下水道污水處理研究進(jìn)展及展望
艾海男， 李茂林， 何強， 龍騰銳
(重慶大學(xué)三峽庫區(qū)生態(tài)環(huán)境教育部重點實驗室，重慶400045)
摘要： 下水道在水污染控制系統(tǒng)中一直扮演著污水收集及輸送的角色，并j王對下水道的相
關(guān)研究也處于“黑箱”狀態(tài)。隨著人們環(huán)保意識的增強以及科學(xué)研究手段和測試技術(shù)的發(fā)展，對下
水道的研究逐漸成為水污染控制領(lǐng)域的熱點之一，但時至今日仍未形成系統(tǒng)的理論與技術(shù)。介紹
了國內(nèi)外研究者對下水道處理污水方面的研究現(xiàn)狀，并從“排水管道作為反應(yīng)器”的視角出發(fā)，針
對今后下水道處理污水需要開展的研究工作提出了展望。
關(guān)鍵詞：下水道； 污水處理；生物膜
中圖分類號：TU992 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B 文章編號：1000—4602(2013)12—0001—04
Research Progress and Prospect of Wastewater Treatment in Sewer
AI Hai-nan，LI Mao-lin，HE Qiang，LONG Teng—rui
(Key Laboratory of Three Gorges Reservoir Region’s Eco—environment<Ministry of Education>，
Chongqing University，Chongqing 400045，China)
Abstract： Sewer always plays an important role in sewage collection and transportation，and the
research on it is still in a“black box”state．However，with the enhanced awareness of environmental
protection and the development of scientific research methods and test technologies．the research on the
sewer has gradually become a hot topic in the field of water pollution contr01．But even at the present
time，the research has not yet formed a systematic theory and technology．The domestic and foreign re—
searches on sewage treatment in sewer were reviewed，and the research on sewage treatment in sewer was
prospected from“sewer as a reactor”perspective．
Key words： sewer； sewage treatment； biofilm
排水管道作為城市排水系統(tǒng)的重要組成部分，
擔(dān)負(fù)著城市污、廢水的收集與輸送功能，在很長一段
時期內(nèi)，人們對于排水管道作用與功能的認(rèn)識也僅
限于此。城市排水管道是一個巨大的空間系統(tǒng)，污
水在管道內(nèi)的水力停留時間一般都在數(shù)小時左右，
根據(jù)城市規(guī)模、管網(wǎng)長度不同而有所區(qū)別。排水管
道的建設(shè)均考慮了連接各管段以及連通管道空間與
大氣環(huán)境的檢查井的設(shè)置，并且在部分地形高差起
伏較大的地方還設(shè)置有跌水井。從理論上講，在排
水管道輸送污水的過程中，滿足基質(zhì)降解的幾個重
要條件：①存在好氧、厭氧的交替環(huán)境；②存在降解
各種污染物的微生物；③具備基質(zhì)降解所需的水力
停留時間。
國外學(xué)者早在20世紀(jì)80!手代初就開始關(guān)注排
基金項目：國家自然科學(xué)青年基金資助項目(51108480)；重慶大學(xué)大型儀器設(shè)備開放基金資助項目； 中央高�；�
科研業(yè)務(wù)費專項資金資助項目(1061 12012CDJZR210025)
第29卷第12期中國給水排水www．watergasheat．oom
水管道在輸送污水過程中對污水的凈化作用，但受
到檢測手段以及計算機發(fā)展水平的限制，也僅僅是
對排水管道處理污水的表觀現(xiàn)象進(jìn)行了描述與淺
析。自1994年在丹麥奧爾堡召開的第一屆“排水管
道作為反應(yīng)器(the sewer as a reactor)”會議以來，對
排水管道的研究逐步引起了業(yè)界研究者的重視。在
國內(nèi)，由于污水處理廠進(jìn)水COD濃度偏低，普遍存
在碳源不足的問題，極大地影響了后續(xù)生物脫氮除
磷過程，因此，也有部分學(xué)者開始從排水管道對污水
處理效能的角度進(jìn)行探索。
隨著排水科學(xué)的發(fā)展以及各種檢測手段和計算
機模擬技術(shù)的提升，近年來對排水管道的研究已逐
步成為熱點，研究主要集中在以下幾方面：①排水管
道處理污水的效能研究與排水管道處理污水的動力
學(xué)模型開發(fā)；②排水管道內(nèi)有毒有害氣體的產(chǎn)生及
控制；③產(chǎn)酸對排水管道的腐蝕效應(yīng)。排水管道與
污水廠的最大不同在于排水管道特殊的流態(tài)，以及
由多點進(jìn)水方式而引起的流態(tài)復(fù)雜的時變性，但目
前結(jié)合流態(tài)與生物反應(yīng)動力學(xué)的研究鮮見報道。
1下水道內(nèi)污水處理研究進(jìn)展
一般觀點認(rèn)為下水道負(fù)責(zé)污水的收集輸送，污
水廠則對污水進(jìn)行凈化處理，二者功能劃分明確。
隨著排水科學(xué)的發(fā)展，這種功能界限劃分被逐漸打
破，下水道的功能得到了更充分的認(rèn)識。實際上，自
污水進(jìn)入下水道開始，基質(zhì)就已經(jīng)在特定環(huán)境下逐
漸被降解。基于上述認(rèn)識的發(fā)展，研究人員著手開
展了相關(guān)研究，取得了階段性的成果，為充分利用下
水道的污水處理功能奠定了一定的理論基礎(chǔ)。
1．1 下水道污水處理效能研究
污水在管道輸送中水質(zhì)和水量都會發(fā)生明顯的
變化，進(jìn)而影響下游污水處理廠的進(jìn)水水質(zhì)，特別是
對于下水道較長的系統(tǒng)¨o。國外很早之前就對這
一現(xiàn)象有了相關(guān)觀察和研究，Raunkjaer等舊1以
BOD，作為考察指標(biāo)，研究了重力下水道內(nèi)BOD，的
沿程變化過程，發(fā)現(xiàn)在一定條件下，對BOD，的去除
率達(dá)到了30％～40％。Tanaka等舊1在一段長為3．5
km、直徑為350 mm的壓力排污管道中充人大量空
氣，經(jīng)過6～7 h的輸送，管道出水溶解性BOD。比管
道進(jìn)水時降低了25％～70％。
國內(nèi)學(xué)者從20世紀(jì)90年代中期也開始開展這
方面的研究。周健等M o采用下水道活性污泥模擬
系統(tǒng)對不同濃度污水達(dá)到《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物
·2·
排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918--2002)中一級B標(biāo)準(zhǔn)出水水
質(zhì)所需管道長度進(jìn)行了研究，得到了不同流速和停
留時間下所需下水道的長度，從而在管道長度和處
理效能上建立了相應(yīng)聯(lián)系。黃方等∞1通過在管道
前端設(shè)置高負(fù)荷生物接觸氧化渠以及在沿途污水泵
站中注入空氣的方式進(jìn)行了管式活性污泥法的模擬
試驗，認(rèn)為只要使管道內(nèi)保持一定的溶解氧及足夠
的停留時間，城市污水可在管道內(nèi)得到較好的降解。
香港科技大學(xué)的LeungMl對高鹽度下的下水道水質(zhì)
轉(zhuǎn)化進(jìn)行了研究，結(jié)果表明高鹽生活污水經(jīng)過1．5
km的輸送之后，污水中的溶解性有機碳沿程降解了
19％。田文龍"1通過模擬實驗在排水管網(wǎng)中掛膜
以促進(jìn)生物膜生長，同時增大生物膜與水體的接觸
面積，使排水管道中的COD去除率達(dá)至1J71．4％～
84．5％�？v觀上述研究，由于受到檢測技術(shù)等原因
的制約，并注重于結(jié)果的研究，未對下水道內(nèi)發(fā)生的
生物、化學(xué)反應(yīng)機理進(jìn)行剖析。
1．2下水道內(nèi)污水水質(zhì)轉(zhuǎn)化模型
下水道內(nèi)環(huán)境復(fù)雜多變，既含有具有復(fù)雜微生
物結(jié)構(gòu)的生物膜，又有懸浮或沉淀在底部的活性污
泥，部分學(xué)者也試圖利用既有模型，或者通過對既有
模型的修正來建立下水道污水處理的動力學(xué)模型。
但為了建模的方便，很多學(xué)者都會對模型條件進(jìn)行
限定或假設(shè)。
Bjerre等舊1發(fā)現(xiàn)下水道內(nèi)有機物的轉(zhuǎn)化與污水
中的生物量、管壁生物膜和管中沉淀物有關(guān)，易生物
降解有機物的去除、轉(zhuǎn)化與溶解氧濃度密切相關(guān)，提
出將水解過程分三個階段即可利用活性污泥模型模
擬下水道好氧條件下的污水水質(zhì)轉(zhuǎn)化規(guī)律。
Huisman等一1提出采用ASM3來模擬下水道及
管壁微生物膜內(nèi)污水水質(zhì)的轉(zhuǎn)化過程，取得了很好
的模擬效果，該模型考慮了水解反應(yīng)、氮的轉(zhuǎn)化和水
力條件對生物膜粘附和脫落的影響，并且能與1號
河流水質(zhì)模型鏈接耦合，缺點是缺少硫化氫產(chǎn)生和
氧化過程模擬。
Jiang等¨馴建立了能模擬厭氧、缺氧和好氧條
件下下水道內(nèi)的污染物遷移轉(zhuǎn)化和生物膜變化的下
水道水質(zhì)轉(zhuǎn)化模型。該模型包含了硝化反應(yīng)、反硝
化反應(yīng)和硫化氫的產(chǎn)生及氧化反應(yīng)等過程，重點突
出了生物膜生長的動態(tài)變化過程，同時考慮了生物
膜中各主要微生物的競爭關(guān)系，是目前描述下水道
水質(zhì)和生物膜變化較全面的模型。
www．watergasheat．corn 艾海男，等：下水道污水處理研究進(jìn)展及展望第29卷第12期
以上模型的建立都是基于下水道是一個穩(wěn)態(tài)系
統(tǒng)的假設(shè)，但實際上下水道內(nèi)水量水質(zhì)瞬息萬變，特
別是由于水量變化帶來的水力條件的改變是影響下
水道污水處理過程的重要因素之一。到目前為止，
針對下水道水力條件變化與生物膜結(jié)構(gòu)變化、生物
反應(yīng)動力學(xué)等之間的映射關(guān)系的研究還鮮見報道。
2下水道安全問題研究
2．1有害氣體問題
在下水道厭氧環(huán)境中，硫酸鹽在硫酸鹽還原菌
(SRB)的作用下被還原成硫化氫。由于硫化氫的臭
味對周圍居民的健康會產(chǎn)生嚴(yán)重影響，同時硫化氫
釋放到有氧環(huán)境時，部分被氧化為硫酸而腐蝕管道，
因此對其實施有效控制具有重大的經(jīng)濟(jì)效益和社會
效益。
臭氧、過氧化氫、次氯酸鹽和高錳酸鉀等強氧化
劑均可作為消毒劑殺滅SRB并氧化硫化氫。這種
方法存在的問題是添加劑含量過低時達(dá)不到殺滅
SRB的效果，過高則在殺滅SRB的同時殺滅其他有
益細(xì)菌，導(dǎo)致污染物降解能力下降，同時影響下游污
水廠的處理效果。
Gutierrez等¨劃人研究了下水道內(nèi)pH值對硫化
氫和硫酸鹽還原菌的影響，實驗表明加堿(提高pH
值)可以減小硫化氫的氣液兩相傳質(zhì)，從而減少硫
化氫從污水中的釋放量，同時具有抑制硫酸鹽還原
菌的功效。另外，投加鐵鹽和亞鐵鹽也是常用的控
制硫化氫釋放的方法¨2|，其機理是利用鐵鹽或亞鐵
鹽與硫化氫反應(yīng)生成硫化亞鐵沉淀來削減硫化氫含
量，這種方法可以去除污水中已經(jīng)存在的硫化氫，但
不能抑制硫化氫的產(chǎn)生。目前，最常用的硫化氫控
制措施包括向下水道中充氧、投加硝酸鹽和亞硝酸
鹽¨n 15 J，其作用機理是上述物質(zhì)可以作為更有競爭
性的電子受體改變厭氧環(huán)境從而抑制硫化氫的產(chǎn)
生。但是，其一次投加的有效作用時間較短，Mo．
hanakfishnan等¨41的研究表明，在停止投加亞硝酸
鹽后，硫化氫2個半月后即可恢復(fù)之前的產(chǎn)率，其本
質(zhì)原因是游離亞硝酸對微生物的毒性作用，采用間
歇投加亞硝酸的策略則可較為經(jīng)濟(jì)有效地控制硫化
氫。
下水道內(nèi)除產(chǎn)生硫化氫氣體外，甲烷、氧化亞氮
等氣體的產(chǎn)生也受到了關(guān)注¨6|。對于甲烷的釋放，
其控制方法是通過投加硝酸鹽、亞硝酸鹽和充氧，改
變甲烷產(chǎn)生所需的嚴(yán)格厭氧環(huán)境。而對于氧化亞
·3·
氮，其產(chǎn)生的主要來源是硝化作用還是反硝化作用
爭論頗多，還未有明確的控制措施u 7|。
目前，對于硫化氫等有害氣體的控制依賴于外
加化學(xué)物質(zhì)，人力物力耗費巨大，探索自然條件下有
害氣體的控制是需要關(guān)注的重要方面。
2．2管道腐蝕問題
大量實驗研究證明，下水道腐蝕的主要原因是
管道微生物腐蝕，而混凝土管道是微生物腐蝕的主
要作用對象。Nielsen等¨副證明在充滿相同濃度的
硫化氫管道內(nèi)，混凝土管道表i酊的腐蝕速率比塑料
管道高兩個數(shù)量級。Jes Vollertsen等¨引也證明混
凝土管道內(nèi)硫化氫的氧化遵循簡單的n級反應(yīng)動力
學(xué)方程，反應(yīng)級數(shù)凡約為0．45～0．75，說明硫化氫
的氧化是一個比較復(fù)雜的反應(yīng)過程，且反應(yīng)速率受
硫化氫濃度影響較小，該動力學(xué)方程可以進(jìn)一步用
于混凝土管道腐蝕的預(yù)測。
總之，管道腐蝕主要是由硫化氫的釋放、氧化導(dǎo)
致的，而硫化氫的產(chǎn)生是管道內(nèi)生物膜中微生物的
反應(yīng)結(jié)果ⅢJ，所以對于管道腐蝕的控制多采用投加
硝酸鹽和亞硝酸鹽法，以從源頭上抑制硫化氫的產(chǎn)
生，管道腐蝕問題最終歸結(jié)為硫化氫控制問題。
3展望
下水道是一個復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)，其與污水處
理廠體系具有一定的相似性，而又有其特點。目前，
對于下水道的研究越來越多，這些研究很多都參照
了對污水處理廠的研究方法和思路，往往忽視了下
水道系統(tǒng)的特殊性，而將下水道內(nèi)污水與微生物之
間的生化效應(yīng)與污水處理廠統(tǒng)一考量的相關(guān)研究尚
未開展。量化下水道對污水水質(zhì)的轉(zhuǎn)化作用，將下
水道和污水處理廠綜合考量、統(tǒng)一設(shè)計，優(yōu)化檢查井
間距大小及污水處理廠運行模j戈是未來污水處理工
程的發(fā)展趨勢。
①下水道不同于污水處理廠的一個顯著特點
是流態(tài)的不同，且下水道內(nèi)的流態(tài)瞬息萬變，流態(tài)與
下水道中的生物膜結(jié)構(gòu)及反應(yīng)特性之間必然存在著
一定的映射關(guān)系，因此，必須開展下水道流態(tài)特征研
究，探尋流態(tài)與生物反應(yīng)動力學(xué)之間的耦合關(guān)系。
②下水道的腐蝕及有害氣體問題關(guān)乎整個排
水體系的安全，也會影響社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。下水道
內(nèi)生化反應(yīng)錯綜復(fù)雜，隨著對其機理研究的完善深
入，對引導(dǎo)其向有利面發(fā)展具有重要意義。進(jìn)一步
探討下水道氣體控制方式，尋找經(jīng)濟(jì)適用的方案是
第29卷第12期中國給水排水www．watergasheat．com
刻解析造成管道腐蝕的機制及影響因素，是從根源
上解決此類問題的關(guān)鍵，也是目前亟待解決的問題
之一。
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作者簡介：艾海男(1982一)，男，湖南新邵人，
博士后， 講師， 主要從事廢水處理理論與
技術(shù)研究。
E—mail：aihainan@126．com
收稿日期：2012一12—18
第29卷第12期
2013年6月
中國給水排水
CHINA WATER＆WASTEWATER
V01．29 No．12
Jun．2013
