（环境工程专业论文）多级串联潜流人工湿地净化城市地面径流的试验研究.pdf

论文题目：多级串联潜流人工湿地净化城市地面径流的试验研究 学科名称：环境工程 研究生：黄池钧 导师姓名：李怀恩教授 李家科副教授 摘要 签名 签名 签名 随着我国城市化进程的快速发展，大量不透水地表逐渐形成，加之城市点源污染控制 和管理体系的逐步完善，城市降雨径流污染问题显得日益突出，已成为城市河流与湖泊等 受纳水体水质恶化的重要原因。同时，降雨径流又是一种宝贵的水资源，对其加以适当的 净化处理，不但可以减少城市地面水径流量，缓解城市排水系统的压力，还可以作为冲洗 厕所、道路浇洒、绿化灌溉等回用水，在一定程度上缓解城市供水压力。因此，进行城市 地面径流的净化处理具有重要意义。 本文结合国家重大水专项“城市面源控制与雨水净化与回用关键技术 的研究，于陕 西省西北旱区生态水利工程国家重点实验室培育基地露天试验场开展了相关试验，主要研 究了两组多级串联潜流人工湿地对城市地面径流的净化效果，并分析了净化效果的沿程变 化规律及进水流量与净化效果间的统计关系。 ( 1 ) 通过对西安市居住区、商业区、工业区和交通区四大功能区降雨径流的监测与 分析，商业区的地面径流水质最差，其次分别为交通区和工业区，而居住区的地面径流水 质相对较好。同时，四大区的雨水径流水质均具有明显的初始径流冲刷效应，主要表现为 降雨历时的前1 0 2 5 分钟，而降雨中后期水质相对较好且稳定。 ( 2 ) a 、b 两组人工湿地系统均在水平潜流人工湿地的基础上通过增设通气管、安 设导流板等措施进行改进，并针对降雨径流水质特性，选取砾石、沸石、高炉渣、粉煤灰 等基质和芦苇、香蒲、美人蕉等湿地植物。通过1 6 组正交试验发现：a 、b 两组人工 湿地出水感官性状良好，出水水质均达到地表水环境质量标准( g b3 8 3 8 2 0 0 2 ) ) ) v 类标 准，符合城市回用水标准；a 、b 两组人工湿地的最佳运行方案均为水力停留时间为 4 8h 、运行间隔天数为7d 、水深为5 5 0r n m 的组合工况；影响a 、b 两组人工湿地净 化效果的最主要因素均为水力停留时间。 ( 3 ) 分析a 、b 两组人工湿地沿程净化效果，距离进水井6m 1 2m 间对c o d c ，净 化效果的提高较明显，1 2m 1 8m 间对n h 3 n 、d p 、t p 净化效果的提高较明显，而t n 的净化效果沿程变化不大，相对较为平稳。 ( 4 ) 分析发现：在湿地净化过程中，基质起主要作用，可吸附3 0 - 5 0 的污染 遂摊 邋妒 ： ： ： ( 西安理工大学硕士学位论文 物，而植物和微生物的协同作用可将净化效果提高1 0 4 5 ；改变水流方式的b 组 人工湿地系统净化效果优于a 组人工湿地系统，净化效果高出5 左右。 ( 5 ) 通过统计分析，a 组人工湿地系统中，c o d c ，、d p 、t p 的净化效果与进水流量 呈现较为显著的指数相关关系，而n h 3 n 和t n 未呈现出显著的相关关系；b 组人工湿 地系统中，c o d c ，、t n 、d p 、t p 的净化效果与进水流量呈现较为显著的指数相关关系， 而n h 3 n 未呈现出显著的相关关系。 ( 6 ) a 、b 两组多级串联潜流人工湿地系统对城市地面径流的净化能力较强，具有 良好的环境、经济和社会效益，适用于城市非点源污染控制和雨水净化回用，且其还可根 据应用区域实际状况( 如场地等) 自由选择折回式、直线式等不同布置方式，但其在运行 管理上应积极配合当地的天气状况，当长期无降雨时需每隔3d 7d 对人工湿地系统进行 启动运行。 关键词：多级串联潜流人工湿地；城市地面径流；水质；净化效果；模拟 本研究得到国家水体污染控制与治理科技重大专项子题城市面源控制与雨水净化与 回用关键技术 ( 2 0 0 8 z x 0 7 3 1 7 0 0 4 ) 和子题“沣河n h 3 n 源解析及控制技术集成 ( 2 0 0 9 z x 0 7 2 1 2 0 0 2 0 0 4 0 0 2 ) ”的资助。 h a b s t r a c t _ 一_ t i t l e ：e x p e r i m e n t a ls t u d yo nm u l t i l s e r i e ss u b s u r f a c e f l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d sp u r i f y i n gu r b a ns u r f a c e r u n o f f m a j o r ：e n v i r o n m e n t a le n g i n e e r i n g n a m e ：c h i - j u nh u a n g s u p e r v i s o r ：p r o f h u a i e nl i a s s o c i a t ep r o f j i a k eu a b s t r a c t s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： s i g n a t u r e ： w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fu r b a n i z a t i o ni n c h i n a , al a r g en u m b e ro fi m p e r m e a b l e s u r f a c ei sf o r m e dg r a d u a l l y , a n dt h ec o n t r o lm e a s u r e sa n dm a n a g e m e n t s y s t e mo fu r b a np o i n t s o u r c ep o l l u t i o na r ei m p r o v e ds t e pb ys t e p ，t om a k et h ep r o b l e m so fu r b a nr a i n f a l ln m o f f p o l l u t i o nm o r ea n dm o r eo u t s t a n d i n g ，a n dh a sb e c o m et h ed o m i n a n tr e a s o no fw a t e rq u a l i t y d e s t r u c t i o no nc i t yr i v e r sa n dl a k e s b ym a k i n gu s eo ft h ep r e c i o u sr a i n f a l l r u n o f f , n o to n l y c a r l r e d u c et h eq u a n t i t yo fu r b a nr u n o f ft ol i g h t e nt h ep r e s s u r eo fu r b a nd r a i n a g es y s t e m ，a n dc a n a l s ob eu s e da st o i l e tf l u s h i n g , c i t yv i r e s c e n c ei r r i g a t i o na n do t h e rr e u s ew a y st o r e l i e v et h e p r e s s u r eo fu r b a nw a t e rs u p p l yi nac e r t a i nd e g r e e c o n s e q u e n t l y , i th a sa i m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e t op u n f yt h eu r b a ns u r f a c er u n o f f t h i sp a p e ri sb a s e do nt h e s t u d yo ft h en a t i o n a lm a j o rw a t e rp r o j e c to ft t h ek e v t e c h n o l o g i e so fc o n t r o l l i n gu r b a nn o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o na n dr a i n w a t e rp u r i f i c a t i o na n d r e u s e s o m er e l a t e dt e s t sw e r ec a r r i e do u ta tt e s ts i t e b yt h e s i d eo f t h en a t i o n a lk e v l a b o r a t o r yc u l t i v a t i o nb a s eo fe c o l o g i c a lw a t e rc o n s e r v a n c yp r o j e c ti nt h en o r t h w e s ta r i d 翻r e ai n s h a a n x ip r o v i n c e t h es t u d ym a i n l yf o c u s e do nt h ep u r i f i c a t i o ne f f e c to ft w og r o u p s o f m u l t i l s e r i e ss u b s u r f a c ef l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d so nu r b a ns u r f a c er u n o f f , a n dt h ev a r i a t i o n r u l eo fp u r i f i c a t i o ne f f e c ta l o n gt h ew e t l a n da n dt h es t a t i s t i c a lr e l a t i o n s h i pb e t w e e n i n f l u e n tr a t e a n dp u r i f i c a t i o ne f f e c ta r ea l s oa n a l y z e d ( 1 ) t h r o u g ht h em o n i t o r i n ga n da n a l y s i so fr a i n f a l l 眦。行o fr e s i d e l l t i a la r e a c o m m e r c i a l a r e a ，i n d u s t r i a la n dt r a f f i ca r e ai nt h ec i t yo fx i a nf o u n dt h a tt h ew a t e rq u a l i t yo fc o m m e r c i a l a r e ai st h ew o r s t ，f o l l o w e db yt r a f f i ca r e aa n di n d u s t r i a la r e a ，a n dt h ew a t e r q u a l i t vo fr e s i d e n t i a l a r e ai sr e l a t i v e l y b e t t e r s i m u l t a n e o u s l y , t h eo b v i o u si n i t i a lr u n o f fs c o u r i n ge f f e c to fw a t e r i i i 西安理工大学硕士学位论文 q u a l i t yo fr a i n f a l l - r u n o f f i sh a p p e n e di na l lf o u rm a j o ra r e a s ，a n dm a i n l ys h o w sb e f o r et h e1o 2 5m i n so ft h er a i n f a l l ，a n dt h ew a t e rq u a l i t yi nt h e1 a t e rr e l a t i v e l yb e t t e ra n ds t a b l e ( 2 ) aa n dbt w og r o u p so fc o n s t r u c t e dw e t l a n d sa r ei m p r o v e db ya d d i n ga e r a t i o np i p e s ， i n s t a l l i n gg u i d ep l a t e sa n do t h e r m e a s u r e so nt h eb a s i s o fh o r i z o n t a ls u b s u r f a c ef l o w c o n s t r u c t e dw e t l a n d ，a n dg r a v e l ，z e o l i t e ，b l a s tf u r n a c es l a g ，f l ya s ha n do t h e rp a c k i n gm a t e r i a l s a n dp h r a g m i t e sa u s t r a l i s ，t y p h al a t i f o l a ，c a n n ag e n e r a l i sa r es e l e c t e db a s e do nt h eq u a l i t y c h a r a c t e r i s t i e so fr a i n f a l l - r u n o f f s e v e r a lc o n c l u s i o n sh a v eb e e nc o n f i r m e da f t e r16o r t h o g o n a l e x p e r i m e n t s ，t h es e n s o r yt r a i t so fo u t f l o wo ft h et w o c o n s t r u c t e dw e t l a n d si sa c c e p t a b l e ，a n d t h eq u a l i t yo fo u t f l o wi st o t a l l yw i t h i nt h er a n g eo fvk i n dw a t e rq u a l i t yo f s u r f a c ew a t e r e n v i r o n m e n t a l q u a l i t ys t a n d a r d s ( g b 38 38 - 2 0 0 2 ) ，s a t i s f i e st h es t a n d a r d so fm u n i c i p a l r e c l a i m e dw a t e r ；t h eo p t i m a lo p e r a t i o ns c h e m eo ft h et w oc o n s t r u c t e dw e t l a n d si sd e f i n i t e d ， t h eh r ti s4 8h o u r s ，t h eh e a d w a yd a y si s7d a y s ，a n dt h ed e p t ho fw a t e ri s5 5 0m m ；t h e h y d r a u l i cr e t e n t i o nt i m ei st h em a i nf a c t o ra f f e c tt h ep u r i f i c a t i o ne f f e c to ft h et w o c o n s t r u c t e d w e t l a n d s ( 3 ) a n a l y s i so ft h ep u r i f i c a t i o ne f f e c tt h a ta l o n gt h ep a t ho fa a n dbt w og r o u p so f c o n s t r u c t e dw e t l a n d sf i n dt h a tt h ep u r i f i c a t i o ne f f e c to fc o d c ri si m p r o v e do b v i o u s l yi nt h e d i s t a n c eo f6m 12m a n dt h ep u r i f i c a t i o ne f f e c to fn h 3 n ，d p , t pi si n c r e a s e ds i g n i f i c a n t l y i nt h ed i s t a n c eo f12m 18m a n dt h ep u r i f i c a t i o ne f f e c to f t ni sr e l a t i v e l ys t a b l e ( 4 ) t h r o u g ht h ea n a l y s i sf o u n dt h a ti nt h ep u r i f i c a t i o np r o c e s so fc o n s t r u c t e dw e t l a n d s ， p a c k i n gm a t e r i a lp l a y sal e a d i n gr o l e ，w h i c hc a nr e m o v e3 0 - 5 0 o f t h ep o l l u t a n t s ，a n dt h e p u r i f i c a t i o n e f f e c tc a nb ei m p r o v e d10 - 4 5 w i t ht h es y n e r g i s t i ce f f e c to fp l a n t sa n d m i c r o o r g a n i s m ；a n dt h ep u r i f i c a t i o ne f f e c to fg r o u pb c o n s t r u c t e dw e t l a n d sc h a n g i n gf l o ws t y l e i sb e t t e rt h a ng r o u pac o n s t r u c t e dw e t l a n d s a n dt h ep u r i f i c a t i o ne f f e c to ft h ef o r m e ri s5 h i g h e rt h a nt h el a t t e r ( 5 ) t h es t a t i s t i c a la n a l y s i ss h o w st h a ti nt h eg r o u pac o n s t r u c t e dw e t l a n d s ，t h e r ei sa s i g n i f i c a n ti n d e xc o r r e l a t i o nb e t w e e np u r i f i c a t i o ne f f e c ta n di n f l u e n tr a t eo fc o d c r ，d p ，t p b u t n h 3 一na n dt na r en o t ；a n di nt h eg r o u pbc o n s t r u c t e dw e t l a n d s ，t h e r ei sas i g n i f i c a n ti n d e x c o r r e l a t i o nb e t w e e np u r i f i c a t i o ne f f e c ta n di n f l u e n tr a t eo fc o d c , , t n ，d p ，t p ，b u tn h 3 - ni s n o t ( 6 ) t h e r ei sp r o m i n e n ta b i l i t yo fp u r i f i c a t i o no faa n dbt w og r o u p so fm u l t i l s e r i e s s u b s u r f a c ef l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d s 0 1 1u r b a ns u r f a c er u n o i f , a n dw i t hf a v o r a b l e e n v i r o n m e n t a lb e n e f i t s ，e c o n o m i cb e n e f i t sa n ds o c i a lb e n e f i t s ，a n di ti sa d e q u a t ef o rc o n t r o l l i n g t h ec i t yn o n p o i n ts o u r c ep o l l u t i o na n dt a k i n gr u n o f ft or e u s ea f t e ri ti sp u r i f i e d ，a n dt h e r ea r e d i f f e r e n ta r r a n g e m e n t s ( s u c ha sf r e ec h o i c eo fb a c kt y p e ，l i n e a rt y p ee t c ) c a nb ec h o s e n a c c o r d i n gt oa c t u a ls i t u a t i o no f t h ea p p l i c a t i o na r e a ( s u c ha ss i t ee t c ) b u t ，t h eo p e r a t i o na n d i v a b st r a c t m a n a g e m e n ts h o u l da c t i v e l yc o o p e r a t ew i t ht h el o c a lw e a t h e rc o n d i t i o n s ，i ti sn e e dt or u nt h e c o n s t r u c t e dw e t l a n d se v e r y3 7d a y sw h e ni th a sal o n gt e r mw i t h o u tr a i n k e yw o r d s ：m u l t i l s e r i e ss u b s u r f a c ef l o wc o n s t r u c t e dw e t l a n d s ；u r b a ns u r f a c er u n o f f ；w a t e r q u a l i t y ；p u r i f i c a t i o ne f f e c t ；s i m u l a t i o n v 1 绪论 1 绪论 1 1 城市地面径流的概述 1 1 1 城市地面径流的定义 城市地面径流污染主要是指大气、地表及土壤中溶解性的或固体污染物( 如悬浮物、 有机物、氮、磷、重金属等) 在降雨径流的淋溶与冲刷作用下，分散性地排入地表水或渗 入地下水而造成的水体污染。城市地面径流污染的来源主要有：大气尘降、汽车尾气排放 物及车胎磨损物、屋面建筑材料冲刷物、路面及建筑工地垃圾等i l l 。 1 1 2 城市地面径流的特点2 1 城市地面径流污染已成为典型的面源污染之一，其主要有三大特征。第一，具有面源 和点源的双重性。城市地表在晴天时积累污染物，在降雨时由地表径流冲刷而排放，其具 有面源污染的间歇式排放特征。富含污染物的城市地表径流主要通过城市排水系统进入受 纳水体，其又具有集中排放的特征；第二，随机性。城市地面径流污染受诸多因素的影响， 其中有许多为随机性因素，例如不同场次降雨时间间隔、降雨历时、降雨强度等；第三， 污染负荷时空变化大。受城市地面径流随机性的影响，其污染负荷并非一层不变。主要由 于不同城市功能区的人类活动方式与强弱不同，形成不同数量和性质的地表沉积物，导致 产生的径流污染负荷差异较大；第四，具有明显的初期冲刷效应。城市地面径流污染在时 间上存在明显的初期冲刷效应，主要集中在降雨历时的前1 5 - - 3 0 分钟，初期径流量占总 径流量的2 0 2 5 ，且排放了5 0 左右的污染物。 1 1 3 城市地面径流的控制技术 城市暴雨径流中富含大量的污染物，尤其在降雨初期，污染物含量在整个降阿过程中 所占比例很大，倘若不进行净化处理而直接排放并进入受纳水体，将会对整个城市及周边 地区的水环境和生态系统产生重大危害。因此，采取科学有效的控制管理措施是十分必要 的1 3 - 4 1 。 美国是最早开始城市暴雨径流控制研究的国家之一，为有效地控制城市面源污染，美 国环保部门通过大量的研究和总结，制定了一套暴雨径流的最佳管理措施( b m p s ) 。它主 要包括工程措施和非工程措施两大类，其中工程性措施以径流过程控制为核心，如湿地系 统、植被控制系统、渗滤系统等；而非工程性措施主要为法律法规、教育等方法5 1 。 a 工程技术措施 ( 1 ) 人工湿地技术 人工湿地雨水处理系统是在天然湿地基础上，经过人为改进的一种低能耗、低运行成 本的生态技术，其可用于小区等降雨径流污染的控制，还可作为终端治理技术，其主要通 过物理作用、化学作用和生物作用三者的协同作用对雨水径流进行净化。当湿地系统稳定 西安理工大学硕士学位论文 运行后，大量微生物附着于基质表面和植物根系，从而形成生物膜。雨水径流流经生物膜 时，大量s s 被基质和植物根系截留，有机污染物则主要由生物膜的吸收、同化、异化三 大作用而被去除。湿地系统中由于植物根系传递和释放氧，因而在其周围由内向外依次形 成了好氧、缺氧、厌氧的微生态环境，不仅促进了植物和微生物对氮、磷的吸收，还增强 了湿地系统的硝化作用和反硝化作用，从而提高对氮的净化能力。此外，还可通过更换基 质和收割植物而将污染物彻底从湿地系统中去除。 ( 2 ) 湖滨带技术 水陆生态交错带，简称湖滨带，指介于湖泊最高水位线和最低水位线之间的水、陆交 错带，是湖泊水生生态系统与湖泊流域陆地生态系统间一种非常重要的生态过渡带t 6 1 湖滨带是湖泊的天然屏障，通过在水底铺设一定的酶促填料和吸附填料，构建一个由多种 群水生植物、动物和各种微生物组成并具有景观效应的多级天然生物。生态雨水净化系统， 可以防止降雨径流污染，而且净化后的雨水有效地降低了水体富营养元素，可直接排入湖 泊主体。 ( 3 ) 雨水渗透技术 雨水渗透是一种间接的雨水利用技术，其主要有分散式和集中式两大类，可以是自然 渗透，也可以是人工促渗。雨水渗透技术的实质是生物过滤，主要通过植被土壤微生物 的复杂生态系统对污染物进行净化处理，其作用机理主要有植被截留、土壤颗粒的过滤、 表面吸附、离子交换及植被根系和土壤中微生物的吸收分解等。因此，充分利用绿地渗水 和过滤污染物的功能，通过往土壤表层添加促渗材料、对土壤基层、排水沟渠和路边浅沟 进行改造等措施，加强降雨径流的原位治理，从而达到削减径流量和净化水质的目的。 ( 4 ) 城市道路径流污染的控制技术 城市道路径流污染控制是城市地表径流污染控制的重要部分。城市道路径流污染物主 要为汽车尾气排放物、鞋底和车胎磨损物等。因此，充分利用道路范围内的可利用绿地进 行径流污染控制显得尤为重要。结合城市雨水排放系统，将道路两侧雨水口收集的雨水通 过道路绿化隔离带、行道树绿带和路侧绿化带下铺设的碎石或砾石等过滤层，降低其初期 径流污染，然后再排入城市排水系统。此外，还可以建设非封闭路面。雨水经由渗透性强 的混凝土、经特殊设计的沥青混合材料及人行道透水孑l 砖等构建而成的多孔路面，再通过 土壤的渗透和过滤作用，以降低雨水中的污染物，缓减地面径流量，还可适量补充地下水。 b 非工程技术措施。7 跗 在城市地表径流污染的控制管理过程中，技术措施是直接动力，而政策法规是问接动 力。美国在政策法规制定与执行方面发展比较早。联邦水污染控制法( f w p c a ) 于1 9 7 2 年首次明确提出非点源污染的控制，并提出了“最佳管理措施”( b m p s ) ；水质法案( w q a ) 于1 9 8 7 年明确要求各州进行系统的识别和管理非点源污染问题；清洁水法( c w a ) 又于 1 9 9 7 年进一步强调非点源污染控制的重要性。而我国目前基本上没有相关的政策法规， 有待进一步地完善。 1 绪论 1 2 国内外雨水资源化的研究现状 降雨是自然界水循环系统的重要环节，其利用历史已有几千年，是最早的水资源开发 方式。目前，国际研究的共识是：雨水利用将成为解决2 1 世纪水资源问题的重要途径四1 。 1 2 1 国外雨水净化利用现状 西方发达国家对雨水资源的研究利用开始较早，2 0 世纪6 0 年代初就被得到重视。目 前，德国、美国、日本等发达国家的雨水利用技术比较成熟，尤其德国已进入产业化和标 准化阶段。 德国在雨水收集、处理及利用等方面走在了世界的前列。1 9 8 9 年，制定了屋面雨水 利用设施标准( d i n l 9 8 9 ) ，标志着德国的城市雨水利用技术正式进入标准化、产业化阶 段，最终达到集成化、综合化的目的。目前，德国对城市雨水的利用方式主要有以下三种： 一是用于集蓄屋面雨水的系统，收集的雨水经简单的处理后，使其达到城市杂用水回用标 准，用于厕所冲洗、绿化浇洒、工业冷却等；二是雨水的截污与渗透系统，对地面降雨径 流初步截污后由排水管道排入大型蓄水池或通过可渗透路面直接下渗；三是结合生态小区 的雨水利用系统，结合小区景观修建人工湿地系统或渗透浅沟，对雨水径流进行净化，出 水直接排入城市排水系统或进行回用。此外，德国还制定了一系列法律法规将雨水利用进 行规范化0 一。 2 0 世纪7 0 年代初，美国就开始对雨水利用进行研究，主要关注雨水截留、存储、补 充地下水、净化回用等方面，并以提高天然入渗能力为主。目前，许多城市都修建了屋顶 蓄水系统和地表回灌系统。如加利福尼亚州弗雷斯诺市修建的“l e a k ya r e a s ”地下水回 灌系统，从1 9 7 1 开始的l o 年间共回灌地下水1 3 3 8 1 0 9m 3 ，占年用水量2 0 左右。同 时，美国还制定了相关的法律法规用于规范雨水利用，促进雨水利用技术的推广应用。此 外，联邦和各州政府还出台了一系列辅助政策，推广城市雨水处理技术 1 2 - 1 3 1 。 日本是目前在城市中开展雨水资源化利用规模最大的国家。日本各界从2 0 世纪6 0 年 代开始便逐渐重视城市雨水资源的利用，并广泛收集路面雨水、修建存储设施，储蓄的雨 水被用于路面洒水、绿化浇水等方面。2 0 世纪7 0 年，各种渗透设施和集流面开始修建， 并在政策和资金上予以支持。日本建设省于2 0 世纪8 0 年代初期开始实行雨水储存渗透计 划。此后，雨水渗透技术得到迅速发展，其占地小，修建便利。除上述工程措施外，日本 政府还于1 9 9 2 年颁布了“第二代城市下水总体规划”，明确指出进行城市总体规划时必须 考虑雨水利用，大型的公用建筑群在新建及改建过程中必须考虑雨水的就地下渗t 1 4 i 。 此外，肯尼亚、博茨瓦纳、坦桑尼亚、墨西哥和巴西等国家，在联合国开发署和世界 银行等国际组织的资助下，也相继开展了雨水的资源化利用 1 2 j 。 1 2 2 国内雨水净化利用现状 我国早在4 1 0 0 年前，夏朝的后稷便开始推行区田法。到了战国末期高低洼种植法和 塘坝开始被使用，明代出现了水窖。在2 0 世纪6 0 年代，鱼鳞坑、隔坡梯田等雨水就地拦 3 西安理工大学硕士学位论文 蓄利用技术得以创造1 1 5 1 0 但我国城市雨水利用的研究与应用真正意义上始于2 0 世纪8 0 年代，发展于9 0 年代。北京作为我国的首都，在城市雨水利用方面起到了带头作用，浙 江舟山市的葫芦岛、上海等雨水集流利用工程也较为典型。 北京对城市雨水利用的研究较早。北京建筑工程学院和北京市城市节约用水办公室联 合于1 9 9 8 年对城市雨水水质、雨水收集利用方案、雨水污染控制及净化回用措施等方面 进行了研究。2 0 0 0 年，北京市政府颁布6 6 号令，明确要求在市区开展雨水利用。北京市 的雨水利用现已进入实践化阶段，并起到了示范作用。国务院于2 0 0 1 年批准了包括雨洪 利用规划内容在内的“2 l 世纪初期首都水资源可持续利用规划 。2 0 0 3 年7 月，第一个大 型雨水利用工程在北京市启动，预计可节水1 5 1 0 4m 3 a 以上。目前，北京市在雨水利 用方面已进入实施推广阶段，有望在短期内实现城市和小区雨水资源利用的标准化、产业 化1 1 2 1 3 ， 1 9 8 6 年，浙江省水利、卫生防疫等部门在浙江舟山市的葫芦岛开发了一项屋顶集蓄 新技术，即屋顶集雨一落雨管一滤池一贮水池一微型泵一高位水池( 氯化消毒) 一输水管 网一家庭自来水系统。截至1 9 9 9 年，这项技术已被9 4 的居民所采用，岛上住户的用 水难问题得到了彻底解决。此外，周边海岛也推广应用该技术，并获得1 9 8 9 年水利部科 技进步奖和1 9 9 4 年国家卫生部科技进步二等奖，还得到了联合国科教文组织的多国专家 的认可1 1 6 1 。 上海浦东的孙桥现代农业园区，通过对6 x1 0 5m 2 的大棚顶盖雨水进行收集，由排水 侧沟进入大型蓄水池，经过沉淀、过滤处理后作为农业用水。同时，上海浦东机场也开展 了雨水利用，其将周边环绕的围场河作为蓄水池，对收集雨水进行简单处理后，不仅能满 足第二航站区的冲厕用水、宾馆洗车，还能作为能源中心冷却塔补充用水、景观水池补充 用水、道路冲洗压尘及绿化浇灌用水t i 2 1 。 目前，我国的城市雨水利用还处于发展阶段，与德国、美国等发达国家相比还比较落 后，缺乏系统性，以及缺少法律法规保障体系，需进一步发展和完善。 1 3 人工湿地的概述 1 3 1 人工湿地的概念 1 9 7 1 年，湿地公约( r a m s a r 公约) 中将湿地定义为：“湿地是指不问其为天然或人 工、长久或暂时性的沼泽地、泥炭地、水域地带，静止或流动的淡水、半咸水、咸水，包 括低潮时水深不超过6m 的海水水域”。该定义为湿地管理定义，其科学的定义为：湿地 是一类既不同于水体，又不同于陆地的特殊过渡类型生态系统，是水生、陆生生态系统界 面相互延伸扩展的重叠空间区域，且与周边相邻系统有着密切关系，并进行物质和能量的 交换1 1 7 1 8 1 。 湿地可以分为自然湿地和人工湿地两大类。美国著名湿地研究、管理和设计专家 h a m m e r 9 1 等将人工湿地定义为：模拟天然湿地，并由基质、植物、微生物和水体组成 4 1 绪论 的、人为设计与建造的湿地系统。目前，许多学者通过对人工湿地的研究，对其定义进行 了具体化和全面化，即人工湿地( c o n s t r u c t e dw e t l a n d s ) 是一种模拟自然湿地的人工生态 系统，它由人工建造和监督控制、类似沼泽地的地面，由水、基质、植物、水生动物及其 微生物群落五部分组成，并利用基质植物微生物这个复合生态系统的物理、化学和生物 的三重协同作用实现对污废水的高效净化，达到废水的资源化与无害化1 2 0 1 0 1 3 2 人工湿地分类 目前，诸多学者将人工湿地分为多种类型，从工程实用角度出发，根据布水方式或水 流形式的差异，一般将人工湿地分为自由表面流人工湿地系统( s u r f a c ef l o ww e t l a n d s ， s f w ) 和潜流型人工湿地系统( s u b s u r f a c ef l o ww e t l a n d s ，s s f w ) 两大类。其中，潜流 型人工湿地又可分为水平潜流人工湿地、垂直流人工湿地和潮汐潜流人工湿地三类1 2 1 1 。 ( 1 ) 自由表面流人工湿地啦彩1 自由表面流人工湿地又称地表流湿地，污水在湿地的表层流动，如图1 1 所示。典型 的表流湿地系统主要由水池或槽沟构成，并设有防水层以防止渗漏，且水位较浅，一般为 0 1 o 6m 。其优点是工程量少、投资低、操作简单、运行和维护简便；缺点是不能充分 利用填料和植物根系的处理能力、去污能力有限及处理负荷较低、占地面积较大，且受自 然气候条件影响较大，如冬季在寒冷地区表面易结冰，而夏季则易滋生蚊蝇，产生臭味， 卫生条件差。 旺。加 l 一 h iu 6t 柚悟羽 图1 - 1自由表面流人工湿地 f i g1 - 1 s u r f a c ef l o ww e t l a n d s ( 2 ) 水平潜流人工湿地2 2 。2 3 1 水平潜流人工湿地又称渗滤湿地系统( i n f i l t r a t i o nw e t l a n d ) ，其因污水从一端水平流 过填料床而得名，如图1 2 所示。由于污水在湿地系统中基本在基质层以下流动，所以其 能充分利用基质、植物和微生物三者的协同作用，保温性也较好，净化效果受气侯条件影 响小，卫生条件较好，是目前研究和应用较多的一种湿地系统，已被德国、美国、日本、 澳大利亚、英国和荷兰等国家广泛使用。但其工程量大、投资较高、运行控制相对复杂等。 5 西安理工大学硕士学位论文 图1 - 2 水平潜流人工湿地 f i g1 - 2h o r i z o n t a ls u b s u r f a c ef l o ww e t l a n d s ( 3 ) 垂直潜流人工湿地2 2 2 3 1 垂直潜流人工湿地也称垂直流人工湿地，污水在基质中垂直流动，经过床体后进入收 集系统，随后排出湿地。其特点是硝化能力高于水平潜流人工湿地，适用于高浓度氨氮污 水的处理；缺点是对有机物的净化能力低于水平潜流人工湿地，且基建要求较高、控制复 杂、夏季易滋生蚊蝇，目前实际应用较少。 ( 4 ) 潮汐潜流人工湿地嘣1 近年来，伯明翰大学研发了潮汐潜流人工湿地，以芦苇床为例，按时间序列对湿地系 统交替地进行充水和排水，使得床体内空气也随之交替排出和带入。进水与空气的交替运 动，大大提高了氧的传输量与消耗量，从而提高湿地系统的净化效果。然而，潮汐流湿地 在较长时间运行后，大量生物可能会堵塞床体，制约水和空气的交替运动，影响净化效果。 因此，设计中可考虑采用多个湿地床进行交替运行，利用停运期进行较为充分的生物降解。 1 3 3 人工湿地的净化机理 a 基本机制2 4 1 人工湿地具有十分复杂的污水净化机理，目前还没有较为深入的研究。一般认为主要 有以下几个方面的作用： ( 1 ) 物理作用。污水进入湿地后，经过基质和植物根系，污水中的污染物被过滤和 截留，并沉积在基质中。 ( 2 ) 化学反应。湿地系统通过化学沉淀、离子交换、氧化还原等化学反应去除污水 中的污染物，但基质类型决定了这些化学反应发生与否。 ( 4 ) 生化反应。有机物的去除主要依赖于系统中的生物。首先，被填料吸附的有机 物质，可以通过生物的同化吸收和异化分解去除；其次，植物根系周围依次出现好氧、兼 氧和厌氧的微生态环境，有利于硝化、反硝化作用及微生物对磷的过量积累作用，达到除 氮、磷效果。 b 各污染物的去除机理2 5 珊1 悬浮物主要通过拦截、吸附、絮凝和胶体颗粒的沉淀等作用得以去除。氮主要通过基 质吸附、植物吸收、微生物生物降解及氨氮自身的挥发等作用得以去除。通常情况下，微 6 1 绪论 生物可将污水中的大部分有机氮降解为氨氮，因此，无机氮的去除越来越得到重视。磷主 要通过植物吸收、基质吸附沉淀及微生物的同化作用等途径被去除。污水中的无机磷一方 面在植物的吸收和同化作用下，被合成a t p 、d n a 和r n a 等有机成分，最后通过收割 植物带出系统，但其所占比例很小。另一方面是微生物对磷的正常同化吸收、聚磷菌对磷 的过量积累，然后通过定期更换湿地基质而将其从系统中去除。湿地中的重金属则主要通 过离子交换、与湿地基质螯合或转化成不可溶的沉淀( 如硫酸盐、氢氧化物等) 等途径得 以去除。 1 4 国内外人工湿地的研究进展 1 4 1 国外人工湿地的研究进展 国外对人工湿地的研究开始较早，目前世界上公认的第一个人工湿地污水处理系统于 1 9 0 3 年建在英国约克郡，它连续运行到1 9 9 2 年1 2 9 - 3 0 1 。1 9 5 3 年，德国m a x p l a n c k 研究所 的s e i d e l 博士3 l - 3 2 1 首次进行了人工湿地污水净化实验，其证明了芦苇对无机和有机污染 物及重金属具有较好的去除能力。1 9 6 7 年，荷兰学者基于s e i d e l 的思想，开发了一种现 称为l e l y s t t a dp r o c e s s 、占地1h a 及水深为o 4m 的表流湿地系统，并得以广泛应用。2 0 世纪6 0 年代，s e i d e l 与k i c k u t h 合作并由k i c k u t h ”提出了根区法理论( t h er o o t z o n e m e t h o d ) ，由此掀起了人工湿地研究和应用热潮。此后，人工湿地技术经历了两个主要发 展阶段：第一阶段主要在2 0 世纪7 0 年代，其发展特点为保持天然湿地的原有结构并以泥 沼形式存在，