（环境工程专业论文）人工土快速渗滤系统削减城市初雨径流污染应用性研究.pdf

摘要 苏州城区降雨径流污染严重，对城市河道产生了十分严重的影响。本论文提 出通过截留初雨径流并使用土地渗滤系统对其进行有效处理。在对人工土快速渗 滤系统和原状土快速渗滤系统处理初雨径流污染的技术进行研究和比较的基础 上，验证了人工土快速渗滤系统对初雨径流污染处理的可行性和稳定性，优化了 其运行参数，探讨了初雨径流中主要污染物质在该系统中的去除规律，本文的主 要结论如下： ( 1 )苏州城区降雨径流污染严重，特别是前1 0 r a i n 的初雨径流污染，除t p 外， c o d 、s s 、t n 、氨氮的浓度均劣于地表水环境质量v 类标准。 ( 2 )对苏州城区初雨径流的处理，无论是渗透性能、处理效果还是恢复性能， 人工土快速渗滤系统均比原状土快速渗滤系统表现出更好的效果及稳定性，因此 人工土快速渗滤系统削减初雨径流具有可行性。 ( 3 ) 通过优化系统的运行参数，采用饱和启动与非接种启动相结合的启动方 式，并将原水力负荷周期( 即每天进水4 小时，落干2 0 小时) 调整为新水力负荷 周期( 即迸水4 小时，落干4 4 小时) ，系统的处理能力大幅提高，主要污染物质 c o d 、氨氮的去除率分别达9 3 5 3 、9 6 6 3 。 ( 4 ) 系统表现出上层0 1 0 e m 污染物去除率大，下层1 0 7 0 c m 去除强度衰减 的规律。主要污染物质去除规律的特点为布水期以吸附为主，落干期则进行微生 物的降解反应。系统的氧化还原电位及复氧效果对系统净化功能的发挥影响较大。 关键词：初雨径流；原状土快速渗滤系统；人工土快速渗滤系统；复氧 a b t r a c t t h ep o l l u t i o no fi n i t i a lr a i n f a l l r u n o f fi ns u z h o uc i t yh a dm a d es e r i o u si m p a c tt o t h ec i t yr i v e r t h i sp a p e rg i v e saw a yo fu s i n gt h el a n di n f i l t r a t i o ns y s t e mt ot r e a tt h e r u n o f fe f f i c i e n t l y t h es y s t e mo fo r i g i n a ls o i li n f i l t r a t i o na n dt h ec o n s t r u c t e dr a p i d i n f i l t r a t i o nw a sc o m p a r e du n d e rt h ee x p e r i m e n to ft h ei n i t i a lr a i n f a l l - r u n o f ft r e a t m e n t t h ec o n s t r u c t e dr a p i di n f i l t r a t i o ns y s t e mw a sb e t t e ra n ds e l e c t e d t h ea n a l y s i so f w h i c h s h o w e dt h ee f f e c ta n ds t a b i l i t yi nt h et r e a t m e n lt h eo p e r a t i o np a r a m e t e rw a so p t i m i z e d i ta l s od i s c u s s e dt h er e m o v a lc h a r a c t e r i s t i co f t h ep r i m a r yp o l l u t a n ti nt h ei n i t i a lr u n o f f a n dw h i c hi sa sf o l l o w e d ： ( 1 ) t h ep o l l u t i o no fr a i n f a l l - r u n o f f , e s p e c i a l l yi nf r o n t1 0m i n u t e s ，i ss os e r i o u si n s u z h o uc i t y e x c e p to ft h et p ，t h ec o n c e n t r a t i o n s o f c o d ，s s ，t n ， a m m o n i a - n i t r o g e na t ea l lw o i s et h a nt h es u l - f a c ew a t e rs t a n d a r do f v ( 2 ) t h ec o n s t r u c t e dr a p i di n f i l t r a t i o ns y s t e mi sm u c hm o r ee f f e c t i v ea n ds t a b l yi n o s m o s i s ，t r e a t i n ge f f e c ta n da b i l i t yo f r e v i v a lr e n m n i n gt h a nt h eo r i g i m ds o i li n f i l t r a t i o n s y s t e m t h e r e f o r et h ec o n s t r u c t e dr a p i di n f i l t r a t i o ns y s t e mh a s t h ef e a s i b i l i t yt or e d u c e t h ep o l l u t i o no f i n i t i a lr a i n f a l l - r u n o f f ( 3 ) t h r o u g ht h eo p t i m i z a t i o no fs y s t e mo p e r a t i o np a l - , d m e t e r , s a t u r a t i o n a n d n o n i n o c u l a t i o ns t a r tw a sb a n dt o g e t h e r , a n da d j u s tt h eh y d r a u l i cc y c l ef r o mi n i t i a l ( i n f l o w4h o u r s , d r y i n g2 0h o u r s ) t oan 胛o n e ( i n f l o w4h o u r s ，d r y i n g4 4h o u r s ) ，t h e t r e a t m e n ta b i l i t yo ft h es y s t e mw a sg r e a t l yi m p m v e d t h ep r i m a r yp o l l u t a n t sr e m o v a l 。 r a t e so f c o d ，a m m o n i a - n i t r o g e nw a sr e a c h e d9 3 5 3 、9 6 6 3 ， ( 4 ) t h er e m o v a lr a t e si sh i g ha tt h ea b o v el a y e rb e t w e e no 1 0 c m , a n ds h a r p l y d e c r e a s e di nt h el o w e rl a y e rb c t w g g n1 0 7 0 c m t h er e m o v a lc h a r a c t e r i s t i co ft h e p r i m a r yp o l l u t a n t si s t h a ta d s o r p t i o ni st h ep r i m a r yf u n c t i o ni ni n f l o wp a r ta n d m i c r o b i a ld e g r a d a t i o ni st h ec h i e fw a yo ft h ed r y i n gp a r t t h eo r pa n do x y g e n r e s t o r a t i o ne f f i c i e n c yh a v eag r e a ti n f e c t i o no nt h et r e a t m e n tc a p a b i l i t yo f t h es y s t e m k e yw o r d s ：i n i t i a lr a i n f a l l - r u n o f f , o r i g i n a ls o i li n f i l t r a t i o n , c o n s t r u c t e dr a p i di n f i l t r a t i o n , o x y g e nr e s t o r a t i o n 学位论文独创性声明： 本人所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及 取得的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同事对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了 谢意。如不实，本人负全部责任。 论文作者( 签名) ： 学位论文使用授权说明 河海大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆、中国学术期 刊( 光盘版) 电子杂志社有权保留本人所送交学位论文的复印件或电 子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子文 档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允 许论文被查阅和借阅。论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权河 海大学研究生院办理 论文作者( 签名) ： 堇! 建函叼年岁月，。日 人工土快速渗滤系统削减城市初雨径流污染应用性研究 第一章绪论 1 1 研究背景 水是人类发展不可缺少的自然资源，是人类和一切生物赖以生存的物质基础。当 今世界，水资源短缺和水环境污染已成为任何一个国家在政策、经济和技术上所面l 临 的复杂问题和社会经济发展的主要制约因素。联合国世界水资源综合评估报告指 出：水问题将严重制约2 l 世纪全球经济与社会发展，并可能导致国家间冲刭”。在 我国，“水荒”问题也是相当严重，水资源的人均占有只有全球平均值的l 4 ，约2 3 0 0 m 3 。 与此同时，随着国民经济的快速发展、城市化进程的加快和人民生活水平的不断提高， 总用水量更是逐年攀升，不仅使我国的水资源紧缺更为严峻，也带来污水排放量的逐 年增加，导致全国各地江河湖海受到更大程度的污染。据有关水资源评价反映【羽，全 国七大江河中，淮河、黄河、海河的水质最差，均有7 0 的河段受到污染。不少中小 河流由于污水超量排放已成为污水河。同时我国1 3 1 个大中型湖泊中，有8 9 个湖泊 富营养化严重( 如滇池、巢湖、太湖等) ，有6 7 个湖泊水体达富营养化程度。 很长时间人们一直认为造成水体污染的主要原因是点源污染，没有认识到面源污 染的严重性。后经实践表明，单纯控制点源，即使达到“零捧放”水平，仍然不能保证 水质不进一步恶化，因为面源污染对水环境的威胁也十分严重p 1 。就城市面源污染而 言，早在1 9 8 1 年美国就预计城市径流带入水体的b o d 量约相当于城市污水处理后的 b o d 摊放总量，其中1 2 9 种重点污染物中有约5 0 在城市中出现。1 9 9 0 年美国的e p a 公布了不同污染物如农业、工业、城市污水等对河流污染( 包括化学毒物、沉积物、 营养物等) 的贡献之比，其中城市雨水占到了9 。美国e p a ( 1 9 9 3 ) 已经把城市地 表径流列为导致全美河流和湖泊污染的第三大污染源 4 1 。国内外一些城市对于降雨径 流的监测也进一步肯定了降雨径流，特别是初雨径流污染的严重性。l e g r d 5 l 和 s a n s a l o n e l 6 j 指出道路雨水径流中含有大量s s 、碳氢化合物和重金属等，而且c o d 较 高车伍1 7 1 等人根据北京几年来大量的降雨径流水质数据发现，北京城市雨水径流的 水质很差，初期径流的污染程度甚至超过城市污水，其中主要污染为有机污染和悬浮 固体污染。常静嘲等人选取上海市中心城区典型功能区检测降雨事件，研究表明，上 海中心城区路面径流主要污染物为t s s 和c o d ，劣于国家地表水v 类标准四倍多； 总磷劣于v 类水质标准两倍以上，氮素营养盐也有不同程度的污染。对于面源污染的 河海大学硕士学位论文 研究，发达国家于2 0 世纪6 0 年代开始关注，2 0 世纪7 0 年代起进行系统研究，并付 诸管理实践1 9 】。我国对于面源污染的研究起步较晚，8 0 年代才开始农业非点源的研究， 之后在北京以及珠江流域、辽河流域、长江中下游流域的广州、沈阳、上海、杭州、 苏州、南京等城市开展了非点源污染研究，其中最具代表性的是北京城市降雨径流污 染的研纠1 0 l 。 随着我国城市化水平的提高，城市不透水地面面积不断上升，当降雨产生时，不 仅径流量大大增加，而且径流冲刷会携带大量的污染物，这些污染物来自分散的大面 积土地，它与区域的自然状况和降雨过程密切相关，所以径流污染的形成具有较大的 突发性、随机性、偶然性和广泛性，污染负荷时空变化幅度大，控制和处理的难度大。 以往降雨径流大都就近直接排入水体，随着城市污水处理厂的逐步建立，城市径流的 集中处理率愈来愈高。然而，其一，由于我国城市之间发展进程存在差异，许多城市 的降雨径流无法被污水管网收集并进行集中处理；其二，降雨径流为b o d 5 含量较低 的特有水质，难以满足传统水处理工艺理想的营养平衡式的要求，即：b o d 5 ：n ： p = 1 0 0 ：5 ：1 。同时由于其径流流量和浓度变化大，也对城市污水处理厂的正常运行 造成了一定的压力；其三，我国许多城市的排水管网还是以合流制排水管网为主，由 于降雨径流具有强冲击性，易造成合流制排水系统的溢流污染。因此迫切需要建立一 种具有抗冲击性强、可间歇运行、能就地处理且简单、经济的污水处理系统来削减降 雨径流的污染。 1 2 降雨径流管理和控制研究进展 1 2 1 国外研究进展 国外一些发达国家对降雨径流的研究起步较早，他们具有适合本国国情的较完备 的技术和法规体系，对降雨径流污染的控制和管理形成了许多新的思路和经验。 德国在9 0 年代已基本实现对城市雨水的污染控制，最典型的措施是修建大量的 雨水池截流处理合流制和分流制管系的污染雨水，以及采取分散式源头生态措施削减 和净化雨水【“l 。新西兰也不断完善对城市降雨径流污染的控制管理措施，2 0 0 0 年出 版了控制雨水径流污染的技术手册，强调了分散式现场选择性技术措施，如湿地、自 然水道、河岸缓冲带、土壤渗透、天然植被带的利用等，为雨水径流污染控制提供了 更完善的参考依据【1 2 1 。美国城市雨水径流最佳管理方案( b m p ) 因其高效、经济、符 合生态原则的特点而备受关注。其中工程( 技术) 方法中提出的人工湿地( c w s ) 技 2 人工土快速渗滤系统削减城市初雨径流污染应用性研究 术是本世纪7 0 年代末发展起来的一项处理污水的生态技术。这项技术不仅能有效控 制降雨径流的污染，更带来许多额外的环境效益。在城市降雨径流污染的控制中，应 用较多的b m p 措施为暴雨蓄积池、沉淀塘等1 1 3 1 事实证明，这些方法对控制径流污 染有很好的效果。如对一个5 6 7 0m ，的湿沉积塘的流入和流出量的监测结果表明，沉 积塘可捕获来自城区地表径流污染中的总悬浮颗粒物约8 7 1 1 4 1 。另外土壤过滤、沙层 过滤和缓冲带也是b m p 系统中提到的城市径流污染控制的重要手段。日本近年来各 种雨水入渗设施得到迅速发展，包括渗井、渗沟、渗池等，这些设施占地面积小，可 因地制宜地修建在楼前屋后【b 】，不仅有效的降低了降雨径流污染，更达到了雨水资源 化的目的，在一定程度上缓解了水资源的供需矛盾。 国外在不断拓展对降雨径流污染的工程措施的基础上，更加重视非技术性的管理 措施对工程技术的指导和配合。他们采取的措施主要有：控制管道非法连接、加强对 雨水口的维护管理、加强对地面垃圾的清扫和卫生管理、加强对施工现场、机修厂、 停车场废弃物的管理等。除制定实施相关的政策法规外，还采用公众教育的方法，通 过这些管理措施达到控制污染的目的。 1 2 2 国内研究进展 我国对于降雨径流的研究开始得较迟。近几年来，通过借鉴发达国家的一些经验 教训，我国在对降雨径流的管理和污染控制的研究上做了许多工作，取得了一些成绩。 从以往重终端治理轻源头控制、重人工措施轻自然措施、重工程方法忽视非技术方法 的老观念上有了重大的突破和改观。 北京市曾做过有关草坪高度对径流量影响的试验，若草坪低于周围路面高程 o 1 0 2 m ，其入渗量是草坪高于或平于路面的入渗量的3 4 倍【1 6 1 。因此，伍发元【1 _ 7 】 等人提出在不影响道路使用功能和力学结构的前提下，新建道路时，适当降低道路中 间或两旁绿化带的地面标高，使其低于两侧道路，以便道路上的降雨径流能顺利流入 绿化带，并把绿化带改造成能处理降雨径流的渗滤系统，从而达到减少降雨径流的传 输量，从源头治理径流污染的目的欧岚【l 司等人提出在城市小区中，将汇集的屋面 雨水径流通过绿地或人工土层处理后渗透地下，达到减轻雨洪负荷和雨水径流对受纳 水体污染的目的，更是从源头上治理径流污染的一种方式。 要彻底控制降雨径流的污染，除在源头控制外，更需在排放1 2 1 处实施集中处理。 刘珊等人【1 9 】研究了使用生物氧化塘处理路面初期雨水的方法，该方法结合生态工程， 河海大学硕士学位论文 可达到工程占地少，出水效果好的目的。在对滇池流域的面源污染控制技术研究中， 针对该流域暴雨径流的特点，开发了表面流人工湿地和沸石潜流湿地组合工艺。该复 合人工湿地技术对总悬浮固体、总氮、总磷的去除率分别达到7 0 8 0 、4 5 5 5 、 5 5 6 5 ，大大提高了总污染负荷的削减，且整个工艺具有较强的抗冲击负荷能力、 较大的水力负荷和较小的水力停留时间 2 0 1 。杨敦2 1 1 等人采用潜流式人工湿地系统对其 在处理、控制暴雨径流污染问题进行了模拟研究，研究结果表明，人工湿地系统对控 制暴雨径流产生面源污染有较好的净化作用和较强的适应能力，具有良好的推广应用 前景。伍发元【1 7 1 提出在墨水湖附近，根据周边的环境，利用空i n n 土地构建人工湿地、 种植草坪或其他生态措施。同时为强化处理功能，减少占地面积，在人工湿地前，构 建一些简单的预处理装置，如滞留带、前置库和小型人工水塘，并采用多种形式优化 组合人工湿地，增强其净化能力。除此之外，邓风吲等人提出若出水作为杂用水，则 处理工艺的选择应以简便、实用为原则，优先考虑混凝、沉淀( 自然沉淀或混凝沉淀) 、 过滤等物化处理方案。 我国也采取了一些非工程措施，如：加强城区地面清洁管理、增加地面清扫频率、 加强城市捧水管网的管理等，对控制和削减降雨径流的污染起到了一定的积极作用， 但效果并不显著。 1 2 3 小结 综上所述，国外控制降雨径流污染所采取的策略主要有三大突出共性：其一就是 强调非工程的方法；其二，加强源头控制。将径流污染从源头上控制在最低限度；其 三，加强自然和生态措施。特别是在终端治理中，通过自然生态技术或人工净化技术 来降解带入水体的径流污染物。结合国外控制降雨径流污染所采取的措施可以看出， 我国对径流污染的控制还存在三大不足：其一不重视非工程的方法，未制定相应的政 策法规；其二，在源头控制上由于受各方面条件的限制，所做的研究和采取的措施不 多；其三，虽对削减降雨径流污染的各项自然生态技术或人工净化技术做了大量的研 究，但绝大多数是探讨其可行性的小试研究，真正意义上的现场工程运行、管理和研 究基本没有。 虽然国内外在对降雨径流污染控制技术上的研究进度不同，我们仍然可以发现， 土地处理系统已成为各国控制和削减降雨径流污染的主要手段之一。这一技术既解决 了采用沉淀池或调蓄池会造成旱天闲置、占地面积大且雨水直接利用可行性、经济性 4 人工土快速渗滤系统冉减城市初雨径流污染应用性研究 差的缺点；也充分利用了土壤的净化能力，从而达到削减降雨径流污染的目的。 1 3 土地处理系统国内外研究进展 1 3 1 国内外土地处理系统的发展历史 土地处理系统是既古老而又年轻的方法，经历了漫长而曲折的发展过程。国外早 期的土地处理系统实际就是污灌田，历史悠久。据西方史料记载嘲，最早可以一直追 溯到古希腊雅典时代。在德国普鲁本茨劳的污水灌溉系统起始于1 5 3 1 年，使用的年 数超过3 0 0 年。苏格兰爱丁堡的污灌田也是开始比较早的系统之一( 1 6 5 0 ) 。真正在 欧洲发展最快的时期是在十九世纪后半期，像英格兰洛拜、德国柏林、法国巴黎、波 兰沃兹劳、澳大利亚墨尔本、墨西哥的墨西哥城、美国加里福尼亚州沃特兰、弗兰斯 诺等都在这一时期兴建起该系统。 在我国，几千年来也有利用人的粪尿、厩肥以及有机垃圾等废物施到农田菜地， 以提高肥力，增加农业产量，并净化环境的传统经验。然而传统意义上的污水灌溉主 要是为了处置污染物的方便，或者只是为了取得暂时的农业生产利益，却很少或者根 本不考虑对污染物进行科学的处理，既缺乏对环境的周密调查，也不掌握该系统对污 染负荷和水力负荷的承受能力，更不会去研究处置后的水实现循环再利用的可能性 2 4 】，因此，最初的土地处理系统只能被称为土地处置系统。 随着城市化进程的加快和污水处理技术的进步，再加上开发利用土地的压力，原 来比较落后的系统就慢慢废弃了。到了二十世纪六十年代，随着经济的迅猛发展，环 境污染越来越严重，且由于能源的紧张，使许多国家在污水治理的过程中不断寻求节 能的途径。在这种背景下人们又重新认识、完善和发展土地处理系统，给土地处理系 统的发展带来前所未有的契机。 现代意义上的污水土地处理系统是以水的处理和利用为前提，将污水土地处理方 法与其他方法相结合，组成了不同类型的土地处理系统。该系统注重环境效应，遵循 现代生态学的三大原则：整体优化、循环再生和区域分异，采取低费用和低能耗的生 态工程措施，达到了社会、经济、生态环境效益三者统一的目的。在国外，仅美国， 目前运行的慢速渗滤系统就有8 0 0 多个，快速渗滤系统3 0 0 多个，地表漫流系统2 0 多个，此外各种类型的湿地系统、地下渗滤系统也获得迅速发展，应用日益广泛。在 我国，现代意义上的污水土地处理系统起步较晚，于“七五”、“八五”之后才发展起来。 迄今为止，各式各样关于土地处理系统的研究和运用主要集中在东北，华北和西北地 河海大学硕士学位论文 区，南方主要集中在云南省和深圳市，其中贵州省、浙江金华等地也有少量研究1 2 4 。 1 3 2 土地处理系统的分类 根据相应工艺中污水运移的速率和水力路径的不同，可将土地处理系统分为三种 基本工艺：慢速渗滤( s r ) 、快速渗滤( r j ) 、地表漫流( 0 f ) 。适当改变某些应用条 件便成为有别于上述三种基本工艺的改良型，如：湿地系统、地下渗滤系统、人工土 快速渗滤系统及土地处理复合系统等工艺。 慢速渗滤( s l o wm t ei n f i l t r a t i o nt r e a t m e n ts y s t e m ) 是将污水投配到种有植物的土壤表 面，污水在流经土壤表面以及在土壤一植物系统内部垂直渗滤时得到净化的土地处理 工艺【2 5 l 。适用于渗透性能良好的土壤如砂质土壤积压粘土、蒸发量小、气候湿润的地 区。该技术是土地处理技术中经济效益最大、水和营养成分利用率最高的一种类型。 由于其易与农业生产结合，且工艺灵活，资金投入少，在许多国家都有广泛的应用。 快速渗滤土地处理系统( r a p i di n f i l t r a t i o nl a n dt r e a t m e n ts y s t e m ，简称p d ) 是将污水 有控制地投配到具有良好渗滤性能的土壤表面，污水在向下渗透过程中由于生物氧 化、硝化、反硝化、过滤、沉淀、氧化和还原等一系列作用而得到净化的一种污水土 地处理工艺类型1 2 7 1 。r i 系统因为包括包气带( 非饱和带) 和非包气带( 饱和带) ，所以也 称为土壤含水层处理系统( s o i l a q u i f e rt r e a t m e n ts y s t e m ) t 2 s - 2 9 1 。其适用于中等或高渗透 性的砂土或砂壤土质。 地表漫流处理系统( o v e r l a n df l o ws y s t e m ) 是将污水有控制地投配到生长多年生植 物、坡度和缓、土壤渗透性较差的坡面，污水在地表以薄层沿坡面流动过程中得到净 化的一种污水处理工艺类型 2 6 1 。该系统一般适用于透水性较差的粘土和亚粘土。 地下渗滤( s u b s u r f a c ei n f i l t r a t i o ns y s t e m ) 是利用并强化土壤微生物及土壤一植物稳 定生态系统的净化功能，采用在土壤亚表面布水的方式投配污水，将污水投配到具有 一定构造和良好扩散性能的土层中，使污水中的污染物在生态系统的物质循环中进行 降解，净化水质，使污水中的能量通过生态系统的能量流动逐级充分利用，以维持生 态系统正常发挥的中小规模的生态处理工程【2 5 j 。 湿地处理系统( w e t l a n ds y s t e m ) 是将污水有控制地投配到土壤经常处于饱和状态， 生长有芦苇等沼泽生植物的土地上，污水在沿一定方向流动过程中在耐水植物和土壤 联合作用下得到净化的一种土地处理系统。湿地系统的类型有天然湿地系统、自由表 面人工湿地系统、地下潜流湿地系统、垂直流人工湿地等p o 。 人工土快速渗滤系统削减城市初雨径流污染应用性研究 人工土层快速渗滤土地处理系统( c o n s t r u c t e dr a p i di n f i l t r a t i o nl a n dt r e a t m e n t s y s t e m ，简称c 黜) 是一种污水快速渗滤处理的改良型，通过人工配制土壤的手段， 改变土壤的组成和土壤本身的环境条件，从而强化了土壤的净化功能【2 7 1 。c r i 系统 的原理与r j 系统的完全相同，都是利用土壤生态系统对污染物具有净化功能的原 理。此工艺的最大特点就是不受地形、地貌i 土壤、水文和气候等自然环境条件的限 制，只要选配适宜的人工土，加之恰当的运行方式便能使处理效果最佳。因此，对于 c l u 系统研究与应用也逐渐增多。 复合污水土地处理系统是指上述若干方法的组合，以对污水进行综合净化，从而 达到提高出水水质的目的。如：地表漫流法可与湿地法组合，使地表漫流的尾水进入 湿地进一步净化p ”。土地处理系统各工艺类型的比较见表1 - 1 。 表1 1土地处理系统各工艺类型比较 工艺特点慢速渗滤快速渗滤地表漫流湿地系统 地下渗滤人工士屠参滤 表面布水表面布水 配水方式表面布水表面布水地- f 布水 表面布水 高压喷洒 高压喷洒 年水力负荷( m a )o 6 66 1 2 23 3 i3 3 0o 4 31 0 0 2 0 8 年有机负荷 2 0 0 03 1 5 0 0 01 5 0 0 0l s 0 0 0 ( k g b o d h a a ) 占地性质农林牧征地牧业经济作物绿化征地 占地面积 1 8 01 02 52 2 化粪池 预处理最低程度 级处理级处理 隔栅筛滤隔栅筛滤级处理 级处理 污水最终去向下渗蒸散下渗蒸散径流霸燃 径流再溅下渗蒸散地面收集 典型植物谷物牧草无要求牧草芦苇草皮花木无要求 1 3 3 土地处理系统的应用及分析 土地处理系统在世界各国的应用相当普遍，尤其是近几年来，国内外污水土地处 理系统发展迅速，设计、建设和运行了一大批新型的污水土地处理系统。美国已有4 5 个州发展了污水土地处理系统，处理的污水量占污水排放总量的2 5 左右；俄罗斯目 前污水土地处理的土地面积居世界第一( 超过1 0 0 0 万h a ) ，处理全国排放污水量的 7 河海大学硕t ：学位论文 2 5 ，并且他们计划将现有污水量的5 0 采用土地处理。在中国，也建成了大量的污 水土地处理系统，如：沈阳西部城市污水慢速渗滤土地处理系统中间试验示范工程； 北京通州区小堡村的生活污水快速渗滤处理系统；天津市城市污水湿地处理系统；开 封市啤酒污水快速渗滤处理工程；昆明市慢速渗滤生活污水土地处理试验基地；深圳 茅州河水人工快渗处理系统等，都收到了很好的效果。这些系统的研究和应用表明， 土地处理系统作为污水自然处理技术的代表，不仅具有较高的去除效率，较低的投资 及运行费用，还可以实现污水的处理与利用相结合的目的，是实现污水处理无害化、 资源化的重要途径之一。土地处理系统在污水处理中所涉及的污水类型已较多，如生 活污水、洗浴废水、啤酒污水、河水等，当然也包括降雨径流。在我国，利用湿地系 统对降雨径流的污染( 特别是农业面源污染) 进行控制已做了大量的研究，但从污水 土地处理的几种工艺看：慢速渗滤系统、地下渗滤系统及地表漫流系统均具有水力负 荷小，占地面积特别大的特点，而湿地系统则是一种利用低洼湿地和沼泽地对污水进 行处理的方法。一般情况下，某些区域，特别是城市不具备这样的土地面积与类型的 条件来控制降雨径流，而快速渗滤系统( 砒) ，特别是人工土快速渗滤系统( c r j ) 因 其水力负荷高( 一般大于l m d 7 4 1 ) 、占地面积小、简单、可靠、实用性强、灵活度高 且低能耗、低花费而成为城市降雨径流污染控制研究和应用的热点。 1 4 课题的提出 本课题依托国家“8 6 3 ”苏州水环境质量改善与综合示范项目展开研究，将控制城 市初期降雨径流污染作为苏州古城区水环境面源污染治理的主要手段之一。项目的示 范点设在苏州古城区南园水系，包括贯穿桂花新村居民住宅小区的苗家河。在对苏州 城区各条河流污染情况的调查中发现，其水质恶化相当严重，均为劣v 类水体，而造 成污染的原因既有包括工业污染源、三产污染源及城市生活污染源在内的点源污染， 也有由城市降雨径流引起的面源污染d 2 。课题组在上一阶段已经开展了人工土快速渗 滤系统削减城市面源污染负荷的小试试验研究，该人工土快速渗滤系统由天然土壤、 砂与沸石按一定比例混合配制，并通过添加有效微生物e m 菌，使处理效果初见成效 这进一步证明，对于城市降雨径流污染的处理，人工土快速渗滤系统作为一种以生态 技术为核心的特殊的快速渗滤土地处理法，不失为一种好的途径。而且，其因不受场 地位置、水文地质、土壤等条件限制而具有广泛适用性的特点，可以成为城镇和居民 聚居区降雨径流污染处理的首选。 i 人工土快速渗滤系统削减城市初雨径流污染应用性研究 目前，对于各种类型的土地处理系统的研究已经相当深入，但仍然存在一定的误 区，如当前的研究主要体现在通过变型或改型以追求土地处理系统的新颖性和处理效 果的提高，较少涉及到土地处理系统内主要污染物如氮、磷的迁移转化规律的研究， 也较少涉及到整个土地处理系统运行的匹配性和完整性的研究。课题组黄玮在前一阶 段的研究中指出，选用苏州本地天然土壤、粗砂和沸石，按照砂土体积比为l ：l ，沸 石含量为5 的比例配制的人工土渗滤性能良好，处理效果较佳，沸石用量较经济。 同时研究还表明，在土层厚度为7 0 e m 、e m 投加量为1 5 0 0 m l m 2 、水力负荷周期为2 4 h ( 湿干比为l ：5 ) 的条件下，对降雨径流中c o d 、氨氮、t n 、t p 的去除均能达到 较佳。但由于时间关系，该部分研究还存在三个方面的不足：其一，未对原状土快速 渗滤系统展开研究。在同样的土柱高度下，若其可行，处理系统将更为经济；其二， 未考虑系统持久、科学、有效运行和管理的基本因素，开展运行参数优化的研究；其 三，对系统污染物质去除规律的研究不够。本论文将在此基础上：进一步加强对苏州 城区降雨径流污染特征的研究，同时通过比较原状土快速渗滤系统和人工土快速渗滤 系统对污染物质的处理效果，验证人工土快速渗滤系统削减城市初雨径流污染的可行 性。在此基础上，进一步优化系统的运行参数，包括启动方式和运行方式两个方面， 为实际的工程应用提供参考。最后，探讨系统对污染物质去除的主要规律，为人工土 快速渗滤系统的功能强化提供理论支持。 1 5 研究内容和技术路线 1 5 1 研究内容 本论文的研究内容主要分为以下几方面： ( 1 ) 进一步加强对苏州城区降雨径流污染特征的研究。 ( 2 ) 通过实验室小试试验，用原状土快速渗滤系统和人工土快速渗滤系统分别 来处理自配的初雨径流。以渗透性能、运行时的处理效果及系统长时间落干后恢复运 行的效果为参考因素，综合经济性、简易性，考察人工土快速渗滤系统削减城市初雨 径流的可行性和必要性 ( 3 ) 在选定系统的基础上，考察系统在饱和启动与非饱和启动、接种启动与非 接种启动两种情况下系统的运行状况，为实际的工程应用提供参考。考察两种新的水 力负荷周期下系统的运行效果，寻求去除有机物及氨氮的合适的水力负荷周期，解决 系统持久、稳定运行的问题。 9 河海大学硕士学位论文 ( 4 ) 系统稳定运行后，探讨该系统中c o d 及氨氮的去除规律。并以布水期和落 干期土壤中的氨氮、氧化还原电位及系统出水溶解氧、硝氮、亚硝氮的变化，探讨 c r i 系统中主要污染物质c o d 、氨氮去除规律的特点。 1 5 2 技术路线 1 0 人工土快速渗滤系统削减城市初雨径流污染应用性研究 第二章苏州城区降雨径流污染特征分析 苏州市地处以太湖为中心的浅碟形平原的底部，全市地势低平，自西向东缓慢倾 斜。古城区内建筑密集，绿地和可渗透性地面相对较少；市内河道密布，属平原河网 地区，其受潮水顶托与地形影响流向不定，流速缓慢，水质恶化严重，均属劣v 类水 体。近期的研究表明，由城市降雨径流引起的面源污染也是造成苏州城区河水水质污 染的原因之一。苏州年均降雨量约为1 0 9 9 6 m m ，多集中在6 一1 1 月。为进一步了解 苏州城区各功能区降雨径流的污染情况，为后续试验提供更加科学的数据，在黄玮 3 3 1 2 0 0 4 年对苏州城区降雨径流研究的基础上，于2 0 0 5 年对苏州城区商业区、工业区、 居民区三种典型功能区继续进行降雨径流的采样分析，从而更加准确的确定了3 种功 能区初雨径流的污染程度及特征。 2 1 苏州城区地表径流监测概况 2 1 1 样品采集 商业区、居民区、工业区是性质不同的城市功能区，其地表富集的污染物量及性 质都有差异，使各区所形成的降雨径流也有不同的污染特征。因此，采用分区收集水 样的方式进行研究，能确定各区降雨径流污染物来源和污染特征。商业区径流采样点 设在观前商业区景德路某雨水箅前，居民区径流采样点设在桂花新村居民住宅小区道 路某雨水箅前，工业区设在苏州工业新区滨河路某雨水箅前，各采样点均具有一定代 表性。具体采样时间为2 0 0 4 年7 月及2 0 0 5 年7 月下旬至1 0 月底共六次，且对三个 不同区域的采样点进行同步采样。时间段为每次地表径流形成至延续的6 0 m i n 内，其 中按照5 m i n 、l o m i n 、1 5 m i n 、3 0 r a i n 、4 5 m i n 和6 0 m i n 分为6 个采样时间点。具体监 测时间见表2 一l 。样品采集后立即转入实验室进行化验分析。 河海大学硕士学位论文 表2 16 次雨水地表径流监测时间 地区商业区 工业区居民区 下雨径流形成停雨下雨径流形成停雨 下雨往流形成停雨 日期 时间时间时间时问 时间时间时间时问时间 0 4 年7 月1 9 日2 0 ：1 0 2 0 ：2 02 0 ：4 02 0 ：1 02 0 ：2 02 0 ：4 02 0 ：l o2 0 ：2 02 0 ：4 0 0 4 年7 月2 5 日1 2 ： 1 2 ；1 51 3 l3 01 2 ：1 2 ：1 51 3 ：3 01 2 ：1 2 ：1 51 3 ：3 0 0 5 年7 月2 8 日 ，1 8 ：3 51 8 ：4 31 8 ：5 31 8 ：3 71 8 ：4 8 1 9 ：0 3 0 5 年7 月3 0 日1 7 ：2 0 1 7 ：3 01 9 ：3 01 7 ：1 1 ”：2 0 1 9 ：3 l1 7 ：1 5 1 7 ：2 81 9 ：3 0 0 5 年8 月1 7 日1 8 ：3 41 3 ：4 22 l 1 8 3 21 8 ：4 1 2 l ：3 01 8 j o1 8 ：4 42 l ：3 0 0 5 年1 0 月3 0 日1 5 ：0 01 5 ：1 016 3 0 1 5 ：0 01 5 ：1 01 6 ：3 01 5 ：0 01 5 ：1 01 6 ：3 0 2 1 2 样品分析方法 苏州古城区河道污染严重，以有机污染为主，同时氨氮、总氮和总磷的最高超标 倍数分别达1 4 5 、6 5 4 和4 5 5 1 3 2 1 ，故监测指标包括c o d 、t n 、t p 、氨氮、s s 。样品 分析均采用国家标准规定的样品测定方法：c o d ( 重铬酸钾法，g b l l 8 9 4 - 8 9 ) 、t n ( 过硫酸钾氧化紫外分光光度法，g b l l 8 9 4 8 9 ) 、t p ( 钼酸铵分光光度 法，g b l l 8 9 3 8 9 ) 、氨氮( 纳氏试剂比色法，g b l l 8 9 4 8 9 ) 、s s 【蚓( o 4 5 1 a m 滤膜过滤 1 0 3 1 0 5 ( 2 烘干称重g b l l 9 0 1 8 9 ) 。多次初雨径流的各种污染物的平均浓度分别与地 表水环境质量v 类标准( g b 3 8 3 8 - - 2 0 0 2 ) 对比得出其污染水平。 2 2 结果与分析 2 2 1 苏州城区降雨径流污染物浓度 由监测值可看出，初雨径流和后段时间径流中污染物的浓度有较大差别，特别是 前1 0 m i n 初雨径流污染最为严重，对水环境的危害最大，故取径流形成后1 0 m i n 内水 样进行污染程度分析。 商业区、工业区、居民区的初雨径流污染物的浓度均较大，见表2 2 。三种功能 区初雨径流的c o d 、t n 、氨氮浓度均劣于地表水环境质量v 类标准，而工业区t p 浓度也劣于地表水环境质量v 类标准。 由表2 2 可以看出：c o d 、t n 、氨氮污染在商业区最严重，t p 污染在工业区最 严重，各功能区初雨径流污染特征具有显著差别。 人工土快速渗滤系统削减城市初雨径流污染应用性研究 表2 - 2 商业区、工业区、居民区初雨径流污染物浓度 单位：m g l c o ds st n 氨氮 t p 功能区 曩大值最d 懂均随最大嫒最怕均值鼍始量d 懂均值曩大随 曩小照均旌t 嫦塌小埴均值 商业区 8 1 01 5 84 2 l1 0 0 02 6 85 3 41 4 2 85 僻 9 4 21 2 8 l2 5 94 ，7 8o ，3 o 2 9 o 3 7 工业区 9 6 03 31 8 81 7 0 01 1 04 2 21 1 6 94 7 57 3 41 1 22 3 84 2 11 3 70 io 5 9 居民区 3 2 04 51 4 01 5 0 07 33 7 91 0 0 42 9 37 1 47 9 7i 1 23 0 80 _ 3 9o 1 2o 1 9 2 2 2 不同功能区地表径流特征分析 苏州城区各功能区下垫面的情况有所不同。商业区以城市道路与各类商业建筑为 主；工业区以城市道路与工业企业建筑为主，同时还有部分待建空地；居民区以居民 建筑为主，同时伴有绿地和水系。由雨水地表径流水质( 表2 - 1 所示6 次降雨分时段 监测结果的平均值) 随时间变化趋势( 图2 1 ) 可见，下垫面的性质不同，雨水地表 径流水质也存在很大的差异 p 商业区 o 一商业匿 | | | | 途。差毳醅耋 o1 3 11 l 粤 9 主 7 e5 6 3 02 04 0 6 0 8 0 时问( m i n ) p 商业区 o2 04 06 08 0 时同( m m i n ) o0 8 旨0 6 0 4 皇0 。2 一 0 0 01 02 03 04 05 06 07 0 时问( m m i n ) 专7 foo一居民区 量5 氐 + 工业区 垂3 ， 垄圣量 o1 02 03 04 05 06 07 0 p 商业区 醛区 rc卜一居民区 01 02 0 4 0 翮6 07 0 时问( r a i n ) 图2 1 不同功能区地表径流水质变化趋势 河海大学硕士学位论文 ( 1 ) c o d 与s s由于商业区位于苏州最繁华的地段，集餐饮、娱乐、休闲于一 体，人类活动频繁，污染因素多，故其c o d 、s s 平均值分别达4 2 1 m g l 、5 3 4 m g l ， 这两项较居民区和工业区污染严重。 ( 2 ) t n 和氨氮 由于商业区人口密集、车流量大、汽车尾气排放量大，其排出的 尾气对降雨径流中的t n 、氨氮含量具有很大的贡献，因此商业区地表径流中t n 、氨 氮含量均值分别为9 4 2 m g l 、4 7 8 m g l ，要高于居民区和工业区；本次工业区取样点 属于苏州新区，工业尚处发展阶段，且以电子产品为主，因此由工厂废气及汽车尾气 所造成的t n 、氨氮的污染不及商业区严重，其均值分别为7 3 4 m g l 、4 2 1 m g l 。 ( 3 ) t p 苏州市区降雨径流中t p 含量分布状况在不同的功能区之间存在着显著 的差异，工业区远高于商业区和居民区，其均值为o 5 9 m g l ，最大值达1 3 7 m g l - , 磷