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第一次冲洗时与下水道沉积物相关的有机物的生物降解能力
摘 要：众所周知，在降雨时，废水中的高污染负荷是由于暴风雨天气条件下流速增加而引起的下水道沉积物的侵蚀。必须确定暴风雨期间有机物的生物降解性，以便量化有机物通过联合下水道溢流（CSO）的排放对下游水体的影响。该方法是描述在初次冲洗时的变化线，该线呈现先冲水过程中COD和TSS的变化。这些参数用来测量存在的有机物的含量。但是，这些参数并不代表有关有机物的生物降解性的详细信息。可以通过将总COD分为具有不同微生物特性的部分来获得此类详细知识。为此，对废水分批次的测量氧气吸收率（OUR）表明它本身是一种通用技术。结合对发生的微生物转化的概念理解，我们的测量结果可实现所需的COD分离。我们的结果表明，最高的生物降解性与风暴事件的初始部分有关。有关下水道中物理和生物过程的信息可用于更好地管理下水道中的沉积物，否则，这些沉积物可能会通过CSO的排放而耗尽接收水中的溶解氧。
关键词：生物降解性；第一次冲洗；有机物；河道；氧气利用率（OUR）；污水下水道综合流量（CSO）
1、介绍
在下水道流量大时，可能存在使先前沉积的物料重新夹带到流动柱体中的条件。术语“第一冲水”表示在一段干旱天气流（DWF）之后的降雨事件开始时，这些高污染流的脉冲。重要的是要知道第一次冲洗通过联合下水道溢流（CSO）的影响及其对接收水道的下游影响。通常通过测量诸如化学需氧量（COD），总悬浮固体（TSS），挥发性悬浮固体（VSS）和氨等参数来评估第一次冲洗的效果。COD，TSS和VSS表示从沉积物层释放的污染物，这些污染物主要与颗粒相有关，而氨的浓度与溶解相有关。
在降雨过程中，CSOS可以将大量有机物带入接收水，从而导致氧气消耗增加。异养细菌对有机物的降解是控制水生生态系统氧气水平及其质量的主要过程之一。
溶解氧的这种消耗通常是CSO事件的主要影响因素。影响程度取决于下水道类型，雨水强度和污水特征以及接收水的水质。为了更好地理解排放污染物的影响并对其建模，必须对潮湿天气排放的各个方面进行调查。除常规参数（例如COD，TSS和氨）外，还应特别注意有机物的生物降解性。尝试依靠模型更好地描述受CSO排放影响的河流中生物降解过程，这表明需要考虑细菌生物量。
常规质量参数（如COD，BOD（生化需氧量），VSS和氨）为我们提供了废水中存在的有机物的量。但是，COD，TSS，VSS和氨未对首次冲洗事件中释放的污染物的生物降解性给出明确的指示，因此，它们仅允许对接收水进行总体影响评估。
为了量化有机物的生物降解能力，必须将总化学需氧量分成具有不同微生物特性的部分。Vollertsen和Hvitved-Jacobsen用这种COD分离技术开发的概念模型成为WATS（下水道中的废水有氧/厌氧转化），它利用批次废水的氧气吸收率（OUR）测量来量化其生物降解能力。
通常，从工程学角度出发，作为城市排水系统一部分的下水道研究往往集中在物理过程上，以减轻和管理诸如沉积物沉积等问题，这些沉积物会减少输送量，造成堵塞，积聚污染物并且使污水厂的操作不尽人意。CSO是一种液压装置，用于减少下水道系统内的下游流量，以减少洪水和超载。但是，就其生化过程而言，关于从CSO排放的废水的质量评估的工作很少。
重要的是要考虑到下水道沉积物中发生的生化过程，因为它会影响下水道中废水的质量。我们的测量证明是一种量化由于沉淀物悬浮到水柱中而在废水中发生的生物降解能力的方法。第一次污垢冲洗的管理很重要，因为当它通过CSO排放到接收水段时，会对溶解氧产生不利影响。从这项工作中收集到的信息非常重要，因为它描绘了在实际暴风雨事件的污染冲洗过程中废水的生物降解能力。此外，从这项研究中获得的信息还能够量化暴风雨事件不同阶段的废水的生物降解能力。所有这些都是有价值的信息，在管理从CSO排放到接收水域时需要考虑。
这项研究的目的是通过在生物降解性方面表征暴雨来量化在潮湿天气条件下污水中的转化或有机物。然后，基于该信息，将可能预见到第一次冲洗排放到接收水域所造成的影响。本研究中使用的方法是根据生物降解性对首次冲洗进行表征，该方法基于萨克拉巴尼 （2004）的工作。这为第一次冲洗对CSO下游氧气质量平衡的影响开辟了一个新的维度。
2. 研究地点，材料和方法
在丹麦的Frejlev研究与监测站（Frejlev Research and Monitoring Station）进行了废水采样。弗雷耶夫（Frejlev）具有联合的下水道系统和2000名居民，并且没有重要的工业。在Frejlev研究与监测站，有两个自动采样器（ISCO型号：67121）连接到下水道，以便在暴风雨期间同时收集样本。采样方案于2001年8月至11月实施。
其中一个采样器被编程为对COD，TSS和VSS进行采样。每个样品都是在10分钟内采集的5times;200 ml的复合样品。另一个采样器直接连接到OUR仪器，并编程为在10分钟内用5times;500 ml的复合样品填充4个OUR仪器，即第一台OUR仪器包含暴风雨事件前10分钟的复合样品，第二、第三和第四种仪器分别包含同一暴风雨事件随后10–20、20–30和30–40分钟的复合样本。
TSS和VSS是使用APHA（1995）标准方法确定的。COD的测定也根据APHA（1995）标准方法采用封闭回流比色法。
图2简要描述了Vollertsen和Hvitved-Jacobsen (1998) 提出的概念模型。该模型提出，废水中存在的底物可分为两个COD部分，即快速和缓慢水解的部分。这些底物通常是大分子，需要水解成易于生物降解的底物（SS）。在水解过程中，废水中存在的微生物会分泌酶，从而能够使较大的分子分解并形成易于生物降解的底物。这些易于生物降解的底物随后容易被微生物吸收，以支持其生长。在生长过程中，溶解氧（DO）用于呼吸作用，并且将释放的二氧化碳（CO2）作为该过程的副产品。利用SS 和DO的微生物将繁殖并形成新的生物质。该模型概念在许多方面与活性污泥工艺中应用的概念不同。省略了微生物腐烂过程，因为它与实验结果不一致，且该过程在下水道系统中的重要性不大。
为了确定模型参数和组件，已经开发了实验程序。Vollertsen和Hvitved-Jacobsen（1999， 2001)详细解释了用于确定模型参数的方程。
表1中显示了所有组件和过程的方程式，其中使用了从活性污泥建模中得出的矩阵符号。在OUR实验的后期，将已知浓度的底物（在这种情况下选择乙酸钠三水合物）添加到样品中。乙酸盐是废水中主要的挥发性脂肪酸，乙酸盐的转换倍受关注，因为乙酸盐在废水中的存在会影响废水处理中生物氮和磷的去除以及压力总管中硫化物的产生。乙酸盐和溶解的碳水化合物是去除的溶解有机物的主要成分。在我们的实验中，一旦可用的底物不足以支持生物量的增长，便添加乙酸盐。这对于确定产量常数YH （g COD / g COD）和qm维持能量速率常数（day-1）至关重要。使用以下公式确定各种模型参数，图3显示了各种参数（例如与微生物生长相关的溶解氧表示为Delta;SO生长 （g O2/ m3），与维持能量相关的易于生物降解的底物表示为Delta;SS维护 （g COD / m3），易于生物降解的底物，与添加的乙酸盐量关联，表示为Delta;SS添加 （g COD / m3），可以从以下方程式所需的典型OUR曲线中获得。异养活性生物量，可水解底物，级分n和最大特定增长率的符号表示为XB（g COD/m3），XSn（g COD/m3）和micro;H（day-1）。
3. 结果与讨论
给出的结果基于三次重复测量，以确保可重复性。标准偏差的计算如表2和表3所示。
图4描绘了4个暴风雨事件的资料。这些图显示了ISCO采样器将OUR反应堆充满的时间顺序。因此在图4（a）中，四个图表中的第一个表示暴风雨事件的前0-10分钟的OUR剖面。随后的图形表示10–20分钟，20–30分钟和30–40分钟。通常，这些图表示最初存在的Ss 耗尽，然后连续利用Xs，快 ，最后是分数Xs，慢。在OUR实验期间，添加了乙酸盐以测量YH 和qm值。选择醋酸盐是因为它易于降解，并且将代表了废水中常见的底物的YH，qm 和micro;h 的各种值列于表中表2和3。观察到的总体趋势是，从暴风雨开始到结束，YH 值会降低。在采样程序中对于各种暴风雨事件也注意到了类似的观察结果。
但是，维持能量需求率常数qm 没有遵循任何特定趋势。 qm 值的变化可能是由于废水中存在的微生物的多样性以及其各种动力学。因此，qm 会随底物浓度和时间而变化。YH，qm和micro;h值在实验的 30-40 分钟内没有确定，因为当大多数底物耗尽时，OUR 曲线的值非常低，因此难以测量这些常数。
Seidl等（1998b）表明，河流中大量来自SCO的过量生物质主要是由大型细菌构成。Servais和Garnier（1993）也表明，大型细菌的生长速度比小型细菌高2至3倍。这些细菌和其他微生物往往与重悬的颗粒有关，并可能有助于沉降。 表3表明micro;h 的值高达7.1 dminus;1和6.33 dminus;1 。
在OUR实验中，消耗添加的乙酸盐的持续时间从0-10分钟增加到30-40分钟。因此，在0-10、10-20和30-40分钟的时间段内，消耗的添加乙酸盐的持续时间分别为4、7和15小时（未显示数据）。该观察结果与例如图3中所示的数字非常吻合。表4是07年9月9日的暴风雨事件，其中异养生物质（XB）值从2.13 g COD / m3 降低至1.21 g COD / m3 。对于随后的暴风雨事件，也注意到了类似的观察结果，其XB值普遍下降。当在这种情况下观察到的异养生物量没有净增加时，细菌可能被捕食者掠食。
表4显示了各种OUR系数，这些系数表示了4种不同暴风雨事件的废水成分。通常，SS，XB和XS1值在风暴事件开始时往往较高，并在结束时逐渐被消耗完。由于施加在下水道沉积物床上的附加剪切应力而导致颗粒物释放到散装水柱中。因此，在暴风雨开始时，易于生物降解的基质SS的可用性增加。沉积物床的重新悬浮还导致异养生物质的增加，XB 可能固有地作为颗粒的一部分存在，或者XB 也可能由于SS的更多利用率而扩散。 SS利用率的增加导致沉积物中细菌活性增加。细菌活性的提高有助于分解悬浮颗粒中存在的复杂底物，从而形成更多的颗粒底物，例如XS1。细菌的分解过程可以通过细胞外酶的水解以及产物的扩散进入细胞来实现。
图5显示了从1999年1月2日到1999年2月24日的三场暴风事件的OUR曲线。在这些实验过程中，未添加乙酸盐，这通过OUR曲线中没有第二个峰值来表明。图5中的图形也遵循与图4相同的趋势。这证明了OUR技术可再现性，可表征下水道沉积物释放的有机物的生物降解性。
图6 图1显示了在2001年9月21日、2001年9月15日、2001年9月7日和2001年11月4日发生的暴风雨期间，易生物降解的底物随TSS和总COD的变化。易生物降解的底物定义为易生物降解的底物（SS）和快速水解的底物（XS1）之和，而慢速可降解的底物定义为异养生物质（XB）和缓慢水解的底物（XS2）的总和。易于生物降解的底物的利用表明了废水中存在的有机物的生物降解性。在图6a中，在暴风雨事件发生的30分钟内，易于生物降解的底物从140 gCOD / m3 降至几乎为零，而总COD和TSS值则更高，并持续增加，直到60分钟后才逐渐下降。同样在图6b中，易于生物降解的底物在30分钟内下降，而TSS和总COD更高，在75分钟时达到峰值。一般来说图6结果表明，在风暴事件开始时，易于生物降解的底物最高，然后逐渐下降。生物降解性与总COD和TSS的变化趋势不同，并且可以很好地表明了与暴风雨初期相关的废水排放后对接收水域的潜在影响。
易于生物降解的底物表明，暴风雨事件初始部分的负面影响比总COD和TSS所显示的负面影响要早得多。常规参数（例如TSS和总COD）不能提供暴风雨事件排放释放的精确影响及其对下游的影响。这项工作的重点是主要确定通过CSO排放容易生物降解的底物的生物降解性对水程的影响。但是，需要进行更多的工作来研究可缓慢生物降解的底物的影响。尚不清楚可缓慢生物降解的底物可能对下游产生何种影响。
图7显示了与图6类似的趋势。在图7中，易于生物降解的底物会在前40分钟内沉降。与易生物降解的底物相比，总的COD消耗时间更长，但仍然要高得多。
暴风雨事件初期的高生物降解性会给接收水带来高需氧量。为了最大程度地减少对接收水域的影响，正确管理最初的暴雨排放很重要。诸如《欧盟水框架指令》之类的政策规定，到2015年，所有接收水域都应处于良好的生态状态。
降解动力学实验表明在干燥天气和暴风雨中有机碳的可降解能力不同。在潮湿天气中，有机碳的降解性低于干燥天气，大约65％的有机碳在雨天可降解，而干燥天气则为78％。在沿下水道网络的干燥天气中，当比较下水道网干涸天气期间生物质的相对成分时，总生物量和大细菌数量增加。与潮湿天气相比，干燥天气期间总生物量和大量细菌的增加导致干燥期间的可降解能力更高。细菌的生长（
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