2022年城区雨水水质净化与保持的人工湿地技术分析研究.docx

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1、城区雨水水质净化与保持的人工湿地技术争论申欢 1，潘永宝 2，胡洪营 11.清华高校环境科学与工程系环境模拟与污染掌握国家重点联合试验室，北京， 100084；2.西安建筑科技高校，环境与市政工程学院，西安710055摘要 ： 采纳潜流式人工湿地对城区雨水中污染物的去除成效和规律进行了争论，结果说明：当水力负荷在0.31.2m/d 之间时，人工湿地对 TP、TN 和浊度的去除成效分别爱护在 2050、 30 55和 8095之间；当水力负荷大于 1.2m/d 时， TN 的去除成效明显下降，但 TP 和浊度的去除成效基本不变；湿地出水中 TP 和 TN 的浓度与相应面积负荷之间存在线性相关关系

2、；人工湿地对 TP、TN 和浊度的去除主要是在前二分之一段的湿地床中完成的；经过处理，储存池中雨水的 TP 和 TN 两项指标可以分别达到地表水环境质量标准 2.Abstract： Pollutants removal for improving water quality of rainwater in urban area using subsurface constructed wetland was studied. The experimental results showed that the removal rates of TP, TN and turbidity were 2

3、050%, 3055% and 8095%, respectively,under the operating condition of that the hydraulic loading rate was 0.31.2 m/d.When the hydraulic loading rate increased to 1.5 m/d, the removal rates of TN decreased observably, but the removal rates of TP and turbidity sustained the same performance on the whol

4、e. TP and TN in the wetland effluent have linear relationtotheir area loading rates. Most TP, TN and turbidity of rainwater were removed in the initial 1/2 of the wetlandbed. After being treated by the wetland, TP and TN of the rainwater in tank could meet the China national standards ofGrade and Gr

5、ade defined in Environmental quality standards for surface waterGB 3838 2002, respectively.Key words： subsurface constructed wetlan；d rainwater；nitrogen；phosphorus11 / 71 前言为明白决水资源短缺的问题，雨水作为一种水资源愈来愈受到人们重视；城市雨水的收集、利 用不仅可以解决城市小区部分用水问题如：处理后的雨水可以用于城市景观水体、绿化、洗车、喷洒道路、消防以及冲厕）；而且可以起到蓄洪的作用，以削减暴雨时城市的排洪量；由于雨水在

6、时空分布上具有很大的不匀称性,大量的雨水往往集中在为期较短的雨季,为能充分利用雨水资源,应实行措施将收集的雨水进行合理贮存；在城市中，通常可将收集的雨水就近储存在大大小小的蓄水构筑物中，如：湖泊凹地、河道、池塘、人工景观水体等，以供使用；由于雨水中含有较高浓度的污染物如 COD 、SS 、N 、P 等） ,再加上大多数雨水储存构筑物内水体的循环流淌性较差，因此水质恶化和由水体富养分化引起的水华现象普遍存在，在严峻的情形下仍会显现雨水恶臭现象，丢失可利用的价值，反而成为新的污染源；因此争论和开发雨水水质净化和保持技术成为了雨水资源化的重要课题；人工湿地是近些年来争论和应用较多的一项水环境生态修复

7、技术；由于人工湿地对污染物的去除负荷较小，因此往往需要较大的占地面积，这就限制了其在城市水环境污染修复方面的应用；为此本文提出采纳新型人工湿地对城区收集雨水的水质进行净化和保持的新方法；第一将雨水储存构筑物四周的绿化带改建为潜力式人工湿地，即在绿化带地面以下建设潜流式人工湿地，在地表种植具有较强除污才能和良好景观成效的植物；将蓄水构筑物中的雨水定期泵入人工湿地进行处理，处理后水自流回蓄水构筑物；这种技术的特点是：将湿地和绿化带合二为一，既能够充分发挥人工湿地处理成效好、运转爱护便利、工程基建和运行费用低等的优点，又能够防止湿地占用城市内有限的土地资源；另外这种新型人工湿地可以完全依据四周建筑区

8、环境的特点进行设计和建设，不仅不会转变建筑区的整体布局，仍会带来良好的景观成效；本文主要争论了潜力式人工湿地对城区收集雨水中污染物的去除成效和规律；2 试验材料和方法2.1 试验系统本争论为清华高校节能示范楼工程的一部分，试验系统建于示范楼旁边；该系统于2005 年 4月底建成， 5 月初开头正式运行；试验系统由雨水储存水池和潜流式人工湿地组成，平面布置如图1 所示；雨水来自试验系统旁边的一座建筑物的屋顶，屋顶铺设水泥砖爱护层；屋面雨水经雨水管直接流入储存池；储存池中的雨水由水泵送至湿地进行处理，经过湿地处理后的水自流入储存池；雨水储存池的面积为32.9m2 ，长 宽为人工湿地雨水储存池雨水布

9、水区集水区泵坑9.4m 3.5m ，有效深度为1.0m ；人工湿地的面积 为32.9m2 ， 长 宽 为 9.4m3.5m ， 平 均 深 度 为0.65m；湿地填料层厚度为0.5m ，表层土层厚0.1m ；图 1 系统平面布置图湿地种植的植物为景观成效较好的水柳、鸢 尾和美人蕉，种植比例为：水柳55、鸢尾 40和美人蕉5%，实行间种的方式种植植物，种植密度为 8 株/m2；2.2 试验用水由于北京地区的降雨主要集中在79 月，为了保证争论能够的进行，在5 月和 6 月里，以自来水为水池的水源，进入雨期后7 月份后）再以雨水作为水池的水源；由于降雨的时间、雨量、雨水中污染物的浓度等因素具有不确

10、定性，不利于进行系统的争论；为此，本试验实行定期向水池中投加肯定量N 和 P 的方式来模拟实际雨水中N 和 P 的浓度；相关资料报道的雨水中TP 和 TN 的浓度范畴分别为0.1 0.9mg/L 和 1 12mg/L 14 ；因此将配水中TP3和 TN 的浓度分别掌握在0.51.2mg/L 和 10 15mg/L之间，在 TN 中 NH 4 +-N 和 NO-N 各占50；2.3 水质监测指标和方法试验过程中，分析的指标包括TP、TN 、 NH 4+-N 、 NO 3-N 、浊度和藻类等；其中TP、TN 、43NH + -N 和 NO-N 等采纳标准方法进行测定5 ；浊度采纳数显浊度仪测定；藻

11、类计数用计数框测定；3 试验结果与争论3.1 人工湿地对雨水的净化成效经过大约50 天的启动运行，湿地对各项污染物的去除成效趋于稳固，且植物也长到了3050cm ，形成了肯定的景观成效，湿地进入了成熟阶段；表1 汇总了进入成熟阶段后人工湿地对雨水水质的净化成效；由表1 可知：1）对 COD 的去除蓄水池水 即进水）中的 COD 很低，在 2.416.6mg/L 之间，主要是由于试验用雨水直接从房顶收集，未流经路面，因此受到的污染较少；另外收集雨水的房顶铺设材料为水泥和砖，不会向外溶出的有机物；当水力负荷为0.6 1.2m/d 时，出水COD 为 1.9 5.2mg/L 之间，去除率为18.4

12、80；当水力负荷为1.5m/d 时， COD 的去除率显现了负值；初步分析，这可能是由于水力负荷过大，水流将湿地中积存的有机物带出造成的；2）对 TP 的去除当进水 TP 浓度为 0.05 0.72mg/L 时，出水 TP 在 0.03 0.42mg/L 之间， TP 去除率在 1366 之间，大部分情形下去除率集中在20 50之间，说明湿地对TP 的去除成效较差；另外，当水力负荷由 0.3m/d 增加到 1.5m/d 时，湿地对 TP 的去除率并没有显现下降的现象，说明水力负荷对TP 的去除成效没有明显的影响；3）对 N 的去除4本试验从 NH 4+-N 、NO 3-N 和 TN 三个指标争

13、论了人工湿地对雨水中N 的去除成效和规律；由表 1 可知，湿地对 NH 4+-N 的去除成效较差，进水NH 4+-N 浓度为 0.047.36mg/L 之间，出水浓度在0.036.12mg/L之间，且在大多情形下，出水NH+-N 浓度高于进水的浓度，NH 4+-N 去除率表现为负值；初步分析造成这一结果的缘由为：湿地中截留一些的物质0.30.60.91.21.5CODTPNH + -N4NO -N3-表 1 不同水力负荷条件下人工湿地对雨水的净化成效进水 mg/L/9.6-16.62.411.85.97.47.813出水 mg/L/2.25.21.944.362.23.310.420.3去除率

14、 %/68.48018.47043.870-20 -60进水 mg/L0.240.430.150.720.050.250.240.540.050.12出水 mg/L0.170.240.130.420.030.130.120.310.030.09去除率 %29.144.213.34229.459.513662540进水 mg/L0.210.340.727.360.097.230.092.140.043.2出水 mg/L1.881.541.265.090.496.120.151.850.032.41去除率 %-498.2-357-341.241.7-410-20.5-66.6 14.85.942.

15、9进水 mg/L0.653.261.4219.351.832.70.7712.70.8917.76出水 mg/L0.080.290.283.100.2415.80.118.150.713.6去除率 %6597.573.69651.788.162.475.716.544.2进水 mg/L2.693.492.2527.112.5840.70.8815.091.1221.19TN出水 mg/L1.421.631.677.991.6623.40.2810.280.9016.31去除率 %44.853.225.570.535.7542267.91638.5进水NTU24.433.110.115.510.

16、212.86.313.74.210.1浊度出水NTU1.12.10.571.831.091.921.022.710.621.07去除率 %91.496.787.595.784.691.480.285.485.391.2湿地对 TN 的去除成效和规律与NO 3-N 的相像；当进水 TN 浓度在 0.1640.7mg/L 之间变化，湿地出水TN 在 0.26 23.4mg/L 之间， TN 的去除率为 16 70.5；当水力负荷为0.3 1.2m/d 时， TN 去除率在 25.5 70.5之间，大部分情形下去除率集中在3055 之间；当水力负荷由1.2m/d 增加到1.5m/d 时， NO 3-

17、N 的去除率却从25.570.5% 下降到 16 38.5%；L/ g m P T水出地湿L/gm N T水出地湿TP 面积负荷 g/m 2dTN 面积负荷 g/m 2d图 2 TP 和 TN的湿地面积负荷与出水浓度之间的关系本争论比较了潜流式人工湿地TN 和 TP 的面积负荷与各自出水浓度之间的关系，结果如图2所示；由图 2 可知，湿地出水中TP 和 TN 的浓度随相应面积负荷的增加而上升，通过回来分析发觉它们之间分别存在如下线性关系：TP=2.03N TP-0.02 ， R2 0.66； TN=0.5N TN +0.91 ， R2 0.93；式中： N TP 和 N TN 分别表示湿地承担

18、的TP 和 TN 的面积负荷，单位均为g/m2d；TP 和 TN 的单位为mg/L ；TN 和 NTN 之间的线性相关性好于TP 和 N TP 之间的线性相关性；面积负荷与出水浓度之间的这种相关关系为人工湿地的设计供应了依据；例如：要使湿地出水中TP 和 TN 的浓度分别小于0.2mg/L 和 1.5mg/L ，就选取的相应湿地面积负荷就应当小于0.11gTP/m 2d 和 1.2gTN/m 2d；再跟据每天进入人工水体中TP 和 TN 的数量以及所选取的面积负荷即可运算出需要多少面积的湿地；3.3 污染物在湿地沿程中的变化规律本争论比较了TP、TN 和浊度在湿地沿程中的变化情形，结果如图3

19、所示；其中在考察TN 的沿程变化规律时，湿地的水力负荷为0.6m/d；考察 TP 和浊度的沿程变化规律时，湿地的水力负荷为 0.3m/d；由图 3 可知，当 TP、 TN 和浊度的进水浓度分别为0.57mg/L 、11.3mg/L 和 33.5NTU 时，出水分别为 0.31mg/L 、 4.9mg/L 和 1.1NTU ，去除率分别为 45.6、 56.6和 96.7；在湿地床的前二分之一段里，污染物的去除成效较为明显，TN 、 TP 和浊度的去除量分别占整个系统去除量的85.3、 96.8和 96.6 ；而在后二分之一段里，随着距离的增加污染物浓度仅略有降低；这一结果说明景观型湿地对TP、

20、TN 和浊度的去除主要是在前二分之一段的湿地床中完成的；3.4 蓄水池内水质的改善成效为了考察人工湿地是否能长期将蓄水池内的水质保持在一个较好的水平，本部分争论支配了如下的对比试验：试验一：停止湿地运行，在蓄水池内蓄集雨 水并掌握水位约为0.5m；蓄水池内雨水的水质情 下 ： TP 0.25mg/L 、 TN 5.3mg/L 、 氨 氮 1.6mg/L 、COD 10.9 mg/L 、浊度 10.1NTU ，况 如L/gm浓度P水 温T大约在 28 33；经过大约5 天时间，蓄水池内 爆发了严峻的水华，水体呈墨绿色，较为混浊，稍微的腥味散出；水中藻类的数量为32.2 107/L ，浊度为 26

21、.2NTU ，透视深度不足 0.2m；L/g且 有m度个浓 N T试验二：将水力负荷掌握在1.5m/d ，采纳景 观UN型湿地对蓄水池中已经恶化的水进行处理；经T浊天的处理，蓄水池中的藻类的数量减小到1.75度过 3 107个/L，浊度下降到7.4NTU ，没有腥味散出，水体 清澈见底；经过 7 天的处理后， TP 0.08 mg/L 、1.23mg/L ， COD 11.8 mg/L 、浊度 4.2 NTU ；距离 m图 3 湿地沿程的处理成效TN 其 中TP 达到了地表水二类水体的水质要求，TN 达到地表是三类水体的要求6；试验结果说明，景观型湿地可以有效改善雨水蓄水池中的水质，并能够将雨

22、水蓄集池中水的水质保持在较好的水平，可以满意多种雨水利用的需要；4 结论1 ）当水力负荷在0.3 1.2m/d 之间时，人工湿地对TP、 TN 和浊度的去除成效分别爱护在20 50、 30 55和 80 95之间；当水力负荷大于1.2m/d 时， TN 的去除成效明显下降，但TP 和浊度的去除成效基本不变；2 ）人工湿地出水中TP 和 TN 的浓度随相应面积负荷的增加而上升，它们之间存在线性关系；3 ）人工湿地对 TP、TN 和浊度的去除主要是在前二分之一段的湿地床中完成的；:33 372 车伍 ,刘燕 ,李俊奇 .国内外城市雨水水质及污染掌握J. 给水排水 ,2003,2910:38 423 车武 ,刘红 ,汪慧贞等 .北京市屋面雨水污染及利用争论J.中国给水排水 ,2001,176:57614 赵剑强 .城市路面径流污染的调查J. 中国给水排水 ,2002 ,171:33 355 国家环保局水和废水监测分析方法编委会水和废水监测分析方法M 北京：中国环境科学出版社 , 19986 国家环境爱护总局，国家质量监督检验检疫总局.地表水环境质量标准 GB 3838 2002.