排水管道作为城市发展中必不可少的基础设施，承担着收集和输送污水、防洪排涝、水污染防治等重要功能。排水管道内赋存的污染物种类繁杂〔主要包括悬浮固体（SS）、有机物、营养物（氮、磷）和重金属（Cu、Zn等）〕，具体组成因汇水面特性差异而有所不同。近年来，随着环境分析技术的发展，微量有机污染物（又称痕量有机污染物，micro-pollutants），如雌激素、农药、药品和个人护理品（PPCPs）、非离子表面活性剂等亦被广泛检出。


污染物在排水管道污水输送过程中发生降解转化，带来了诸多环境风险，一方面影响排水管道的正常运行，危害管网系统周边环境。硫循环过程产生的H2S（硫化氢）是造成管道腐蚀的罪魁祸首；厌氧消化过程产生的CH4（甲烷）、N2O（氧化亚氮）是重要的温室气体，其中CH4的温室效应潜能是CO2的21——23倍，而N2O的温室效应潜能则是CO2的300倍之多。另一方面影响后续污水处理厂的处理效能。污染物沿程降解使污水处理厂进水ρ（CODCr）偏低、处理效率低下。因此，了解排水管道内不同赋存水平污染物的迁变规律，对降低排水系统损耗、提升管网运行效率具有重要意义。


多数研究表明，排水管道内污染物的迁移转化过程是多种因素综合作用的结果：①管道污水中基质浓度较高，微生物生长底物充足，存在具有定向降解性能的微生物。②管道上中途设施的设置，制造好氧~厌氧交替的内部环境。③城市排水管道一般规模大、路线长，具备充足的水力停留时间。因此，排水管道内污染物的迁移转化极易实现。


自20世纪50年代以来，国外学者就开始针对排水管道内污染物的迁移转化规律展开研究，并已积累了大量研究成果，国内研究虽起步较晚，但相关研究也在不断推进。现阶段对于悬浮固体、营养物（氮、磷）以及硫化物在管道内迁移转化规律的研究较多，对微量有机污染物的研究较少。多数研究停留在赋存水平的推断，鲜有涉及转化机理的分析，未能全面体现排水管道内部环境的复杂性。


排水管道内污染特性研究


排水管道内污染特性主要体现于污水水质和沉积物性质。污染特性变化受污染物迁移转化过程影响，其程度与管道内水力条件、微生物作用及汇水面特性等因素有关。


污水水质变化


排水管道内污水输送过程中，水量水质时刻变化。不同学者通过采样检测，均发现了管道沿程污染物浓度降低的现象。污染物沿程降解使污水处理厂进水ρ（CODCr）偏低、处理效率低下，易造成能源资源的浪费。


管道内污染物发生沉积或生物降解，以及管道外部水源的入流入渗共同造成了污水水质的变化。郝晓宇通过模拟管道试验，发现污水中以溶解态存在的污染物易被生物降解，以颗粒态存在的污染物生物降解困难，多向管道底部沉积。Nielsen等发现，不同温度下排水管道污水中糖类、乙酸、蛋白质、SCOD及TCOD的转化均与微生物作用有关，且转化过程基本遵循高活性的零级反应模式。对于地势低平、地下水水位较高的地区，管网水质易受外来水入渗的影响。余黎等对上海某污水处理厂外来水进行核算分析，保守估计纯污水排放ρ（CODCr）为200 mgL，外来水ρ（CODCr）以河流实测值（13.6 mgL）计，污水厂进水ρ（CODCr）实测值仅为56.2 mgL，水量平衡计算发现，外来水量约占总水量的77.15%.研究表明，雨污混接、地下水入渗及河水倒流均可导致外来水入渗。低浓度的外来水进入排水管道与原污水混合后，大大降低了原污水中污染物浓度，造成污水处理厂进水水质的变化。


沉积物动态变化


管道沉积物主要来源于污水中悬浮物质的沉降。沉积物的累积使城市排水管网中普遍出现了不同程度的淤积和堵塞，进而导致管道过流能力下降。沉积物性质与汇水面特性有关，且很大程度上取决于沉积物的动态变化。

污水中悬浮物沉积以及沉积物随水流冲刷再次悬浮是沉积物动态变化的主要表现。动态过程决定了管道底部积泥厚度及水流冲刷时污染物的释放强度。水力条件是影响动态过程的关键因素，主要体现为污水流速和水流剪力的变化。Regueiro-picallo等通过动态摄影技术对城市排水管道内沉积物的释放情况进行检测发现，由于存在较高的水流剪力，附着于管壁上的沉积物中有25%——50%的污染物会随污水流动而释放。卢慧采用不锈钢管模拟实际排水管道，发现随着污水流速从0.05 ms升至0.11 ms，水流冲刷强度及扰动性逐渐增强，部分沉积物发生迁移，颗粒沉积量逐渐减少。桑浪涛等在得出类似结论的基础上，进一步确定了0.6 ms是大颗粒污染物（>40μm）被冲刷的临界流速。


在管道内特定环境下，微生物作用、pH等也能对沉积物的结构和性质产生影响。微生物代谢活动过程中分泌胞外聚合物（extracellular polymeric substances，EPS）形成的生物膜，能够填补颗粒间的空隙，增强颗粒间联结，降低沉积物颗粒表面粗糙度，从而使近床面的水流剪力减小，沉积物的抗冲蚀能力提高。pH变化能刺激微生物的活性，一方面促进沉积物中氮、磷等污染物的降解和释放；另一方面也能促使H2S、CH4等气体生成，气体的产生和聚集会使沉积物体积变大且内部结构变得松散，从而削弱了沉积物的机械强度和抗水力冲蚀性能。