城市徑流特征與人工濕地處理技術(shù)研究.pdf

1、進(jìn)行城市降雨徑流的處理對降低我國城市非點源污染、促進(jìn)城市雨水的資源化利用和緩解城市水危機(jī)均具有重要的現(xiàn)實意義。人工濕地處理技術(shù)適合城市徑流特征,在城市非點源污染控制以及城市雨水的資源化利用中具有極大的潛力。目前,人工濕地應(yīng)用于城市徑流處理領(lǐng)域的研究較少,尤其是結(jié)合城市徑流水文學(xué)特征和徑流處理人工濕地運行特點及水力學(xué)特征的研究更是十分鮮見,使人工濕地在城市非點源污染控制和雨水資源化利用中的實際應(yīng)用缺乏相應(yīng)的理論基礎(chǔ)和設(shè)計、運行參數(shù)。論文對

2、重慶市不同下墊面徑流的水文學(xué)特征進(jìn)行了監(jiān)測和考察,分析了城市徑流的水質(zhì)、水量特征;對棕櫚湖人工濕地示范工程進(jìn)行長期跟蹤調(diào)研,分析了典型城市徑流處理人工濕地的運行特征和存在的問題;通過模擬城市徑流處理人工濕地的中試試驗,較全面地考察了人工濕地在恒定負(fù)荷、間歇運行下的凈化效果、污染物去除機(jī)理和運行影響參數(shù);模擬城市徑流處理沖擊負(fù)荷條件,進(jìn)行示蹤劑試驗和沖擊負(fù)荷下污染物凈化試驗,探討了徑流處理人工濕地的水流規(guī)律和不同類型沖擊負(fù)荷下人工濕地的污

3、染物去除效果和特點,建立了非穩(wěn)態(tài)條件下人工濕地水力停留時間分布?xì)w一化模型和基于停留時間分布的徑流處理人工濕地污染物去除模型。
　　 城市徑流水文學(xué)特征研究表明,下墊面性質(zhì)是城市徑流水質(zhì)的重要的影響因素,有機(jī)物和懸浮固體是城市徑流污染控制和城市雨水資源化利用應(yīng)重點考慮的污染物去除對象。在所考察的各下墊面中,CODCr、氨氮、SS、TP、濁度及鉛的多場降雨平均濃度EMCA值依次為:屋面徑流＜住宅區(qū)徑流＜校園徑流＜高速公路徑流,其中,

4、SS的EMCA值分別為9.74、163.97、285.06和645.61mg.L-1,SS年污染負(fù)荷率分別為118.8、1058.7、2658.5和7410.6 kg.ha-1yr-1;CODCr的EMCA值分別為28.86、110.59、179.44和394.68 mg.L-1,CODCr年污染負(fù)荷率分別為352.0、714.1、1673.5、4530.3 kg.ha-1yr-1。城市徑流污染過程具有強烈的隨機(jī)性,但初始沖刷特征明顯,

5、初始沖刷效應(yīng)強弱與降雨量、降雨類型及污染物類型有關(guān)。初期雨量是建立在初始沖刷效應(yīng)理論基礎(chǔ)上、以污染總量控制為目標(biāo)的降雨徑流污染特征參數(shù)。論文提出了基于“近似最大雨量Hmax”的初期雨量定義H0/Y％/Hmax,即對于≤Hmaxmm的降雨事件,初期H0mm降雨所產(chǎn)生的徑流能攜帶整場降雨Y％以上的污染物。該定義在傳統(tǒng)初期雨量定義的基礎(chǔ)上考慮了不同降雨事件總降雨量的影響,使得定義的初期雨量H0值更為準(zhǔn)確。
　　 恒定負(fù)荷、間歇運行試驗

6、表明,在水深0.4m、0.1114m3.m-2.d-1(HRT為36h)的恒定進(jìn)水負(fù)荷下隨機(jī)間歇運行,人工濕地對模擬城市徑流中的CODCr、SS、TP以及重金屬Pb的去除效果良好,各污染物年去除負(fù)荷和去除率分別達(dá)到2.128kg.m-2.yr-1和79.6％、3.581kg.m-2.yr-1和94.3％、13.826g.m-2.yr-1和59.3％以及2.101g.m-2.yr-1和76.8％。溫度和季節(jié)對CODCr、SS、氨氮和Pb的

7、去除效果影響不明顯,對TP去除有明顯的影響。水力停留時間HRT、水深和運行前間隔天數(shù)對污染物總體去除率影響的重要程度依次為:HRT＞水深＞運行前間隔天數(shù),間歇運行的最優(yōu)工況為HRT36h,水深400mm。運行試驗1年內(nèi),人工濕地基質(zhì)內(nèi)總固體累積物量增加2.06倍,以無機(jī)成分為主,平均增長量達(dá)10.02mgTSS.g-1填料。硝化是人工濕地除氮的限制步驟,受有機(jī)物水解氨化和異養(yǎng)微生物活動對DO競爭的影響,氨氮年去除率和去除負(fù)荷僅38.4％

8、和21.632g.m-2.yr-1。植物對磷和鉛的年吸收量分別為1.816g.m-2.yr-1和16.579mg.m-2·yr-1,占年總磷和總鉛去除貢獻(xiàn)的13.2％和0.79％;沉積于填料固體累積物內(nèi)的磷和鉛分別為5.372 g.m-2.yr-1和1.586g.m-2.yr-1,分別占年總磷和總鉛去除貢獻(xiàn)的38.9％和75.02％。在間歇運行停止進(jìn)水期間,人工濕地水相中CODCr濃度隨停進(jìn)水天數(shù)的增加而持續(xù)下降,但有機(jī)物芳構(gòu)化程度UV

9、254/CODCr增加:停止進(jìn)水期間,系統(tǒng)內(nèi)DO濃度上升,氨氮濃度大幅度的降低,停止進(jìn)水對增大系統(tǒng)中硝化菌的競爭力和促進(jìn)硝化反應(yīng)是有利的;人工濕地系統(tǒng)內(nèi)pH值隨停進(jìn)水天數(shù)的延長而降低,導(dǎo)致磷的釋放,對后續(xù)進(jìn)水磷的吸附沉淀卻造成了不利影響。
　　 不同水力狀態(tài)(恒定負(fù)荷或沖擊負(fù)荷)下,人工濕地的水力停留時間分布差異懸殊,采用基于動態(tài)流量Q(s)的時間變量φ(φ=1/Vsys∫λQ(t)dt)對RTD曲線時間軸進(jìn)行歸一化處理,可消除

10、流量變化對停留時間分布的影響,將系統(tǒng)的混合、擴(kuò)散等流態(tài)特征獨立出來。歸一化處理后的無量綱RTD曲線對人工濕地所處的水力負(fù)荷狀態(tài)、示蹤劑投加量等因素并不敏感,表現(xiàn)出穩(wěn)定的停留時間分布特征,較原始的RTD曲線更能代表變負(fù)荷條件下人工濕地的特征水流規(guī)律。建立了CSTRs+PFD并聯(lián)模型對歸一化后的人工濕地停留時間分布進(jìn)行模擬。模型含4個參數(shù),可對RTD的峰值時間、峰值高度、傾斜度以及平均停留時間和停留時間分布方差等進(jìn)行調(diào)節(jié)。將污染物去除一級反

11、應(yīng)動力學(xué)與污染物在人工濕地內(nèi)的停留時間分布相結(jié)合,建立基于停留時間分布的徑流處理人工濕地污染物去除模型,對單場降雨非穩(wěn)態(tài)條件下的出水污染物濃度進(jìn)行預(yù)測。模型參數(shù)包括歸一化RTD函數(shù)C(φ)和反應(yīng)容積速率常數(shù)kV。過模擬沖擊負(fù)荷試驗,對CODCr去除模型進(jìn)行參數(shù)率定,得到試驗人工濕地kV為1.580 d-1,該模型精確地描述了水力學(xué)流態(tài)對污染物去除的影響,能良好地模擬人工濕地在不同降雨條件下的出水濃度變化過程,為單場降雨污染物去除效果預(yù)測

12、提供了有效途徑。按與初始沖刷發(fā)生時間的先后分,沖擊負(fù)荷類型對單場降雨中污染物出水濃度有重要影響,污染物去除效率高低依次為:無沖擊＞后期單峰沖擊＞初期單峰沖擊＞有初期沖擊的多次沖擊。但值得注意的是,人工濕地單位面積去除負(fù)荷大小卻依次為:有初期沖擊的多次沖擊＞初期單峰沖擊＞后期單峰沖擊＞無沖擊,表明人工濕地對沖擊負(fù)荷具有一定適應(yīng)性。
　　 棕櫚湖人工濕地示范工程跟蹤調(diào)研表明,通過由于前置調(diào)蓄池的調(diào)節(jié)作用,人工濕地能在較均勻的間歇進(jìn)水

13、方式下運行,對提高人工濕地的處理效率效果明顯。2007年,在總降雨量為1423.2mm,總降雨天數(shù)為143d的氣象條件下,棕櫚湖一期人工濕地停水閑置天數(shù)為135d,進(jìn)水運行天數(shù)為230天,其中恒定進(jìn)水負(fù)荷運行天數(shù)204d,出現(xiàn)水量沖擊負(fù)荷的進(jìn)水運行天數(shù)26d。單場降雨沖擊負(fù)荷中可能發(fā)生污染物出水EMC達(dá)標(biāo)而去除負(fù)荷為負(fù)值的情況,表明已出現(xiàn)濕地內(nèi)部滯留污染物的再懸浮、再溶解和輸出現(xiàn)象,因此,單場降雨沖擊負(fù)荷下污染物的去除效果需從濃度控制和