司 韋，于江華，解麗媛

(1.南京信息工程大學(xué)，江蘇 南京 210044；2.濰坊安健安全技術(shù)咨詢有限公司，山東 濰坊 261061)

0 引言

由于城市化進(jìn)程的加快，不透水城市路面與車(chē)輛的快速增長(zhǎng)，造成面源污染越來(lái)越嚴(yán)重[1-3]。 這種面源污染主要由地表徑流污染引起，研究表明：在不同國(guó)家中，地表徑流中含有的污染物質(zhì)遠(yuǎn)超當(dāng)?shù)丨h(huán)境標(biāo)準(zhǔn)[4-5]。 地表徑流中污染物主要來(lái)源于車(chē)輛、大氣沉降、建筑、路面養(yǎng)護(hù)以及其他人類(lèi)活動(dòng)，同時(shí)地表徑流污染特征受交通流量、降雨規(guī)模、路面類(lèi)型、污染物狀態(tài)、周?chē)h(huán)境和氣候特征的影響[6-7]。 降雨初期，大量的污染物被沖刷進(jìn)雨水管道，其中存在高濃度污染物[8-9]。 在30%的初期降雨中能夠發(fā)現(xiàn)約60%的總懸浮固體（TSS）[10]，同時(shí)TN 與TP 與TSS 存在相關(guān)性[11]。

城市地表徑流中的有機(jī)質(zhì)（COD） 與懸浮固體（SS）占管內(nèi)徑流的70%，其中60%的SS 和COD 是沉積物再次懸浮于管內(nèi)徑流中而產(chǎn)生的[12-13]。雨水管網(wǎng)中多為厭氧或缺氧環(huán)境，有利于COD 在其中發(fā)酵，產(chǎn)生大量污染物[14-16]，在雨季徑流沖刷下進(jìn)入受納水體，引發(fā)黑臭，造成水體富營(yíng)養(yǎng)化[17-18]。

本研究針對(duì)雨水管內(nèi)沉積物中所含污染物進(jìn)行分析，通過(guò)對(duì)沉積物粒徑，TN，TP，CODCr及VS 指標(biāo)的檢測(cè)，同時(shí)對(duì)采樣點(diǎn)附近土地利用類(lèi)型、地面衛(wèi)生和生產(chǎn)活動(dòng)進(jìn)行調(diào)研，評(píng)價(jià)該地雨水管內(nèi)污染情況，并提出建議。

1 檢測(cè)材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

常州市某區(qū)洛陽(yáng)鎮(zhèn)北部監(jiān)測(cè)區(qū)域的土地利用類(lèi)型以工業(yè)用地為主，輔以部分農(nóng)業(yè)用地及部分居民居住地。由當(dāng)?shù)卣块T(mén)了解到，該區(qū)域已經(jīng)實(shí)行雨污分流，但由于污水、雨水管道分批次建設(shè)，管網(wǎng)走向比較復(fù)雜。

1.2 樣品的采集

在所選采樣點(diǎn)處用加長(zhǎng)的鐵鍬鏟取雨水井內(nèi)的泥樣。并拍照記錄采樣點(diǎn)周?chē)穆访姝h(huán)境狀況，將收集到的泥樣裝入準(zhǔn)備好的清潔密封瓶?jī)?nèi)分別記錄為樣品1 與樣品2，帶回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行分析測(cè)定。

1.3 樣品的分析

樣品帶回實(shí)驗(yàn)室后先進(jìn)行風(fēng)干，再去除樣品中的樹(shù)葉樹(shù)枝等雜物，篩分粒徑范圍為小于40，40~62，62 ~ 86，86 ~ 125，125 ~ 230，230 ~ 500，500 ~710 和大于710 μm 共8 個(gè)粒徑范圍。其中大于710 μm 粒徑沉積物主要是石子垃圾等雜物，不需用于后續(xù)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)研究。 樣品篩分后用清潔干燥的封口袋裝好。

分別采用重鉻酸鹽法測(cè)定CODCr；堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定TN；鉬酸銨分光光度法測(cè)定TP；重量法測(cè)定VS。

使用儀器：分析天平、紫外分光光度儀、馬弗爐、高溫滅菌爐。

2 結(jié)果與討論

2.1 沉積物粒徑分布

雨水管網(wǎng)內(nèi)沉積物的粒徑分布見(jiàn)圖1。 由圖1可以看出，總體分布為質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨粒徑的增大呈先增大后減小的規(guī)律。 在230~500 μm 的粒徑范圍內(nèi)沉積物質(zhì)量分?jǐn)?shù)最高，分別達(dá)37.09%和59.85%。沉積物在小于86 μm 的粒徑范圍內(nèi)質(zhì)量分?jǐn)?shù)相差不大，約5%左右。同時(shí)，粒徑小于100 μm 的沉積物質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于較大粒徑的沉積物，約15%~17%。此外，沉積物樣品的均等系數(shù)（累積質(zhì)量分?jǐn)?shù)為60%的顆粒物粒徑與累積質(zhì)量分?jǐn)?shù)為10%的顆粒物粒徑之比）約為5，表明沉積物在不同粒徑下顆粒大小較為均一。 另外，通過(guò)觀察沉積物形貌特征，發(fā)現(xiàn)粒徑在500 ~ 710 μm 內(nèi)的沉積物中含有碎葉、殘枝、橡膠顆粒等垃圾，這些富含有機(jī)質(zhì)的物質(zhì)在密閉管道內(nèi)極易發(fā)酵從而導(dǎo)致水體水質(zhì)惡化。

圖1 管網(wǎng)沉積物粒徑分布特征

根據(jù)現(xiàn)有研究，隨地表徑流攜帶進(jìn)入雨水管道中的顆粒物粒徑基本小于1 250 μm，其主導(dǎo)粒徑范圍為250~ 300 μm[13]，與本研究中樣品的粒徑大小基本一致。 根據(jù)賈朝陽(yáng)[19]對(duì)北京市雨水管道內(nèi)沉積物粒徑分布的研究見(jiàn)表1。

表1 不同研究區(qū)域中管網(wǎng)沉積物污染特征

由表1 可以看出，沉積物粒徑分布主要為76~300 μm，各粒徑范圍內(nèi)沉積物質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨粒徑增大呈先上升后下降趨勢(shì)。同時(shí)，本研究中沉積物質(zhì)量分?jǐn)?shù)的第一眾數(shù)在150~1 250 μm 之間。

雖然不同地區(qū)雨水管內(nèi)的沉積物粒徑分布相似，但是對(duì)于質(zhì)量分?jǐn)?shù)較大的沉積物，其所在粒徑范圍受土地利用類(lèi)型的影響較大，例如第一眾數(shù)的粒徑范圍取決于采樣點(diǎn)匯水面的清掃頻率、人流量、交通量等[19-20]。 研究區(qū)域是城市邊緣的工業(yè)區(qū)，經(jīng)過(guò)實(shí)地調(diào)研發(fā)現(xiàn)，采樣點(diǎn)附近人流量、交通流量較少，地面沉積物較多，使得研究樣品的粒徑范圍較大，并且大粒徑沉積物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。

2.2 沉積物污染特征

為深入了解雨水井內(nèi)沉積樣品中TN，TP，CODCr及VS 的污染特征，分析比較不同粒徑的雨水井沉積物樣品中TN，TP 和CODCr的污染負(fù)荷。

2.2.1 TN

雨水管內(nèi)沉積物樣品中TN 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與污染負(fù)荷特征見(jiàn)圖2。

圖2 不同粒徑沉積物TN 質(zhì)量分?jǐn)?shù)與污染負(fù)荷的變化特征

由圖2 可以看出，TN 質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨粒徑增大先上升后下降，在40~86 μm 的粒徑范圍內(nèi)，TN 質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到最大，平均質(zhì)量分?jǐn)?shù)約為0.42 mg/g。

沉積物樣品的TN 污染負(fù)荷較大值主要集中在230 ~ 710 μm 的粒徑范圍內(nèi)，占比分別為58 %和55%。而小于230 μm 的粒徑范圍內(nèi)TN 污染貢獻(xiàn)量較小。 雖然粒徑范圍在40~125 μm 的沉積物中TN含量較高，粒徑范圍較大的顆粒物的TN 質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，但是本研究TN 污染特征符合主要集中在粒徑范圍大于230 μm 的沉積物上，對(duì)該粒徑的沉積物進(jìn)行總量控制，將有效降低雨水管內(nèi)氮的污染。

根據(jù)劉志長(zhǎng)[20]對(duì)廣東某地雨水管內(nèi)沉積物的研究，其TN 質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨粒徑范圍的變化而降低，TN質(zhì)量分?jǐn)?shù)的變化范圍為0.5~1.5 mg/g。 變化趨勢(shì)與本研究相似，但是其TN 含量較高。 根據(jù)尚宇等[22]的研究，不同用地類(lèi)型中的雨水管道沉積物所含污染物的質(zhì)量分?jǐn)?shù)不同，土地類(lèi)型、植被覆蓋、工業(yè)、農(nóng)業(yè)發(fā)展情況成為影響TN 含量的主要因素。 本研究中采樣點(diǎn)區(qū)域工廠較多，道路兩邊植被覆蓋較小，但是雨水管道內(nèi)含氮物質(zhì)較少，表明工廠內(nèi)部存在具有脫氮作用的設(shè)施或是工廠本身產(chǎn)生的工業(yè)廢水中含氮量較低。

2.2.2 TP

沉積物樣品中TP 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與污染負(fù)荷特征見(jiàn)圖3。 由圖3 可以看出，沉積物樣品質(zhì)量分?jǐn)?shù)隨粒徑增大而減小，并且在粒徑小于40 μm 時(shí)TP 質(zhì)量分?jǐn)?shù)最大，為0.75 mg/g。

圖3 不同粒徑沉積物TP 質(zhì)量分?jǐn)?shù)與污染負(fù)荷的變化特征

對(duì)TP 的污染負(fù)荷而言，其隨沉積物粒徑變化規(guī)律與TN 相似，雖然在小于230 μm 的粒徑范圍內(nèi)，沉積物樣品中的TN 質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，沉積物樣品在230~700 μm 的粒徑范圍內(nèi)，污染貢獻(xiàn)值較高，達(dá)50%左右。沉積物樣品在該粒徑范圍內(nèi)質(zhì)量分?jǐn)?shù)也較高，同時(shí)對(duì)該粒徑范圍內(nèi)的顆粒物進(jìn)行總量控制，將有助于減少雨水管內(nèi)氮的污染。

根據(jù)劉志長(zhǎng)[20]和尚宇等[22]的研究，含磷顆粒物主要來(lái)源于地面或是屋頂?shù)臒o(wú)機(jī)固體顆粒，同時(shí)，排水系統(tǒng)是否通暢，地面清潔工作是否良好及維護(hù)管理水平是否合格也同樣影響雨水管內(nèi)顆粒物含磷的濃度。 根據(jù)調(diào)研發(fā)現(xiàn)，該地地面存較多地表沉積物，且同時(shí)附近也存在將生活污水傾倒在路面上的現(xiàn)象，是造成雨水管道沉積物的TP 濃度大的原因之一。

2.2.3 CODCr

沉積物樣品中CODCr的質(zhì)量分?jǐn)?shù)與污染負(fù)荷特征見(jiàn)圖4。

圖4 不同粒徑沉積物CODCr 質(zhì)量分?jǐn)?shù)與污染負(fù)荷的變化特征

由圖4 可以看出，在40~125 μm 的粒徑范圍內(nèi)，CODCr質(zhì)量分?jǐn)?shù)出現(xiàn)較大值，沉積物樣品中CODCr質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值約為84 mg/g。

沉積物樣品中CODCr污染主要集中在大于230 μm粒徑范圍的沉積物上，且在230~710 μm 的粒徑范圍內(nèi)，污染貢獻(xiàn)較大，約占全粒徑顆粒物的56%。將其與沉積物粒徑分布特征及CODCr質(zhì)量分?jǐn)?shù)變化對(duì)比后，發(fā)現(xiàn)顆粒物質(zhì)量分布對(duì)污染物的污染負(fù)荷分布具有較大影響，污染物質(zhì)在不同粒徑顆粒物的污染負(fù)荷主要取決于粒徑分布特征，雖然小粒徑的沉積物有較高的CODCr質(zhì)量分?jǐn)?shù)，但是其污染貢獻(xiàn)較小，在20 %~ 30 %，粒徑大于230 μm 的沉積物，依然是需要對(duì)其進(jìn)行總量控制的重要物質(zhì)。

根據(jù)RISTENPART E[23]的研究，在合流制管道中沉積物CODCr質(zhì)量分?jǐn)?shù)為42 mg/g。 而劉志長(zhǎng)[20]所研究的雨水管內(nèi)沉積物樣品數(shù)據(jù)，CODCr質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值為27.37 mg/g。 兩者質(zhì)量分?jǐn)?shù)都低于本研究的沉積物樣品。 雨水管道中的沉積物主要來(lái)自大氣沉降，以及建筑物附近硬化路面磨損脫落，沉積物中有機(jī)物來(lái)源少[20]，而本研究沉積物樣品中的平均CODCr質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高。 調(diào)研過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，該工業(yè)園區(qū)內(nèi)，企業(yè)生產(chǎn)過(guò)程中存在有機(jī)顆粒擴(kuò)散至路面的現(xiàn)象，當(dāng)部分含有機(jī)物顆粒隨降雨產(chǎn)生的地表徑流進(jìn)入雨水管內(nèi)，會(huì)導(dǎo)致沉積物樣品CODCr質(zhì)量分?jǐn)?shù)偏高。由于在沉積物樣品的采樣點(diǎn)之間，存在有機(jī)物顆粒匯入管道，較大粒徑的顆粒物沉降于管道中間，隨水流進(jìn)入井口的大粒徑顆粒物減少，造成了沉積物樣品在小粒徑范圍內(nèi)CODCr質(zhì)量分?jǐn)?shù)增大，大粒徑范圍內(nèi)CODCr質(zhì)量分?jǐn)?shù)降低。

2.2.4 VS

雨水管道沉積物中VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)與污染負(fù)荷特征見(jiàn)圖5。

圖5 雨水管道沉積物不同粒徑VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)與污染負(fù)荷的變化特征

由圖5 可以看出，在粒徑范圍大于40 μm 時(shí)，VS 的質(zhì)量分?jǐn)?shù)受粒徑大小的影響不明顯，維持在150 mg/g 左右，但在小于40 μm 的粒徑范圍內(nèi)，沉積物樣品中VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)出現(xiàn)最大值，為274.93 mg/g。

粒徑范圍大于230 μm 的沉積物樣品中VS污染貢獻(xiàn)較大，占59.0%，其中粒徑范圍為230 ～500 μm的沉積物貢獻(xiàn)了31.6%的VS 污染，對(duì)粒徑大于230 μm 的沉積物進(jìn)行總量控制，是控制雨水管內(nèi)VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)行之有效的方法。

根據(jù)楊云安等[24]在不同功能區(qū)對(duì)沉積物性質(zhì)的研究，管道中沉積物主要來(lái)源于地表顆粒和大氣降塵，其中有機(jī)物含量應(yīng)該低于污水管道內(nèi)沉積物，VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)在29 ～130 mg/g，一般小于100 mg/g，且沉積物密度較大；而污水管內(nèi)存在大量人體排泄物或是餐廚生活垃圾，VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高在52 ～190 mg/g，一般大于100 mg/g，同時(shí)密度較小。 而本研究沉積物樣品中VS 質(zhì)量分?jǐn)?shù)均值為176.98 mg/g，最大值為274.93 mg/g。 與其比較，該雨水管內(nèi)有機(jī)污染較高。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

本文在常州市武進(jìn)區(qū)采樣，探討了雨水管道內(nèi)沉積物的粒徑分布特征以及不同粒徑范圍內(nèi)的沉積物TN，TP，CODCr和VS 的污染特征，得出結(jié)論。

（1）沉積物主要集中于230 ～500 μm 的粒徑范圍內(nèi)，并且沉積物顆粒大小較為均一。

（2）沉積物樣品中的TP，TN 濃度呈現(xiàn)相似規(guī)律，在小粒徑范圍內(nèi)，濃度較大；大粒徑范圍內(nèi)，濃度較??；而沉積物樣品的CODCr，VS 濃度與粒徑關(guān)系較小，且濃度較大，雨水管道內(nèi)有機(jī)物污染較為嚴(yán)重。

（3）沉積物樣品中TN,TP,CODCr,VS 在230 ～710 μm 的粒徑范圍內(nèi)污染負(fù)荷較大，結(jié)合粒徑分布特征，控制大粒徑顆粒物則能夠有效緩解雨水管內(nèi)污染情況。

3.2 建議

鑒于目前我國(guó)水污染防治（黑臭水體治理）過(guò)程中出現(xiàn)的水質(zhì)反彈現(xiàn)象，尤其是夏季高溫多雨條件下由于管道殘存水體及沉積污泥被沖刷進(jìn)入受納水體導(dǎo)致的水質(zhì)反彈現(xiàn)象比較多，為盡量避免該問(wèn)題的發(fā)生，提出建議。

（1）加強(qiáng)管網(wǎng)建設(shè)，強(qiáng)化雨污分流改造。

（2）調(diào)整雨水管道入水體（泵站）堰高，降低殘存水體水位，減少管網(wǎng)積淤及殘存水體對(duì)受納水體的污染負(fù)荷。

（3）降低由徑流攜帶進(jìn)入雨水管道的沉積物量，尤其是較大粒徑（＞230 μm ）沉積物的量，可在地表徑流入口處設(shè)置旋流分流器，有效降低地表徑流可攜帶顆粒物（包括可沉淀性泥沙及漂浮性樹(shù)葉、泡沫等垃圾）進(jìn)入到雨水管網(wǎng)系統(tǒng)。