Identification of high oxygen-consuming substances in stormwater drainage systems illicitly connected with sewage system
Chen Xu, Zuxin Xu∗, Wenhai Chu∗, Shanshan Wu, Rong Xiao, Lei Su
https://doi.org/10.1016/j.jes.2023.03.033
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我国分流制排水系统存在较为普遍的雨污混接问题，导致部分污水经雨水管道无序排放至河流等开放水体，污水中含有的大量耗氧物质易引起水体缺氧黑臭，影响河道水质和生态健康。在多源复合污染背景下，为精准治理水体纳污缺氧问题，有必要识别出雨水管道多源污染中高耗氧有机组分，并揭示其耗氧机制。本研究以混接入雨水管道中的生活污水和工业废水等典型污染源为分析对象，基于耗氧潜能评估实验，确定生活污水为研究区域内雨水管道中高耗氧污染源类型。采用理化/光学多维特征解析技术，识别出小分子氨基酸是“藏污纳垢”雨水管道中的高耗氧组分。结合分子模拟计算与质谱产物解析，耗氧机制分析表明雨水管道中大部分高耗氧有机物以生物耗氧为主，甲硫氨酸中硫原子发生亲电取代反应显著增加其化学耗氧能力。研究结果为水环境多源污染综合治理提供理论支撑。
引言
城市雨水管道旱季“藏污纳垢”、雨季“零存整取”，是制约我国城镇水环境持续改善的突出问题之一。我国分流制排水系统存在较为普遍的雨污混接问题，导致污废水经雨水管道无序排入开放水体。污废水中的大量耗氧有机物在微生物作用下发生耗氧反应，导致水体溶解氧不足，特别是在厌氧或缺氧条件下生成致黑致臭物质，污染河道。住房城乡建设部、生态环境部等五部委发布《关于加强城市生活污水管网建设和运行维护的通知》，鼓励建设雨季溢流污水快速净化设施，作为河道水质改善和提升的重要治理手段。因此，为了高效精准治理水环境污染，准确识别并量化水体中的高耗氧有机物，显得尤为重要。
本研究选择典型分流制排水管网区域，基于耗氧潜能评估实验，采用三维荧光光谱、分子排阻色谱等理化/光学多维特征解析技术，识别雨水管道中高耗氧有机组分，揭示其耗氧机制，为水环境多源污染源头、过程和末端综合治理提供理论支撑。
图文导读
1. 生活污水与工业废水中耗氧水平评价
图1比较了所选择典型研究区域内雨水管道混接生活污水和工业废水的耗氧水平。COD、BOD和TOC等常规评价指标皆可表明生活污水的耗氧水平显著高于该区域内的工业废水。
图1 雨水管道混接生活污水和工业废水的耗氧水平。
2. 不同耗氧水平生活污水中有机物荧光特性比较
基于研究区域大量生活污水耗氧潜能分析，选择耗氧水平差异较大的两类生活污水，即生活污水1的耗氧水平显著高于生活污水2。利用三维荧光光谱解析两类生活污水中有机组分的荧光特性（图2）。分析可得高耗氧水平的生活污水中含有更高含量的氨基酸蛋白质类物质。
图2 不同耗氧水平生活污水的三维荧光光谱（c图为a和b图的差减结果）。
3. 不同耗氧水平生活污水中有机物分子量分布特征对比
基于团队自组装液相排阻色谱耦合在线碳检测设备，分析不同耗氧水平生活污水中有机物的分子量分布特征，如图3所示，结果表明高耗氧水平的生活污水含有更高含量的小分子有机物（小分子有机酸最为突出）。综合有机物荧光特性、分子量分布特征以及质谱解析，推断小分子氨基酸为生活污水中重要的耗氧有机物。
图3 不同耗氧水平生活污水中有机物的分子量分布特征分析。
4. 常见氨基酸耗氧潜能分析
以谷氨酸、半胱氨酸和甘氨酸等20种小分子氨基酸为模型化合物，开展生活污水体系下氨基酸耗氧潜能评估实验，氨基酸的降解曲线如图4所示。根据氨基酸的半衰期和耗氧速率，发现天冬酰胺、半胱氨酸、精氨酸、谷氨酸、甘氨酸、亮氨酸及甲硫氨酸等7种氨基酸为高耗氧模型化合物（30分钟内氨基酸降解达到半衰期且120分钟内溶解氧消耗完毕）。
图4 生活污水体系下20种小分子氨基酸的降解曲线。Asp：天冬氨酸；Asn：天冬酰胺；Cys:半胱氨酸；Ala：丙氨酸；Arg：精氨酸；Gln:谷氨酰胺；Glu：谷氨酸；Gly：甘氨酸；His:组氨酸；Ile：异亮氨酸；Leu：亮氨酸；Lys：赖氨酸；Met：甲硫氨酸；Phe：苯基丙氨酸；Pro：脯氨酸；Ser：丝氨酸；Thr：苏氨酸；Trp：色氨酸；Tyr：酪氨酸；Val：缬氨酸。
5. 高耗氧有机物的耗氧机制解析
分别以生活污水和纯水为基质体系，底物选择7种高耗氧有机物，开展生化耗氧和化学耗氧模拟实验，结果表明7种高耗氧有机物主要以生物耗氧为主。此外，选择结构相似但化学耗氧速率相差较大的甲硫氨酸和亮氨酸为模型化合物，基于分子前线轨道分析，发现甲硫氨酸上硫原子发生亲电取代反应是导致其化学耗氧潜能较高的原因（图5）。
图5 甲硫氨酸（Met）和亮氨酸（Leu）分子前线轨道分析。
作者简介
第一作者
许晨，同济大学环境科学与工程学院2023届硕士研究生。
通讯作者
徐祖信，同济大学环境科学与工程学院教授、博导，中国工程院院士。
楚文海，同济大学环境科学与工程学院教授，博导，国家自然科学杰出青年基金获得者。
原文链接
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1001074223001456
引用格式
Chen Xu, Zuxin Xu, Wenhai Chu, Shanshan Wu, Rong Xiao, Lei Su, 2024. Identification of high oxygen-consuming substances in stormwater drainage systems illicitly connected with sewage system. J. Environ. Sci. 138, 132-140.
