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合流式下水道沉积物的再悬浮和吸氧量
摘要
在小型实验室水槽中研究了合流式下水道沉积物的性质。对1～4天未受干扰的床层和新重塑沉积层的物理和生物学特性进行
了检验。当沉积层孵育1-2天时，床层被生物膜覆盖，床层体积因甲烷填充腔的形成而增加20-40%。随着孵育时间的增加，床层强度降低。有生物膜覆盖的沉积层的吸氧量平均是无生物膜覆盖沉积层的5倍。
关键词：合流式下水道；甲烷；再悬浮；沉积物；沉积物吸氧量
- 导言
具有不同物理、化学和生物特性的固体在潮湿和干燥天气期间被输送到合流式下水道，并在一定程度上沉积为下水道沉积物。在暴风天气期间，下水道中的沉积物可以被侵蚀或重塑成具有新特性的新床层结构。在连续干燥的天气期间，下水道沉积层的物理和微生物变化将改变沉积层的性质。新形成的沉积层可以是不受干扰的，即具有未受干扰和明确性质的沉积层表面，也可以由于床层的移动和近床的固体的运输而不断变化。
沉积层中化学和生物过程的类型和规模在未干扰床层和不断重塑的床层之间会有所不同，例如，原因是电子受体和电子施主条件的差异。沉积物的自重固结可能是预期中的，沉积层中也确实发生了微生物活动。对沉积物形成过程及其对表面抗侵蚀能力的影响的理解仍处于初步阶段。
如果沉积层被不断地重塑，沉积物几乎没有机会巩固，连续的生物膜将无法在床上发育或在床上生长。然而，如果沉积层具有稳定的表面，则可以形成生物膜，电子供体的梯度和电子受体的梯度对未干扰沉积层中沉积物的微生物转化的作用，可能大于对连续重塑的沉积层的作用。
本研究探讨了新重塑的沉积层和保持不受干扰长达四天的沉积层的一些物理和生物学特性。在小型实验室水槽中研究了这些沉积层的性质，并定性地研究了新重塑和未扰动沉积物之间的差异。
- 方法
用平行操作的小型实验室水槽对沉积层抗侵蚀性进行定性评估。沉积物床层强度使用在明确的条件下可以重新悬浮的沉积物数量评估，作为沉积物床层强度的反向度量。在封闭水槽中，测定了在与沉积层废水孵育前后的沉积物吸氧量和动力学。
下水道沉积物是从丹麦奥尔堡市一个复合式拦截下水道的三个相邻的人孔收集的。污水管道为直径1.00m的混凝土管道，位于哈塞里斯老居民区。下水道服务于取样地点上游约20户居民。大约10升的下水道沉积物被带回实验室，剩余的水被轻轻地排出。沉积物中去除了较大的颗粒，如石头、树叶和香烟过滤器。在收集完的一小时内，沉积物被彻底混合，然后放入六个水槽中。
2.1. 下水道沉积物的再悬浮
收集的沉积物被划分为平行操作的水槽。每个水槽长1000mm，有一个400mm长，95mm宽和25mm深的沉积层。自来水通过离心泵从12l水库取水，在每个水槽上循环。选择自来水是出于实际原因，因为与合流制污水相比，预期使用不会显著影响研究的定性结果。 在靠近入口的人工基座附近的每个水槽中放置两个网格，以减少流入的湍流，并将水流均匀地分布在流动截面上。
水槽在室温下运行，分为孵育模式和再悬浮模式。 在孵化模式下，调整水力条件，以避免沉积物的侵蚀。 流量为 0.0831s-1 坡度略负（-0.6%），平均流速为 0.20ms—1。 在维持300s的再悬浮模式下，流量增加到 0.17ls—1，坡度变化为3.2%，沉积层平均流速为 0.45ms—1。 水流湍急，雷诺数约1700，水深约4mm。平均剪应力约为1.2Nm-2。由于水槽较短，水深较小，水力测量的精度较低。 重新悬浮的沉积物被允许沉降在储层中，沉降物质的总固体(TS) 随后被用作床层强度的逆测量。水槽在3~101h之间以孵育模式操作，随后再进入悬浮模式。
2.2沉积物吸氧量
通过测定溶解氧(DO)从散装水进入沉积物床层的通量，确定了沉积物摄氧率（SOUR）。沉积物被放置在一个充满水的封闭水槽中，水在沉积物床上循环，并测量了散装水的DO耗减。随后，考虑到水槽中的水量和沉积层表面积， 计算了 SOUR。发现SOUR被用于新鲜沉积物和在废水中孵育一天的沉积物。
在测量SOUR之前，沉积物被放置在一个不锈钢盒子中，内部尺寸：长度748 mm，宽度92mm，高度25mm，导致沉积物表面积为0.069m2。装有沉积物的盒子被放置在一个类似于再悬浮水槽的孵化水槽中。在第一次测量SOUR之前，自来水循环约30分钟，以便在钢箱中放置沉积物时冲洗沉积物床表面形成的少量污泥。
用于测量SOUR的封闭水槽与孵化水槽具有相同的尺寸。沉沙床及人工基底以上散水深度10mm。测量水槽在曝气模式和测量模式下运行。在曝气模式下，水通过水槽在水库循环，在其中水被曝气。在测量模式下，水库被绕过。在这两种模式下，水槽完全充满了水。测量模式下沉积物表面积与水容积比为 43m—1。 为了避免河床的侵蚀，沉积层的流速必须保持在 0.071 米—1。在任何时候，沉积层的水压都保持在接近大气压力的水平。在曝气模式下，通过改变水库的高程和打开水槽盖子中的阀门来调整它。在测量模式下，阀门的短开口确保了大气压力。用直径为12mm的聚四氟乙烯膜的INGOLD氧传感器测量DO，并记录DO与时间的关系。
在使用热水和刷子之前，对测量SOUR的水槽进行了机械清洗。为了确保不存在生物膜，水槽在没有沉积物的情况下操作，用1%过氧化氢溶液冲洗600s，然后冲洗至少 5 次。在准备好沉积床和反应器系统后，将装有床的钢盒转移到测量水槽中。
测量水槽用自来水灌满，加入1ml 32%乙酸，以确保建立无限制有机底物条件。 得到水槽中的散装水 COD 浓度为 100gCODm—3。使用乙酸是因为已知它是废水中一种常见的易于生物降解的成分，而且由于下水道沉积物中的有氧生物量可以在高生长速率和没有初始滞后阶段的情况下利用它进行指数增长。水槽在20plusmn; 1°C的恒温水浴中操作。在曝气模式下运行约1小时，以确保DO浓度接近饱和和沉积层达到稳态扩散条件。切换到测量模式后，记录DO浓度的下降，直到DO浓度达到零。从相邻测量的线性回归方程中，DO吸收率被计算为DO浓度随时间的斜率。然后通过将体积吸水率乘以沉积物表面积与水槽体积之比来发现 SOUR。测量后，将含有沉积物床的盒子返回孵化水槽，在那里与新鲜废水一起孵育26-30小时，以确保沉积物被生物膜覆盖。用孵育沉积床重复SOUR测量程序。
2.3理化分析
根据 APHA、AWWA、WEF（1995）测定总固体(TS)和挥发性固体(VS)。用气相色谱法测定甲烷浓度。在Hyasep Q柱(2mx2mm)上分离气体，用30mlm-1的氮气为载体的火焰电离气相色谱仪检测。使用已知的甲烷标准对浓度进行量化。
- 结果和讨论
研究了合流式污水沉积层的物理和微生物特性，特别是抗侵蚀和沉积层对DO的吸收。这些性质是用小规模的实验室水槽处理的，这使得相同的沉积物受到不同明确的物理和化学条件的影响。沉积物床层的研究条件与现场条件有一定的不同，即温度、流动条件和床层的建造方式。因此，本研究的结果应视为定性结果，而不是定量结果。
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- 孵化时间与再悬浮
与新改造的沉积物相比，对未扰动沉积物床层进行了侵蚀研究。 孵育第一天后，再悬浮固体的平均数量略有下降，但没有明显下降(图 1)。 经过大约100h 的培养后，再悬浮的固体量平均比刚重塑沉积物时再悬浮的固体量大70%。在图中所示的实验期间，再悬浮固体的数量的平均值的增加，在1.6%的显著性水平上具有统计学意义。如果省略对新重塑沉积物进行的再悬浮实验，并且只对孵育一天或更长时间的水槽的结果进行线性回归分析，则显著性水平将低至 0.6%。
在孵化的第二天，在沉积物顶部观察到生物膜的早期发育，有从黑色到棕色的颜色变化。Schmitt和Seyfried（1992）还发现，生物膜是在原未干扰沉积层上发育的。他们研究了厌氧条件下下水道沉积物中硫酸盐的还原，并观察到沉积物必须每天被倾斜一次，以避免生物膜的发育。在本研究中，生物膜在孵化几天后形成了0.5-1.0mm左右的厚度。当水槽在再悬浮模式下操作时，生物膜通常被认为能抵抗再悬浮一段时间。在这一时期，较老、较厚的生物膜厚度略有下降，松散、蓬松的生物膜材料被侵蚀。再悬浮一段时间后，生物膜被观察到破裂，生物膜被撕裂。这可能发生在沉积层表面的任何地方。此后，底层沉积物不断受到侵蚀，剩余的生物膜在上游方向逐渐受到破坏，导致沉积层形成沟槽。当再悬浮模式终止时，生物膜覆盖的沉积物床的部分通常保持完整。
在下水道沉积物孵化过程中，沉积层的水平高度增加了5-10mm，即沉积物体积增加了 20-40%。通过采集直径为 16毫米的圆形玻璃管的沉积层样品，可以观察到，这一增加主要是由于沉积层内的气腔的发展。在提取的沉积物核心中可以看到一些气腔，但大部分气体在这一取样过程中被释放出来，在取样管的壁上可以观察到气体气泡。通过将注射器插入沉积物和排空腔，从两个沉积物床中提取气体，估算了沉积物床中单个气体腔的体积。在这些床层中发现的空腔体积高达2mm，对提取气体的分析表明，甲烷含量为 14%。根据Chanton、Martens 和Kelley（1989）的说法，可以合理地假定剩余的体积是扩散到空腔中的氮。 Iversen（未发表）在合流式下水道萃取沉积物核心时观察到了气腔和下水道沉积层的气体排放，他们发现沉积物中的甲烷产量很大。
气腔在合流式下水道沉积物中可能并不少见，这些沉积物已经保持了几天的原状。由于沉积层中大量的游离气体导致体积密度下降，因此在确定沉积物的原位体积密度时，例如在沉积物运输模型中使用时，必须考虑到气腔。
观察到几个过程中，沉积层对再悬浮的阻力的影响。固结和生物膜生长倾向于增加阻力，而气腔的发育则倾向于降低阻力。同样的过程被认为可能发生在合流式下水道沉积物的原位。然而，哪些过程占主导地位将取决于床层性质，如沉积的有机物的数量和质量，以及沉积物的物理、化学和微生物条件及其孵化。 在本研究中，对人工铺设的沉积物床在实验室条件下的行为进行了研究，结果经过几天的孵化后，由于气腔的发展，对再悬浮的阻力减小。从实地调查中，其他调查人员发现，由于长期干旱天气，对再悬浮的阻力越来越大(Ristenpartamp;Uhl，1993 年)。
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- 沉积物吸氧量率
当沉积层在一段时间内不受干扰时，生物膜往往在床上发育，从而导致生物量密度和扩散系数的变化。 因此，当散装水暴露于生物膜覆盖的沉积物床中时，与无生物膜沉积物床相比，散装水成分的变化可能有所不同。本研究在好氧散水条件下观察到沉积层生物膜的发展，Schmitt和Seyfried（1992）在厌氧散水条件下观察到生物膜的发展。处理有机物的废水转化，大量水成分的转化很大一部分发生在生物膜中，而不是在散装水本身中 (Hvitved-Jacobsen，Vollertsen，amp;Nielsen，1998年)。如果沉积物沉积量很大，则沉积物床构成很大一部分的湿润下水道表面。因此，为了模拟下水道中废水有机物的转化，必须了解沉积物床与生物膜相比，在有机物转化方面的表现。在有氧条件下评价生物膜和沉积层有机质转化的一种常用方法是测定DO摄取的速率和动力学。
据发现，来自或多或少污染环境的天然沉积物的DO摄取动力学以不同的方式取决于散水的DO浓度(SO）。例如， Graneli（1977）报道，对于瑞典湖泊沉积物，在所调查的 20-100%空气饱和度区间内，SOUR线性依赖于SO。对于四个富营养化湖泊，他报告说，100%的空气饱和度时，SOUR处于 1.0-1.6g O2 m_2d_1的区间。普罗维尼和马尔切蒂（1976）发现，对于没有大型无脊椎动物的废水污染的河流沉积物的氧气吸收与SO无关，超过2-3gO2m_3，在15°C时水平高度约为 4-5 g O2m-2 d-1。贝朗格（1980）报告了水平高度在3gO2m-2d-1左右的湖泊沉积物的类似结果。Edberg和Hofsten（1973）发现DO的依赖关系有点像指数函数，指数略低于1。他们发现波罗的海、湖泊和运行水域的SOUR大约处于DO饱和度，范围为0.3-3gO2m-2d-1。对于密尔沃基河的一段被合流式下水道溢流污染的河流，Kreutzberger、Race、 Meinholz、Harper和Ibach（1980年）发现其中SOUR 范围在2.8到6.4gO2m-2d-1.
发现污水生物膜的DO摄取速率和动力学在低废水负荷条件下生长为7
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