（环境工程专业论文）城市尾水土地处理过程模拟研究.pdf

摘要 针对白城市泄水区城市尾水土地处理过程中的问题，在结合野外土样调查和井孔水 质检测的基础上，通过城市尾水土地处理的实验室土柱模拟试验，研究了城市尾水有机 污染组分和富营养化元素p 在包气带土壤介质中的运移规律，并首次针对渗透型泄水 区建立水文地质概念模型进行理论研究，模拟和预报了泄水区内城市尾水对地下水环境 的污染趋势，最后根据模拟的结果对城市尾水的土地处理过程及地下水环境的改善措施 提出了合理化建议，研究成果对缓解泄水区污染现状，保护该区域生态环境具有重要的 意义。 论文主要取得了以下研究成果：( 1 ) 污染物质通过包气带进入含水层的过程可分为 三个阶段：截留阶段、吸附交替阶段、溶解沉淀阶段。城市尾水中的颗粒物和胶体杂质 在包气带表层被截留，降低了表层土的渗透性能，使土层内渗流速度降低，相应污染组 分的运移速度也得到降低；土壤介质对污染组分的阻滞能力越强，污染物质迁移的过渡 带越大；大部分污染物质被截留在表层土中，污染物质在土层内运移受到渗透水流速的 影响较大；砂土对污染组分的截留能力由强至弱依次为粉砂土 中砂土 粗砂土，且随 着厚度的增加对污染物质的阻滞能力逐渐增强。( 2 ) 泄水区土层已受到不同程度的污染， 污染程度与土层对污染物质的阻滞能力相关，随土层深度的增加逐渐降低；在表层壤土 介质受到破坏的情况下，有机污染物运移到含水层界面的时间约为9 天，磷素运移到含 水层界面的时间约为1 0 8 天；在持续降水的情况下，土层中污染组分饱和峰值逐渐向下 运移，运移速率与土壤介质渗透性能呈正相关；泄水区地下水已经受到严重污染，随着 时间的推移，污染影响范围逐渐扩大；污染晕主要向东南方向扩散，其中泄水渠北侧污 染晕扩散较慢，污水排放口东南方向污染晕扩散速度较快；临近镇赉方向受稻田灌溉影 响，地下水中污染物质含量较高。 关键词：城市尾水；阻滞因子；土壤介质；地下水污染；数值模拟 a b s t r a c t w i mt l l e r e g a r dt o t h ep r o b l e mo ft h ed o m e s t i cw a s t e w a t e rl a n d 仃- e a t m e n ta tt h e 碰s e h 鑫糟e 羽零ai 熊r 融e a s to fb a i c 纛蹯gc i 织l 重a l ( em es o i l l 硼隧e x p e 函e n l 专os 豳 u l a t e t h ed o m e s t i cw a s t e w a t e rl a i l d 仃e a 伽e n ts y s t e mi nl a b o r a t o r ya tm eb a s i co fm e1 0 c a ls o i l s a m p l ei n v e s t i g a t i o na n dg r o u n d w a t e rq t l a l i t ym o l l i t o f i n ga td i s c k 嘿ea r e a i s t u d i e d 扛a n s p o f tp a t e 撒a b o u to 曜撕cm a t e r 主蠢鞠de l i 拄o p 量l i c a t i o n m p o n e 瓜( p h o s p 抽m s ) o f d o m e s t i cw a s t e w a t e ri nt h ev a d o s ez o n e n m d u g hm es i i i n l l a t i o n 。e ) 【p e 曲e n t ，it a k et h e 式s c h 鑫霸萨a 漱毫oe s 兹| b l i s h 她h 舛咧印l o _ g yc o 嚣e p l 趣o d e l 钕也e 蠢懿t h e ，秘d 凌强 伊a d u a l l yt a k et h e o r e t i c a lr e s e a r c h w i t hm eh e l po fm eh y d r o g e o l o g ) ，c o n c 印tm o d e l ，if i s t e x 鑫e 娃ys i 趱u l a l e 纛氆ep o l l 娃辔毽p 妁c e s sw 越c 魏p 醴l u t e dm a 钕鄹o fd o m e s l i cw 黟l e w a l 口p a s s u 曲m ev a d o s ez o n ea n dr e a c hm eu i l d e r w a t c re n v i i o 眦1 e n t ，w h e r c a r e rp r e d i c t e dm e p o l l u t e dp l 啪eo ft h e 凼s c h a f g ea r e a ht l l em 诚，ip u tf o r w a r ds o m er e a s o n a b l es u g g e s t i o n s ， s u c h 嬲卸r o v i 薹l gd o m e s t i ew a s 馋w a t e rs o i i 一蠡l t c f 拥耀缸e 薹堇e 绣e i e n c y 雒dg u n d w a 鼹 e n v i r 0 姗e m t h er e s e a r c hr e s u l t sa r es i 嘶f i c a n tf o ra l l e v i a t i n gt h es t a _ n l so fp o l l u t e dv a d o s e z o 珏e 鞠dp 约e e i 黩gt 蠹el o c a le c o l o 参e a | 鼹v i 掰箍髓。 t h e r ea r es o m em a j o rr e s e a r c hr e s u l t si i l m yd i s s e r t a t i o n ：( 1 ) m ep r o c e s st h 舭 程勰i n a 湖辙a 捃蠢蠢p 粼翻毽曲v 积o s ez 。羹e e 题堍奄v i d 耐i 魏耋。妇蛩op h s e s ： i n t e r c 印t i o np h a s e ，a l t e m a t i n ga b s o 即t i o np h a s e ，d i s s o l u t i o na n dd e p o s i t i o np h a s e 1 1 1t h e 鼢i l - 鑫l 耄e fs y s 专e 激，m ee o l l o i 曲lp 糠i e l e s嬲di 咖t 主e so f 面撒e s t 主cw a s t e w a t 灌c 强 b c ， i n t e r c e p t e db ys u r f a c es o i l t h e r e f o r e ，t h ei n t e r c e p t i o nr e d l l c e d l es u r f k es o i i sp e r m e a b i l i 坝 s ot h a tp e r c o l a t i o nv e l o c i 锣o fs u b s 协l t i l md e c f e a s e da n da l s ot h cc o n t 砌i n a t i o n sm i 伊a t i o n v e l o e i t yd e c l i n 甜t h e 酽e a t e fr e 锄伽d o nc a p a b i l 时m a tp o l l u 甜p a 拄e 撒p a s s e d 幽u 曲s o i l m e d i l l l 1 l ，t h e1 0 n g e rt r a n s i t i o nz o n em a tc o n t a m i n a t i o no fd o m e s t i cw a s t e w a t e r 廿a n s f e r r e di n s 坟l 擞e d i 蕊? 魏em 毒。蠢锣o fc o 羹捂m i l 臻蠹鳇w 舔叠耋e 羚。笋连e db ys 滋参遣 凌o c o n t 枷i n a t i o n s 仃 m s f e r e n c ci s e a t l yi n n u e n c e db yi i l f i l 似e dw a t e r sv e l o c i t yi 1 1s o i l m e d i 姗t h ec 攀a b i l i t ym a ls a n d 耀涮e dc o l l l a l l l i n a t i 雌o fd o m e s t 主cw a s t e w a t e ra r r a y e d 舶m s t r o n gt ow e a kw i t hs i l v e rs a n d ，o f i g i n a ls a n da n dr o u 曲s a l l d w i mn l ei n c r e a s eo ft h e s a n dm e d i u m sd e p t h ，t h ec a p a b i l i 哆w l l i c hs a n dr e t a r d e dc o n t a m i n a t i o n sm o v e m e n ti s g r a d u a l l ys t r e n 曲e n e d ( 2 ) 髓es o i lm e d i 戳o f 函s c 蛔罄黜ah 酣b e e np o l l u t 甜，a n d 她 p o l l u t e dd e g r e ei sr e s p o n s 饱1 ef o rt h ec a p a b i l i t ) rw m c hc o n t a m i n a t i o nb er e t a r d e db ys o i i 爨i 磷珏o w o v e r ，至fs 毽蕊e es o i l 璎e d i 啪w 弱纛e 璎o l i s h e 蕊。毽礤i e 弦l l 珏l i 雠熬浓e 耩 p e 咖e a t e dv a d o s ez o n ea n dr e a c h e d 乒o u n d w a t e ra q u i f e rb y9d a y s ，w 札l ep h o s p h o r u sd i d t h a tb yl0 8d a y s 。bt 量l ec a s eo fc o f l t i n u o u sr 越n 亟l l ，也ep o l l u t e ds a t u r a t i o 藏i n t e r f a c e 蓼a d 髓l l y m o v e dd o w n w a r d ，m ev e l o c i t yi s p o s i t i v e l yf e l a t e dt om ei n f i l 包r a t i o nc a p a b i l i 锣o fs o i l m e d i u m t h em o l l i t o r i n gr e s u l td e c l a r e dt h a t 伊o u i l d w a t e rw a ss e r i o u s l yp 0 1 1 u t e d ，a n dw i 廿1 t h ep a s s a g eo ft i n l e ，t h es c o p eo fp 0 1 1 u t i o nh a sb e e ng r a d u a l l ye x p a n d i n g w h e r e a sp o l l u t i o n h a l om a i l l l ys p r e a ds o u t h e a s tj 6 f d mt h ep r e d i c t i o nc h a n t h ep r o v i s i o np r o c e s si ss l o wi nt h e n o f t ho ft h ed i s c l l a 略ed m i l lb u tf a s t e ri 1 1t h es o u t h e a s to ft h es e w a g eo u t f a l l t h e c o n t a m i n a t i o no f 伊d u r l d w a t e ri si nl l i g h e rl e v e lw i t ht l l ei n f l u e n c eo fp a d d yf i e l d si 仃i g a t i o n n e a rz h e n l a ic i t v k e yw o r d s ：d o m e s t i cw a s t e w a t e r ；r e t a r d a t i o nf a c t o r ；s o i lm e d i 啪；粤d u n d w a t e r p o l l u t i o n ， n 啪e r i c a ls i m u l a t i o n i l l 独创性声明 本人郑重声明：所提交的学位论文是本人在导师指导下独立进行研究工作所 取得的成果。据我所知，除了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。对本人的研究做出重要贡献的个人和集体，均 已在文中作了明确的说明。本声臻的法律结果由本入承担。 学位论文传者签名- 圭耋二日期：垒塑：兰：z 学位论文使用授权书 本学位论文作者完全了解东北师范大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 东北师范大学有权保留并向匡家有关部门或机构送交学位论文的复露件和毫子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权东北师范大学可以采用影印、缩印或其它 复制手段保存、汇编本学位论文。同意将本学位论文收录到中国优秀博硕士学 位论文全文数据库( 中国学术期刊( 光盘版) 电子杂志社) 、中国学位论文全 文数据麾( 中豳科学技术信息研究所) 等数据库巾，并以电子出版物形式出版 发行和提供信息服务。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名： 日期： 学位论文 工作单位 通讯地缝 指导教师签毫：亥咝 日期：乡坠分7 l 盔苎! ! 圣堑堂蓝丝窿 ：j 磁笠撼坐丝量殛避 电话：! 墨墨兰丕翌乡乡罗 邮编：哆一珥 东北师范大学硕士学位论文 第一章：绪论 1 1 概述 国内外许多地区，城市尾水已经成为区域水环境重要的污染源。例如，南非和加拿 大的许多重点水源地，均受到城市污水二级处理厂所排放尾水的污染，而发生不同程度 水质恶化的现象【1 1 。2 0 0 2 年，松花江流域c o d 和氨氮的输入量分别为1 0 9 1 3 万t 和1 0 1 2 万t ，平均质量浓度达到3 2 0 m l 和2 9 1 9 m l ，其中污水处理厂出水的贡献率均在 2 5 4 0 ，是造成冰封期松花江水质恶化、富营养化征兆明显的重要原因【2 j 。在许多 地区还存在经济条件上的差异和管理技术上的缺陷，大量生活污水与尾水混合排放，难 以形成区域污水综合治理，这种情况更加剧了该区域尾水污染问题的复杂性和治理的艰 巨性。 城市尾水处理属于污水的深度处理，承担着区域生态环境保护的重要任务，最终目 的是将区域污水转变为可利用水资源。尾水直接排入河流不但浪费了资源，还会造成水 体功能退化，严重影响地表水环境质量。当前，污水处理技术还难以达到环境安全学的 高层次要求，且污水处理过程存在选址、工艺以及气候变化等条件的限制，不可避免对 周围环境形成一定影响。如在城市污水处理厂建设过程中，其选址一般临近江河湖泊等 自然水体，城市污水经处理后直接排放，对自然水体构成潜在威胁。由于部分城市污水 处理厂受到城市发展限制和经济条件上的制约，污水处理工艺还停留在一级处理水平， 仅仅针对城市污水中悬浮物、漂浮物以及固体颗粒物进行去除，而将附带病原菌的大量 有机污染物排放到附近水体。随着时间的推移，污染物质在水体中不断富集，不仅通过 食物链对人类健康构成潜在威胁，而且对流域生态环境造成严重影响。局部城市周围缺 乏受纳水体，市政污水处理厂的尾水采用地表漫流形式排放，不仅占用大量可利用土地， 而且其中的污染物质渗透到包气带，对浅层地下水资源构成严重威胁。 随着城市化进程加快，许多地区出现了明显的水资源危机问题，严重影响了社会经 济的可持续发展。开发城市尾水作为“第二水源”，不仅可以缓解城市水资源危机，而且 具有水源稳定可靠、处理成本较低等优点。城市尾水经进一步处理后可广泛应用于工业、 农业、城市杂用水、景观环境用水、补充水源等多个领域，满足卫生安全学方面要求不 高的水资源需求。为确保区域水环境的长治久安，从水污染控制全局出发，控制区域尾 水排放量，加大尾水回用程度，开拓尾水的用途，实现区域尾水资源化是区域水污染控 制的重要环节。 1 2 尾水土地处理泄水区概测3 】 1 2 1 白城市泄水区概况 1 东北师范大学硕士学位论文 良城市泄水区位于城市东南方向，占地瑟积约1 8 2 ，所在区域属温带大陆性季风 气候，气候特点为：春季干燥少雨多风，气温回升较快；夏季温热多雨，雨量集中，多 雷雨天气；秋季凉爽晴朗，昼夜温差较大；冬季严寒少雪冰冻期长，降水量小。全年温 差大，无霜期短，干旱、风多雨少是本区的特点。年均日照时数2 9 5 0 小时，多年平均 气温3 6 ，极端最高气温可达4 0 6 ；一月份最冷，平均气温为1 5 8 1 9 2 ，极 端最低气温可达4 7 3 。无霜期l 豹1 7 0 天，每年9 胃下旬初霜，翌年4 月中旬终霜。 冻结期1 5 0 1 8 0 天，冻结深度1 6 2 5 m ，属于季节性冻土地区。气候条件满足了农作 物生长的需要，光热条件傀予全省其他地区。春秋蘸季多西南风，冬季多西= | 艺熙，年平 均风速一般大于3 州s ，最大风速达4 0 耐s 。相对湿度普遍较低，3 5 月最低，仅4 0 5 5 ；7 月最离，达强8 0 。年均降水量4 0 7 9 燃m ，主要降水时段为6 9 月( 占全 年总降水量7 0 一一8 0 ) ：暴雨的局地性很强，易形成山洪和涝灾。多年平均蒸发量为 1 7 7 3 1 9 4 7 n h n 。泄水区生态系统属于半湿润森林草原向半干旱和沙漠的过渡带，处于 吉林省历史上农牧交错带的位置。地势低平，多湖泡沼泽，低洼易涝地的面积较大，其 中大部分为盐碱涝洼地，植被以芦苇及草地型湿地植物种类为主，8 0 年代后期，通过 在低洼易涝地上打井群檀水稻，对盐碱翘进行了一定程度上的改良。 l 。2 。2 泄水区域基本情况 臼城市泄水区位于长自铁路以北、原镇赉县与洮北区交界线以西、6 6 0 0 0 伏高压输 电线路北l o o 米以南，规划面积约1 8 平方公里。在1 9 8 2 年、1 9 9 6 年和2 0 0 6 年三次城 市总体规划调整中，自城市城区东南部泄水区一童承担着整个城市雨污水自然净化的任 务。1 9 9 9 年7 月2 8 日，省政府明确批示白城市总体规划( 吉省政函 1 9 9 9 】1 0 6 号) 中确定自城市市区污、葱水泄水区在上述范銎内。 1 2 2 1 泄水区生态环境 泄水区是多年生草本植物组成的草甸草原，以中旱生多年生的根茎禾草、丛生禾革 占优势，并有大量的杂草分布，如小叶章、三棱草、塔头苔草、芦苇、香蒲等，伴生种 有牛鞭草、水稗草等。临近主城方向地势较高，植物种类主要有盐篙、璋毛、芦苇和莎 草等组成酶混合群落，植被覆盖度约8 9 。由于缺乏有效管理和相关条例限翩，渣水 区临近镇赉方向大面积土地被开垦，并种植水稻、向日葵等作物，很大程度上降低了泄 水区的生态净化功能。泄水区中部设施有一条泄水渠道，渠道两旁植物以小芦苇为主。 白城市区大量工业废水、生活污水和雨水主要经过这条渠道汇入泄水区，区域内无特殊 保护的陆生生物。 1 2 2 2 泄水区土层地质 泄水区位于松辽平原工程地质区第五区；地处松嫩平原工程地质亚区。场地坐落 在属于第西系的圜砾辩石冲洪积夹冰碛层的沉积物之上，卷酶密实度和强度一般分布 不均。场地土层分为五层( 如图1 1 所示) ，自上而下依次如下： 2 东北师范大学硕士学位论文 图1 1白城市泄水区城市尾水土地处理系统示意图 ( 1 ) 耕植土：灰黑色，冻层，由耕土、植被等组成，含有植物根系，该层不宜作 为天然地基土使用。厚度约0 3 0 一o 6 0 m ，平均厚度为0 4 4 m 。 ( 2 ) 粉土：灰黑色和黄褐色，稍湿，可塑状态，中密，局部稍密，属于中偏高压 缩性的场地土。层间以粉土为主，混有粉细砂，并见有粉细砂和粉质粘土薄夹层，夹层 内局部混有圆砾石，夹层厚度不一，分布无规律性。粉土层厚度约0 4 2 2 m ，平均厚 度约为o 8 4 m 。 ( 3 ) 粉细砂：褐黄色和灰白色，稍湿，中密，局部稍密，属于中偏高压塑性的场 地土。粉细砂的砂粒度比较单一，主要有石英、长石等组成。层间混有粘性土，局部混 有圆砾石。，并见有粉质粘土薄夹层，厚度大约在o 1 0 4 m 左右。粉细砂的厚度约o 9 2 7 m ，平均厚度约2 0 1 m 。 ( 4 ) 中密圆砾层：褐黄色和浅灰白色，上部密实度比较差，下部密度逐渐增强。 砾石分选性与级配比较好，局部砾石颗粒比较小，混粉细砂和砾粗砂比较多，个别可见 少量卵石。最大直径可达6 0 c m 左右。砾石浑圆度较好，多呈亚圆形。中圆砾层厚度约 在1 2 1 2 m 左右，平均厚度约1 6 4 m 。 ( 5 ) 中密一密实圆砾层：砾石颗粒较上部圆砾石略大，密实度比上一层圆砾增强， 呈中密状态，局部很密实。其它与上一层圆砾基本相同。该层圆砾未钻穿，钻探控制厚 度约1 9 0 4 4 0 m 。 1 2 2 3 泄水区水文地质 ( 1 ) 含水层：场地的地下水含水层在圆砾卵石层中，上部无连续的隔水层，属于 第四系孔隙潜水类型，下部隔水层是成岩作用较差的第三系泥砾岩和泥岩。场区地下水 位较低，初见水位3 6 4 1 m ，标高为1 4 3 4 6 1 4 4 0 8 m ，静止水位3 6 4 2 m ，标高为 1 东北师范大学硕士学位论文 1 4 2 9 9 1 4 3 9 0 m 。 ( 2 ) 补给及排泄条件：场区地下水主要靠大气降水和洮儿河水系侧向径流补给， 圆砾卵石的透水性比较好渗透系数k = 1 0 0 1 5 0 删，入渗条件比较好a 大于0 3 ，富水 性强，单井涌水量大于l o o 讹，抽水影响半径约6 0 0 m 左右。地下水流向是由西北向东 南方向流动。 ( 3 ) 地下水的动态特征：由于白城市属于寒温带季风大陆性气候，多风少雨半干 旱地区，年降水量分配极不平衡，造成旱涝灾害频繁发生。潜水变化动态规律随季节性 变化，属于渗入径流开采型，呈降升一降周期性变化，降水量和渗流量季节分配不均， 高水位一般集中在7 9 月份，水位最小在3 5 月份，四季水位变化幅度约1 0 1 5 m 。 ( 4 ) 降水量与地表水体特：气象资料表明，历史上降水量最大的年份为1 9 5 7 年， 全年降水量为8 0 0 7 m m ，1 9 9 8 年全年的降水量为7 2 6 3 m m 。其中：七月份为2 0 9 m m ， 八月份为3 1 1 0 m m ，九月份为6 5 0 m m 。7 9 月份的降水量占全年的7 0 。由于场区周 围的地势起伏和公路路堤围截，9 8 年白城市发生洪水时并未波及该地区。 ( 5 ) 水质及腐蚀性：场区地下水的水质比较好，水的矿化度约在o 5 1 o l ，属于 重碳酸钠钙型溶滤水，地下水p h 值一般在6 5 7 6 之间。所以地下水对混凝土无分解 型侵蚀和结晶型侵蚀的影响。根据地下水的流向，对白城市区内工农业的潜水水源一般 不构成污染的可能。 1 2 3 泄水区污水来源 2 0 0 3 年，白城市污水总排放量为4 1 万m 3 d ，到2 0 0 5 年污水排放量为5 万m 3 d ， c o d c ，排放总量达到2 8 似。随着城市化进程的加快，白城市水资源匮乏现象越来越严 重。当前，白城市城区大部分雨、污水均通过排水管网和排水渠道汇集到泄水区。根据 城市新的总体规划，在泄水区西部将建立两大工业园区，分别为民营经济开发区和新型 建材工业园区。新工业项目的建设势必增大城市水资源的需求量，同时也不可避免产生 新的工业废水，增加了泄水区所承担的污染负荷总量。： 1 3 城市尾水土地处理系统 1 3 1 城市尾水土地处理方法 对城市尾水的处理属于污水三级处理的范畴，是污水回用满足卫生学和毒理学安全 的必要处理过程。通常处理方法是将城市二级污水处理厂排放水再经过物理化学和生物 方法进行处理，进一步降低c o d 、氨氮、盐度等一般性指标和遗传性有毒有机物等毒 理学指标，有效去除污水中各种不同性质的物质。土地处理技术通常也用于城市污水的 处理，常用的土地处理技术有以下几种工艺m j 。 ( 1 ) 慢速渗滤处理技术 慢速渗滤对污染物净化是凭借污水在地表漫流过程中，地表植物和土壤对污染组分 吸收、净化作用。污水在土壤层渗滤速度较慢，且由于大部分生物活动停留在表层土壤， 4 东北师范大学硕士学位论文 因而对污染组分具有较好的净化效果，其特点是不用考虑处理水的排水形式，是一种适 用于城市周围没有天然地表水体的污水处理技术。慢速渗滤技术被认为是土地处理中最 适宜的工艺，适用于渗透性能良好的土壤，如砂质土壤和增发量小、气候湿润的地区。 ( 2 ) 快速渗滤处理技术 快速渗滤处理技术主要是利用土壤及其中的微生物对污染组分的截留作用。污水在 向下渗透的过程中，在过滤、沉淀、氧化、还原以及生物氧化、硝化、反硝化等一系列 物理、化学及生物的作用下使污染组分得到净化。快速渗滤系统需要良好的预处理，在 滤速较高的时候需要以二级处理作为预处理。在快速渗滤处理过程中，渗透层经过长期 使用后需要干化一段时间，以便恢复土层的净化功能。在气候温暖的地区干化时间较短， 而在寒冷地区则需要采用较长的休灌期。 ( 3 ) 地表漫流处理技术 地表漫流处理是以污水为主，兼行生长植物的污水土地处理与利用工艺。地表漫流 利用的土地一般具有多年生植物，区域坡度缓和，且要求土壤渗透性能较差。污水在地 表漫流，速度缓慢，在流动的过程中污染组分得到净化。污水在漫流过程中，只有少量 渗透地下和蒸腾到空气中，大部分污水汇入建于低处的汇水沟。 ( 4 ) 湿地处理技术 污水投配到土壤经常处于水饱和状态而且生长有芦苇、香蒲等耐水植物的沼泽地 带，污水沿一定方向流动，其中的污染组分被耐水植物和土壤净化。湿地处理系统对污 水净化的作用机理主要有：物理沉降作用、植物根系阻留作用、化学沉淀作用、土壤与 植物表面的吸附与吸收作用、微生物代谢作用等。此外，湿地植物和环境对细菌和病毒 也有一定的去除作用。 1 3 2 尾水土地处理的特点 城市尾水土地处理是依赖水、土壤、细菌、高等植物和阳光等基本的自然要素，利 用土壤微生物植物系统的自我调控机制和综合自净能力，完成尾水的深度处理，同时 通过对尾水中水分和营养物的综合利用，从而实现尾水无害化和资源化再利用。当前， 城市尾水土地处理系统广泛应用于原污水、一级尾水处理、尾水深度二级处理甚至三级 处理的研究和实践。国外运行比较成功的有澳大利亚墨尔本的生态工程威里比农场、美 国密执安州m u s k e g o n 县的尾水生态工程、美国俄勒冈州c 锄o nb e a c h 市的城市尾水 湿地处理系统等。国内相关典型案例包括北京昌平卫星城的尾水芦苇湿地示范工程、深 圳白泥坑、山东荣成城市尾水湿地处理一期工程、江苏射阳利用黄海海涂处理造纸废水 工程等【l j 。尾水土地处理的优点主要有： ( 1 ) 污染物去除效率高。据国内外的相关资料显示，尾水土地处理的去除效率较 高，整体系统易于维护，运行效果稳定，对悬浮物和有机组分均有较高的去除效果，尤 其是针对多氯联苯、氯苯、萘等难降解有机物也具有良好的降解效果。如山东淄河污水 处理厂出水经过渗滤型人工湿地处理后，出水氨氮含量从7 3 m l 降到o 6 6 m l ，去除 效率达到9 1 p j 。 气 东北师范大学硕士学位论文 ( 2 ) 综台效益明显。尾术缝处理不仅能够进一步经济有效地净讫污水，面显能 够充分利用污水中的营养物质，促进表层植物或缀济作物的生长。尾水经过土地处理厝 还可以用于水产业和畜牧业的发展，带来较高的经济效益。 工程实践表明土地处理系统占用土地面积较大，处理负荷较低，去除污染物能力有 限，且处理效率受到气候影响较大，冬季处理能力下降，而夏季容易孳生蚊蝇、散发臭 味。土地处理系统若存在选址和维护不当的情况，污染物质还会穿透包气带进入潜水层， 对地下水环境造成影响。 1 3 3 土地处理系统去除机理 城市尾水土地处理是一种生态学处理方法，利用土壤、含水层和榜物的“处理”与“利 用”两个功能来达到净化污染组分的目的。在处理过程中，土壤层起到过滤器的作用， 污染组分在土壤、含水层和植物组成的系统中，通过一系列物理的过滤、吸附、挥发、 淋溶、化学的分解与转化、植物的吸收与微生物的降解，嗷收等作掰而得到净化。主要 作用机理如下： ( 1 ) 物理过滤 土壤颗粒问的孔隙鼹有截留、过滤功能，能够有效去除水中悬浮颗粒。污水流经土 壤颗粒孔隙的过程中，由于粒径较大而被土壤颗粒截留。影响土壤物理过滤效果的主要 因素有：土壤颗粒的粒径、颗粒间孔隙的形状和大小、孔隙的分布以及污水中悬浮颖粒 的性质、数量与粒径等。此外，表层壤土的地表植物和表层生物对水中悬浮颗粒也具有 一定的截留作阁。水中的悬浮颗粒浓度较高、粒径较大以及表层微生物代谢产物过多等 情况都能够导致土壤颗粒间的堵塞。 ( 2 ) 物理吸附与化学吸附 由于非极性分子之间的范德华力作用，土壤中粘土矿物颗粒能够吸附土壤中的中性 分子。金属离子与土壤中的无机胶体和有机胶体颗粒通过螫合作用能够生成螯合化舍 物。部分金属离子能够与土壤颗粒之间进行阳离子交换而被置换吸附。此外，某些有机 物与土壤中重金属生成可吸附性螫合物而固定在土壤矿物的晶格中。 ( 3 ) 化学反应与化学沉淀 重金属离子能够与土壤的某些组分进行化学反应生成难溶性化台物而沉淀在土壤 表层。遥过改变和调整士壤的氧化还原点位，能够生或难溶性硫伍物；改变p h 僮能够 生成金属氢氧化物：部分化学反应还能够生成金属磷酸盐等物质，而在土壤中沉积。 ( 4 ) 微生物代谢作用下的有机物分解 表层土壤和植物根系组合系统中存在种类繁多、数量巨大的微生物，对流经壤的 有机物、n 、p 以及溶解性无机盐类具有良好的吸附、吸收和转化能力，在好氧、兼氧 和厌氧等条件下将污染组分一部分氧化分解获得能是柬维持生命活动，将吸收入细胞内 的部分组分合成新的细胞，通过自身代谢来完成污水净化过程。这种机理在土壤净化污 染物过程中起到了关键作用。 6 东北师范大学硕士学位论文 1 3 霉包气带层对尾承污染缝下水的防护能力分析 在氧难以达到的深度土层中，微生物活动量较小，此时污染组分的去除主要依靠土 壤颗粒对污染组分的阻控、拦截作用。这一部分厚度位于表层壤土约o 。5 m 以下，地下 水位以上的包气带土层。这部分具有由于表层壤土的土质结构，可使多数溶解性迁移污 染物在这一阶段得到吸附或沉积。不同质地土体对污染质的阻控、转移、净化等方面能 力也具有一定妨差异。不同地区不同质对污染物质污染地下永的防护麓力不同，医葱 对地下水的“护沽作用”亦不同。已有研究袭明，在包气带中氮的迁移转化方词，不同土 层对氮素污染地下水的防护爱力不同，其中的淋溶氮素与土、水、气等多相的均衡作耀 和微生物转化作用等理论也存在一定差异。因而，城市污水处理厂尾水在地表漫流、砂 层渗透等土地处理系统中运行一段时问后，其中的污染物质( 如n 、p 等) 通过各种途 径进入地下含水层。这种污染长期持续且分布广泛，尤其在我雷北方由前平原地区( 如 白城市) 污染突出，后果严重，对水量型缺水的该地区来说，更加重了水源危机，制约 了区域经济的发展。在城市垃圾处理填埋场方蔼，已有研究表臻，随着时间豹迁移，填 埋场中的污染物质逐渐渗透包气带含水层，对地下水的污染日益严重【6 】。因而对于城市 尾水这种特殊资源，不仅需要重视与环境载体防污能力的研究，丽且要注重治理和源流 调控。 ：1 4 国内外对城市尾水土地处理系统的研究现状 城市尾水中污染组分主要还是限定于有机污染物和富营养化元素，大部分关于污染 物运移的报道集中在农药化肥等大面积污染现象，其源汇项输入方面与城市尾水污染特 征存在较大区别，由于污染组分浓度、水量输入等条件不同，污染物质在包气带运移过 程中的土壤介质防护、迁移转化等方面也存在一定差异。 土壤介质中污染物质运移过程研究一直受到很多学者关注。早在7 0 年代初期，囡 豁部分学者裙继开展了该方瑟的研究，研究燕点集中在疆阉作物利用和养分流失方西， 如t k b i s w a s 、j 锄e s 等研究证实了表层土壤介质对磷素运移具有较大的截留作用，表 层壤土中磷素的含量远远大于底层的含量【7 8 】；s t 耀及m 黼s e l l 等对在总结了大量资料 和土壤剖面中n o 孓分布进行了长期研究指出，n 捋肥料施入土壤后，指示作物的利用率 在3 0 6 0 之间，根区土中层中也残留一部分氮素【9 】。该阶段的相关研究主要是从作 物生长的角度崽发，考虑匿闻施肥帮降水等条件对氮、磷在耕作层3 0 e 氆厚度土层中的 运移过程的影响，基本上还未涉及到污染组分向下运移的趋势。随着溶质运移理论研究 盼不断深入，相关研究相继展开：g 翮d 镞通过柱体试验来研究石油产品通过砂质介质 的运移情况，采用压力分布情况分析石油产品在包气带和含水层中的运移特征i l u j ； g e e l 和s 诛e s 利用砂槽模型研究有机污染物质饱和带的滞后现象【i1 】；w a d d i 】l 和p a f k 娃 在二维砂箱的进一步试验中又证明滞后现象、毛细作用的相关影响引。随麓研究层次 的不断深入，研究方向也集中在土壤介质对有机污染物吸附性能方砸。m i n g e l 鲥n 等认 为，有机污染物在土壤上发生表面吸附作用，浓度相当低时，可以瘸察到线性关系；另 东北师范大学硕士学位论文 有研究者认为，菲离子纯有机物在壤或沉积物上的吸附是分配作黑l l 翻。隧着磅究的 继续深入，研究范围逐渐由室内最初的垂向模拟转向三维流场内污染物的运移，溶质在 各流场内的运移规律也逐渐被认识，研究理论 ! 导到了较大的提升和发展。 我国关于污染物质运移的研究工作起步稍晚，相关学者在2 0 世纪8 0 年代初才开始 对盐度、硬度等溶质运移进行研究，随后在国外相关理论的基础上，借助数学模型对水 盐运动过程进行了模拟与评价。关于有机物蕊运移过程研究在9 0 年代后逐渐展开。聂 永丰、刘兆昌等通过包气带透水性能、土壤水运移及参数测定以及实验室内迁移模拟试 验，研究了污染物在下包气带( 遗亟以下o 。2 4 融1 ) 饱水帮遵饱水条件下的迁移转化【l 卅； 祝万鹏、温东辉、杨志华等建立了苯酚在土层中迁移转化机理的数学模型，并通过室内 试验获得有关参数，从而 | 导到苯酚在细砂中吸附、降解的性能和规律 1 5 】；阎先良通过 室内淋滤试验，研究了酚、氰、砷、汞、铬在粉质轻亚粘土和中砂土中的累积、运移规 律【1 钟；张光辉等人利用单种表面活性剂来研究去除石油污染物的去除率【l 刀；刘晓丽， 梁冰等利用变系数数学模型对地下水有机污染组分进行了跟踪研究，注重予缝下水流速 和弥散系数对于有机污染物的迁移转化的影响【l 明；赵勇胜利用多相流体理论研究地下 环境中水和有机污染物的运移过程，并剥麓垂向压力平衡原理麦基餮襄对污染区地下水动 力场进行修正，较准确的反应了有机污染物在地下环境中的驱动力场分布i l9 1 。由于有 机污染物的迁移特性与水中盐分运移过程存在的差异，过程研究中所借助的数学模型难 以全面反应有机污染物在包气带介质中运移规律，在数学模型中体现有机物的生物化学 转化过程存在一定难度。 近年来，数值模拟为当前包气带污染物质运移过程研究开辟了新的思路，其在地下 水污染防治方面的应用越来越广泛。最初的数值模拟多针对单一污染组分，研究点主要 集中在模型的初始值和水动力弥敖参数的求解。如b o 西在模拟二维有机污染物运移过 程的基础上，建立了一种描述多孔介质中流体混合流动的三维流数学模型，用来描述地 下水和污染物混合稀释的问题【2 0 】：k a l u a 赫c h c h i 和p a 戒e f 建立一种二维有限元模型来预 测三相流体中油水流动过程，并采用伽辽金有限元和迎风差分格式进行数值模拟，提高 了模型求解的精度【2 。污染物质在包气带介质中运移过程是相当复杂的，多组分溶质 中的单一组分并不具备代表性，因而研究者也逐渐展开多组分溶质运移模拟研究。 m a n s e l l 和v a l o c l l i 研究了包气带中非稳定、非饱和流中的多种离子运移问题，并提出了 多溶矮运移过程中单一缝分的运移模拟方程【2 2 ，2 3 】；薛强等通过对模型改进，利用污染物 迁移转化过程中不平衡动力学模型来预测污染物在土壤一水环境中的运移过程，并将土 壤中水分运移模型耦合污染质运移模型来预测煤砰石淋溶重金属的运移过程【2 4 乃】。随着 数值模拟研究的不断发展，各种模拟技术也在包气带中污染物运移模拟中得到运用。王 金满等采用基于人工神经网络模拟与预测土壤中溶质运移模拟与预测，并取得较好的效 果f 矧。这些模型大多逶过室内试验确定数值模型靛输入参数，结合野外调查对模型参 数进行校正，能够较准确反应实际结果，具备一定的预测能力。 综上所述，在城市尾水应用研究、污染组分迁移枫理以及污染预测方面，匿蠹钤已 经开展了一系列研究，取得了大量的研究成果，但在平原型缺水城市的长期地表漫流的 r 东北师范大学硕士学位论文 污染预测以及渗滤型土地处理系统的污染组分迁移转化规律方面还未形成系统研究。因 而，本论文从污染区包气带中污染物质的迁移、转化着手，逐步开展城市尾水土地处理 的系统研究，在污染区域环境治理以及城市尾水土地处理后回用等方面具有重要的意 义。 1 5 本论文的研究背景、目的和意义 1 5 1 论文研究背景及选题依据 已有研究表明，土地处理技术在一定程度上能够缓解城市尾水污染现状。早在6 0 年代，白城市城市规划中确定市区东南部为城市尾水排放的泄水区，采用地表漫流的形 式，发挥土壤植物大气组合系统的生态学优势，对城市尾水进行处理。自城市周围无 地表水体，泄水区土层结构为渗透性能良好的砂土层和砾石层( 见图l 1 ) 。城市尾水 进入泄水区后，部分污染组分在地表植物和表层壤土系统中得到去除，大量溶解性污染 物质进入包气带土层，随着时间的推移其污染负荷超过包气带土层的阻滞能力，部分污 染物质进入透过包气带土层，对该区域地下水形成污染。沈万斌等在2 0 0 4 年对白城市 地下水质量评价过程中，发现城市东南部白城市造纸厂周围硝酸盐及亚硝酸盐超标倍数 分别为2 3 8 和1 4 0 ，地下水水质已经达不到饮用水标准吲。由此可见，白城市泄水区 由于长期接纳城市污水，部分污染物质已经穿透包气带土层进入潜水层，对地下水环境 造成严重影响。 近年来，国内学者林学钰、肖长来、朱英俊等对吉林西部( 白城市和松原市) 地下 水进行过水流模拟和预报【2 8 2 9 1 ，赵勇胜、汤洁、董志颖等对吉林西部地下水进行过水质 预警系统研列3 0 啦】，沈万斌等针对白城市城区地下水现状进行了全面调查与评价【2 7 】， 上述范围包括白城市这种独特水文和地质特征的区域，但其研究的时空分布较广，主要 针对大尺度范围内地下水可利用情况进行的综合评估与预测。因此，针对泄水区这种尺 度范围较小的区域，结合水文地质和岩土地质条件的特性，对泄水区内污染物质运移过 程进行专项研究，来准确反应泄水区土壤和地下水的污染状况，从而合理评价和预测泄 水区包气带土层和地下水环境的污染状况。 1 5 2 研究目的和意义 城市尾水土地处理过程中，在选择合理处理系统和运行参数的同时，还应该考虑受 纳土体的承受能力及其对包气带土层和浅层地下水的影响。当前在城市尾水土地处理过 程中还缺乏该方面的系统研究。因此，本论文为探求土地处理过程中污染物迁移转化规 律以及污染控制策略，拟从以下几个方面开展研究： ( 1 ) 通过研究不同土体的承污性能和受纳土体的污染现状，考察不同土层对污染 物质的截污能力，进而分析城市尾水中污染物质的迁移转化规律。 ( 2 ) 通过模拟降水条件考察降水对土层中污染组分稀释过程和污染组分在包气带 的运移过程，分析污染物质在土层中的迁移规律以及影响因素。 9 东北师范大学硕士学位论文 ( 3 ) 在前述实验的基础上，分析城市尾水对地下水环境污染的影响范围及其与地 层阻隔能力之间的关系，结合现有泄水区地下水水位和水质资料，对该区域内地下水污 染状况进行评价与预测。 开展城市尾水土地处理技术研究，分析土地处理过程中城市尾水污染物质的迁移转 化规律，研究城市尾水对地下水环境污染的影响范围及其与地层阻隔能力之间的关系， 合理评价和预测城市尾水土地处理区域的污染现状，能够指导当前城市尾水土地处理技 术的系统研发与设计，在开辟城市第二水源、预防地下水污染、保护生态环境以及排污 治污方面具有重要的科学意义。 1 0 东北师范大学硕士学位论文 第二章：实验方法 弟一早：头题力法 2 1 研究思路 本论文的主要研究目的是针对白城市泄水区水文和地质情况，探索充分利用地层的 自然净化能力来处理城市尾水的技术策略与方法。试验过程中以白城市城市污水和泄水 区砂土层作为模拟试验的研究对象。由于城市尾水的危害主要体现在有机物污染和富营 养化，所以本试验选用c o d 、总磷作为城市尾水污染组分的主要模拟因子进行研究。 具体研究思路可用如下框图表示： 尾 水 、 土 壤 样 品 处 理