城市雨水径流污染分析与垂直流人工湿地处理研究

3.0 牛悦 2024-11-11 4 4 1.07MB 81 页 15积分

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摘要

随着我国经济的快速发展，水资源的消耗与污染导致城市水资源缺乏现象日

益严重。城市化进程的加剧，城市人口的急速增加也增加了城市对水资源的需求。

面对着城市水资源短缺的现状，各国研究者均把目光投向城市雨水径流的资源化

利用。降雨是水循环的重要环节，城市径流具有巨大的水资源潜力。随着城市不

透水面积的急速增加，城市径流水量大量增加，不仅影响地下水补给，也给城市

污水处理带来了巨大的压力。对城市径流污水的资源化处理利用可以实现目标节

约用水，对水土流失、水涝的有效控制，缓解水资源危机具有重大的意义。

本文通过对上海理工大学军工路校区区域内的路面和屋面径流以及天然雨水

进行收集监测。分析雨水径流中各污染物随降雨历时、降雨强度、降雨间隔、铺

面材料以及路面状况等影响因素的变化规律。对不同采样点径流水质的污染状况

进行分析，并对径流水质指标浊度、COD、SS、pH、TN、TP、Pb、Zn 和溶解态

铅、锌之间的相关性进行研究，对污染指标间进行线性拟合得到关系式。初步探

讨了径流中重金属污染物的存在状态，确定了颗粒吸附态重金属的含量百分比，

明确了雨水径流处理与资源化利用中重金属污染物的主要去除途径。

根据城市径流的突发性、随机性、颗粒物污染负荷高、可生化性差等特性，

在查阅大量文献资料的基础上，选择了人工湿地系统对该区域雨水径流进行处理

研究。通过对灯芯草、千屈菜、梭鱼草和菖蒲四种湿地植物处理径流污染物的速

率与效率实验研究，以及四种湿地植物对径流污染负荷、pH 适应性分析和植物根

系泌氧能力的研究，结果表明菖蒲是最为适合于雨水径流人工湿地处理系统的湿

地植物。由菖蒲、土壤、陶粒、沸石、稀土瓷砂构建的多填料复合垂直流人工湿

地对该区域雨水径流进行处理实验，研究了水力负荷、植物种植密度及污染负荷

对垂直流人工湿地处理效能的影响，确定了人工湿地处理雨水径流的最佳运行参

数：水力负荷 0.08m3/m2.h、植物种植密度 56 株/m2，以及人工湿地处理雨水径流

的有效工作期和湿地处理能力恢复期分别为 8天和 1天。该人工湿地处理雨水径

流在最佳运行工况条件和有效工作期内对路面径流 COD、SS、TN、TP、Pb、Zn

的处理效率分别达到 90.57%、95.72%、88.74%、77.20%、98.52%、97.52%,处理

水的主要水质指标 COD 25mg/L、SS10mg/L、TN0.51mg/L、TP0.31mg/L、

Pb0.0032mg/l、Zn0.031mg/L 达到城市杂用水标准。该研究成果为雨水径流人工湿

地处理与资源化利用实际工程提供参考。

关键词：区域径流径流水质重金属湿地植物人工湿地

ABSTRACT

With the rapid development of economy, the phenomenon of shortage of urban

water resources is more serious caused by water consumption and pollution.

Urbanization and growing urban population will increase the urban water demand.

Facing the situation, many countries focus on urban rainwater resource. Rain water as

an important part of urban water resources have very big potential. The quantity of

stormwater in urban area become bad with the expansion of impermeable surface in

construction . The increasing of runoff water not only influence on water cycle, but

also increase the burden of city sewage treatment. Urban runoff treatment and

utilization can get the goal of save water, control waterlogging and soil erosion. It’s

significance to ease water crisis.

This article monitors the quality of road runoff, roof runoff and nature rain in the

areas of USST (The University of Shanghai for Science and Technology). According

to the monitoring, this article analysis runoff quality rule changed with some factor:

rainfall duration, rainfall intensity, rainfall interval, paving materials and road

conditions. We monitor and analysis runoff quality of different sampling points.

Analysis the relationship between the runoff water quality indicators(turbidity, COD,

SS, pH, TN, TP, Pb, Zn and dissolved Pb, Zn). Makeing linear fitting of pollution

indicators and get equation. Discuss the existing form of heavy metal in runoff

pollutants, determine the percentage of heavy metal in particle adsorption state, and be

sure the rumoval way of heavy metal in runoff treatment and resource utilization.

Sudden, randomness, particulate pollution load high and poor biochemical property

are all urban runoff characters. In consideration of these characters, the article use

contructed wetland system as urban runoff treatment. We choose wetplan through

experiment. This article researches on the removal rate and efficiency, the adaptability

of pollution concertration and pH of four kinds of wetland plan. The results of the study

show that calamus is the most suitable for stormwater runoff constructed wetland

treatment. The vertical flow wetland system make up with calamues, soil, ceramsite,

zeolite, rare earth porcelain sand. Research on the influence of vertical flow constructed

wetland treatment efficiency by hydraulic load, plant planting density and pollution load.

Determine the best operation parameter of constructed wetland (hydraulic load is 0.08

m3 / m2h, planting density 56/m2), the effective working period (8 days) and recovery (1

day). In the best operation condition, the removal rate of COD, SS, TN, TP, Pb, Zn can

be 90.57%, 95.72%, 88.74%, 77.20%, 98.52%, 97.52% , effluent quality is COD 25

mg/L, SS10mg/L, TN0.51 mg/L, TP0.31 mg/L, Pb0.0032 mg/L, Zn0.031 mg/L and fit

to the water quality standard of GB/T18920-2002. The research provides reference for

stormwater runoff constructed wetland treatment and resource utilization of the actual

project.

Key word: urban runoff, runoff quality, heavy metal,wetland plant,

constructed wetland,

中文摘要

ABSTRACT

第一章绪论 ........................................................................................................... 1

1.1 课题研究背景 ................................................................................................ 1

1.2 国内外雨水径流监测以及资源化利用现状 ................................................ 2

1.3 国内外人工湿地研究应用现状 .................................................................... 5

1.3.1 人工湿地系统研究现状 .......................................................................... 5

1.3.2 人工湿地系应用现状 .............................................................................. 6

1.4 课题研究意义 ................................................................................................ 8

1.5 课题研究内容 ................................................................................................ 9

1.6 本文研究技术路线 ...................................................................................... 10

第二章城市雨水径流水质污染特征与规律研究 ............................................... 12

2.1 实验方法与材料 ........................................................................................ 12

2.1.1 采样点布置 ......................................................................................... 12

2.1.2 采样方法 ............................................................................................. 13

2.1.3 监测方法 ............................................................................................. 13

2.2 实验结果与分析 ........................................................................................ 13

2.2.1 雨水径流水质污染特征与规律 ......................................................... 14

2.2.2 雨水径流水质污染指标的相关性研究 ............................................... 23

2.2.3 雨水径流中重金属的存在形态研究 ................................................... 28

2.3 结论 ............................................................................................................ 31

第三章湿地植物筛选实验研究 ........................................................................... 34

3.1 实验方法与材料 ........................................................................................ 34

3.1.1 实验材料 ............................................................................................... 34

3.1.2 实验方法 ............................................................................................... 35

3.1.3 分析方法 ............................................................................................... 36

3.2 结果与分析 ................................................................................................ 36

3.2.1 湿地植物对径流污染物去除速度分析 ............................................... 36

3.2.2 湿地植物根系泌氧能力分析 ............................................................... 40

3.2.3 湿地植物对污染物耐受分析 ............................................................... 41

3.2.4 湿地植物对雨水径流 pH 的适应性分析 ............................................ 44

3.3 结论 ............................................................................................................ 47

第四章垂直流人工湿地处理城市径流的效能研究 ........................................... 48

4.1 实验材料 .................................................................................................... 48

4.1.1 实验用水 ............................................................................................... 48

4.1.2 装置所用植物 ....................................................................................... 48

4.1.3 填料 ....................................................................................................... 48

4.1.4 实验装置 ............................................................................................... 49

4.2 实验方案与方法 ........................................................................................ 49

4.2.1 实验方案 ............................................................................................... 49

4.2.2 实验方法 ............................................................................................... 51

4.3 实验结果与分析 ........................................................................................ 51

4.3.1 水力负荷对径流处理效果的影响 ....................................................... 51

4.3.2 种植密度对处理效果的影响 ............................................................... 55

4.3.3 污染负荷对处理效果的影响 ............................................................... 56

4.3.4 运行周期分析 ....................................................................................... 58

4.3.5 污染物沿程去除规律分析 ................................................................... 59

4.4 结论 ............................................................................................................ 64

第五章结论与展望 ............................................................................................... 65

5.1 结论 ............................................................................................................ 65

5.2 建议与展望 .................................................................................................. 66

参考文献 ................................................................................................................. 71

读研期间发表论文及取得的科研成果

附录

致谢

第一章绪论

1.1 课题研究背景

水资源是自然资源的重要组成部分，是数量最多、分布最广的自然资源，对

动植物生存有决定性的作用，在经济发展和人民生活中占有重要地位。地球上的

水资源，从广义来说是指水圈内水量的总体。陆地上的可被利用的淡水资源约仅

占地球总水量的 3%，而其中仅有 0.3%的淡水资源较容易利用，其余大部分均为开

发利用难度很大的固定冰川，分布在地球两级地区和中低纬度地区[1]。面对人类社

会的飞速发展，用水矛盾越来越突出[2]。21 世纪水资源面临着空前的危机，水资

源问题已成为全球关注的问题[3

我国水资源总量 28000 多亿m3，居世界第 6位。人均水量只有 2300 m3，世界

排名第 110 位，仅为世界人均水量的 1/4，被联合国列为 13 个贫水国之一[

]。

4]。除了

水资源贫乏外，我国的水资源还具有空间分布不均的特点：占我国国土面积 2/3 的

西北地区，其水资源仅占全国总量的 4.6%；而相对面积较小的南方地区，却拥有

全国 4/5 的水资源[5]。近年来随着社会的发展、城市化和工业化程度的提高，一系

列城市水资源、水环境问题越加凸现出来。全国 600 多座城市中有 60%以上的城

市缺水[6

除水资源缺乏外，城市非点源污染日趋严重也是城市水资源面临的另一个问

题。城市水资源污染主要由点源污染和非点源污染组成。城市化进程使得不透水

地面所占比例越来越大，由暴雨径流所导致的突发性、冲击性和随机性的城市非

点源污染已成为城市受纳水体水环境污染的主要来源之一。据国外相关报道，由

于面源污染所造成的潜在危害已经越来越凸显出来，在一些点源污染已经得到有

效控制的城市，受纳水体中BOD5年负荷的 40-80%来自雨洪产生的径流，由城市

降雨径流等产生的面源污染已成为城市水体污染的主体。如美国约有 60%的河流

和 50%的湖泊污染与非点源污染有关[

]。面对我国现阶段的水资源环境，节约用水和污水的资源化利用受到了广

泛的重视。

7]。我国雨水径流引起的污染问题也很严重，

在太湖、滇池、巢湖等重要湖泊，非点源污染已成为水质恶化的主要原因之一[8

我国对城市雨水径流的水质监测、净化处理以及资源化利用也越来越重视。

但要实现城市雨水径流的有效处理和资源化利用，必须进行径流水质监测、水文

分析、处理技术、资源利用与管理等多方面研究。由于不同地区、即使是同一地

区不同时间及不同降雨的径流水质有很大的差异，国内外只收集了部分城市区域

]。

同时城市的淡水资源匮乏，迫切需要寻找新的供水水源。雨水作为一种很有价值

的水资源，20 世纪 60 年代初发达国家就已开始重视雨水的利用和资源化研究。

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摘要随着我国经济的快速发展，水资源的消耗与污染导致城市水资源缺乏现象日益严重。城市化进程的加剧，城市人口的急速增加也增加了城市对水资源的需求。面对着城市水资源短缺的现状，各国研究者均把目光投向城市雨水径流的资源化利用。降雨是水循环的重要环节，城市径流具有巨大的水资源潜力。随着城市不透水面积的急速增加，城市径流水量大量增加，不仅影响地下水补给，也给城市污水处理带来了巨大的压力。对城市径流污水的资源化处理利用可以实现目标节约用水，对水土流失、水涝的有效控制，缓解水资源危机具有重大的意义。本文通过对上海理工大学军工路校区区域内的路面和屋面径流以及天然雨水进行收集监测。分析雨水径流中各污染物随降雨历时...

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