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,
目录
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
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。
城市雨水径流污染分析与垂直流人工湿地处理研究
2
和有限时间内的雨水径流水质资料，水质监测还需要长期的投入大量的人力、物
力和财力，城市径流水质的监测任务相当繁重。这也是本课题的重要工作内容之
一，即通过对上海理工大学附近区域雨水径流水质监测，分析其水质特性，找到
水质变化规律，以减轻监测工作量，为上海雨水的资源化利用提供基础资料，为
雨水径流的处理利用奠定基础。
由于雨水径流的水质污染具有突发性、随机性、初期污染负荷高、随季节地
区变化大，雨水水质的可生化性差等特点。国内外学者对城市径流的混凝沉淀、
过滤、超滤等处理技术进行了广泛研究应用，由于物化处理技术存在二次污染、
造价及运行管理等多方面的问题，因此，寻求经济生态的径流处理技术和方法是
当前研究的热点。人工湿地处理技术是近年来发展起来的新型的生态化处理技术，
人工湿地在发达国家兴起，其技术也日趋完善。我国对人工湿地的研究起步比较
晚，对于人工湿地应用于雨水径流处理方面的研究资料还比较缺乏。因此，本课
题采用生态化垂直流人工湿地对城市径流进行净化处理研究，它不仅可以将雨水
污染处理利用与景观建设有效结合，而且具有高效率、投资低、运行能耗低、管
理方便等特点，在城市径流处理方面有广阔的研究及应用前景。
1.2 国内外雨水径流监测以及资源化利用现状
面对城市水资源缺乏和径流严重污染水环境的现状，国内外专家学者对径流
污染特性进行了大量的研究，采取多种处理技术对雨水径流污染进行控制治理，
并寻求各种途径对径流进行资源化利用。目前，欧洲、美国、日本等发达国家在
雨水径流水质监测、处理技术研究及资源化利用方面已走在了世界前列。
现代城市雨水径流利用发展较快的是德国、美国和日本。德国是欧洲开展雨
水利用工程最早的国家之一，并在城市雨水径流的水质监测方面进行了大量的研
究。德国W.F.Geiger教授针对屋面径流和路面径流污染程度不同分别进行研究，总
结了德国屋面、路面径流部分指标的平均值、低值、中值、高值[9]，为雨水径流分
质分流处理思路奠定了基础。德国自二十世纪八十年代末就把城市雨水的管理和
利用列为九十年代水污染控制和城市生态环境改善的三大课题之一，对城市雨水
径流的利用展开了大量的研究，修建了大量的城市及小区雨水收集及处理利用设
施。如德国柏林建造的第一座生态办公楼。目前，德国的雨水利用技术己发展到
第三代，实现了处理设备、设施高度一体化、集成化特征 [10][11
美国EPA在1981-1983 年投入 1.5 亿美元进行“全美城市径流项目”研究，在
许多大城市大量收集雨水水质资料分析雨水径流水质特性[
]。
12][13]。通过大量的实验
研究，Sansalone (1997)指出城市路面径流中的主要污染物有固体物质、营养物质、
第一章 绪论
3
重金属、油和脂等[14]。美国以提高雨水的天然渗透能力，使雨水回灌地下水达到
对雨水径流污染的控制和雨水的资源化利用。如美国加州富雷斯诺市的地下回灌
系统，在l971—1980 的十年间，其回灌量达到该市用水量的 20%，总量达到 1.338
亿m3。美国还借助法律的手段来促进雨水资源的渗透利用，制定了一些列的相关
法律，多个州市均制定了《雨水利用条例》。这些条例对新开发区的暴雨洪水洪峰
流量具有严格规定，并且所有新开发区必须实行“就地滞洪蓄水”[15
日本[
]。
16
其他各国也对于雨水的监测与利用进行了大量研究。韩国学者Lee Jun-ho等人
[
]主要是通过对雨水径流的收集处理使其达到城市杂用水标准应用于城
市日常生活，以达到雨水资源化利用的目的。从 1963 年开始兴建蓄洪池对城市径
流进行收集，并将蓄洪池收集到的雨水经过处理用作城市杂用水。许多城市在屋
顶修建“空中花园”，可以在美化环境的同时，减少城市径流水量。日本充分的利
用地下空间，在很多大型建筑下修建蓄水池。日本还通过颁布“第2代城市下水总
体规划”促进雨水就地下渗设施的应用，并将渗透塘、透水地面等作为城市规划的
一部分。
17]通过对城市降雨径流的监测分析表明，影响城市径流水质的主要因素包括降雨
历时、降雨强度、前期晴天数、降雨量、汇水区特征（地形、下垫面材料特性、
全年风向、地表污染物累积特点）和雨水管网特性（管的材质、管道的坡度、管
网破损程度）。 Viklander (1998)对瑞典街道上颗粒物粒径分布以及颗粒物吸附重金
属的含量进行监测，分析交通流量及周围区域环境对其的影响[18]。Drapper等对澳
大利亚布里斯班市的 21 个路面采样点进行了历时 18 个月的监测，监测其中 12 场
降雨，对径流中的悬浮颗粒物、凯氏氮、总磷、重金属等污染物的浓度变化规律
进行分析，并着重研究了径流中污染物的浓度与采样点交通量、路面类型之间的
关系[19]。加拿大通过互联网收集了 1970-1995 年间的 140 份关于雨水径流水质的
文献，归纳了部分主要污染物的变化范围[20
我国专家、学者近年来也对雨水径流污染与治理进行了研究，北京市经连续
四年对城区雨水径流进行监测分析，结果表明北京市初期雨水径流污染严重[
]。近年来，国外城市开始关注不同汇
水面的分流水质情况，法国的研究者对巴黎市中心瓦屋面、石板屋面、锌板屋面、
三个庭院和六个街道取样点的 16 场雨进行监测分析，表明了庭院和街道径流的污
染比屋面的严重。
21]。
车伍等教授对北京市的屋面、路面径流水质研究表明，城区屋面雨水径流污染严
重，油毡 沥青屋面COD高达上千，且可生化性差，BOD/COD一般在 0.1-0.2 左右。
屋面径流污染与屋面材料有直接关系，油毡沥青屋面材料是一种主要污染源，此
外还受空气污染情况、气温、降雨量与降雨强度等多种因素影响[22]。侯立柱，丁
城市雨水径流污染分析与垂直流人工湿地处理研究
4
跃元，冯绍元对北京五种下垫面的雨水径流进行研究，结果表明径流的主要污染
物为有机物、营养物和颗粒悬浮物，径流污染主要来源于下垫面的污染物积累。
屋面初期径流的NH3-N、高锰酸盐指数及挥发酚等均劣于地表水Ⅴ类水质标准；绿
地径流水质虽属Ⅴ类标准，但与Ⅲ类标准相比仅NH3-N超标；路面初始径流的污染
最为严重，COD高达 493.5mg/L。各下垫面的水质优劣情况：天然降水>绿地径流>
屋面径流>机动车道径流[23]。李田等[24
李立青和尹澄清等[
]在北京和上海等地区进行了城市雨水径流污
染的相关调查研究，结果显示，径流污染占水体污染物总负荷的比例高达 10%。
25
甘华阳和卓慕宁等人[
]连续三年对武汉市汉阳城区降雨雨水径流污染物进行
了监测，结果表明城市降雨径流占了受纳水体污染负荷很大的比例，其中 3 个没
有实施截污工程的雨污合流制集水区降雨雨水径流污染物中SS、CODCr、TN、TP
分别占集水区总污染负荷的 59.4%、26.3%、11.2%和 10.1%。
26
黄金良对澳门路面径流研究结果表明两场路面径流COD浓度和浊度很高，其
中EMCCOD高达 80.1mg/L，浊度高达 2619.5NTU。重金属Pb、Zn、Cu污染严重。
路面径流的水质参数随降雨径流历时变化的过程曲线,很大程度上取决于降雨特
征、路面交通流量和路面垃圾清扫状况[
]通过对 2005-2006 两年广州市内某路段的七场路面雨
水径流进行同步监测。结果显示石油类、CODCr、悬浮固体和重金属Pb等指标的污
染水平虽然与国内其他城市的研究结果在同一范围，但都高于国外发达国家的研
究结果，反映出我国在路面环境维护和管理上与国外的差距；并且这些指标都大
大超过Ⅲ类标准，若不经处理直接排放进入地表水体，可能会对受纳水体主要是
珠江水质造成严重污染。
27
李倩倩，李铁龙等通过对天津市 3条典型主要交通干线雨水径流中的 5种重
金属进行监测分析，表明径流中的主要重金属污染物为：Fe、Cd、Cr，且各种金
属污染物间存在相关性，具有同源性。重金属主要是以吸附于颗粒物上的形式存
在。通过分析可知，对重金属污染影响最显著的条件是降雨强度和前期晴天数，
其次为降雨历时[
]。
28]。张娜 赵乐军等通过对天津城区三个主要功能区（商业区、文
教区和居住区）的路面降雨径流监测，分析了天津市区路面雨水径流的污染程度
和径流污染的基本特征 [29
上海理工大学对部分地区的屋面径流、路面径流和庭院径流水质进行监测，
并以此和国内外其他大型城市径流水质进行了对比，发现上海地区水质大部分指
标比北京好，但比欧美发达国家的要差[
]。
30][31]。李贺、李田通过对 2003-2006 三年
间上海市文教区屋面径流进行监测，分析屋面径流污染物的出流过程，并通过聚
类分析得出结论，屋面径流水质整体上受大气沉降等污染物累积效应的影响最大，
摘要：

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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