利用下水道管渠空間處理城市污水的探討
一、污水在下水道內輸送過程中的水質變化
目前普遍的看法是：城市污水排放系統由污水收集系統（排水管網）和污水處理系統（污水廠）兩部分組成，而且各自的功能劃分十分明確，排水管網的主要功能是收集與輸送污水，而污水廠則起到了凈化污水的作用。
隨著科學技術的發展，人們對污水排放系統各部分的功能和各自扮演的角色有了更深的認識，排水管道將污水收集并輸運到污水處理廠的同時，其內部的污水在管道內還進行著復雜的物理、化學和生物學變化過程，這些過程的發生不僅影響了排水管道的輸送效率，而且直接影響污水處理廠的進水水質。
實際上，污水排放系統對污水的凈化作用并不是從污水到達污水處理廠才開始的，自污水進入污水管網的那一刻開始，污水排放系統對污水的凈化就已經開始了，污水管網對污水處理廠來說，其作用不僅僅只是一個“中轉運輸站”，它同時也扮演著一個巨大的中間反應器的角色，對一些污水管道內沉積的淤泥以及附著在管壁上的生物膜的測試表明，下水道管渠表面、管底沉積淤泥和污水中已經存在了大量高活性的微生物，管渠污水中的微生物不斷發生著細菌增殖、適應及選擇等物理、化學和生物過程，并在原污水中不斷誘導出活性很強的微生物群落。
二、國內外對下水道內污水水質變化的研究
Nielsen在實驗室中研究了自然狀態下不同溫度時下水道污水中糖類、乙酸、蛋白質、SCOD及 COD等的變化，結果發現這幾種物質的含量與組成變化較大，且這幾類物質的轉化過程基本上遵循高活性的零級反應模式。
Raunkjaer在一段5km長的重力下水道內以BOD作為考察指標，對下水道污水中BOD的變化進行了研究，研究結果表明，25℃時，生活污水在下水道內流行時，其BOD去除率達到了30%～40%.Kaijun在1995年分別在不同的反應器內模擬了下水道內的好氧、微氧條件，經20天的試驗結果表明，在反應開始1～2天內有機物的降解速率維持在一個較高的水平，降解速率遵從零級反應模式，在隨后的18天里有機物的降解速率才逐漸降低并接近一級反應。
以色列科技學院的M.Green等人在1985年采用SBR生物反應器模擬了DAN REGION的污水管道處理系統，該污水管網覆蓋人口超過100萬，每天的污水量近300,000m3，污水主干管呈U型，管徑600～2100mm，總長37km，污水在排水管道內的平均停留時間超過10h.研究人員通過增加一條8km長的壓力管提供活性污泥回流以保證下水道系統內足夠的微生物數量，通過在排水管道的適當位置進行曝氣以保證下水管道內有充足的溶解氧。這樣，整個環狀管網系統就成為了“分段進水推流式好氧污水處理裝置”。試驗結果表明，該系統能夠充分利用分段進水反應器和推流式反應器的優點，其COD去除率達到了79%~80.8%，BOD的去除率達到了85%~93%，最終出水BOD低于25mg/L.通過經濟分析可知，利用重力式管道系統處理污水的基建投資比普通活性污泥法要節省50%以上。
Ozer 和Kasirgal也在1995年進行了利用下水道微生物處理生活污水的模擬試驗研究，在供給充足的空氣條件下試驗了相同水質的生活污水在不同管徑污水管中達到相同去除效果時所需管長。
在好氧條件下利用下水道空間處理污水，在相同的流速下，使同樣水質的污水達到相同的去除效率，小管徑的污水管所需的管長明顯小于大管徑所需的管長，在小管徑的污水管中發生的生化降解速率更快，也就是說小管徑的污水管比大管徑的污水管具有更高的處理效率。
分析其原因，在小管徑的污水管中，潤周/過水斷面積之值較高，也就是在小管徑的污水管中，單位體積的污水能夠接觸更多的微生物，生化反應速率更高，隨著管徑的加大，在相同的條件下污水取得同樣的去除效果所需的停留時間將延長。管徑越大，反應過程中下水道內的物質降解速率更接近0級反應模式而不是1級反應模式，隨著反應的進行，有機物濃度降解到一定程度，下水道內發生的生化反應越來越向一級反應模式靠近，根據米門方程可知，下水道處理污水的限制性因素不是污水中的有機物濃度，而是下水道內的生物量。
陳輔利等人曾采用在排水明渠內放置特制載體的形式增加溝渠中的微生物量以加快明渠污水反應速度的方式進行了試驗，并分別在實驗室和某天然河渠內對溝渠處理污水的工藝、效率、抗沖刷能力等進行了試驗，該試驗結果表明在1.5h內COD去除效率可以達到80%以上。
黃方等人則通過在管道前端設置高負荷生物接觸氧化池的方式進行了管式活性污泥法的模擬試驗。試驗結果表明：只要使管道內保持一定的微生物濃度及溶解氧，城市污水可在管道內能夠得到較好的凈化。
王西聘則利用固定化細胞技術進行了下水管網系統凈化污水的模擬試驗，通過比較研究了厭氧、好氧、厭氧-缺氧-好氧以及缺氧-好氧4種工藝凈化生活污水的效果。實驗結果表明，在管網系統中設置固定化細胞，施以適當的人工曝氣，保證污水在管道內一定的停留時間的工況條件下，可使污水中的COD去除率大于60％，出水COD和SS均達到國家污水綜合排放標準的二級標準。
三、結論
目前，我國中小城鎮的污水排放量約占全國污水排放總量的一半以上，隨著“十一五”國家政策向中小城鎮和農村地區的傾斜，未來我國中小城鎮建設將會以前所未有的速度快速發展，生活污水和工業廢水的排放量也會以數倍、甚至十幾倍的速度增長，這勢必加劇我國水環境的惡化程度。中小城鎮和大城市在水系上是相通的，中小城鎮的污水治理工作做不好，大城市污水處理即使達到一個很高的水平，水環境的質量也不會有明顯的改善。因此，要改善我國水環境污染和惡化的狀況，保護我國緊缺的水資源，除了要刻不容緩地對大城市的污水進行處理外，中小城鎮污水也應該引起足夠的重視。
由于中小城鎮和大城市經濟發展水平、排水體制、基礎資料、融資渠道等有很大的差異，所以不可能也不應該把大城市的污水處理工藝、技術裝備等搬用到中小城鎮中去。
例如在我國長江中下游地區，這一區域人口達到2.1億，中小城鎮分布面相當廣，污水排放零散，不利于污水的集中處理，且目前對這些污水進行處理所需的技術和資金都比較缺乏，如果能夠開發出簡易、高效、低能耗的污水處理工藝，就能夠利用較少的投資削減大量的污染負荷，在有限的經濟條件下有效地控制水環境污染。
由于城市污水管道的管徑大，管道長，污水在其中有相當長的滯留時間，如果能夠采用適當的技術措施增加管道內的微生物量和溶解氧的濃度，利用下水道空間處理污水是完全可行的。
與傳統的污水處理技術相比，利用下水道處理污水的經濟性是顯著的，它不占地、不需建污水廠或只需建小規模污水處理廠，其投入主要在下水道微生物的維持及某些管段的強化通風上，其經濟性也是比較顯著的。
該技術具有簡易高效、投資省、能耗低及管理方便等優點，對目前尚未建污水廠的中小城鎮，可以在有限的資金投入情況下改善水環境污染狀況, 并且有利于減小今后新建污水處理廠的規模。對于那些已建有污水處理廠的城鎮，則可用以緩解污水廠超負荷運轉的壓力。該工藝是適合我國國情的污水處理新技術，無論是在經濟效益還是環境效益上均有較大的優勢。
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