城市排水系统硫化氢恶臭污染现状与控制技术

硫化氢（H₂S）是城市排水管道中的常见污染物。作为一种恶臭、有毒、腐蚀性的气体，它在污水管道内的产生和释放会引发恶臭污染、导致管道大面积腐蚀破损、甚至严重威胁周边人员的安全与健康。据相关报道，近年来我国排水管道硫化氢污染引发的环保投诉数量呈现快速上升的趋势，硫化氢中毒致死事件频发，管道腐蚀漏损问题严重。此外，H₂S也是城市水体黑臭的直接肇因。因此，城市排水系统中的H₂S污染问题日益受到重视。

地下深层隧道排水系统中的H₂S污染

在各种类型的城市排水系统中，地下深层隧道排水管道系统（Deep-Tunnel Sewer System, DTSS）中的H₂S污染问题显得更为突出。在人口密度大、土地稀缺的大型城市，DTSS系统可以将污水收集输送到大型污水处理厂进行集中处理，有效解决建设多个分散式小规模污水处理厂的占地问题和管网排水不畅问题。全球范围内已有众多DTSS建成并投入使用，例如香港的“净化海港计划”（Harbour Area Treatment Scheme, HATS）所建设的跨海深隧排污管道系统(长44.6km）、新加坡深隧排水系统（长约100km）、迪拜深隧排水系统（长40km）。在中国大陆，DTSS作为一种无需拆迁就能解决城市内涝、污水长距离输运等问题的新方法，也得到越来越多的重视。目前，中国在建和规划建设中的深隧排水管道系统包括广州（约90km）、北京（约100km）、武汉（约20km）以及上海苏州河深隧排水工程（15.3km）等等。考虑到我国正处于快速城市化的进程之中，可以预见在未来将会有大量的DTSS系统建成和投入使用。

然而，与普通的排水系统相比，DTSS系统中的H₂S污染问题更加严重。这是由于DTSS系统埋深大（20-200m）、管道输送距离远，污水在厌氧条件的管道中停留时间长，更容易滋生硫酸盐还原菌，促进H₂S的产生。

香港HATS跨海深遂排污管网系统

以香港HATS地下排污管网系统为例。HATS跨海深遂排污管网系统是世界最深、亚洲最长的DTSS系统。该系统是香港有史以来最大的市政工程项目，将维多利亚港两岸的16个初级污水厂、180万m³/d的污水统一收集并通过一个埋深达到70m -170m的跨海深遂排水系统输送至昂船洲污水处理厂（SCISTW）进行集中处理。该项目包括一期工程（HATS 1）和二期甲工程（HATS2A），总投资高达258亿港元。

2015年，受香港特区政府渠务署委托、中山大学的江峰教授与AECOM Asia Ltd.、香港科技大学合作，对HATS 1展开了调查研究，发现该管网每天排出总硫化物高达2089 kg S/d，其中1410 kg S/d是在污水输送过程中产生。在管网出口SCISTW的湿井内，H₂S实测平均浓度为219ppm，最高浓度720 ppm，已经达到了短时间暴露致死的危险水平。虽然有关部门已在管网出口安装除臭系统，但高浓度的H₂S仍然对周边的环境质量和人员健康造成严重威胁。而且，地下深遂排水系统中产生的硫化氢若在管内局部聚集造成腐蚀破损，其修复将极为困难。因此，H₂S的控制势在必行。

H₂S的产生机制与污染控制技术发展

H₂S虽然是气态污染物，但其根源是城市排水管道底泥与生物膜内部的硫酸盐还原菌（SRB）活动产生的溶解态硫化物。因此生物膜中的生物化学反应与微生物活动是制约H₂S形成的首要因素。其次，硫化物从生物膜产生后，需要跨过固液界面进入污水，并形成溶解性H₂S分子，再跨过气液界面进入大气才会造成污染。因此在污水中施加化学药剂，例如氧化剂（双氧水、硝酸盐等）、金属沉淀剂（铁盐等）、碱(NaOH、Mg(OH)₂等)和生物抑制剂（如亚硝酸FNA）等可以有效控制H₂S生成与释放。

排水管道中H₂S污染的形成、转化与释放

但是，排水管网中水质、水量和生物膜特性的高度时空差异，意味着H₂S的产生与释放过程是动态波动的，准确的化学药剂投加策略是平衡H₂S控制效果与运行费用的关键。而且，若策略不当，过量投加的化学药剂如硝酸盐、强碱和生物抑制剂，都可能对下游的污水处理厂和受纳水体的水生生态系统带来显著威胁。

江峰教授课题组发现，采用间歇式投加硝酸盐的策略，虽然在前期能压制H₂S产生，但后期反而会导致H₂S产率大幅反弹，甚至远超未投加硝酸盐时的H₂S污染水平²。这其中的关键机制，是NO₃^-氧化H₂S形成的S⁰沉积在生物膜/底泥中，在厌氧条件下形成的多硫化物S_n^2-，与SO₄^2-相比更容易被还原为H₂S。同样的，向排水管道中投加铁盐的实施策略也对H₂S控制效果有显著影响。当FeCl₃投加剂量足够大时，其沉积在生物膜/底泥中，可以对SRB的活动造成抑制，但其抑制效果取决于生物膜/底泥的厚度。考虑到大剂量投加带来的成本迅猛提升，小剂量持续投加以锁定、沉淀水中的硫化物，是更平衡的控制策略³。与FeCl₃相比，磁性铁基颗粒材料（Fe⁰@FeIII）可以更有效地抑制生物膜和底泥的SRB活动，而且其廉价、易回收、可再生的特点，可以实现对排水管网和城市黑臭河道中H₂S污染的稳定、长效控制⁴。

数学模型在排水管网H₂S污染控制中的作用

H₂S控制技术的有效性，取决于其实施策略的准确性。但地下排水管网的复杂性和水质水量条件的波动特征，使得最优实施策略难以确定。特别是对于DTSS这种难以实施内部探测监测的排水系统，数学模型是了解其内部产硫情况的唯一手段。

为此，江峰课题组开发出基于生物膜的污水管道水质数学模型（BISM），该模型可以准确模拟动态条件下的生物膜内部微生物群落结构演变和H2S在排水管网中的产生、迁移、转化与释放过程⁵。BISM模型前期已在香港东涌、屯门的市政排污干管和香港国际机场的排水管网系统中进行了验证，准确模拟了其中的H₂S产生与释放过程⁶。借助模型，也发现了水质条件的改变（特别是厨余废物进入排水系统），会显著改变生物膜并增加H₂S和CH₄产率^{7, 8}。

在HATS 1中的H₂S污染控制工作中，BISM发挥了重要作用。数学模拟结果显示，有悖于传统认知，在大型DTSS中H₂S浓度的产生并不是线性累积的，上游管段反而有更高的H₂S浓度。但绝大部分（89%）的H₂S却产生于下游管段中。HATS 1中超过一半的硫化物产生于从TKW初级污水厂到管网终点SCISTW的管段E。其主要原因是下游管道有更大的水量、更长的水力停留时间和更低的溶解氧水平。这为H₂S控制技术的实施提供了指引，即化学药剂应投加在接近管网出口的TKW初级污水厂。同时，以动态的H₂S浓度波动数学模拟结果为依据，也提出了更为精准的控硫技术实施策略，进而显著降低管网出口的H₂S浓度至安全水平¹。

HATS 1 跨海深遂排污管网系统中各管段的硫化物浓度分布

这一工作得到香港特区政府渠务署的高度评价，2017年江峰教授受邀在香港渠务署国际研发论坛做特邀报告，会后获渠务署官方书面致谢：“Indeed, your contribution in identifying the key factors of odour formation in the Hong Kong’s sewage conveyance system is tremendous.”

总结与展望

城市排水管网系统的H₂S污染，对周边环境、居民健康和管道寿命都有严重威胁。当前国内市政排水设施的管理机构尚未重点关注这一问题，但香港和国外的案例表明，H₂S污染问题可造成严重后果。随着我国DTSS管网的大规模建设和运行，以及部分城市河道逐渐变为排水管涵，H₂S污染问题将越来越突出，对相关污染评估与控制技术的需求也将水涨船高。江峰教授课题组在这一领域经过10多年的潜心耕耘，已经积累了一系列污染评估与控制技术，未来有望继续推动相关技术的发展与应用，以期为我国的水污染控制工作提供助力，共同实现“绿水青山”。

相关主要论文成果

1. Liang, Z.-s.1; Sun, J.1; Chau, H. K.-m.;Echo, I.; Leong, M.; Wu, D.; Chen, G.H.; Jiang, F.* Experimental and modelling evaluations of sulfide formation in a mega-sized deep tunnel sewer system and implications for sewer management. Environ. Int., 2019, 131,105011.

2. Liang,S.; Zhang, L.; Jiang, F.*, Indirect sulfur reduction via polysulfide contributes to serious odor problem in a sewer receiving nitrate dosage. Water Res., 2016, 100,421-428.

3. Cao,J.1; Zhang, L.1; Hong, J.; Sun, J.; Jiang, F.* Different ferric dosing strategies could result in different control mechanisms of sulfide and methane production in sediments of gravity sewers. Water Res., 2019, 164, 114914.

4.   Sun,J.; Yang, J.; Liu, Y.; Guo, M.; Wen, Q.; Sun, W.; Yao, J.; Li, Y.; Jiang, F.* Magnetically-mediated regeneration and reuse of core-shell Fe0@FeIII granules for in-situ hydrogen sulfide control in the river sediments. WaterRes., 2019, 157, 621-629.

5.   Jiang,F.; Leung, D. H. W.; Li, S. Y.; Chen, G. H.*; Okabe, S.; van Loosdrecht, M.C. M. A biofilm model for prediction of pollutant transformation in sewers. WaterRes., 2009, 43, (13), 3187-3198.

6.   Liang,Z.-S.1; Zhang, L.1; Wu, D.; Chen, G. H.; Jiang, F.* Systematic evaluation of a dynamic sewer process model for predictionof odor formation and mitigation in large-scale pressurized sewers in Hong Kong. WaterRes., 2019, 154, 94-103.

7.   Zan,F.1; Liang, Z.1; Jiang, F.*; Dai, J.**; Chen, G. H. Effects of food waste addition on biofilm formation and sulfide production in a gravity sewer. WaterRes., 2019, 157, 74-82.

8.   Zan,F.; Dai, J.; Jiang, F.**; Ekama, G. A.; Chen, G. H.* Ground food waste discharge to sewer enhances methane gas emission: A lab-scale investigation. WaterRes., 2020, 174, 115616.

本文作者是来自中山大学的江峰，他凭借”基于硫循环的水污染控制技术研究与应用”工作获得了2019年度'首创水星奖'产业创新类金奖。

“首创水星奖”由国际水协会中国青年委员会（IWA Young Water Professionals China Chapter）与北京首创股份有限公司联合创立，旨在推进中国水与环境领域青年科技人才开展创新基础研究、核心技术开发与产学研融合，推动并引领水与环境产业技术进步和跨越升级。

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