城区雨水水质净化及保持的人工湿地技术研究

《城区雨水水质净化及保持的人工湿地技术研究》由会员分享，可在线阅读，更多相关《城区雨水水质净化及保持的人工湿地技术研究（6页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、城区雨水水质净化与保持的人工湿地技术研究申欢1，潘永宝2，胡洪营1(1.清华大学环境科学与工程系 环境模拟与污染控制国家重点联合实验室，北京，100084；2.西安建筑科技大学，环境与市政工程学院，西安710055)摘 要： 采用潜流式人工湿地对城区雨水中污染物的去除效果和规律进行了研究，结果表明：当水力负荷在0.31.2m/d之间时，人工湿地对TP、TN和浊度的去除效果分别维持在2050、3055和8095之间；当水力负荷大于1.2m/d时，TN的去除效果明显下降，但TP和浊度的去除效果基本不变。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。人工湿地对TP、TN和浊度的去除主

2、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（GB3838-2002）中的类和类水的要求。关键词：潜流式人工湿地，雨水，氮，磷Study on constructed Wetland for Water Quality Improvement of Rainwater in Urban AreaSHEN Huan1，PAN Yong-bao2，HU Hong-ying1 (1. ESPC State Key Joint Laboratory, Dept . of Environ. Sci. and Eng., Tsinghua U

3、niversity, Beijing 100084 ,China; 2. School of Environment and Municipal Engineering , Xian Architecture and Technology University , Xian 710055)(2.Abstract：Pollutants removal for improving water quality of rainwater in urban area using subsurface constructed wetland was studied. The experimental re

4、sults showed that the removal rates of TP, TN and turbidity were 2050%, 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

5、rates of TP and turbidity sustained the same performance on the whole. TP and TN in the wetland effluent have linear relation to their area loading rates. Most TP, TN and turbidity of rainwater were removed in the initial 1/2 of the wetland bed. After being treated by the wetland, TP and TN of the r

6、ainwater in tank could meet the China national standards of Grade and Grade defined in Environmental quality standards for surface water (GB 38382002), respectively.Key words： subsurface constructed wetland；rainwater；nitrogen；phosphorus1前言为了解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：

7、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，以减少暴雨时城市的排洪量。由于雨水在时空分布上具有很大的不均匀性,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,应采取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：湖泊洼地、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动性较差，因此水质恶化和由水体富营养化引起的水华现象普遍存在，在严重的情况下还会出现雨水恶臭现象，丧失可利用的价值，反而成为新的

8、污染源。因此研究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研究和应用较多的一项水环境生态修复技术。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。为此本文提出采用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。首先将雨水储存构筑物周围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能力和良好景观效果的植物。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效果好、运

9、转维护方便、工程基建和运行费用低等的优点，又能够避免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根据周围建筑区环境的特点进行设计和建设，不仅不会改变建筑区的整体布局，还会带来良好的景观效果。本文主要研究了潜力式人工湿地对城区收集雨水中污染物的去除效果和规律。2实验材料和方法2.1实验系统本研究为清华大学节能示范楼项目的一部分，实验系统建于示范楼旁边。该系统于2005年4月底建成，5月初开始正式运行。实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。雨水来自实验系统旁边的一座建筑物的屋顶，屋顶铺设水泥砖保护层。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

10、地进行处理，经过湿地处理后的水自流入储存池。图1系统平面布置图人工湿地雨水储存池泵坑布水区集水区雨水雨水储存池的面积为32.9m2，长宽为9.4m3.5m，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。湿地种植的植物为景观效果较好的水柳、鸢尾和美人蕉，种植比例为：水柳55、鸢尾40和美人蕉5%，采取间种的方式种植植物，种植密度为8株/m2。2.2实验用水由于北京地区的降雨主要集中在79月，为了保证研究能够的进行，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

11、降雨的时间、雨量、雨水中污染物的浓度等因素具有不确定性，不利于进行系统的研究。为此，本实验采取定期向水池中投加一定量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的浓度范围分别为0.10.9mg/L和112mg/L 14。因此将配水中TP和TN的浓度分别控制在0.51.2mg/L和1015mg/L之间，在TN中NH4+-N和NO3-N各占50。2.3水质监测指标和方法实验过程中，分析的指标包括TP、TN、NH4+-N、NO3-N、浊度和藻类等。其中TP、TN、NH4+-N和NO3-N等采用标准方法进行测定5；浊度采用数显浊度仪测定。藻类计数用计数框测定。3实验结果与讨

12、论3.1人工湿地对雨水的净化效果经过大约50天的启动运行，湿地对各项污染物的去除效果趋于稳定，且植物也长到了3050cm，形成了一定的景观效果，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效果。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，主要是因为实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0.61.2m/d时，出水COD为1.95.2mg/L之间，去除率为18.480。当水力负荷为1.5m/d时，COD的去除率出现了负值。初步分析，

13、这可能是由于水力负荷过大，水流将湿地中积累的有机物带出造成的。（2）对TP的去除当进水TP浓度为0.050.72mg/L时，出水TP在0.030.42mg/L之间，TP去除率在1366之间，大部分情况下去除率集中在2050之间，说明湿地对TP的去除效果较差。另外，当水力负荷由0.3m/d增加到1.5m/d时，湿地对TP的去除率并没有出现下降的现象，表明水力负荷对TP的去除效果没有明显的影响。（3）对N的去除本实验从NH4+-N、NO3-N和TN三个指标研究了人工湿地对雨水中N的去除效果和规律。由表1可知，湿地对NH4+-N的去除效果较差，进水NH4+-N浓度为0.047.36mg/L之间，出水

14、浓度在0.036.12mg/L之间，且在大多情况下，出水NH4+-N浓度高于进水的浓度，NH4+-N去除率表现为负值。初步分析造成这一结果的原因为：湿地中截留一些的物质（如蓄水池中滋生的藻类等）腐烂以后会释放出NH4+-N，而释放出NH4+-N的数量大于硝化菌去除和植物吸收数量的总和，因此造成出水NH4+-N浓度大于进水NH4+-N浓度。由表1可知，当进水NO3-N在0.6532.7mg/L之间变化时，出水NO3-N为0.0815.8mg/L，去除率为16.597.5，表明湿地对NO3-N的去除效果波动较大。对照水力负荷可以发现，当水力负荷为0.30.9m/d时，NO3-N去除率维持在51.7

15、97.5之间；当水力负荷由0.9m/d增加到1.5m/d时，NO3-N的去除率却从51.797.5逐渐下降到16.544.2，这表明湿地对NO3-N的去除效果与水力负荷有较大的关系。表1 不同水力负荷条件下人工湿地对雨水的净化效果水力负荷(m/d)0.30.60.91.21.5COD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(%)/68.48018.47043.870-20 -60TP进水(mg/L)0.240.430.150.720.050.250.240.540.050.12出水(m

16、g/L)0.170.240.130.420.030.130.120.310.030.09去除率(%)29.144.213.34229.459.513662540NH4+-N进水(mg/L)0.210.340.727.360.097.230.092.140.043.2出水(mg/L)1.881.541.265.090.496.120.151.850.032.41去除率(%)-498.2-357-341.241.7-410-20.5-66.614.85.942.9NO3-N进水(mg/L)0.653.261.4219.351.832.70.7712.70.8917.76出水(mg/L)0.080.

17、290.283.100.2415.80.118.150.713.6去除率(%)6597.573.69651.788.162.475.716.544.2TN进水(mg/L)2.693.492.2527.112.5840.70.8815.091.1221.19出水(mg/L)1.421.631.677.991.6623.40.2810.280.9016.31去除率(%)44.853.225.570.535.7542267.91638.5浊度进水(NTU)24.433.110.115.510.212.86.313.74.210.1出水(NTU)1.12.10.571.831.091.921.022.

18、710.621.07去除率(%)91.496.787.595.784.691.480.285.485.391.2湿地出水TP(mg/L)TP面积负荷 (g/m2d)TN面积负荷 (g/m2d)湿地出水TN(mg/L)图2 TP和TN的湿地面积负荷与出水浓度之间的关系湿地对TN的去除效果和规律与NO3-N的相似。当进水TN浓度在0.1640.7mg/L之间变化，湿地出水TN在0.2623.4mg/L之间，TN的去除率为1670.5。当水力负荷为0.31.2m/d时，TN去除率在25.570.5之间，大部分情况下去除率集中在3055之间；当水力负荷由1.2m/d增加到1.5m/d时，NO3-N的去

19、除率却从25.570.5%下降到1638.5%。（4）对浊度的去除当进水浊度为4.233.1NTU时，出水浊度为0.572.71NTU，去除率为80.296.7，这表明景观型湿地对浊度有很好的去除效果。另外，当水力负荷由0.3m/d增加到1.5m/d时，湿地对浊度的去除率基本上保持着同样的水平，这表明水力负荷对浊度的去除效果没有明显的影响。3.2负荷关系本研究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升高，通过回归分析发现它们之间分别存在如下线性关系：TP=2.03NTP-0.02，R20.66

20、；TN=0.5NTN+0.91，R20.93。式中：NTP和NTN分别表示湿地承受的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NTP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提供了依据。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，则选取的相应湿地面积负荷就应该小于0.11gTP/m2d和1.2gTN/m2d。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计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研究比较了TP、TN和浊度在湿地沿程中

21、的变化情况，结果如图3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，污染物的去除效果较为明显，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、TN和浊度的去除主要是在前二分之一

22、段的湿地床中完成的。3.4蓄水池内水质的改善效果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，本部分研究安排了如下的对比试验：距离 (m)图3 湿地沿程的处理效果TP浓度(mg/L)TN浓度(mg/L)浊度(NTU)试验一：停止湿地运行，在蓄水池内蓄集雨水并控制水位约为0.5m。蓄水池内雨水的水质情况如下：TP0.25mg/L、TN5.3mg/L、氨氮1.6mg/L、COD10.9 mg/L、浊度10.1NTU，水温大约在2833。经过大约5天时间，蓄水池内爆发了严重的水华，水体呈墨绿色，较为混浊，且有轻微的腥味散出。水中藻类的数量为32.2107个/L，浊度为 26.2NT

23、U，透视深度不足0.2m。试验二：将水力负荷控制在1.5m/d，采用景观型湿地对蓄水池中已经恶化的水进行处理。经过3天的处理，蓄水池中的藻类的数量减小到1.75107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，TP0.08 mg/L、TN1.23mg/L，COD11.8 mg/L、浊度4.2 NTU。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。实验结果表明，景观型湿地可以有效改善雨水蓄水池中的水质，并能够将雨水蓄集池中水的水质保持在较好的水平，可以满足多种雨水利用的需要。4结论（1）当水力负荷在0.31.2m/d之间时，人工湿地对T

24、P、TN和浊度的去除效果分别维持在2050、3055和8095之间；当水力负荷大于1.2m/d时，TN的去除效果明显下降，但TP和浊度的去除效果基本不变。（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升高，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。（4）人工湿地可以有效改善雨水蓄水池中的水质，使其满足多种雨水利用的需要。参考文献1 车伍,欧岚,汪慧贞,李俊奇.北京城区雨水径流水质及其主要影响因素J.环境污染治理技术与设备，2002 ,3(1):33372 车伍,刘燕,李俊奇.国内外城市雨水水质及污染控制J.给水排水,2003,29(10):38423 车武,刘红,汪慧贞等.北京市屋面雨水污染及利用研究J.中国给水排水,2001,17(6):57614 赵剑强.城市路面径流污染的调查J.中国给水排水,2002 ,17(1):33355 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 国家环境保护总局，国家质量监督检验检疫总局.地表水环境质量标准GB 38382002.6 / 6文档可自由编辑打印