目录

前言

第1章 绪论 1

第2章 城市污水管网水质及水量的变化特性 4

2.1 城市污水管网运行状况分析 4

2.1.1 城市污水管网运行状况 4

2.1.2 不同气候条件城市污水管网运行状况 6

2.2 不同排水体制下管网水质及水量的变化特征 10

2.2.1 我国排水体制概述 10

2.2.2 完全分流制污水管道的水质及水量变化特性 10

2.2.3 截流式合流制污水管道的水质及水量变化特性 13

2.3 城市污水管网中污染物沉积情况 15

2.3.1 城市污水管网沉积现状 16

2.3.2 不同因素对污水管网沉积状况的影响 17

2.3.3 不同功能区域沉积物性质对比 23

2.3.4 南北方典型城市沉积情况与影响因素分析 27

2.4 城市污水管网运行中存在的问题 28

参考文献 29

第3章 城市污水管网污染物的沉积与释放特性 31

3.1 城市污水管网污染物沉积特性 31

3.1.1 污水管道中沉积物的形成规律 31

3.1.2 污水管道沉积物特性分析 36

3.1.3 污水管道内污染物沉积的影响因素 38

3.2 城市污水管网污染物释放规律 41

3.2.1 典型流态下管道污染物在污水-沉积物间的转移转化规律 41

3.2.2 不同水力条件下管道内沉积污染物的动态变化特性 44

3.2.3 污水管网内污染物沉积与释放途径分析 50

3.3 城市污水管网沉积物中微生物种群特性 54

3.3.1 沉积物中功能性微生物的种群分布特征 54

3.3.2 沉积物中微生物代谢作用区域分析 55

3.3.3 沉物中微生物作用与污染物转化耦联作用规律 57

参考文献 58

第4章 城市污水管网中有机物与氮磷类污染物的转化规律 61

4.1 管网中有机物的转移转化 61

4.1.1 城市污水管网模拟系统构建 61

4.1.2 管网水流中有机物及其中间产物的转移转化特性 63

4.1.3 溶解性有机物在管网沿程中的变化特性 66

4.2 管网中氮类污染物的转移特性 73

4.2.1 管网水流中氮类污染物的转移转化 73

4.2.2 不同氮类污染物间的相互转化规律 76

4.2.3 氮类污染物的微生物代谢途径与生物利用性 81

4.3 管网中磷类污染物的转移转化 91

4.3.1 管网水流中磷类污染物的转移转化特性 91

4.3.2 不同磷类污染物间的相互转化规律 92

4.3.3 磷类污染物的微生物代谢途径与生物利用性 94

参考文献 96

第5章 城市污水管网中的生物膜菌群分布特性 97

5.1 管网生物膜的形成过程 97

5.1.1 管网生物膜的动态变化特征 98

5.1.2 管网生物膜内的微环境条件 114

5.2 管网中微生物的群落分布特征 121

5.2.1 总细菌的分布及多样性特点 123

5.2.2 功能性微生物群落结构特征 133

5.2.3 功能性微生物种群间的依存关系 142

5.3 管网中污染物转化的微生物作用原理 142

5.3.1 污染物转化的微生物作用过程特征 144

5.3.2 微生物作用的动力学解析 149

5.3.3 微生物与污染物的耦联作用机制 151

参考文献 152

第6章 城市污水管网输送对污水处理厂处理过程的影响 155

6.1 对污水处理厂进水宏观指标的影响 155

6.2 对进水有机物生化降解性的影响 158

6.2.1 城市污水中有机物沿程转化概述 158

6.2.2 城市污水输送过程中有机组分的转化影响 159

6.3 对生物脱氮除磷过程的影响 163

6.4 城市污水管网研究前景展望 165

参考文献 166

彩图 2100433B

本书结合气候条件不同的南北方典型城市污水管网运行与调研结果，系统论述城市污水管网中污染物转化特性、不同水力条件下污水的水质变化规律以及微生物分布特征。全书共两部分内容，第一部分为第1章和第2章，主要介绍城市污水管网的运行现状和现存问题；第二部分为第3章至第6章，主要介绍城市污水管网中污染物迁移转化规律及作用机理。

无机污染物通过沉淀-溶解、氧化-还原、配合作用、胶体形成、吸附-解吸等一系列物理化学作用进行迁移转化，参与和干扰各种环境化学过程和物质循环过程，最终以一种或多种形态长期存留于环境，形成永久性的潜在危害。下面以重金属为例来对无机污染物在水体中的迁移转化加以说明。

重金属在水体中迁移转化的过程是一个复杂的物理、化学及生物工程。所以，在研究其在河流中迁移化的规律时，必须正确综合考虑各过程及其影响因素。重金属迁移指的是重金属在自然环境中空间位置的移动和存在形态的转化，以及由此引起的富集与分散问题。

重金属在水环境中的迁移，按照物质运动的形式，可分为机械迁移、物理化学迁移和生物迁移三种基本类型。

机械迁移是指重金属离子以溶解态或颗粒态的形式被水流机械搬运。迁移过程服从水力学原理。

物理化学迁移是指重金属以简单离子、络离子或可溶性分子，在环境中通过一系列物理化学作用（水解、氧化、还原、沉淀、溶解、络合、吸附作用等）所实现的迁移与转化过程。这是重金属在水环境中的最重要迁移转化形式。这种迁移转化的结果决定了重金属在水环境中的存在形式、富集状况和潜在生态危害程度。

生物迁移是指重金属通过生物体的新陈代谢、生长、死亡等过程所进行的迁移。这种迁移过程比较复杂，它既是物理化学问题，也服从生物学规律。重金属能通过生物体迁移，并使重金属在某些有机体中富集起来，经食物链的放大作用，构成对人体危害。

水质模型的目的是模拟污染物浓度在环境中的变化过程，这种过程包括物理、化学和生物过程，其中物理过程主要表现在对流、扩散和弥散等；化学过程主要表现于物质由于化学反应在水体中的变化规律；生物过程则是在微生物的作用下而产生的变化过程。主要控制因素是污染性质、环境因素和排放的方式方法。所以有必要在这里介绍污染物的基本转化规律和机理。

对流与扩散

对于溶解性和悬浮性的污染物质，其物理过程主要有对流和扩散两种基本方式。对流指的是由于含有污染物的水体运动而产生的迁移过程；而扩散是指由于水体中污染物迁移所产生浓度梯度的非平流转移过程，这种过程是由于布朗宁（BROWNIAN）运动而引起物质分子的随机运动，或由于湍流而引起的分子级迁移过程。

物理化学过程动力学

(a)零级反应：零级反应的反应速率与反应浓度无关，当方程中的指数v和w为零时。

(b)一级反应：一级反应速率与反应物浓度成正比

(c)二级反应：典型的二级反应式有两种形式

吸附－解吸

水中溶解的污染物或胶状物，当与悬浮于水中的泥沙等固相物质接触时，会被吸附在泥沙表面，并在适宜的条件下随泥沙一起沉入水低,使水的污染浓度降低，起到净化作用。另外，河流的底岸也有吸附作用.与之相反，被吸附的污染物,当水流条件(如浓度、流速、pH、温度等)改变时，也可能从吸附面上解脱一部分又进入水中，使水的污染浓度增加。前者称吸附，后者称解吸。大量研究表明：吸附能力远远大于解吸能力，常可大过几个数量级。因此，吸附—解析的总趋势是使水体溶解的污染物浓度降低。

沉淀与再悬浮

水中悬浮的有机物微粒和吸附有机物的泥沙，当流速减缓时，可能出现沉淀，使水体净化；当流速变大时，沉积为底泥的有机物可能被冲刷再浮于水中，使污染浓度增大。在水质模型中考虑这种影响，一般有两种途径：一是按照河流动力学原理，先计算河段的冲淤过程，然后再考虑泥沙对污染物的吸附-解吸作用，进一步算出有机物的沉淀与再悬浮。这种方法考虑因素全面，计算精度较高，但这种方法比较复杂，需要资料多，工作量大，仅当沉淀与再悬浮作用很重要时才采用。另一种方法，是采用下面的简单公式估计沉浮作用引起的有机物浓度变化。

有机污水生化反应

(a)碳化过程

在水环境中，有机物在耗氧条件下，好氧性细菌对碳化合物氧化分解，使有机物产生生化降解过程。反应速度按一级动力学公式描述，即反应速度与剩余有机物的浓度成正比。

(b)硝化过程

在水中，氨氮和亚硝酸盐氮在亚硝化菌和硝化菌作用下，被氧化成硝酸盐氮的过程。

(c)厌氧过程

当水体中有机物(主要指耗氧有机物)含量超过一定限度时，从大气供给的氧满足不了耗氧的要求，水体便成为厌氧状态。这时有机物开始腐败，并有气泡冒出水面(主要是CH₄、H₂S、H₂等气体)，发出难闻的气味。在这种条件下，引起激烈的酸性发酵，其pH在短时间内降低到5.0~6.0的范围。在这个发酵阶段，主要是碳水化合物被分解，然后是蛋白质被分解，有机酸和含氮的有机化合物开始分解，并生成氮、胺、碳酸盐及少量的碳酸气、甲烷、氢、氮等气体。与此同时，还产生硫化氢。

微生物生长动力学

微生物生长动力学过程要比化学反应过程更复杂。幸运的是，微生物的重要一类—细菌，能用简单的方法来描述，这些适合修正的动力学也可以用于描述藻类的生长。对藻类，其基本关系是基质浓度和生长速率。

其他过程

(a)挥发过程

在气液界面，物质的交换的另外一种重要过程是挥发。对于许多物质，挥发作用是一个重要的过程。当溶质的化学势降低之后就会发生溶质从液相向气相的挥发过程。

(b)光解过程

许多化学物质在水体中在波长大约290nm处具有光解作用。

国内外文献表明，新型污染物PPCPs（Pharmaceuticals and Personal Care Products）已经出现在城市给水管网中。尽管浓度痕量，但管网直接面对用户，水中PPCPs的分布与迁移转化对饮用水安全影响应该受到关注。 根据天津市水源污染状况调研及对供水系统不同位置的水质监测，在确定目标管网、典型PPCPs以及搭建实验管网的基础上，首先建立和完善了典型PPCPs的痕量检测方法，并在不同季节、不同位置检测二种管网中的典型PPCPs污染物的浓度；其次依据在实验与实际管网的大量检测数据，分析和确定了PPCPs在管网系统中的分布特征；进而设计和进行了大量的实验，研究颗粒物、余氯、细菌与典型PPCPs的相互作用，确定了反应关系；然后通过解析典型PPCPs在给水管网中的迁移转化行为，确定了其迁移转化规律；最后依据反应动力学原理构建了典型PPCPs的反应动力学模型，据此进行了二种管网中典型PPCPs浓度分布的模拟，经与实际检测值对比，拟合程度较为理想。 2100433B