《Journal of Hazardous Materials》：Mechanism of pollutant diffusion response to coupled hydrodynamics and sediment layer initiation in combined sewer systems
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分層沉淀再懸浮機(jī)理及溢流污染預(yù)測模型研究，通過構(gòu)建分層的沉淀管路試驗(yàn)系統(tǒng)，揭示表層沉淀層在強(qiáng)降雨下快速懸浮（3000 mg/s）釋放高濃度污染物（COD、TN、TP），中層至底層因微生物活動形成的生物粘彈性結(jié)構(gòu)（EPS增強(qiáng)吸附）顯著降低懸浮物通量（450/80 mg/s）。建立耦合水動力-生物化學(xué)-分層侵蝕的動力學(xué)模型，可量化降雨強(qiáng)度與分層侵蝕速率的關(guān)聯(lián)性，為CSO污染負(fù)荷預(yù)測提供新方法。
Xuan Shi|Li Luo|Jiahao Tan|Yulei Chi|Xin Jin|Pengkang Jin
西安交通大學(xué)人居與土木工程學(xué)院，中國陜西省西安市，710049
摘要
沉積物再懸浮是合流制排水系統(tǒng)溢流污染的主要來源。基于沉積物分層理論，本研究構(gòu)建了一個試點(diǎn)規(guī)模的污水管道系統(tǒng)，并提出了一種精確預(yù)測沉積物沖刷起始和溢流污染的方法。沉積物分層控制著“沖刷-釋放-輸送”循環(huán)中的污染物行為：松散的表層容易被沖刷，細(xì)顆粒和高濃度污染物會迅速被水流釋放并廣泛擴(kuò)散；而中間至底部的致密層則具有很強(qiáng)的抗沖刷能力，污染物背景濃度較低，導(dǎo)致釋放的顆粒容易沉淀，擴(kuò)散能力有限。在模擬的強(qiáng)降雨條件下（剪切應(yīng)力為5.42 N/m2），表層沉積物的平均侵蝕速率達(dá)到3000 mg/s，同時(shí)伴隨著高化學(xué)需氧量、總氮和總磷的釋放通量，成為溢流污染的主要風(fēng)險(xiǎn)源。相比之下，中間層和底部層的侵蝕速率分別為450 mg/s和80 mg/s，表明污染貢獻(xiàn)顯著降低。基于這些機(jī)制，開發(fā)了一個用于分層沖刷和輸送污水沉積物的耦合動力學(xué)模型。通過整合水動力學(xué)、沖刷和輸送模塊，該模型可以計(jì)算水力條件、分層侵蝕、污染物釋放和污染物遷移過程。本研究系統(tǒng)地揭示了不同降雨條件下沉積物輸送對水質(zhì)的影響機(jī)制，為準(zhǔn)確預(yù)測排水管道溢流污染提供了可靠的模型和定量方法。
引言
合流制污水中的沉積物（CSS）是溢流污染物的主要來源[1]，[2]。在強(qiáng)降雨事件中，CSS貢獻(xiàn)了超過50%的污染負(fù)荷[3]，[4]。徑流侵蝕引起的沉積物再懸浮直接增加了接收水體中的懸浮固體（SS）濃度，并釋放了有機(jī)物、營養(yǎng)物質(zhì)和重金屬等污染物[5]，[6]。這嚴(yán)重影響了水質(zhì)和生態(tài)健康，可能威脅城市供水安全和公眾健康。因此，研究沉積物污染物的內(nèi)在特性及其在沖刷條件下的再懸浮效應(yīng)對于控制和調(diào)節(jié)合流制污水溢流污染至關(guān)重要。
污水沉積物的沖刷和再懸浮受到水動力條件、沉積物物理性質(zhì)和微生物代謝活動等因素的影響。大多數(shù)研究主要關(guān)注物理因素對沉積物沖刷的影響[7]，[8]，[9]。劉等人對不同大小的沉積物顆粒進(jìn)行了沖刷測試，發(fā)現(xiàn)較大顆粒的遷移能力較弱，傾向于在污水前端沉淀；而較小顆粒則表現(xiàn)出更強(qiáng)的遷移能力，并在靠近后端處積累[10]。吳等人進(jìn)行了降雨沖洗測試，確定了顆粒的兩種遷移模式：懸浮和輸送。懸浮和輸送顆粒的直徑通常分別小于0.1 mm和0.5至2 mm[11]。一般來說，由于質(zhì)量較大，較大顆粒（如礫石）更難被沖刷移動，傾向于在污水底部形成相對穩(wěn)定的床層。然而，較小顆粒（如細(xì)沙和淤泥）由于體積較小，容易被水流移動[12]，[13]。
然而，沉積物內(nèi)的微生物活動顯著影響其懸浮和沖刷[8]，[14]，[15]。首先，不同沉積物層中的優(yōu)勢微生物種群存在顯著差異，導(dǎo)致細(xì)胞外聚合物物質(zhì)（EPSs）的分泌能力不同。因此，每個沉積物層表現(xiàn)出不同的生物粘度[16]，這影響了其抗沖刷能力[17]。其次，微生物代謝活動會產(chǎn)生氣體（H?S和CH?）[18]，[19]。由于微生物群落的分層生長特性，氣體產(chǎn)生率和總體積表現(xiàn)出明顯的垂直梯度[20]。這種梯度氣體生成效應(yīng)導(dǎo)致沉積物層間的空化松動程度不同。在降雨引發(fā)的水流沖擊下，沉積物內(nèi)的氣體產(chǎn)物增加了沉積物顆粒的孔隙率和體積膨脹，使沉積物更容易發(fā)生沖刷[12]。此外，現(xiàn)有研究往往將沉積物視為均質(zhì)質(zhì)量，忽略了其分層結(jié)構(gòu)及其生理生物耦合效應(yīng)對沖刷行為的影響。這阻礙了對不同降雨強(qiáng)度下沉積物逐層侵蝕特性的全面理解[18]。沉積物的分層性質(zhì)決定了沖刷行為，并對污染物的釋放過程和速率產(chǎn)生關(guān)鍵影響。例如，表層沉積物中的污染物釋放更快，而底部沉積物則更受剪切力和溶解-擴(kuò)散過程的影響。在強(qiáng)降雨下，污染物通過水流進(jìn)行對流輸送，伴隨著擴(kuò)散、吸附和脫附等過程，進(jìn)一步改變了污水中的水質(zhì)變化特征[21]。
城市污水系統(tǒng)由于污染物種類多樣、隨機(jī)性高、采樣困難以及在線監(jiān)測能力有限而面臨挑戰(zhàn)。因此，主要使用數(shù)學(xué)模型、模擬模型和經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蛠硌芯课鬯练e物的侵蝕和輸送。在這些模型中，由于簡化性和局限性，經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ碗y以準(zhǔn)確預(yù)測復(fù)雜降雨條件下的沉積物沖刷和再懸浮過程[22]，[23]，[24]。模擬模型可以高分辨率地表示整個過程，包括流場特征（速度和壓力分布）、沉積物形態(tài)變化以及污水中的輸送軌跡。然而，它們需要大量的計(jì)算資源，目前主要用于局部沖刷和沉積機(jī)制的詳細(xì)分析[25]，[26]，[27]。關(guān)于數(shù)學(xué)模型，一些研究使用SWMM和聚類分析對雨水管道進(jìn)行了分類，建立了沉積物特性（厚度和顆粒大小分布）與污水段之間的關(guān)系。張等人基于SWMM開發(fā)了污染物積累和沉積物沖刷模塊，有效模擬了集水區(qū)污染的變化。污水沉積物的沖刷模式通常符合指數(shù)模型，可用于計(jì)算沉積物污染負(fù)荷[28]。然而，這些研究通常忽略了生物耦合效應(yīng)和沉積物分層在沉積物沖刷模塊計(jì)算中的影響，難以準(zhǔn)確預(yù)測復(fù)雜降雨條件下的污染物濃度變化。為了闡明不同降雨強(qiáng)度下CSSs的沖刷輸送和水質(zhì)變化模式，本研究提出了一個用于污水中分層沉積物沖刷輸送的耦合動力學(xué)模型。該模型全面考慮了降雨強(qiáng)度對分層沉積物沖刷行為的影響。通過結(jié)合物理和生物耦合影響下的對流、擴(kuò)散和化學(xué)反應(yīng)機(jī)制，它準(zhǔn)確模擬了污染物濃度動態(tài)，解決了現(xiàn)有模型在生物耦合過程和分層沖刷模擬方面的不足。
本研究通過實(shí)驗(yàn)和基于合流制污水網(wǎng)絡(luò)中沉積物分層特性及耦合物理-生物效應(yīng)的模型模擬，系統(tǒng)地研究了不同降雨強(qiáng)度下不同沉積物層的沖刷模式和污染物釋放特性。通過構(gòu)建和驗(yàn)證一個基于降雨強(qiáng)度變化的分層沖刷和輸送的耦合動態(tài)模型，本研究揭示了沉積物逐層侵蝕模式的時(shí)間演變。這些預(yù)期成果有望提高污水網(wǎng)絡(luò)的操作效率，降低溢流污染的風(fēng)險(xiǎn)，并為水質(zhì)保護(hù)和環(huán)境管理策略提供定量支持。
部分摘錄
樣品采集與處理
本研究使用的沉積物樣本來自西安渭陽區(qū)的合流制污水系統(tǒng)。沉積物被均勻分成三層進(jìn)行分層采樣。每層的樣本被放置在密封的塑料桶中保存，并立即運(yùn)輸?shù)綄?shí)驗(yàn)室進(jìn)行簡單預(yù)處理。然后將樣本放置在實(shí)驗(yàn)裝置中，底部和中間沉積層的厚度分別為2 cm
不同沉積物層中污染物的靜態(tài)特性
沉積物的分層結(jié)構(gòu)主要是由于顆粒因其物理性質(zhì)和微生物活動而以不同速率沉淀的共同作用結(jié)果。較大顆粒由于重力作用優(yōu)先在底部沉淀，從而形成穩(wěn)定的床層。較細(xì)的顆粒（如粘土）較輕，比表面積較大，在上層緩慢沉淀。微生物分泌的EPS增強(qiáng)了細(xì)顆粒之間的粘附和聚集
關(guān)于結(jié)合分層和生物效應(yīng)的污水沉積物輸送模型
基于對合流制污水系統(tǒng)中沉積物分層特性和沖刷行為的實(shí)驗(yàn)分析，本研究開發(fā)了一個耦合的物理-生物分層沖刷動力學(xué)模型。通過整合水動力條件和沉積物分層特征，該模型能夠動態(tài)模擬沖刷過程中的污染物釋放和輸送。然而，這里提出的模型存在某些局限性。試點(diǎn)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)涉及
結(jié)論
本研究通過在試點(diǎn)規(guī)模管道系統(tǒng)中進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，揭示了不同剪切強(qiáng)度下沉積物的分層污染特性及其侵蝕和釋放行為，同時(shí)驗(yàn)證了所建立模型的預(yù)測能力。主要結(jié)論如下：
(1)隨著沖刷強(qiáng)度的增加，所有沉積物層中的懸浮顆粒大小（D50）增大，增強(qiáng)了COD的釋放。然而，TN和TP的釋放表現(xiàn)出閾值
環(huán)境影響
合流制污水溢流（CSOs）對接收水體的水質(zhì)造成嚴(yán)重破壞。本研究揭示了分層沉積物是主要的污染源，其中高度可侵蝕的表層在沖刷過程中主導(dǎo)了污染物的釋放。我們開發(fā)的耦合模型將水動力學(xué)與沉積物分層過程相結(jié)合，能夠準(zhǔn)確預(yù)測CSO污染負(fù)荷。這種機(jī)制理解有助于制定有針對性的管理策略，例如
CRediT作者貢獻(xiàn)聲明
Jiahao Tan：撰寫——初稿。Li Luo：撰寫——審閱與編輯。Xuan Shi：撰寫——審閱與編輯，撰寫——初稿。Pengkang Jin：方法學(xué)，概念化。Xin Jin：調(diào)查，形式分析。Yulei Chi：數(shù)據(jù)整理，概念化。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的競爭財(cái)務(wù)利益或個人關(guān)系可能影響本文報(bào)告的工作。
致謝
本研究得到了中國國家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號：52400057）、中國國家自然科學(xué)基金（52200117）、中國博士后科學(xué)基金（2022M722527）、中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)（xzy012022079）、陜西省教育廳專項(xiàng)科研項(xiàng)目（20JK0730）以及國家水污染控制與管理重點(diǎn)項(xiàng)目（2012ZX07313001）的支持。
