陳至誠,邵銘煒,馮修平,林 芳,余子健,劉希庭,宋姍姍,吳 俊,*

(1.福州市濱海水務(wù)發(fā)展有限公司,福建福州 350207;2.福州新區(qū)生態(tài)環(huán)境與城市建設(shè)管理局城市建設(shè)管理處,福建福州 350207;3.上海城市水資源開發(fā)利用國家工程中心有限公司,上海 200082;4.上海眾毅工業(yè)控制技術(shù)有限公司,上海 200061)

排水管網(wǎng)數(shù)量大、隱蔽性突出,導(dǎo)致日常養(yǎng)護(hù)難以及時發(fā)現(xiàn)問題。管網(wǎng)中的水質(zhì)特征往往可以反映入流的水量來源特征,對于識別混接與錯接等情況具有重要的意義。但在排水管道中開展水質(zhì)檢測也面臨著離線檢測人力投入高、周期長、管網(wǎng)內(nèi)水質(zhì)特征瞬息萬變,致使樣品代表性難以評估;在線監(jiān)測對設(shè)備運(yùn)行與維護(hù)要求高,前期投入及后期維護(hù)成本普遍較高,因此,其廣泛應(yīng)用受到限制。綜上可以發(fā)現(xiàn),在線監(jiān)測可以做到高頻次采樣,不易漏失關(guān)鍵數(shù)據(jù),對于實(shí)時評估排水管道的運(yùn)行狀況具有重要意義,但其投入與運(yùn)維成本較高,難以系統(tǒng)性大范圍應(yīng)用。如若在線監(jiān)測點(diǎn)位受限,此時對有限數(shù)據(jù)的分析難以充分體現(xiàn)在線監(jiān)測的價(jià)值,更無法實(shí)現(xiàn)對排水管網(wǎng)的系統(tǒng)性實(shí)時精準(zhǔn)管控。

電導(dǎo)率(electrical conductivity,EC)在線監(jiān)測便捷、設(shè)備穩(wěn)定性高、維護(hù)成本較低,近年來在水環(huán)境與原水水質(zhì)監(jiān)控、農(nóng)村污水治理設(shè)施運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)控、工業(yè)廢水處理效果監(jiān)控等領(lǐng)域備受青睞?？紤]到排水管道內(nèi)水量來源特征、水質(zhì)時變化特征及監(jiān)測條件的復(fù)雜性及特異性[1],應(yīng)用EC在線監(jiān)測設(shè)備作為排水管道日常運(yùn)行管理的數(shù)據(jù)分析基礎(chǔ)仍缺乏驗(yàn)證依據(jù)。本文重點(diǎn)對EC作為排水管道水質(zhì)分析依據(jù)的可行性進(jìn)行綜述分析,以期為EC在線監(jiān)測技術(shù)在排水管道日常監(jiān)管中的應(yīng)用提供參考。

1 EC在指示水質(zhì)污染中的應(yīng)用現(xiàn)狀

張苒等[3]通過統(tǒng)計(jì)分析某水文站多年在線EC數(shù)據(jù),分析EC時變化特征,確定EC特征閾值;基于上述基礎(chǔ),成功地通過在線EC監(jiān)控系統(tǒng)精準(zhǔn)識別出突發(fā)重金屬污染事件,在地表水環(huán)境預(yù)警監(jiān)控中起到了至關(guān)重要的作用。為了對原水水質(zhì)進(jìn)行長期的預(yù)警預(yù)報(bào),黃斌等[4]統(tǒng)計(jì)了研究區(qū)域內(nèi)多年的水質(zhì)數(shù)據(jù),并分析了EC與其他各類指標(biāo)的相關(guān)性,發(fā)現(xiàn)堿度、氯化物及COD與EC之間存在顯著的正相關(guān)性,上述結(jié)果對采用EC在線監(jiān)測預(yù)警預(yù)報(bào)咸潮入侵提供了重要的理論支撐。張智純[5]對嘉興市及富陽區(qū)、定海區(qū)等地的農(nóng)村污水水質(zhì)特征進(jìn)行了系統(tǒng)性分析,通過構(gòu)建各污染物指標(biāo)與EC之間的相互關(guān)系,建立了基于EC的農(nóng)村生活污水處理設(shè)施在線監(jiān)控方法,并通過在線指令保障設(shè)施的運(yùn)行維護(hù)。為了實(shí)現(xiàn)對印染、紡織及熱電等行業(yè)廢水總排放口出水鹽分的快速定量監(jiān)控,白玲[6]研究了上述廢水中鹽分與EC的相互關(guān)系,并建立了不同水質(zhì)來源下鹽分與EC的換算方法,實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用EC儀對工業(yè)行業(yè)廢水中鹽分的在線測定。此外,鑒于EC對多類型污染物的敏感性及其高頻的反饋能力,研究者開始在城市排水系統(tǒng)領(lǐng)域探索EC儀的應(yīng)用場景。研究人員[2]通過構(gòu)建雨水徑流中TN與EC的相關(guān)性,建立了基于在線EC數(shù)值的雨水截流設(shè)施運(yùn)行管理模式,用于在最大排水能力下截流更高的污染物總量;研究發(fā)現(xiàn),在片區(qū)內(nèi)的多個截流設(shè)施中應(yīng)用統(tǒng)一的EC閾值范圍作為運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)時,其截污效率高于各設(shè)施采用經(jīng)過獨(dú)立分析而獲取的EC閾值范圍,同時也高于常規(guī)的物理截流模式。Samrani等[7]也將在線EC設(shè)備安裝于排水管道的末端,用于監(jiān)控合流制溢流(CSO)水質(zhì)變化特征。

2 排水系統(tǒng)中EC特征

排水管道內(nèi)水流的主要來源包括各類污水及雨水徑流,水流通過排水管道進(jìn)入污水處理廠或通過排放口排入受納水體。為了提高水質(zhì)識別的速度,提升排水系統(tǒng)管理的效率,已有研究針對排水系統(tǒng)潛在污染源、雨水徑流及末端水質(zhì)的EC特征開展分析。以下將對相關(guān)研究進(jìn)行綜述討論,以初步分析EC在排水管道水質(zhì)監(jiān)控中應(yīng)用的可行性。

2.1 排水管道潛在污染源EC特征

2.2 雨水徑流EC變化特征

Lacour等[11]對多場次降雨事件進(jìn)行分析后發(fā)現(xiàn),當(dāng)雨水徑流持續(xù)排入后,排水管道中的EC值出現(xiàn)顯著降低;降雨事件末期,管道中的EC值又開始逐漸上升。此外,研究[2]顯示,雨水徑流中EC與TN等污染指標(biāo)具有較好的相關(guān)性。

2.3 管道末端水流EC變化特征

Montalvo-Cedillo等[12]為了分析溢流雨污混合水水質(zhì)變化特征,在CSO口安裝了在線EC設(shè)備,并進(jìn)行了其他水質(zhì)指標(biāo)的采樣分析,經(jīng)過對大量數(shù)據(jù)的對比分析發(fā)現(xiàn),溢流雨污混合水的EC值在溢流初期即達(dá)到峰值,其反饋速率顯著快于其他指標(biāo)。Shirasuna等[13]也在初期雨水的研究中發(fā)現(xiàn)了相似的規(guī)律。因此,EC在反饋排水管道內(nèi)的水量突變情況時有其顯著性優(yōu)勢。

結(jié)合前述分析可以發(fā)現(xiàn),雨水徑流、各類污水中的EC值有其常規(guī)特征,其對于水量波動具有較高的敏感度。Launay等[14]依據(jù)EC值的上述特征,通過對某片區(qū)內(nèi)溢流雨污混合水、雨水徑流及旱流污水中各類化學(xué)指標(biāo)及EC的數(shù)據(jù)分析,建立了基于EC值的CSO中雨水徑流及旱流污水貢獻(xiàn)比例分析方法,其解析結(jié)果與依據(jù)其他各類特征指標(biāo)的計(jì)算結(jié)果的偏差均低于25%。Langeveld等[15]通過該方法對CSO中SARS-CoV-2濃度進(jìn)行校正。

3 測量原理對水質(zhì)在線監(jiān)測的影響

EC可作為物質(zhì)傳輸電流能力強(qiáng)弱的評價(jià)指標(biāo),EC值越大則導(dǎo)電性能越強(qiáng),反之越小。因此,水體中的EC是表征水體中導(dǎo)電能力的指標(biāo),其可間接反映水體中導(dǎo)電物質(zhì)(以離子為主)的數(shù)量。流體中通常采用電極法和電磁法測量EC。電極法是基于電解導(dǎo)電原理,通過電阻測量過程間接地測定EC。電極法的測定過程是一個復(fù)雜的電化學(xué)過程。當(dāng)對電極施加直流電后,陽極發(fā)生氧化反應(yīng),同時陰極發(fā)生還原反應(yīng),即法拉第(Faraday)過程。此時,電解產(chǎn)物在陰陽電極和溶液間形成電勢,且電勢方向與外加電勢相反,進(jìn)而電極之間的電流逐漸降低,等效溶液的電阻值上升,即發(fā)生化學(xué)極化效應(yīng)。電極法中的電極需要涂抹耐腐蝕材料。電磁法是通過電磁感應(yīng)原理測定溶液回路的導(dǎo)電能力,即通過閉環(huán)線圈在溶液中產(chǎn)生感應(yīng)電壓,并通過另一組線圈接收由感應(yīng)電壓產(chǎn)生的感應(yīng)電流,測定中保持EC與電流成正比。

電極法通常測定速率快、設(shè)備更為輕便,且對低濃度更為靈敏,但其較易發(fā)生極化效應(yīng)而影響測定的準(zhǔn)確性[16],同時電極的使用壽命較低。電磁法中不使用電極,因此,不會發(fā)生電極的極化問題,且對高溫、高壓、強(qiáng)堿、強(qiáng)酸等惡劣環(huán)境具有耐受性。一般而言,電磁法對高EC溶液的測量精度更高,當(dāng)測定純水等低電導(dǎo)溶液時,測量精度較低。相比于電極法,電磁法所需的一次性經(jīng)濟(jì)投入相對較高,但其長期的維護(hù)費(fèi)用較低且環(huán)境耐受性較強(qiáng)[17]。

溫度是影響EC的關(guān)鍵因素。溫度會影響電解質(zhì)在溶液中的電離度和溶解度,進(jìn)而使溶液的黏度和離子遷移速度發(fā)生變化,此時EC亦發(fā)生變化。一般情況下,25 ℃是表征EC的標(biāo)準(zhǔn)溫度,當(dāng)溶液溫度偏離25 ℃時,可進(jìn)行溫度補(bǔ)償,折算成25 ℃標(biāo)準(zhǔn)條件下的EC值。因此,當(dāng)來源水流的常規(guī)水質(zhì)較為穩(wěn)定時,EC值的波動很可能受到了溫度的影響。谷建強(qiáng)等[17]在分析南苕溪水體EC與溫度的關(guān)系時發(fā)現(xiàn),EC與溫度間的正相關(guān)系數(shù)高于0.99。這也說明,在某一特定環(huán)境下,溫度可以成為影響EC的最關(guān)鍵因素。因此,在實(shí)際應(yīng)用過程中,通過優(yōu)化EC儀的換算方法,使其對EC值進(jìn)行定期校正,對于提升EC測量準(zhǔn)確性至關(guān)重要。

當(dāng)采用電極法時,會發(fā)生極化效應(yīng)。在一定的溫度下,當(dāng)在電極兩端施加直流電時,會發(fā)生極化效應(yīng),即溶液的電阻會上升,進(jìn)而使誤差加劇。當(dāng)溶液濃度較低時,可通過施加交流電降低極化效應(yīng);但當(dāng)溶液濃度較高時,電流密度過大或是電壓存在直流分量時,均會導(dǎo)致極化效應(yīng)的出現(xiàn)。當(dāng)進(jìn)行室外環(huán)境EC在線監(jiān)測時,通常會采用直流電,此時電極法測量的準(zhǔn)確性將受到極化效應(yīng)的顯著影響[18]。

4 在排水管道中的應(yīng)用潛力分析

根據(jù)上述的分析可知,以電磁法為基礎(chǔ)EC在線監(jiān)測相對于常規(guī)水質(zhì)指標(biāo)的穩(wěn)定性更高、適用范圍更廣,對多類型污染特征均可提供有效反饋。以下將對EC在排水管道水質(zhì)監(jiān)測中的應(yīng)用潛力進(jìn)行分析。

4.1 排水管道特征對EC應(yīng)用的影響分析

排水管道中的水質(zhì)特征與監(jiān)測條件較為復(fù)雜、維護(hù)方式多樣,直接影響著在線監(jiān)測設(shè)施的正常運(yùn)行。

4.1.1 水質(zhì)特征

研究[19]表明,排水管道內(nèi)的水流與沉積物中存在與污水中相似的微生物種群和電子受體,因此,管段內(nèi)的環(huán)境與污水處理廠預(yù)處理前端有一定相似性,其中的污染物主要包括有機(jī)物、懸浮顆粒物、無機(jī)物及微生物等。受不同污染源、管道混接、錯接及地下水入滲等因素影響,不同管段內(nèi)的水質(zhì)特征存在一定的差異。依據(jù)EC在污水處理廠的大量應(yīng)用實(shí)踐,僅從水質(zhì)特性(包括污染物特性及水溫等條件等)的角度考慮,EC在排水管道內(nèi)的應(yīng)用有其可行性。

4.1.2 監(jiān)測條件

EC在線監(jiān)測構(gòu)件中通常包含傳感器、電池、信號發(fā)射器、連接線及固定裝置。排水管道在線監(jiān)測設(shè)備通常安裝于檢查井內(nèi)。根據(jù)大量現(xiàn)場調(diào)研,檢查井內(nèi)尺寸均可達(dá)到在線EC設(shè)備安裝要求,而影響其應(yīng)用的關(guān)鍵因素是信號的傳輸。尤其是一些傳統(tǒng)的污水井,井蓋上無孔洞,且一些井蓋較厚,這些因素均會導(dǎo)致井下信號無法傳遞。但近年來,智能井蓋方興未艾,這也給排水管道在線監(jiān)測的發(fā)展提供了重要的技術(shù)支持。

電磁法在線EC監(jiān)測模塊主要分為電池模塊與探測器模塊,其中電池模塊與信號發(fā)射組件集成一體固定于檢查井上部內(nèi)壁[圖1(a)],探測器模塊固定于管底[圖1(b)]。盡管排水管道內(nèi)水流特征復(fù)雜,但EC監(jiān)測組件均固定于堅(jiān)固的管道結(jié)構(gòu)上,因此,其受水流的影響較低。

圖1 (a)在線EC儀在檢查井內(nèi)的安裝及(b)電磁法探測器模塊

4.1.3 運(yùn)行維護(hù)方式

現(xiàn)狀排水管道的運(yùn)行維護(hù)目標(biāo)主要是使管道通暢、不累積沉積物。因此,維護(hù)方式主要包括絞車疏通、高壓水射、水力沖刷等[20]。在線EC設(shè)備一般固定于檢查井內(nèi),所以其對傳統(tǒng)的絞車疏通方式存在一定影響。但是,近年來隨著排水管道運(yùn)行維護(hù)方式的不斷升級,效率低、人力投入大的絞車疏通方式正逐漸被水力沖刷、高壓水射等方式取代。水力沖刷有其固定運(yùn)行構(gòu)建,造流后的水力條件也在管道的參數(shù)設(shè)計(jì)范圍以內(nèi),因此,對在線設(shè)備不會附加其他的安裝條件。高壓水射法由于其可調(diào)范圍峰值水壓較高,短距內(nèi)直接沖擊設(shè)備主體,必將對其造成損害,但顯然高壓水射法可通過人為調(diào)節(jié)角度和初始沖洗位置,避免其作業(yè)時對設(shè)備主體造成傷害。此外,通過調(diào)節(jié)合理水射壓力,高壓水射的方式還可同時對在線EC設(shè)備外部進(jìn)行快速清洗。

4.2 排水管道中EC在線監(jiān)測設(shè)備的保障目標(biāo)分析

保障EC在線監(jiān)測設(shè)備的穩(wěn)定性和靈敏度是關(guān)系到排水管道在線監(jiān)測效益的重要基礎(chǔ)。

4.2.1 保障穩(wěn)定性的主要措施分析

排水管道中在線監(jiān)測設(shè)備的穩(wěn)定性是其應(yīng)用的基本保障。通過第3小節(jié)中的討論可知,EC在線監(jiān)測的穩(wěn)定性主要受溫度、檢測方式、外部環(huán)境及運(yùn)行維護(hù)方式等因素影響。其中,溫度的影響可通過補(bǔ)償公式進(jìn)行誤差校正,而電極法所產(chǎn)生的極化效應(yīng)可通過采用電磁法進(jìn)行規(guī)避,且上述相關(guān)技術(shù)已較為成熟。此外,通過有效的管理維護(hù)可以大幅減輕外部環(huán)境對在線監(jiān)測設(shè)備的影響。例如,通過定期對探測器模塊進(jìn)行沖洗可以減少垃圾、雜物等對探測器的影響;通過周期性地更換電池組,保障設(shè)備的持續(xù)運(yùn)行;通過定期的信號檢測,保障傳輸信號的長期穩(wěn)定。

總體而言,EC在作為排水管道中水質(zhì)在線監(jiān)測指標(biāo)時,其測量的穩(wěn)定性和設(shè)備的耐受性要遠(yuǎn)高于其他常規(guī)化學(xué)指標(biāo)[21]。因此,通過制定合理的維護(hù)計(jì)劃將有助于長期保障在線EC設(shè)備的穩(wěn)定運(yùn)行。

4.2.2 保障靈敏度的主要措施分析

在水質(zhì)在線監(jiān)測中,COD、TN等常規(guī)監(jiān)測通常采用光譜法,該方法易受光譜信號背景的干擾。在排水管道中,由于水質(zhì)情況復(fù)雜,此類設(shè)備必然需要進(jìn)行經(jīng)常性的校正維護(hù),這也必然導(dǎo)致后期維護(hù)頻率和成本的上升[22]。相較而言,EC測量時采用電信號,其受到水質(zhì)背景干擾較小,靈敏度也相對更高。排水管道,尤其是雨水管道的檢查井內(nèi)易設(shè)置沉積槽或流槽,槽內(nèi)通常存有一定的沉積物或雨污水,因此,當(dāng)EC探測器浸沒于沉積槽或流槽內(nèi)時,監(jiān)測的上游來水將受到槽內(nèi)水體和沉積物的干擾,此時設(shè)備靈敏度將受到顯著影響。因此,EC探測器安裝于檢查井底部前,需測定上下游管道底部的高程,當(dāng)設(shè)備固定時,需將探測器與上下游管底連線齊平,從而不僅避免槽內(nèi)污染物對其產(chǎn)生影響,同時可以最大限度地監(jiān)測上游來水的水質(zhì)波動。

4.3 應(yīng)用效益初步分析

排水管道中的各類不足是導(dǎo)致城市水環(huán)境污染的重要原因[23]。為此,提高對排水管道水質(zhì)的監(jiān)測頻率、擴(kuò)大監(jiān)測點(diǎn)位,有助于提升對排水管道的維護(hù)管理水平,有利于污染物的源頭減排與排水管道的效能提升。

雨污混接是各地區(qū)排水管道普遍存在的問題。常用診斷方法包括人工和管道內(nèi)窺電視(closed circuit television,CCTV)檢測,這2種方法診斷周期長且投入成本大,不宜成為診斷雨污混接問題的日常手段。近年來,已有研究者依據(jù)水質(zhì)、水量特征的變化,基于輸入-輸出質(zhì)量平衡方程,解析管道內(nèi)的水量組成特征。但此類方法對采樣頻次、化學(xué)指標(biāo)檢測等要求較高,數(shù)據(jù)檢測與分析工作量較大,難以適用于排水管網(wǎng)的長期跟蹤監(jiān)測與評估。依據(jù)前述對EC的分析可知,EC具有測定速率和頻率高、費(fèi)用低、安裝簡便、維護(hù)管理簡單等優(yōu)點(diǎn)。因此,選取EC對排水管道水質(zhì)特征變化進(jìn)行在線監(jiān)測有其顯著性優(yōu)勢。根據(jù)筆者的文獻(xiàn)調(diào)研,尚無研究討論EC對不同雨污混接情況的反饋效應(yīng)。

為了初步分析EC儀在排水管網(wǎng)監(jiān)測中應(yīng)用的可行性,同時也為后續(xù)的應(yīng)用研究建立必要的基礎(chǔ),筆者選取福州新區(qū)濱海新城核心區(qū)兩處獨(dú)立的雨水管線DH和YK,在相應(yīng)區(qū)域內(nèi)采集典型下墊面雨水徑流(采樣方法見文獻(xiàn)[24])與典型混接污水樣品,并在實(shí)驗(yàn)室中將雨污水按照梯度比例進(jìn)行混合(雨污比值分別為0、0.5、1、2、4、8、16、32),以驗(yàn)證不同混接比下EC值的變化特性。研究中同步分析了TN和氨氮的變化特征,以與EC值進(jìn)行對比分析。根據(jù)前文綜述,研究中選取基于電磁法原理的EC儀開展相關(guān)檢測工作。

根據(jù)圖2可知,雖然不同區(qū)域(DH和YK)內(nèi)采集的雨水徑流及混接污水樣品的本底污染物濃度差異較大,但不同雨污混合比對污染物濃度的影響趨勢較為相近,未出現(xiàn)異常的波動。這一結(jié)果可以說明在不同的混接情況下,EC、TN、氨氮均呈現(xiàn)出較好的反饋。將上述數(shù)據(jù)與不同混接比下的標(biāo)準(zhǔn)值(按雨污比計(jì)算得)進(jìn)行相對偏差的分析發(fā)現(xiàn)(圖3),在兩處采樣區(qū)域,EC的相對偏差比例均低于5%且標(biāo)準(zhǔn)誤差值較小,TN的相對偏差與其相近,而氨氮的相對偏差均超過10%。因此,EC不僅對不同的雨污混合比具有較好的反饋效應(yīng),同時也具有較好的數(shù)值穩(wěn)定性。上述特征對EC在排水管道水質(zhì)在線監(jiān)測中推廣應(yīng)用具有重要的意義。

圖2 不同雨污比下EC、TN、氨氮濃度的變化

圖3 不同雨污比對EC、TN、氨氮濃度影響的相對偏差

除此之外,就排水管網(wǎng)各重要節(jié)點(diǎn)而言,對于調(diào)蓄池、合流泵站、截流式雨水泵站、截流井等設(shè)施的排放口,在獲取本底EC變化特征的基礎(chǔ)上,同樣可以應(yīng)用EC在線監(jiān)測,優(yōu)化各類截流或調(diào)蓄設(shè)施的運(yùn)行方式,進(jìn)而減少污染物總量的排出,提高排水系統(tǒng)總截污能力,最終使城鎮(zhèn)污水的實(shí)際收集效率得到有效提升,為排水系統(tǒng)的提質(zhì)增效提供重要的技術(shù)支撐。

5 展望

選取合適的水質(zhì)特征指標(biāo)是在排水管道中開展在線監(jiān)測的重要前提,其關(guān)鍵在于要同時兼顧便捷性、準(zhǔn)確性、代表性及經(jīng)濟(jì)性等特征。EC作為一種具有普遍適用性的水質(zhì)指標(biāo),在監(jiān)測技術(shù)上已較為成熟,能夠滿足必要的便捷性、準(zhǔn)確性及經(jīng)濟(jì)性要求,但在代表性上仍需要依據(jù)屬地特征進(jìn)一步分析,必要時可通過一定時間的跟蹤試驗(yàn)與分析模型,定量解析EC與其他水質(zhì)指標(biāo)之間的相關(guān)性。

排水管道中的水質(zhì)波動影響因素眾多,未來可在不同混接比、不同污染來源特征及不同管道類型等因素影響下,開展EC與其他多類型水質(zhì)指標(biāo)的相關(guān)性分析,系統(tǒng)性地闡明EC在排水管道水質(zhì)在線監(jiān)測中的應(yīng)用效益。同時,重點(diǎn)將其應(yīng)用于各類不同特征的管道內(nèi),豐富應(yīng)用場景,分析其實(shí)際應(yīng)用效果,并將其與其他檢測方式進(jìn)行聯(lián)用分析,逐步建立以EC為初篩方法,以其他各類檢測方法為詳細(xì)診斷方式的排水管道混接、錯接及水量來源特征評價(jià)體系,從而為排水系統(tǒng)提質(zhì)增效發(fā)揮積極的作用。