一种城市污水管道实验模拟系统

本发明涉及一种城市污水管道实验模拟系统，属于管道实验模拟技术领域。

背景技术：

城市污水系统是收集、输送生活污水、工业废水和部分雨水的工程设施系统。随着对污水管网的认识逐渐深入，越来越多研究揭示了污水管道的生化反应潜力。在输送过程中，由于污水中存在大量可生化降解的有机质和氮、磷等营养物质；铺设规模大，具备长时间的水力停留时间；管道中多种多样的微生物，以及交替出现的好氧-厌氧环境，污水中的各类污染物均会发生一定程度的降解转化。但这些生化反应的发生，带来了诸多环境风险，一方面管道内部富含碳、氮、硫，厌氧环境下，消化作用产生的甲烷和氧化亚氮是重要的温室气体，不但对城市大气环境造成极大的污染，对人体健康也造成很大的威胁。同时，硫循环过程产生的硫化氢极易造成管道腐蚀，影响排水管道的正常运行，且高浓度的硫化氢还会有致死风险。另一方面，污染物沿程降解降低了污水厂进水浓度，影响污水厂处理效率。因此，了解排水管道内不同赋存水平污染物的转化规律、气体释放机制，对提升管网输送效率、减少管道运行损耗、降低周边环境风险具有重要意义。

自20世纪50年代以来，国外学者已开始进行污水管道内污染物迁移转化规律的研究，并取得大量研究成果。国内研究开始相对较晚，目前已有学者关注碳、氮磷等营养盐、硫组分及部分微量污染物的迁移转化规律、管道内附着的生物膜对污染物生化降解的影响，以及污水输送过程中有害气体的产生机制和控制措施。但由于实际污水管道内较为复杂的结构和恶劣环境，阻碍了科研人员开展研究，同时，污染物迁移转化以及有害气体产生过程大多发生在沉积层，相较于河底、湖底沉积物，管道沉积物在成分、含水率以及附着方式等方面均存在明显差异，采样实施难度较大。故目前多数机理研究采用实验室模拟的方法，一方面降低采样难度，另一方面便于控制影响因素。现有污水管道模拟系统大多采用过程相同的管径、管型等，且距离有限。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能较好还原污水管道原位情况、操作简便、容易观测的城市污水管道实验模拟系统，其能够为深入研究污染物转化特征和污水管道生化反应效能提供支撑。

为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种城市污水管道实验模拟系统，包括从上至下依次设置的多层管道反应装置，每层管道反应装置包括：进水箱、进水管、调节井、输送管道、检查井和出水管，其中输送管道分为第一输送管道和第二输送管道；进水箱通过进水管与调节井上游进水口连通，调节井下游出水口连接第一输送管道，第一输送管道通过检查井与第二输送管道连接，第二输送管道连接出水管，第二输送管道与出水管的连接处设置有出水阀门，第二输送管道还与传输通道连接，传输通道上靠近第二输送管道的一端设置有进水阀门；所述调节井顶端还设置有顶端进水口，所述输送管道上设置有沉淀物取样口。

进一步地，所述输送管道呈矩形环绕状，奇数层管道反应装置中输送管道的坡度均相同；偶数层管道反应装置的第一输送管道中与调节井直接相连的一段为倒坡管道，第一输送管道中其余段的坡度以及第二输送管道的坡度均与奇数层管道反应装置中输送管道的坡度相同。

进一步地，奇数层管道反应装置中输送管道的平均坡度为0.003；偶数层管道反应装置中第一输送管道的倒坡管道的平均坡度为-0.003，第一输送管道的其余段以及第二输送管道的平均坡度为0.003。

进一步地，所述调节井内设有拍门，所述拍门设于上游进水口和顶端进水口之间。

进一步地，所述调节井内设有溢流堰，所述溢流堰设置于下游出水口前端。

进一步地，所述调节井内设有第一挡板，所述第一挡板设置于靠近顶端进水口的位置处。

进一步地，所述沉淀物取样口为有机玻璃管段，所述有机玻璃管段上方设置有第一开口，所述第一开口上滑动连接有第二挡板。

进一步地，所述检查井顶端设置有污水取样口和气体检测口。

进一步地，所述进水管上设置有流量计。

进一步地，所述进水箱内设有潜水泵，所述潜水泵与进水管连通。

本发明所达到的有益技术效果：本发明的一种城市污水管道实验模拟系统能够较好地还原实际污水管网中污水流态、生化反应环境；可根据实际需要调节模拟模式，既可研究沿程水质变化，也可确定管径、管型、流速对污水中污染物迁移转化和气体释放的影响；操作简便，减少现场采样工作量，可实现一种或多种变量控制，削减野外监测中不可控因素对实验结果的干扰。

附图说明

图1为本发明实施例的一种城市污水管道实验模拟系统的主结构示意图；

图2为本发明实施例的一种城市污水管道实验模拟系统的侧视结构示意图；

图3为调节井示意图；

图4为沉积物取样口示意图；

图5为检查井示意图。

其中，1，12，23，34进水箱；2，13，24，35潜水泵；3，14，25，36进水管；4，15，26，37调节井；5，16，27，38输送管道；6，17，28，39沉积物取样口；7，18，29，40检查井；8，19，30，41出水阀门；9，20，31，42出水管；10，21，32，43进水阀门；11，22，33，44传输通道；45拍门；46溢流堰；47第一挡板；48第一开口；49污水取样口；50气体检测口；51，53，55，57第一输送管道；52，54，56，58第二输送管道。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1至2所示，本发明实施例提供了一种城市污水管道实验模拟系统，包括从上至下依次设置的四层管道反应装置，四层管道反应装置的结构基本相同，下面以第一层管道反应装置为例具体说明。

第一层管道反应装置包括：进水箱1、进水管3、调节井4、输送管道5、检查井7和出水管9，其中输送管道5分为第一输送管道51和第二输送管道52。进水箱1通过进水管3与调节井4上游进水口连通，调节井4下游出水口连接第一输送管道51，第一输送管道51连接检查井7进水口，检查井7出水口连接第二输送管道52，第二输送管道52连接出水管9，第二输送管道52与出水管9的连接处设置有出水阀门8。

第二输送管道52还与传输通道11连接，传输通道11可用于连接第一层管道反应装置和第二层管道反应装置。传输通道11上靠近第二输送管道52的一端设置有进水阀门10。

输送管道5上还设置有沉淀物取样口6，可以通过沉淀物取样口采集管道沉积物样品。沉淀物取样口还可以用于在实验前期放置管道沉积物。

进水箱1内设有潜水泵2，用于将实验污水通过进水管3提升至调节井4。在本发明实施例中，潜水泵2的流量约为15-20m³/h。

进水管3上设置有流量计，用于检测流经进水管3的污水流速。

调节井4除具有上游进水口和下游出水口外，其顶端还设置有顶端进水口，调节井4的顶端进水口可以与出水管9连通，实现污水在输送管道5内的循环。

如图3所示，调节井4内设置有拍门45，拍门45设于调节井4上游进水口和顶端进水口之间，用于确定进水管出水方向，防止出水管循环污水倒灌回进水箱。

在一实施方式中，调节井4内还设有溢流堰46，溢流堰46设置于调节井4下游出水口前端，用于稳定进入输送管道5的污水流速。在本发明实施例中，控制控制污水的流量为0.0015-0.0030m³/s，流速约为0.2-0.3m/s，管道充满度为0.75。

在一实施方式中，调节井4内还设有第一挡板47，第一挡板47设于靠近调节井4顶端进水口的位置处，用于缓冲循环回调节井4内的污水流速。

如图4所示，沉淀物取样口6为有机玻璃材质制成的管段，有机玻璃管段上方设置有第一开口48，第一开口48上设置有第二挡板，通过滑动第二挡板可以将第一开口开启或关闭，当装置运行时，使用黑色塑料布包裹，避免光对反应的影响。

如图5所示，检查井7顶端设置有污水取样口49，污水取样口49包括第二开口和盖设在第二开口上的盖板，盖板上设置有气体检测口50。污水取样口和气体检测口用于在实验过程中随时取样监测，此外还可以通过污水取样口在实验前期放置管道沉积物。

在本发明实施例中，第一至第四层管道反应装置既可以单独使用，也可以连通后使用。

如图1所示，每层管道反应装置的进水箱1，12，23，34均选用聚丙烯材质或其它实验室常用塑料材质制成。其中，第一层管道反应装置的进水箱1容积最大，约为2m³，可供四层管道反应装置循环使用时稳定进水，第二、三、四层管道反应装置的进水箱12，23，34容积相同，约为0.5m³。

第一层管道反应装置的进水管3的长度大于第二、三、四层管道反应装置的进水管14，25，36。在本发明实施例中，第一层管道反应装置的进水管3长约1.5m，第二、三、四层管道反应装置的进水管14，25，36长约0.5-0.8m。

在优选实施方式中，进水管3，14，25，36采用不锈钢材质制成，外层包裹有保温材料。

在一实施方式中，每层管道反应装置的输送管道5，16，27，38呈矩形环绕状，可分别相应的通过检查井7，18，29，40来调整输送管道5，16，27，38的坡降高度。

每层管道反应装置的输送管道的总长约25m，四层输送管道的总长度约100m，均采用pvc材质，外层包裹保温材料，并通过将输送管道内壁进行打磨，使沿程的摩擦系数、雷诺数与实际的混凝土管相接近。

第一、二层输送管道管径均为dn100，其中第一层输送管道5的平均坡度为0.003，第二层输送管道16中设置一段倒坡管道，该倒坡管道为该层中第一输送管道53中与调节井15直接相连的一段管道（即调节井15到第一个拐角之间的管段），坡度约为-0.003，第一输送管道53中其余段以及第二输送管道54的坡度均为0.003。第三、四层输送管道管径为dn200，其中第三层输送管道27平均坡度为0.003，第四层输送管道38中设置一段倒坡管道，该倒坡管道为该层中第一输送管道57中与调节井37直接相连的一段管道（即调节井37到第一个拐角之间的管段），坡度约为-0.003，第一输送管道57中其余段以及第二输送管道58的坡度均为0.003。

在优选实施方式中，检查井7，18，29，40近似为圆柱体，柱体高约0.4m，进水口和出水口高度差约为0.1m。

利用上述的城市污水管道实验模拟系统进行模拟的方法如下：

（1）每层管道反应装置单独使用

以第一层管道反应装置为例，模拟实验开始前，首先放置采集的原位管道沉积物样品，可通过调节井4、检查井7和沉淀物取样口6向输送管道5内铺设，尽量保证均匀铺满管道底部，沉积物厚度稳定在7-10cm左右。通污水前，将出水管9与调节井4顶端进水口连通，开启出水阀门8，关闭进水阀门10。原污水先进入进水箱1，经潜水泵2提升，污水由进水管3进入调节井4，进水管3上设有流量计，在调节井4内通过拍门45和溢流堰46稳定污水流速在0.2-0.3m/s。随后，污水进入输送管道5，管道充满度稳定在0.75以下，污水在输送管道5内循环一圈后，经出水管9输送至调节井4顶端进水口，继续在输送管道5内循环，直至达到实验所需水力停留时间后，将出水管9从调节井4顶端进水口拔下，污水可排入污水处理厂前池或处理池内。在实验过程中，可通过沉积物取样口6和检查井7上的污水取样口49和气体检测口50采集生物膜、沉积物和污水样品，带回实验室检测。

（2）四层管道反应装置循环使用

实验开始前，将第一层管道反应装置的传输通道11与第二层管道反应装置的调节井15连通，第二层管道反应装置的传输通道22与第三层管道反应装置的调节井26连通，第三层管道反应装置的传输通道33与第四层管道反应装置的调节井37连通，采用与（1）中同样的方式在输送管道5，16，27，38中均匀铺设原位沉积物样品。通污水前，关闭出水阀门8，19，30和进水阀门43，开启出水阀门41和进水阀门10，21，32。污水统一由进水箱1进入模拟系统，污水流速稳定在0.2-0.3m/s，管道充满度稳定在0.75以下，污水经第一层管道反应装置循环后通过传输通道11进入第二层管道反应装置的调节井15，在输送管道16内循环一圈后紧接着由传输通道22进入第三层管道反应装置的调节井26，然后在输送管道27内循环一圈后由传输通道33进入第四层管道反应装置的调节井37，最终由出水管42排入污水处理厂前池或处理池内，完成一次完整循环，实验过程中可根据实验需要采集生物膜、沉积物和污水样品。

上述模拟系统可放置于污水处理厂前池泵房内，能够较好地模拟原污水在管道中的流动状态，四层管道反应装置连通使用可用于研究污水中污染物的沿程变化，每层管道单独使用可用于研究不同管道条件对污水水质的影响，也可自行配比不同类型污水研究其中污染物质的迁移转化规律，具有灵活、简易、适用性强等优点，可根据实际需要调整系统运行结构，为污水厂优化设计、提质增效等提供支撑。

通过以上实施例，本发明能够较好地还原实际污水管网中污水流态、生化反应环境；可根据实际需要调节模拟模式，既可研究沿程水质变化，也可确定管径、管型、流速对污水中污染物迁移转化和气体释放的影响；操作简便，减少现场采样工作量，可实现一种或多种变量控制，削减野外监测中不可控因素对实验结果的干扰。

本发明解决了实际污水管道中气、液、固三相间污染物转化机制难以监测研究的技术难题，对污水管网水质沿程降解研究以及污染物在污水和沉积物中迁移转化特征解析具有重要意义。

以上已以较佳实施例公布了本发明，然其并非用以限制本发明，凡采取等同替换或等效变换的方案所获得的技术方案，均落在本发明的保护范围内。