大学捧水管道中2 4 小时水温变化鲫 图3 - 1 2 生物膜形成与生长过程中的厚度实铡数据与模拟曲线 。8 3 图3 1 3 生物膜质量密度垂向分布的模拟计算结果与z 1 4 a n g 和b i s h o p 的实测数据的对比8 4 图3 - 1 4 溶解氧、氨氮、硝氮、硫酸盐与硫化物在生物膜中的垂向浓度剖面实测数据与模拟结果的比 图3 - 1 5 生物膜中s r b 垂向分布百分比的实测与模拟结果拍 图3 - 1 6 生物膜生长过程中的微生物竞争态势 i x m巧巧拍”勰凹弭笛勰剪辑船舶钉豫趵n矾醴竹锣缸缸 图表目录 图4 - 1 模型耦含过程中的变量统一 图纯下水道水质转化数学模型的反应过程示意图 图舢3 下水道水质转化数学模型的计算流程图 图4 - 4 捧污管日口端与末端的生物膜组成 图4 - 5 捧污管前端与后端生物膜内部的d o 、h 2 s 与s 0 4 2 一浓度剖面 图4 6 下水道水质转化模型对d o 的模拟结果与实测值的比较 图4 - 7 东涌捧污管两端的硫化氢与硝氮浓度时变化图 图4 - 8 日夜典型时刻( 1 a l v l 与1 p m ) 捧污管中硝氮与硫化物浓度的沿程分布 图4 9 东涌捧污管前端生物膜组成与生物膜内部的硫化物与硝氮浓度分布( 1 p m ) 图4 - 1 0 投放4 0 和1 2 0 g n m - 3 的硝酸盐对硫化氢的控制效果 图4 1 1 硝酸盐投放浓度对管末出水中最高硫化物浓度的影响分析 图4 - 1 2 使出流污水硫化物浓度达标的最低硝酸盐投放浓度 图4 - 1 3 硝酸盐投放时长与投放方式对生物膜的影响 圈4 - 1 4 硝酸盐投放时长与投放方式对h 2 s 浓度的影响 图4 - 1 5 尿液分离处理效率对东涌捧污管中t c o d 与t n 去除率的影响 图4 - 1 6 尿液分离处理效率对啦。2 4 h 平均浓度的影响 9 4 9 5 9 9 9 9 1 0 1 1 0 2 1 0 2 1 0 4 l 册 1 0 8 图4 - 1 7 尿液完全分离处理与完全不处理对于东涌的 1 2 。实时浓度的影响1 0 8 图4 - 1 8 实施尿液分离处理0 天与1 5 天后东涌捧污干管前端生物膜的组成成分比较( u r e ：1 ) 表1 - 1a s m l 对异养微生物好氧生长过程的数学描述 表1 - 2 w a t s 模型的数学描述m l 7 8 3 l 3 2 4 5 6 7 6 7 6 9 7 0 7 2 表2 - 1 污水相中微生物反应模型的化学计量系数矩阵 表2 - 2 污水相微生物反应模型的反应速率方程 表2 - 3 参数估测的结果，取值范围与文献值 表3 1 各种溶解态物质在水体中的分子扩散系数( 2 5 ) 表3 - 2 温度对溶质在水体的扩散系数的影响n 2 “ 表3 - 3 影响硫酸盐还原过程的主要因素 表3 _ 4 生物膜模型中硫酸盐还原的增殖与衰亡反应数学模型 表3 5 生物膜中化学生物反应过程模型的化学计量系数矩阵 表3 6 各生物化学反应的反应速率方程式7 3 表3 7 模型参数的取值与来源 表3 8 对c l a m 照片分析得到的生物膜内s r b 垂向分布百分比 表4 1 下水道水质转化模型对水质的模拟结果与实测的比较 表4 - 2 东涌压力式捧污干管的基本资料 表4 3 东涌压力式摊污于管中的水质实测资料 x 7 4 8 6 9 6 9 7 中山大学博士学位论文 第1 章绪论 1 1研究背景与选题依据 1 1 1下水道水质转化的研究意义 水，是人类生存的基本要素之一。人类在生产生活中产生的污水排入自然环境， 在自然环境中的微生物的作用下，污水中的污染物自然分解，污水重新成为干净水 源，这便是一个自然的水循环。这个循环在过去人类漫长的发展过程中周而复始， 源源不绝地为人类提供洁净的水资源。但是，随着经济的快速发展、人口的急剧膨 胀，用水量与污水排放量都呈现高速增长的趋势，自然水体的自我净化能力已不堪 重负。超过自然净化负荷的污染物滞留在自然水体中造成水体严重污染，水生生态 系统失衡，饮用水源受污染等等恶果。 为了在满足经济增长需要的同时能够保护自然环境，实现可持续性发展，多年 来研究人员从污水的产生、输送、排放等不同阶段入手，致力于寻找污水处理的最 佳方式。从污水处理位置的角度来看，污水处理大体上可以分为三类：前端处理、 中途处理与末端处理。 末端处理指在污水排放至自然水体之前对污水进行处理目前，它是城市中最 常用的污水处理方式：在城市中修建污水处理厂，城市污水通过下水道系统收集到 污水处理厂进行集中处理后排放到自然环境中。据统计，截至2 0 0 6 年底，我国城市 污水处理厂的日处理能力已达6 1 2 2 万立方米，可处理5 6 的城市污水【末端 处理是一种集约处理方式，它的优势在于节省建设费用，缺点是无法对各种不同污 染物来源作区别对待，而且投资成本较高。 近年来，研究人员提出了生活污水前端处理的新思路，比如尿液分离处理技术 1 2 1 。尿液中的氮、磷占日常生活污水中总氮、磷的比例超过7 5 和5 0 1 2 1 ，将尿液 在排放入下水道之前即进行分离处理，可有效地提高氮、磷的总去除率【2 l 。荷兰d e l f t 理工大学的w i l s e n a c h 等人在居民社区试推行尿液分离处理技术，已取得较好的效果 1 3 - s 1 这种有针对性的生活污水前端处理方式虽然前期投资成本较高，但却能有效地 提高特定污染物的去除效率，并且能降低城市污水处理过程中去除氮、磷的运营成 第l 章绪 论 本。 中途处理主要指在污水输送过程中，利用下水道对城市污水进行管内处理的一 种处理方式，相比于后端与前端处理，它的兴起比较晚，而且其作用长期以来都被 低估了一般认为，污水在下水道系统中停留时间较短，污染物没有足够的时间进 行自降解。但事实上，大多数城市污水处理厂因城市土地稀缺都建在离城市中心较 远的市郊，因此污水在产生之后通常都要经过远距离、长时间的输送才能到达污水 处理厂。如广州，上海、香港这样的大都市，城市生活污水从市中心流到污水处理 厂，往往要流经几公里甚至十几公里的下水道，而像以色列d a nr e g i o n 地区，它的 城市污水在下水道系统中停留的时间长达l o d , 时，长时间管道输送使污水中的b o d s 去除率达到8 5 , - 9 3 t 6 1 。 对于在下水道中的长时间输送的污水而言，下水道犹如一个生化反应器，污染 物在其中可产生有效的生物降解。因此，通过研究下水道水质转化，可以利用下水 道对城市污水进行部分处理，从而减轻城市污水处理厂的工作负荷，减少污水处理 厂的建设占地，节约污水处理费用 下水道水质转化的研究意义，除了减轻城市污水处理厂的工作负荷之外，还有 一个重要的意义控制与去除硫化氢。硫化氢是在下水道缺氧环境下硫酸盐被还 原的产物，它会散发恶臭、腐蚀管道并具神经毒性1 7 】。美国休斯顿渠务署的一项研 究1 8 , 9 l 表明，该市7 0 的受损排水管道是由硫化氢腐蚀造成的，而修复这些管道所需 的费用高达4 7 7 0 万美元。在我国上海市，排水管道损坏也有部分原因是硫化氢的腐 蚀【1 0 l 。低浓度的硫化氢导致管道腐蚀、带来经济损失，而高浓度的硫化氢则直接危 及人的生命。硫化氢有强烈的神经毒性，主要通过呼吸道侵入人体。吸入高浓度硫 化氢时，可致人急性重度中毒并迅速昏迷甚至猝死【1 1 j 。我国屡次发生污水处理或管 道维护人员硫化氢中毒死亡事件，且特别多发于上海、浙江、江苏、广东等沿海地 区【协1 翻，如上海市，仅2 0 0 5 年1 月至8 月问就发生硫化氢中毒事件9 起，造成1 8 a 死亡 1 1 6 1 ，江苏省2 0 0 6 年上半年发生的、死亡人数在3 人以上的硫化氢中毒事故4 起，造成 1 4 人死亡【1 刀。 硫化氢中毒事件多发在沿海地区，是因为海水入侵或者海水直接利用使下水道 中的生活污水变成富含硫酸盐的高盐度生活污水。在厌氧条件下，高盐度污水中的 硫酸盐在微生物作用下被还原，从而产生了大量的硫化氢。香港早从上世纪六十年 2 中山大学博士擘值论文 代就开始直接利用海水作为冲厕用水，这导致生活污水中硫酸盐浓度高达6 0 0 m g l i l s l ，促使硫化氢大量产生，问题十分突出 而且从长远来看，下水道中的生活污水高盐化现象在我国沿海地区将越来越普 遍。据水利部统计1 1 9 1 ，我国的人均水资源占有量只有2 2 0 0 立方米，仅为世界平均 水平的四分之一。在我国6 6 0 多座城市中，有三分之二的城市缺水，1 1 0 座城市严 重缺水。在工业用水量巨大的东部城市，缺水问题尤其突出，如东部沿海的青岛、 大连等城市，不得不采取定量配水、停工待水或避高峰让水，提高水价以抑制用水 等方法来缓解缺水问题；而南部沿海城市，如广州，也存在水质型缺水现象。在这 种前提下，近海城市将目光转移到近在咫尺的海水身上，海水利用成为解决东部“水 困”的首选之策例，预计“十一五”期间，我国将逐步实现海水资源的规模化利 用。在海水利用中，最常见的方式就是海水直接利用。根据国家发改委、国家海洋 局、财政部2 0 0 5 年正式颁布实施的我国第一个海水利用专项规划【2 ，2 0 1 0 年 我国的海水直接利用能力将达到5 5 0 亿吨年，2 0 2 0 年达到1 0 0 0 亿吨年1 2 l 】。在海水 直接利用中，直接采用海水作为冲厕用水这种海水利用方式最易推广，因为这种方 式成本最低、技术含量较低，同时又有立竿见影的节水效果。据统计，香港利用海 水作为冲厕用水减少了3 0 * , 4 0 0 0 的净水耗水量1 2 2 j 。随着海水大规模、高频率地被 直接利用为生活清洁用水，污水的盐度和硫酸盐浓度将大幅升高，成为高盐度生活 污水。此外，高盐度生活污水的另一个成因是海水入侵。近年来，过度抽采地下水 导致地下水位下降，沿海城市普遍产生海水入侵的问题1 2 3 , 2 4 1 。侵入城市的海水通过 排污管道缝隙渗透进城市排污系统，产生高盐度生活污水。而随着近几年来咸潮上 溯现象的加剧，海水入侵的影响范围将逐渐扩大。 随着海水直接利用项目的大规模上马和海水入侵现象的日益加剧，下水道硫化 氢问题将日趋严重目前对于下水道硫化氢中毒的预防大多仍采用被动防护手段， 但即使是在拥有详尽的安全指引和完善的防护设备的香港，仍时有发生水道硫化氢 中毒死亡事故嘲因此，研究下水道高盐度生活污水中的水质转化过程，并利用下 水道环境主动控制硫化氢的产生和氧化过程，降低下水道硫化氢含量，才是解决问 题的根本之道。 综上所述，开展下水道水质转化的研究，特别是对带有大量硫酸盐的高盐度生 3 第1 幸绪论 活污水在下水道中水质转化的研究，对于减轻城市污水处理的压力、防止管道腐蚀、 保护城市污水处理和管网维护工作人员的生命、探寻未来城市污水处理的新方向， 无疑具有重大的研究意义与研究价值。 1 1 2 下水道水质转化数学模型的研究意义 污染物在下水道环境中的转化是一个复杂过程，不仅有水动力作用下的迁移、 扩散等物理现象，还有多种微生物作用与化学反应同时存在，又涉及下水道中大气、 水体与生物膜三相之间的物质传输与交换。目前，下水道水质转化的相关研究还属 于初级阶段，要充分认识这样一个动态系统的行为，需要对这一系统内的物理、化 学和生物等各方面的反应以及相互间作用进行详尽的分析，最后实现从定性化研究 向定量化研究转变。在过去，实验监测是主要的手段，但在实际操作中，仅仅凭借 观测和实验分析是远远不够的。因为这不仅时间长，而且需要大量人力、物力和财 力的投入，结果也只能掌握有限范围内各种水质转化过程的耦合作用的结果。本文 所研究的高盐度生活污水在下水道中的水质转化机理还牵涉硫酸盐还原、硫化氢氧 化、反硝化等问题，比普通下水道更为复杂。因此，数学模拟手段的介入相当有必 要。随着计算机技术的发展，数学模型被越来越广地被应用于各个研究领域。与单 一的实验监测、分析手段相比，它只需要一定的实验数据就能够准确地进行过程模 拟和结果预测，并且能够发现依靠监测和分析不能轻易发现的现象，有助于掌握表 象下更多层面的现象，更大程度地帮助揭示事物的发展变化规律。与此同时，数学 模型开发成本小，资源消耗少，受客观环境因素的制约小，因此，数学模型开发越 来越受重视，已成为了科学研究、工程设计等必要的研究手段。在水处理方面，也 已经开始数学模型应用。国际水协( i n t e r n a t i o n a lw a t e r a s s o c i a t i o n ，简称i w a ) 课 题组开发了活性污泥系列模型( a c t i v a t e ds l u d g em o d e l ，简称a s m ) 1 2 6 1 ，可以模拟 类似于活性污泥系统内部各种复杂的微生物反应过程，取得了有效的成果。 因此，有必要针对下水道的环境状况，结合高盐度生活污水的特性，在实验监 测与分析的基础上，开发一个能够模拟高盐度生活污水在下水道中的水质转化的数 学模型。再利用微观与宏观、实验室与实际管道现场等实验获得的数据对模型进行 验证，最后将模型应用至进一步的科学与工程研究领域。 4 中山大擘博士学位论文 1 2研究现状 1 2 1下水道中的污染物转化 上个世纪八十年代之后，学界逐渐重视对下水道中污染物生物降解的研究以 色列的g r e e n 等人率先以s b r 反应器进行实验模拟特拉维夫市丹地区( d a nr e g i o n ) 的污水收集系统管道中的污水水质转化嘲。d a nr e g i o n 的污水收集工程是以色列最 大的污水处理回用项目，负责特拉维夫地区和临近地区城市污水的收集、处理、地 下回灌和回用。该污水收集管网的污水日流量近3 0 0 , 0 0 0 m 3 ，主干网长3 7 k m ，污水 在其中的停留时间超过1 0 小时。g r e e n 等人的实验结果表明，长时间管道输送使污 水中的b o d s 消除8 5 - 9 3 ，水质因此得到明显改善。香港的l e u n ，i 对高盐度下 水道中的水质转化进行研究，结果发现高盐度生活污水经过1 5 k m 的输送之后，污 水中的溶解性有机碳( d i s s o l v e do r g a n i cc a r b o n , 简称d o c ) 沿程降解了1 9 。这 些研究表明，污染物在下水道中可以发生显著的转化，从而对水质产生明显影响。 b e j j r e 和h