湖滨区初期暴雨径流强化净化工程技术研究

摘要

随着我国社会经济的发展，大量未经处理的生活污水、工业废水和面源污染进入湖泊，导致滇池、太湖、巢湖等一些大型湖泊和杭州西湖、武汉东湖、南京玄武湖、无锡五里湖等城市湖泊产生严重富营养化现象。当前，国家水污染治理工作的开展使城市生活污水及工业废水等点源污染得到初步控制，上述湖泊富营养化现阶段的主要原因在于面源污染，而暴雨径流是面源污染的主要途径之一，因此有效控暴雨径流对缓解城市湖泊富营养化具有重要的意义。 本文以国家科技部重大科技专项太湖项目“太湖水污染控制与水体修复技术及工程示范”的第三子课题“重污染水体底泥环保疏浚与生态重建技术”(项目编号：2002AA601013)为背景，目的是开发能控制太湖流域湖滨区初期暴雨径流携带的氮磷污染的强化生态处理技术。 本研究引进日本的大通量推流型生态砾石人工湿地，在上海交通大学闵行校区建立了60td<'-2>的中试装置，并进行一年的前期验证实验。在前期验证研究的基础上，提出了控制城市湖泊湖滨区初期暴雨径流污染物新的集成强化工艺：三段式潜流生态砾石人工湿地。在实验室基础研究阶段：经过对人工湿地生物脱氮和湿地基质物化脱氮的比较，并结合无锡市西五里湖湖滨区的地理特点及湖滨区的景观建设，选择物化脱氮作为湖滨区初期暴雨径流氮污染物强化去除的技术途径；自主开发了新型除磷功能填料，并考察了其动力学特性，作为人工湿地的基质。在中试研究阶段：将6Otd<'-2>的前期中试装置改造为三段式潜流生态砾石人工湿地，使用模拟初期暴雨径流污染物的富营养化水体进行为期220d的连续流强化净化效果实验。在示范工程研究阶段：将上述小试和中试的研究成果，应用在无锡市西五里湖渤公岛湖滨区初期暴雨径流强化净化现场，建立了控制流域面积为4．41x10<'4> m<'2>的示范工程，取得了良好的不范工程规模的处理效果。 在国际合作伙伴：日本国立环境研究所的实验场进行一年左右的人工湿地对污染物净化效果实验，湿地氧化还原电位特征、湿地植物根区的形态特征和氨氧化菌的数量与分布之间多因素、相互时空变化关系解析实验。实验结果表明：芦苇、茭白和香蒲的根区深度在湿地基质表面以下一20～一30 cm，在秋、冬季节，即植物枯萎期，从形态照片发现植物根部与夏季差别不大，但湿地系统对BOD<,5>、TN和NH<,4><'+>-N的去除性能普遍下降；沿湿地系统的垂直方向，在湿地基质表面以下一20～一30 cm区域，氧化还原电位明显上升，最高达到257 mV，呈现一个正峰值，在一40 cm植物根部很难达到的区域，氧化还原电位为负值，最低为一312mV，呈现一个负峰值；湿地系统中氨氧化菌主要分布在湿地基质表面以下一20～一30 cm植物根部区域，其数量是空白对照床的3～5倍。芦苇根系最发达，其根部区域的氨氧化菌为3.61～5.37x10,'8>Cellg<'-1>soil；在夏季，进水浓度为模拟湖滨区初期暴雨径流的实验组中，植物对氮的吸收和去除性能良好，介于68.4～71.1％之间。 通过考察三种吸氨材料的氨氮吸附性能，发现改性沸石比天然沸石和蛭石具有更大的氨氮吸附容量，为14.87 mg g<'-1>。静态实验显示，改性沸石对初始浓度为1.6 mgL<'-1>的氨氮吸附的最佳用量为4 gL<'-1>，在上述(最佳用量)条件下，改性沸石对氨氮的去除率在半小时内即可达到66％，同时，发现随着初始氨氮浓度的增加，改性沸石对氨氮的去除率亦提高。动态实验显示，水力停留时间越长、初始浓度越高，改性沸石滤柱对氨氮的去除效果越好。此外，改性沸石对氨氮的去除随着运行时间的延长而下降，最佳的运行时间应控制在20 h以内。 通过考察四种吸磷材料的吸磷性能，发现粉煤灰对磷具有较大的吸附容量，适合作为人工湿地除磷的基本材料。在此基础上，通过免烧工艺研制出直径为5cm的新型除磷功能填料，其具有如下特点：对磷吸附容量为3.55 mgg<'-1>，对磷的吸附曲线符合Langmiur公式，并具有良好的抗压强度，最低的抗压强度为1.51 MPa。动态实验显示，除磷功能填料的水力停留时间越长，对磷的去除率越高。 中试研究阶段，三段式潜流生态砾石人工湿地模拟初期暴雨径流污染物的富营养化水体的强化净化效果实验表明：由于三段式潜流生态砾石人工湿地充分发挥了脱氮除磷功能填料的物化吸附性能，从而显示出比推流型砾石人工湿地更好的去污特性。在稳定运行阶段，当水力停留时间为4～5h，其对CODe<'Cr>、TN、NH4<,+><'+>-N和TP的平均去除率分别为62％、45％、61％和64％，出水透明度在1 m以上，吨水运行成本为0.31Yuan。 现场的示范工程运行结果表明：采用前置存储调节池和三段式潜流生态砾石人工湿地的组合工艺，能够有效地解决以往初期暴雨径流难收集、传统处理工艺占地面积大和对氮磷污染物去除率低的问题。经过2005年7～9月暴雨期的现场跟踪监测分析，示范工程对总氮、氨氮和总磷的平均去除率分别为51.2％、65.6％和64.8％，此外，示范工程占地130m<,2>，完全为地埋式结构，地表与湖滨带的景观建设协调一致。由于整个示范工程利用自然标高，无需任何动力，运行成本较低，每年的运行成本为0.21 Yuan(m<'2>)<-1>，控制的流域面积可以达到4.41×10<'4>m<'2>(按具有湖滨区普遍意义的草坪面积计算)。 作为一项高效、低成本和免管理的生态处理集成新工艺，这项技术适合太湖流域乃至全国城市湖泊湖滨区的初期暴雨径流污染控制，在流域面源污染防治方面具有推广应用前景。

目录

文摘

英文文摘

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第1章绪论

第2章人工湿地强化脱氮的研究

第3章人工湿地强化除磷的研究

第4章三段式潜流生态砾石人工湿地的中试研究

第5章湖滨区初期暴雨径流强化净化示范工程研究

第6章结论及展望

参考文献

攻读博士学位期间发表的学术论文

致谢

上海交通大学学位论文答辩决议书