城市雨水径流污染特征分析与资源化利用渗滤系统研究

摘要

随着城市进程的加快和经济的发展，按照中国水资源现状，中国面临的水资源短缺的问题将越来越严重，雨水作为一种特殊的可再利用的水资源而受到广泛的关注。对雨水进行简单的资源化后就可以达到回用的目的，主要用来景观、绿化、洗车、冲厕等。目前雨水资源化的工程措施主要有绿色屋顶、渗透性路面和生物滞留池，而这些工程措施对污染物的去除都无一例外的用到了填料的吸附渗滤作用，因此，填料层是工程措施的重要组成部分。因此，分析雨水中的污染物成分和特性，研究填料的吸附性能，考察渗滤系统对雨水的净化效果成为目前雨水资源化的研究热点。　　针对中国面临的水资源短缺问题，本文在分析雨水径流污染特征的基础上，旨在构建一种短流程雨水资源化渗滤系统，以期达到对雨水污染进行简单的处理即可回用的目的。选取重庆市悦来国博中心为研究区域，分析了雨水径流污染物成分组成和污染特性。以模拟雨水为处理对象，研究了活性炭、沸石、陶粒和石英砂等填料的吸附性能和影响因素，考察了雨水渗滤系统对不同污染物的去除效果，构建了短流程雨水回用系统，用于处理实际雨水污染，并在实验研究的基础上，将该系统放大到工程规模后对其进行了技术经济分析，具体研究内容和结论如下：　　1、重庆市悦来国博中心雨水径流污染特征分析表明：pH、SS、TN、TP、TFe和COD等污染物浓度随降雨时间的进行而不断下降，最终趋于稳定。绿地、屋面和道路雨水径流的污染较为严重，各污染物的浓度均超过GB/T18921-2002《景观环境用水水质》标准，直接排入受纳水环境会造成污染，需要经过处理。初期冲刷效应分析表明，道路、屋面和绿地雨水径流均存在不同程度的初期冲刷效应，其中道路雨水径流FF30-FF40携带的污染物Fe、TP、TN、SS、COD分别为80%-84%、78%-88%、46%-54%、65%-74%、84%-85%；屋面雨水径流FF30-FF40携带的污染物Fe、TP、TN、SS、COD分别为79%-81%、53%-64%、37%-51%、69%-89%、63%-74%；绿地雨水径流FF30-FF40携带的污染物Fe、TP、TN、SS、COD分别为38%-47%、55%-63%、63%-81%、58%-71%、69%-89%。　　2、考察了活性炭、沸石、陶粒和石英砂四种填料的吸附性能及其影响因素，采用Langmuir和Freundlich等温吸附模型、吸附动力学模型和颗粒内扩散模型对实验数据进行拟合。活性炭、沸石、陶粒和石英砂对P、Fe的吸附均可用Langmuir和Freundlich等温吸附模型拟合。P的吸附量依次为活性炭（0.14mg/g）＞沸石（0.09mg/g）＞陶粒（0.08mg/g）＞（0.06mg/g）；Fe的吸附量依次为活性炭（0.79mg/g）＞陶粒（0.76mg/g）＞沸石（0.51mg/g）＞石英砂（0.26mg/g）。活性炭、沸石、陶粒和石英砂对P和Fe的吸附动力学结果表明：活性炭和沸石对P的吸附更好地遵循准一级动力学模型，即物理吸附为主导，是速率控制步骤；陶粒和石英砂对P的吸附则更好地遵循准二级动力学模型，即化学吸附为主导，是速率控制步骤。活性炭对Fe的吸附更遵循准二级动力学模型，沸石、陶粒和石英砂对Fe的吸附更遵循准一级动力学模型。此外，各填料对P、Fe的吸附均分为2个阶段，且颗粒内扩散为主导，是主要的速率控制步骤。各填料对P的吸附能力均随pH的升高而下降，而对Fe的吸附能力随pH的增大而增大。酸性条件有利于P的吸附，碱性条件有利于Fe的吸附。结合实际水体的pH情况和实验结果，确定最佳pH为7.0。随着填料投加量的增加，去除率是先增大而后趋于稳定，但单位吸附量减小。综合考虑，适宜投加量为100g/L。　　3、渗滤系统的优化实验结果表明：水力负荷对SS的去除率影响不大，而TP、TFe和COD的去除率随水力负荷的增大而下降，最佳水力负荷为0.2747m3/m2·h，此时滤速为1.38L/h；在较低污染负荷下，4个单填料系统对污染物的去除效果较好，即在污染物浓度为COD（151.79mg/L）、TFe（0.98mg/L）、TP（0.64mg/L）和SS（505.36mg/L）时，可以实现最佳的去除效果；8个（单填料和复合填料各4个）渗滤系统的累积100%的粒径明显小于进水SS的粒径，说明渗滤系统拦截了大部分粗颗粒，但粒径≤16.19μm的细颗粒并没有完全去除。8个快速渗滤系统对模拟雨水中的SS、TFe、TP有较高的去除效果，可以有效的去除COD，但是渗滤系统对TN和NH4+-N的去除效果不佳。总体而言，复合填料系统对污染物的去除效果明显优于单填料系统。8个渗滤系统对SS去除效果相差不大，均超过90%；QZSC（渗滤柱组成）系统对COD的去除效果最好，达到58.50%；QZSC系统对TP、TFe的去除效果都是最高的，分别为86.38%和85.96%；QZSC系统对TN的去除率为60.24%，QZSC对NH4+-N的去除率为89.78%。综合而言，选取QZSC填料组合系统最为合适，它对SS、TFe、TP、COD、TN和NH4+-N的去除率分别可达到94.64%、85.96%、86.38%、89.03%、60.24%、89.78%。此系统的出水水质可达到地表水GB/T18921-2002《景观环境用水水质》标准，可以直接回收利用。　　4、构建了短流程雨水回用渗滤系统，并对其进行了实际雨水径流污染处理的性能评价。短流程雨水回用渗滤系统对SS、TN、TP、COD和TFe的平均去除率分别为≥90%、80%、76%、90%和90%，出水浓度分别介于10~20、1.0~2.5、0.1~0.2、10~20和0.9~1.4mg/L范围内。达到了地表水GB/T18921-2002《景观环境用水水质》标准要求，可作为景观环境用水加以利用，达到了本文雨水资源化利用的目的。　　5、对实验室研究的短流程雨水回用系统进行放大后，按照工程建设项目进行技术经济。设计每天雨水处理规模约为15m3，年处理规模总量约为5475m3，将处理雨水的价格转化为自来水的价格，计算分析结果表明：雨水回用成本为2.35元/m3，雨水回用工程年收入为1.92万元/m3，雨水回用的年利润为0.12万元/m3。雨水回用在经济上具有一定的优势，建设雨水回用工程在经济上可行，回收期内回报较高。雨水回用除了带来可观的经济优势以外，还蕴含着巨大的间接综合效益，主要是经济效益、环境效益和社会效益。减轻了市政网雨水排放压力，提升了整体城市水体环境，缓解了经济负担和水资源短缺的问题，改善了居住环境，提高了社会和谐和幸福感。

目录

声明

1 绪论

1.1 研究背景

1.2 雨水径流水质特性分析

1.3 渗滤作用在雨水资源化工程措施中的应用

1.3.1绿色屋顶

1.3.2渗透性路面

1.3.3生物滞留池

1.4 研究目的和研究内容

1.4.1研究依据

1.4.2研究内容

1.4.3技术路线

2 实验试剂、仪器及方法

2.1实验试剂与设备

2. 2实验材料

2.3实验方法

3 城市雨水径流污染特征分析

3.1研究区概况

3.1.1自然特征

3.1.2气象特征

3.1.3降雨特征

3.2研究方法

3.2.1采样地点

3.2.2采样方法

3.3雨水径流污染特性分析

3.3.1 pH随时间的变化规律

3.3.2 SS随时间的变化规律

3.3.3 TN随时间变化规律

3.3.4 TP随时间的变化规律

3.3.5 TFe随时间的变化规律

3.3.6 COD随时间的变化规律

3.4雨水径流的初期冲刷效应分析

3.4.1道路雨水径流的初期冲刷效应

3.4.2屋面雨水径流的初期冲刷效应

3.4.3绿地雨水径流的初期冲刷效应

3.5本章小结

4填料的吸附特性研究

4.1引言

4.2填料吸附实验方案

4.2.1等温吸附实验

4.2.2吸附动力学实验

4.2.3数据模型及拟合方法

4.3填料的吸附特性研究

4.3.1等温吸附曲线

4.3.2吸附动力学曲线

4.3.3颗粒内扩散模型

4.4吸附性能的影响因素

4.4.1 pH对吸附性能的影响

4.4.2 投加量对吸附性能的影响

4.5本章小结

5 复合填料渗滤系统处理雨水径流污染

5.1引言

5.2渗滤系统装置与实验方案

5.2.1模拟雨水的配置

5.2.2实验方案

5.2.3实验装置

5.3水力负荷、污染负荷的影响

5.3.1水力负荷的影响

5.3.2污染负荷的影响

5.4复合填料渗滤系统对污染物的去除

5.4.1 SS粒径分析及去除效果

5.4.2 COD的去除效果

5.4.3 TP的去除效果

5.4.4 TFe的去除效果

5.4.5 TN和NH4+-N的去除效果

5.5本章小结

6雨水回用系统的构建及其性能评价

6.1引言

6.2短流程雨水回用渗滤系统的构建

6.2.1系统装置

6.2.2实验方案

6.3短流程雨水回用渗滤系统的性能评价

6.4本章小结

7 雨水回用技术经济分析

7.1引言

7.2雨水回用方案的经济分析方法

7.2.1经济指标

7.2.2投资成本

7.2.3运行成本

7.2.4折旧年限

7.2.5社会折现率

7.3经济分析

7.3.1投资成本估算

7.3.2运行成本估算

7.3.3运行收入估算

7.3.4经济评价

7.4综合效益

7.4.1经济效益

7.4.2环境效益

7.4.3社会效益

7.5本章小结

8 结论与展望

8.1结论

8.2展望

致谢

参考文献

个人简历、在学期间发表的学术论文及取得的研究成果