（环境工程专业论文）济宁市洸府河入湖口人工湿地水质净化工程研究.pdf

青岛理工大学工程硕士学位论文 摘要 洗府河发源于泰安地区宁阳县东部和北部山区汉马河与罗河的交汇处，跨泰 安、济宁两市，最终汇入南四湖。其下游河水基本为劣v 类水质，河水受到了一 定程度的污染，流域生态系统也受到一定破坏。洗府河隶属于南水北调东线工 程治污规划中提出的2 7 个控制单元之一，随着南水北调东线工程调水日期的 日益临近，南四湖面临着严峻而紧迫的输水工程水质保障任务。根据南水：i 匕调 东线工程治污规划和济宁市环境保护要求，洗府河入湖口河水水质应达到地 表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) i i i 类标准才能排入南四湖。为确保南水北 调水质目标的j 1 0 j i , n 实现，必须对洗府河河水进行治理。 基于技术稳定、经济可行、管理简便的设计原则，综合考虑水质净化与生态 保护相协调、环境效益和经济效益并重相统一，根据建设用地的地形地貌特征， 河水水质及所要达到的水质标准，提出可行的治理方案，然后经过技术经济比较， 提出较优的工艺方案。主要内容如下： ( 1 ) 根据洗府河入湖口水质、水量特点及出水水质要求，确定各种污染物 的去除负荷。 ( 2 ) 根据污染物的负荷及环境要求，初步确定采用生物生态技术对洗府河 入湖口进行治理。 ( 3 ) 经过进一步的技术经济比较，最终确定；! j 【6 府河入湖口水质净化工程方 案。 根据洗府河入湖口水质净化工程的具体建设条件，本研究提出的工艺方案 为：氧化塘+ 表面流人工湿地组合工艺。生态净化塘和人工湿地的构建，充分利 用了水生植物的环境改善功能，通过优化、培植净化能力强、耐污性能好的土著 物种，逐步构建河道水生生态链网。通过水生动物的投加，控制水生植物和微生 物数量的过量增长，可保持水质清澈。推荐方案具有充分利用地形，运行费用低， 运行稳定，处理效果好，维护方便等优点。 关键词河流水污染；表面流人工湿地；脱氮除磷 青岛理工大学工程硕士学位论文 a b s t r a c t g u a n gf ur i v e ro r i g i n a t e si nn i n g y a n gt a i a ne a s t e ma n dn o r t h e r nm o u n t a i n s j u n c t i o no fh a nm ar i v e ra n dl u or i v e r ，a c r o s st a i a n ，j i n i n gc i t i e s ，e v e n t u a l l y i m p o r t sn a n s il a k e t h ed o w n s t r e a mr i v e ri d e n t i f i e da sp o o rb a s i cvw a t e rq u a l i t y t h er i v e rw a sac e r t a i nd e g r e eo fp o l l u t i o n ，r i v e re c o s y s t e m sa r ea l s o s u b je c tt o c e r t a i nd e s t r u c t i o n g u a n gf ur i v e ri so n eo ft h e2 7c o n t r o lu n i to ft h e ”n o r t hw a t e r t r a n s f e rp r o j e c tp o l l u t i o nc o n t r o lp l a n ”w i t ht h en o r t hw a t e rt r a n s f e rp r o je c tw a t e r t r a n s f e rd a t ed r a w sn e a r e r ，n a n s ii sf a c i n gas e v e r ea n d u r g e n tt a s ko fw a t e rs u p p l y w o r k st op r o t e c tw a t e rq u a l i t y a c c o r d i n gt o”n o r t hw a t e rt r a n s f e rp r o je c tp o l l u t i o n c o n t r o lp l a n ”a n dt h ee n v i r o n m e n t a lr e q u i r e m e n t so fj i n i n gc i t y ，g u a n gf ur i v e r e s t u a r yw a t e rq u a l i t ys h o u l dr e a c h ”s u r f a c ew a t e rq u a l i t ys t a n d a r d ”( g b 3 8 3 8 - 2 0 0 2 ) i i ic l a s ss t a n d a r d si no r d e ri n t ot h es o u t hf o u r t ht h el a k e t oe n s u r et h es m o o t h i m p l e m e n t a t i o no fd i v e r s i o nw a t e rq u a l i t yo b je c t i v e s ，g u a n gf ur i v e rw a t e rm u s t g o v e r n b a s e do nt h et e c h n i c a ls t a b i l i t y ，e c o n o m i cf e a s i b l e ，m a n a g e m e n ts i m p l ed e s i g n p r i n c i p l e ，c o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o no ft h ep u r i f i c a t i o no fw a t e rq u a l i t ya n d e c o l o g i c a lp r o t e c t i o na n dc o n s i s t e n te n v i r o n m e n t a lb e n e f i t sa n de c o n o m i cb e n e f i t sa r e u n i f i e d a c c o r d i n gt ot h ec o n s t r u c t i o nl a n dl a n d f o r mf e a t u r e s ，t h er i v e rw a t e rq u a l i t y a n dw h a ty o ua r et r y i n gt oa c h i e v ew a t e rq u a l i t ys t a n d a r d s ，f e a s i b l em a n a g e m e n tp l a n ， a n dt h e na f t e r ，t e c h n i c a la n de c o n o m i cc o m p a r i s o n ，p u tf o r w a r dt h eb e s tp r o c e s s p r o g r a m f o l l o w i n gm a j o re l e m e n t s ： ( 1 ) a c c o r d i n gt og u a n gf ur i v e r se s t u a r yw a t e rq u a l i t ya n dq u a n t i t y ， c h a r a c t e r i s t i c sa n do u t l e tw a t e rq u a l i t yr e q u i r e m e n t s ，d e t e r m i n et h er e m o v a lo fa l l k i n d so fp o l l u t a n tl o a d ( 2 )a c c o r d i n g t ot h el o a da n de n v i r o n m e n t a l p o l l u t a n t sr e q u i r e m e n t s ， p r e l i m i n a r yd e t e r m i n a t i o nb ye c o l o g i c a lt e c h n o l o g yt og u a n gb i o l o g i c a l f u h ee s t u a r y t oc o n t r 0 1 ( 3 ) a f t e rf u r t h e rt e c h n i c a la n de c o n o m i cc o m p a r i s o n s ，a n du l t i m a t e l yd e t e r m i n e i i i 青岛理工大学工程硕士学位论文 t h eg u a n gf ur i v e re s t u a r yw a t e rp u r i f i c a t i o ne n g i n e e r i n gp r o g r a m a c c o r d i n g t o g u a n gf ur i v e re s t u a r yw a t e rp u r i f i c a t i o np r o j e c t s s p e c i f i c c o n s t r u c t i o nc o n d i t i o n s ，t h ep r o c e s sp r o p o s e di nt h i ss t u d yp r o g r a m ：o x i d a t i o np o n d s + 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 dc o m b i n a t i o np r o c e s s e c o l o g i c a lp u r i f i c a t i o np o n d a n dt h ec o n s t r u c t i o no ft h ec o n s t r u c t e dw e t l a n d ，m a k ef u l lu s eo fa q u a t i cp l a n t e n v i r o n m e n ti m p r o v e m e n tf u n c t i o n ，b yc u l t i v a t i n ga n do p t i m i z i n gp u r i f ya b i l i t y ，b e a b l et ob e a ro re n d u r ec o r r u p tg o o df u n c t i o no fn a t i v es p e c i e s ，a n dg r a d u a l l yb u i l da f i v e ra q u a t i cn e t s b yd o s i n ga q u a t i ca n i m a l s ，a q u a t i cp l a n t sa n dm i c r o b e s se x c e s s i v e g r o w t hc a nb ec o n t r o l e d ，a n dt h ew a t e rc a nk e e pc l e a r r e c o m m e n d e dp r o g r a m sh a v e f u l lu s eo ft e r r a i n ，l o w o p e r a t i o nc o s t ，s t a b l eo p e r a t i o n ，g o o de f f e c t ，a n de a s y m a i n t t e n a n c ee t c k e y w o r d s ：r i v e r w a t e rp o l l u t i o n ；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 ；n i t r o g e na n d p h o s p h o r u s r e m o v a l i v 青岛理工大学工程硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 我国城市河流水污染现状 河流生态系统是连接陆地生态系统和海洋生态系统的纽带，担负着系统内部 以及其与外系统的物质循环和能量流动；以丰富的、流动的水资源哺育着多种多 样的动植物和支撑着人类社会的生存和发展 1 2 。与其他水体相比，河流以其极 短的更新周期调节和改善着全球环境。由于河流的蜿蜒性、断面形状的多样性、 上中下游的生境异质性、河床基质的透水性和水陆两相、水气两相的联系紧 密性使得河流生态系统具有生物群落与生境的一致性、垂直结构的完整性和自我 调控、自我修复功能等特征【3 】。 但是，随着人类经济社会的迅速发展，经济利益驱使人们过度利用流域系统 内的土地资源，导致系统内生物物种减少，植被覆盖度降低，泥石流和洪水发生 频次增大，水土流失加剧；水利工程( 如大坝、水闸、泛滥平原防洪堤和引水渠 道等) 的建设改变了河流的水文情势【4 一j ，河流泄洪能力减弱；不考虑河流水体的 承载能力，无节制地向河流排放生活、生产废水，导致河流水环境恶化、生物种 类贫乏，最终使河流成为一条河流生态系统功能完全丧失的黑臭河。目前，全世 界每年约有4 2 1 0 1 1 m 3 的污水排入江河湖海，污染5 5 1 0 1 2 m 3 的淡水，约占全 球径流总量的1 4 以上。估计今后2 5 3 0 年内，全世界污水量将增加1 4 倍【6 j 。 2 1 世纪我国面临水量危机的同时，水质危机更为严重，甚至因水质问题所导致 的水资源危机大于水量危机【7 j 。 我国城市河流普遍出现水污染与生态退化等问题，突出表现为水质恶化乃至 黑臭、水生态严重退化甚至破坏、堤岸人： 化、河流形态几何化、城市水灾频发、 河流景观极大伤害，成为我国水环境污染中的重灾区。根据相关资料显示，目前， 全国8 0 以上的城市河流受到污染。据全国2 2 2 2 个监测站的统计，在1 3 8 个城 市河段中，符合i i 、i i i 类水质标准的仅占2 3 ，超过v 类水质的占到3 8 ，这 些数据足以说明我国城市河流遭到了严重的污染。 归纳起来，我国城市河流普遍所表现出来的水体污染问题主要有以下几个方 面：( 1 ) 水质污染严重，c o d 、b o d 5 、氨氮、总氮、总磷等超标严重：( 2 ) 水体溶 青岛理工大学工程硕士学位论文 解氧低下，部分区域已经处于厌氧状态，河流自净能力丧失；( 3 ) 堤岸硬质化， 城市河流面积减少：( 4 ) 河流生态退化甚至遭到破坏，生物多样性减少：( 5 ) 河道 透明度下降，河流景观差 8 。 1 2 城市污染河流的污染来源及危害 1 2 1 河流水污染原因概述 污染物进入河流后，由于物理、化学、生物等作用，经过一段时间( 距离) 后， 使污染物物质的总量减少或浓度降低，水质部分或完全得到恢复，河流的这种水 质恢复功能称为河流的白净能力。河流的自净能力是有限的，当排入河流中的污 染物超过白净能力而无法恢复时，便形成污染。从河流被污染的形成过程分析， 造成河流污染的主要原因有： ( 1 ) 无节制地排放未经处理的废污水 据最新调查资料，2 0 0 8 年全国废水排放总量为5 7 1 7 亿吨，其中，工业废 水排放量2 4 1 7 亿吨，占废水排放总量的4 2 3 ；城镇生活污水排放量3 3 0 0 亿 吨，占废水排放总量的5 7 7 。废水中化学需氧量排放量1 3 2 0 7 万吨，其中，工 业废水中化学需氧量排放量4 5 7 6 万吨，占化学需氧量排放总量的3 4 6 ；城 镇生活污水中化学需氧量排放量8 6 3 1 万吨，占化学需氧量排放总量的6 5 4 。 废水中氨氮排放量1 2 7 0 万吨，其中工业氨氮排放量2 9 7 万吨，生活氨氮排放量 9 7 3 万吨【12 1 。 现在的废污水排放量己达6 0 0 亿t ，这些废污水8 0 以上未经处理直接排入 江河湖库，这些是主要的污染源。地区经济增长的粗放型生产方式尚未改变，工 艺技术落后，能源利用效率低，物耗、能耗等指标居高不下，规模效益差。绝大 多数地区工业单位耗水率高于国际先进水平的数倍甚至数十倍。如生产1t 钢材 耗水量最低值比发达国家同类数值高4 倍，造纸行业6 0 以上是由乡镇企业小 造纸厂完成的。这些企业每吨浆的造纸水排放量为2 7 5 4 4 5m 3 ，其中b o d53 7 5 k g ，c o d14 7 5k g ，s s1 8 0k g ，这些分别为国际先进水平的1 5 0 倍、2 1 8 倍、 3 3 5 倍和1 5 0 倍。这种粗放型经济增长模式往往是以牺牲环境和资源来换取 经济增长，是河流污染日益严重的内在原因。因此必须转变经济增长方式，从粗 放型转向集约型的经济增长，以此减轻环境污染和生态破坏的压力。 ( 2 ) 污水处理设施滞后，大量污水直接排放 青岛理工大学工程硕士学位论文 资料显示，全国不同规模、不同等级的城市污水处理厂日处理能力为1 2 9 2 万m 3 ，城市废水集中处理率仅为1 3 4 ，与发达国家废水处理率8 0 9 0 相比，我国废水处理率极低。2 0 0 7 年济南光大水务设计总规模日处理污水为4 5 万t ，但由于多种原因，日处理污水量仅为1 0 万t 左右。部分企业的污水未达到 国家排水标准就直接排入小清河【1 3 。墨市城市排水管网和污水处理设施的建设严 重滞后于城市建设，截至2 0 0 6 年污水处理率只有3 0 ，远远低于全国平均水平， 大量未经处理的污水直接排入江河，造成江河水质的严重污染。 ( 3 ) 农业污染日益严重 进入本世纪，我国化肥和农药施用量都翻了一番。化肥和农药的过量施用造 成大量化肥、农药随降水或灌溉水流入河道中，成为重要的面源污染。 我国单位耕地面积的化肥投人量是世界平均用量的2 8 倍。据统计，2 0 0 4 年 我国化肥施用量为4 4 1 2 万吨，居世界第一位。但我国的化肥利用率平均只有3 0 5 0 ，大量的化肥流失导致农田土壤污染，通过农田径流又加剧了湖泊和海洋 的富营养化，成为水体面源污染的主要来源【i 引。其次，我国单位面积农药用量为 世界平均水平的3 倍，其中大多数是难降解的有机磷农药和剧毒农药，一般农药 只有10 2 0 附着在农作物上，绝大部分都被冲刷进入水体。 此外，随着禽畜养殖业的规模化发展，禽畜的粪便排放量急剧增加，成为农 村环境污染的主要来源之一。2 0 0 4 年全国禽畜粪便产生量约2 8 亿吨【l 训。而畜 禽粪便的还田率仅为3 0 5 0 。未经安全处理的畜禽粪便直接排放或任意堆 放，造成氮、磷污染所致的水体富营养化，严重污染了地下水和地表水环境，导 致广大农村地区饮用水出现安全问题。 ( 4 ) 环境意识淡薄，环境执法力度不够 一些地区受地方保护主义和地方利益驱使，对环境保护基本国策的重要性和 水污染造成的巨大灾害认识还很不足往往都是停留在口头上、宣传上，不能贯 穿在实际的生产和生活中，不能自觉地考虑生产、生活行为对环境的影响。 虽然外资企业、合资企业和国有大中型企业的污水得到了有效治理，对污染 严重的工厂采取了关闭、搬迁等措施，但是，为了贪图方便，也为了节省成本，少花 钱，一些企业，特别是一些中、小企业还是偷偷将污水直接排放到河道内。由于企 业众多，一些企业还经常跟管理部门玩“猫抓老鼠”的游戏，给相关部门的管理带 来了一定难度；同时，对于违反规定的企业往往以罚一些钱了结，而这种罚了钱就 青岛理工大学工程硕士学位论文 可以排污的处理方法反过来又加剧了他们的胆大妄为【1 5 1 。 部分工业企业废水中含有强酸、强碱和不能生化降解的物质，一些指标严重 超标，直接排入污水处理厂，不仅增加了污水处理厂的运行负担和处理费用，还 使污水处理厂出水水质不合格，严重影响了污水处理厂的正常运转 1 5 , 1 6 。 另外，许多居民为了贪图方便，往往将垃圾从家里直接扔到河里，使得河面上 漂浮着许多固体废弃物，而将生活污水直接排入河中也是屡见不鲜。这些行为者 往往没有认识到自己的错误，更由于没有相关的法律、法规来约束这些行为，导致 往河道中倒垃圾、排污水的现象愈演愈烈【l7 1 。 1 2 2 河流水污染的危害 水污染造成的灾害影响范围大，历时长，其危害往往要在一个相当长的时期 后才能表现出来，而且水污染会加重水资源的短缺，使生态环境恶化。近年来， 一些水资源丰富的地区和城市形成了所谓的污染型缺水，河道中的水由于被污 染，出现了有水不能用的局面，水污染问题已加剧了水资源危机【l8 1 。 沿流域的地区和城市由于河流水质被污染，居民饮用水的安全性受到重大威 胁。在饮用水源中已发现有机污染物20 0 0 余种，其中1 1 4 种是具有或怀疑具有 致癌、致畸、致突变的“三致”物质，全国各地的水源中一般都能检测出百余种 有机物，其中常含有“三致”物质。这类物质经自来水厂的传统工艺处理后不能 去除，相反会因为加氯消毒而形成危害更大的氯代有机物。另外，水中的重金属 和水中致病微生物等有害物质还会导致大规模的疾病爆发和流行，对人们的生活 和健康危害极大。 水资源污染造成了农业、渔业、工业的巨大经济损失。据统计，全国受污染 农田面积达10 0 0 多万2 ，损失粮食1 2 0 亿k g ，因污染死鱼45 5 0 万蚝【18 1 。由 于接纳大量的工业和生活污水，河流水质己受到严重污染，造成土壤板结。沿 河两岸的浅层地下水因河流侧渗作用受到不同程度的污染。同时，河流输送的污 染物，大大超过海域的自净能力，严重破坏了近海海域的生态环境，成为影响沿 海地区发展的不利因素【l9 | 。另外，长期污灌使病原体、致突、致癌物质通过地下 水、粮食、蔬菜、鱼等食物链迁移到人体内，造成污灌区人群寄生虫和肠道疾病 发病率、肿瘤死亡率大幅度提高。 水污染造成的灾害影响范围很大，而且水污染会加重水资源的短缺，使生态 4 青岛理工大学工程硕士学位论文 环境恶化。近年来，一些水资源丰富的地区和城市形成了所谓的污染型缺水，河 道中的水由于被污染，出现了有水不能用的局面，水污染问题已加剧了水资源危 机【2 0 】。 1 3 课题概况 1 3 1 课题背景 1 3 1 1 社会经济概况 济宁位于山东省南部，地处苏鲁豫皖四省结合部，东邻山青水秀的临沂地区， 西与牡丹之乡菏泽接壤，南面是枣庄市和江苏省徐州市，北面与泰安市交界，西 北角隔黄河与聊城市相望。济宁市现辖二区三市七县，即市中区、任城区、曲阜 市、兖州市、邹城市、微山县、鱼台县、金乡县、嘉祥县、汶上县、泗水县、梁 山县。 任城区隶属于济宁市，整体格局半城半乡，地理位置优越，处于济( 济宁) 一兖( 兖州) 一邹( 邹城) 一曲( 曲阜) 组团结构大城市的腹地，历来为鲁西南 重要的商品物资集散地和政治、经济、文化中心。任城区交通十分便利，京杭运 河纵贯南北，新石铁路、日东高速公路横贯东西，京福高速公路、京沪铁路近在 咫尺，3 2 7 、1 0 5 国道在境内十字交汇，形成四通八达的交通网络。 2 0 0 8 年9 月重新调整确定济宁市中区和任城区的区划界线是，原则上以洗 河路为界，东起琵琶山路，沿洗河路西行至环城西路，沿金城街道与古槐街道边 界及金城街道与济阳街道边界至太白楼西路西行至梁济运河。此线以南划归市中 区，此线以北划归任城区。任城区的管辖范围是，保留原石桥、接庄、南张、长 沟、二十里铺、李营6 个镇，将金城街道太白楼西路以北部分划归任城区管辖， 保留金城街道建制。将仙营街道；! j 1 6 河路以北5 个社区( 南戴庄、谢营、秦庄、 仙营、东红庙) 划归任城区管辖，仍保留仙营街道建制。调整后的任城区辖2 个 街道和6 个镇，总面积4 1 6 k m 2 ，4 4 万人。现由高新区管理的柳行、洗河街道及 由北湖旅游度假区管理的许庄街道在行政版图上归任城区。 1 3 1 2 自然概况 ( 1 ) 地形、地貌 任城区境内地层均系第四纪上组松散沉积物堆积。老运河以东为汶泗山麓冲 青岛理工大学工程硕士学位论文 积层：以西l o o m 以上为黄河冲积物夹湖相沉积物，其下为巨厚的粘土物质，系 湖相沉积物或山麓冲积平原前缘堆积。9 0 m 以内沙层较为普遍集中，多为2 - 4 个 含水组，沙层累计厚度一般4 7 2 5 m 之间。其中以李营、南张两镇( 街办) 较 厚，在9 2 5 m 之间。滨湖地区较薄，在1 5 3 m 之间，最大厚度达8 m 。含水层 以中细沙为主，最上层埋深不大于1 5 m ，沙层颗粒具有上细下粗，南细北粗的特 点。 境内除长沟镇的张山、王山有下奥陶纪石灰岩露出地表外，其它地貌以平原 为主。西部、南部为黄河决口冲积扇形浅平洼地：东部、北部为倾斜平原的缓平 岗地，呈岗、坡、洼相间；中部为南四湖脱沼泽化而形成的滨湖洼地。境内平原 海拔高程在3 3 - 4 3 m ( 东、北、西三面高，中南部低) ，至高点在长沟镇的张山玉 皇顶，海拔高程8 5 4 m ；最低处在南阳湖底，海拔高程3 2 5 m 。湖东为河漫滩向 湖盆的过渡段，东高西低向湖心倾斜，坡降在1 1 0 0 0 1 3 0 0 0 之间，其表土母质 为湖相沉积物。湖西部为黄泛平原区，地面开阔，西高东低倾向于湖，坡降在 1 3 5 0 0 1 7 0 0 0 之间，其表土母质为黄泛冲击物及湖相沉积物。湖北部系倾斜平 原向湖的过渡段，微地形变化较大，坡降在1 1 5 0 0 左右，其表土母质为山麓冲 积物。城北系山麓倾斜平原，高程在3 6 4 2 m 之间，地面起伏较大，岗、洼相间， 径向排列。 根据境内地形地貌的特征，可分为：一是南部、中部浅平洼地及湖地，高程 3 3 3 6 m ，发育着潮土和水稻土；二是北部倾斜平原，高程3 7 4 3 m ，呈岗、洼相 间的波状起伏状态。岗地发育着褐土，洼地为砂姜黑土。 ( 2 ) 气候特征 任城区处于中纬度暖温带季风型大陆性气候区，具有冬、夏季风气候特点， 四季分明，冷热季和干湿季的区别很明显。春季温度回暖快而变化剧烈，降水稀 少，多偏南大风，蒸发量大，气候干燥，常形成春早，影响春播和小麦的正常发 育。夏季炎热多雨，高温高湿，并常有暴雨、冰雹和连阴雨的出现。秋季气温急 降，雨量骤减，多晴朗的秋高气爽天气，副高减弱南退，蒙古高压增强，气温急 剧下降，一般在1 0 月中旬出现初霜危害。冬季温低寒冷，雪少干燥。年平均气 温1 3 5 。最热月出现在7 月份，月平均气温2 6 6 ，极端最高气温4 1 6 。 最冷月出现在1 月份，平均气温在1 9 。c ，日最低气温低于i o 。c 达1 3 天，土壤 6 青岛理工大学工程硕士学位论文 冻结期1 1 0 天左右，极端最低气温1 9 4 。c 。年平均降水量在7 0 7 3 m m ，多集中在 7 、8 月份，南部多于北部。降水的年际变化和季节变化都很大。各季降水丰枯 悬殊，分布很不均匀，形成任城区“春早、夏涝、晚秋又早”的气候特点。但个 别年份也曾出现春涝、夏旱或秋涝的现象。 ( 3 ) 水文条件 南四湖位于东经1 1 6 度3 4 分1 1 7 度2 1 分，北纬3 4 度2 7 分3 5 度2 0 分。全湖南北长1 2 6 k i n ，东西宽5 - 2 5 k m 。最大水面面积约1 2 6 6 k m 2 ，占山东省 淡水水域面积的4 5 ，是我省最大的淡水湖泊，也是我国著名的大型淡水湖泊， 其单位面积渔产量居大型湖泊( 面积大于1 0 0 0 k m 2 ) 首位。1 9 6 0 年在湖腰建成 了拦湖大坝，坝上兴建了节制闸和船闸，坝北为上级湖，面积6 0 2k m 2 ，坝南为 下级湖，面积6 6 4k m 2 。上级湖允许最高水位3 6 3 0 m ( 8 5 高程) ，兴利水位3 4 o o m ， 死水位3 2 8 0 m ；下级湖允许最高水位3 4 8 0 m ，兴利水位3 2 3 m ，死水位31 3 m 。 全湖防洪库容4 7 3 1 亿m 3 ；兴利水位库容1 7 0 2 亿m 3 ；兴利调节库容1 1 2 8 亿 m 3 ；平均水深约1 5 m ，属浅水大型淡水湖泊。 济宁市水资源相对丰富，水资源多年平均值为4 1 4 1 8 亿m 3 。境内南四湖是 北方最大的淡水湖，南北长1 2 6 k m ，总面积1 2 6 6 k m 2 ，年平均径流量为2 9 5 6 亿 m 3 ，年均泄水量2 3 7 3 亿m 3 。 济宁市属淮河水系，南四湖流域，境内河流密布，西有京杭大运河，东有泗 河，中有洗府河，老运河及其支流越河、光河、府河由济宁市西城区自北向南蜿 蜒穿城而过，幸福河、蓼沟河及其支流泥沟河由东城区自北向南蜿蜒穿城而过， 汇入下游的南四湖。与本项目相关的主要河流有三条：洗府河：发源于泰安地区 宁阳县东部和北部山区，流经兖州市、任城区至石佛东入南阳湖，是南四湖湖东 地区主要防洪除涝河道之一。总流域面积为1 3 6 7 l 2 。蓼沟河：发源于兖州城附 近，流经兖州1 2 5 k m 和任城1 2 5 k m 于石佛北入洗府河干流，流域面积2 0 8 2 k m 2 ，全长2 5 k m 。泥沟河：济宁市高新区内一条支流。 济宁市地下水可分为孔隙、裂隙、岩溶裂隙水三类。松散层孔隙类含水岩系 有第四系坡洪积层含水岩组；第四系冲洪积层含水岩组；裂隙类含水岩系有第三 系、侏罗系、二迭系碎屑岩含水岩组；变质岩、侵入岩类含水岩组。岩溶裂隙类 含水岩系有石炭系碎屑岩夹碳酸盐岩组；中、下奥陶统碳酸盐岩含水岩组；中、 青岛理工大学工程硕士学位论文 上寒武统碳酸盐岩夹碎屑岩含水岩组；中、下寒武统碳酸盐岩夹碎屑岩含水岩组。 根据钻探显示，该地区地下水稳定水位为1 9 0 0 m 2 0 0 5 m ，埋深1 8 0 2 m 1 8 3 0 m ，场地地下水属第四系孔隙水，主要受大气降水影响。 ( 4 ) 地震 根据中国地震动参数区划图( g b l 8 3 0 6 2 0 0 1 ) ，场区地震动峰值加速度 为o 0 5 9 ，相应的地震基本烈度为v i 度。 1 3 1 3 洗府河水污染状况 洗府河是南水北调东线工程治污规划中提出的2 7 个控制单元之一 洗府河控制单元，水污染治理形势十分严峻。依据治污规划要求，洗府河下游东 石佛断面的水质需达到地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) i i i 类标准要求。 洗府河发源于泰安地区宁阳县东部和北部山区汉马河与罗河的交汇处，跨泰 安、济宁两市，最终汇入南四湖，河流全长4 7 7 k m ，流域面积1 3 3 t k m 2 。洗府 河共有支流9 条，在济宁市境内5 条，泰安4 条，河流功能主要是行洪排涝， 并接纳宁阳县、济宁市区、兖州市的工业和城市污水。洗府河下游河水基本为劣 v 类水质，河水污染受到了一定程度的污染。结合流域内水污染情况看，主要存 在以下几个方面的问题： 一、洗府河控制单元是泰安、济宁的工业最发达地区，企业众多，是南四湖 流域排污基数最高的河流，也是对南四湖影响最大的河流。 二、结构性污染突出，洗府河流域有4 家造纸企业，2 家味精企业，造纸 能力达1 0 0 万吨年，谷氨酸产量1 5 万吨，工业有机污染、氨氮污染主要来自 这些企业。由于国家确定的这些行业排放标准较高，达标后排放的工业污水仍造 成河道污染。 三、工业污染由于资金、技术等原因，达标排放还是粗放型的，处理设施效 果不明显，也是造成部分河段严重污染的根本原因。 四、城市污水处理设施不完善，配套管网、深化处理建设滞后。近年来，随 着城市化进程的加快，城市生活污水排放量逐年增加，生活污水所占比重日益增 大，因地方资金筹措困难，造成城市污水处理厂建设进展滞后，已经建成的污水 处理厂因管网不配套达不到规定的满负荷运转率。 五、水资源短缺，加剧了水质污染，该控制单元是一个水资源严重短缺的地 8 青岛理工大学工程硕士学位论文 区，由于连续受气侯干旱等因素的影响，降雨和客水来源持续减少，水资源紧缺 的状况日趋加剧。洗府河常年基本无新鲜水补给，对接纳的大量工业废水和生活 污水起不到稀释和净化作用，另外，由于多年的污染，河流自身白净能力明显下 降，生态系统受到严重破坏，废水中的污染物在河床中沉积、渗透，同时造成了 沿岸地下水的污染。丰水期由于降水形成地表径流汇入河内，使河床中沉积的污 染物被冲至下游，易造成下游水体突发性污染。由于大量的污水厂外排废水及流 域内部分生活废水排入，致使洗府河污染严重，缺乏工程措施来防止其对南四湖 造成直接冲击。2 0 0 9 年洗府河下游西石佛节制闸断面的河水水质情况见表1 1 。 表1 12 0 0 9 年洗府河东石佛闸控制断面水质监测结果单位：m g m t a b l e1 - 12 0 0 9y e a r sg u a n gf u h es t o n eb u d d h ag a t ee a s ts e c t i o nm o n i t o r i n gr e s u l t so f w a t e r q u a l i t yc o n t r o lu n i t ：m g l 日期 c o d c rc o d m i ln i l 3 - n 1 月 7 6 18 4 85 8 0 2 月 9 5 58 5 68 1 9 3 月 7 6 48 1 17 2 1 4 月 3 3 97 6 46 2 6 5 月 9 3 08 1 28 8 0 6 月 1 0 2 08 0 82 0 2 7 月6 2 68 2 46 0 1 8 月 5 1 77 6 06 3 5 9 月 6 9 26 2 83 5 5 1 0 月 8 7 88 6 33 2 9 1 1 月 7 9 48 5 15 6 8 1 2 月 5 7 68 5 48 0 4 年均值 7 3 88 0 75 9 3 由表1 1 可知，2 0 0 9 年；! ) 1 6 府河入湖口下游河水水质全年基本为劣v 类水。 根据南水北调东线工程治污规划和济宁市环境保护要求，洗府河下游东石佛 断面的河水水质应达到地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) i i i 类标准才能 排入南四湖。可见，洗府河控制单元的水污染治理形势十分严峻。 面对洗府河水污染严重的形势，济宁市加大了污染综合治理力度，取得了一 定成效，并对济宁市高新区污水处理厂一期工程实施升级改造工程，同时正在建 设污水厂二期工程及中水回用工程，济宁市所有污水厂于2 0 1 0 年底出水均执行 一级a 标准。随着济宁市各污水处理厂扩建及深度处理工程的建设和运行，将 大幅削减进入洗府河的污染负荷，但是处理出水对于河道而言仍为一种污染负 q 青岛理工大学工程硕士学位论文 荷。尽管实施的济宁市截污导流工程后能有效截、蓄济宁市污水厂及高新区污水 厂产生的部分污水，但济宁市两个污水厂外排的中水水量大，截污库容无法保证 在调水期对境内污水实施全部的截、蓄。况且截、蓄也不是流域水污染治理的最 终目标，对流域的生态恢复过程进行强化，使之向提高自净能力、改善水质与生 态环境、恢复自身应有生态功能的有利方向尽快转变，改善当地水环境才是流域 水污染综合治理的根本。 1 3 2 课题的目的及意义 济宁市污水处理厂位于济宁南郊老运河入湖口旁的西赵村附近，距市区南部 约4 k m ，建设规模2 0 1 0 4 m 3 d ，早期设计采用吸附一生物氧化二级污水处理工 艺( a b 法) ，不具备脱氮除磷功能，污水处理厂于2 0 0 7 年年底完成深度处理改 建工程，采用a 段+ 0 工艺，出水执行城镇污水处理厂污染物排放标准 ( g b l 8 9 1 8 - 2 0 0 2 ) 中的一级b 标准。为了满足南水北调东线工程调水水质的要 求，济宁市污水处理厂目前正进行一级a 升级改造，并计划于2 0 1 0 年完成中水 回用工程，回用规模为8 1 0 4 m 3 d 。剩余的外排水一部分进入中水水库，一部分 进入下游老运河湿地工程进行深度处理，另一部分经截污导流工程引水渠进入洗 府河湿地进行深度处理。 济宁市高新区污水处理厂位于济宁市高新区德源路以东、崇文大道以北，收 水范围为洗府河以东、新3 2 7 国道以南、寥沟河以西区域，污水总处理规模为8 10 4 m 3 d ，分两期建设。污水处理厂一期工程于2 0 0 6 年年底完成，污水处理规 模为4 1 0 4 m 3 d ，出水执行城镇污水处理厂污染物排放标准( g b l 8 9 1 8 2 0 0 2 ) 中的一级b 标准。为了满足南水北调东线工程调水水质的要求，该污水处理厂 于2 0 0 9 年完成升级改造，出水执行一级a 排放标准。同时，高新区污水厂二 期工程正在施工，预计2 0 1 0 年建设运行，出水执行一级a 排放标准。同时实 施中水回用工程，回用规模为1 1 0 4 r n 3 d 。高新区污水厂剩余的外排水一部分进 入中水水库，一部分进入下游洗府河湿地进行深度处理。 洗府河发源于泰安地区宁阳县东部和北部山区汉马河与罗河的交汇处，跨泰 安、济宁两市，最终汇入南四湖，河流全长4 7 7 k m ，流域面积1 3 3 1 k m 2 。洗府 河共有支流9 条，在济宁市境内5 条，泰安4 条，河流功能主要是行洪排涝， 并接纳宁阳县、济宁市区、兖州市的工业和城市污水。洗府河下游河水基本为劣 l o 青岛理工大学工程硕士学位论文 v 类水质，河水污染受到了一定程度的污染，流域生态系统也受到一定破坏，洗 府河的水污染治理有待进一步提高。洗府河隶属于南水北调东线工程治污规划 中提出的2 7 个控制单元之一洗府河控制单元，其水污染治理形势十分严峻。 随着济宁市污水处理厂、高新区污水处理厂升级改造及水中回用工程的建设 和运行，将部分削减进入南四湖的污染负荷，但是处理出水对于河道而言仍为一 种污染负荷。随着南水北调东线工程调水日期的日益临近，南四湖面临着严峻而 紧迫的输水工程水质保障任务。根据南水北调东线工程治污规划和济宁市环 境保护要求，洗府河入湖口河水水质应达到地表水环境质量标准 ( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) l l i 类标准才能排入南四湖。为确保南水北调水质目标的顺利实 现，济宁市在实施污水处理厂升级改造和截污导流工程的基础上，计划建设洗府 河入湖口人工湿地水质净化工程，对截污导流工程中水水库截蓄外的污水处理厂 外排中水进行深度处理，处理后水质达到地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) i i i 类标准，工程的顺利实施，可有效改善洗府河入南四湖水质。 针对洗府河入湖口的土地利用现状和洗府河的水污染现状及规划，综合考虑 技术的生态安全性、效果持久性、经济可行性和自然生态性，基于经济可行、技 术稳定、管理简便的原则，确定采用人工湿地技术对洗府河污染河水进行治理。 1 3 3 课题的主要内容 根据济宁市洗府河流域的水污染情况及河流两岸的土地利用现状，综合考虑 技术的生态安全性、效果持久性、经济可行性和自然生态性，基于经济可行、技 术稳定、管理简便的原则，确定洗府河入湖口人工湿地水质净化工程采用人工湿 地技术对洗府河上游来水进行深度净化。 通过截污导流工程新建幸福河支沟节制闸，将济宁市污水处理厂及高新区污 水厂外排中水引入1 排涝沟渠中，在塌陷坑东侧建设提升泵站将污水提升至塌 陷坑表面流湿地处理区，污水经过多级表面流人工湿地和生态稳定塘，通过在污 水中存活微生物的代谢活动和包括水生植物在内的多种生物的综合作用，使污染 物得到降解。利用湿地系统中物理、化学和生物的三重协同作用对河水中的污染 物做深度降解和净化，使处理出水基本达到地表水i i i 类标准，水质达标后经洗府 河排入南四湖。 在湿地工程中配置景观植物，建设具有水质净化与生态景观功能的湿地系 青岛理工大学工程硕士学位论文 统。设计目标如下： ( 1 ) 有效净化济宁市污水处理厂及高新区污水处理厂外排的中水，经过湿 地工程处理后水质达到地表水环境质量标准( g b 3 8 3 8 2 0 0 2 ) i i i 类标准，即 c o d c ，一 2 0 m g l ，n h 3 一n 1 m g l ； ( 2 ) 综合考虑环境、经济和景观等要素，遵循生态学原理和因地制宜的原 则，建设具有水质净化与生态多样性功能的湿地生态系统，更好的发挥湿地调节 气候、美化环境、保护生物多样性以及涵养水源、净化水质等有益于自然生态平 衡的各种效益。 ( 3 ) 在满足出水水质要求的条件下，种植经济水生植物，提高湿地经济效 益，实现农村产业结构调整。同时，湿地出水可回用于农田灌溉，提高水资源利 用率。力求达到环境效益、经济效益和社会效益的统一，实现湿地系统的可持续 发展。 1 2 青岛理工大学工程硕士学位论文 第2 章人工湿地技术 2 1 人工湿地简介 湿地是地球上一种重要的生态系统，享有“地球之肾”的美誉，处于陆地生 态系统与水生生态系统之间。湿地不仅可以调蓄水量，调节气候，为珍奇动物提 供良好栖息地，而且还可以净化污水。人工湿地是一种由人工建造和监督控制的， 与沼泽地类似的地面【2 1 ，在一定长宽比及底面坡降的浅池或低洼地中，按一定坡 度填充选定级配的填料( 如土壤、砾石) 组成填料床，废水在填料床体的缝隙中流 动或在床体表面流动，并在填料床表层种植具有处理性能好、成活率高、生长周 期长、根系发达、美观及具有经济价值的水生植物( 如水葫芦、菹草、芦苇等) 而 构成的一个独特的生态系统【2 2 】。 2 2 人工湿地对污染物