（环境工程专业论文）人工土快速渗滤系统削减城市面源污染负荷的试验研究.pdf

摘要 国内外对地表径流近三十多年的研究表明，地表径流这一面源污染源对地表水造成了十分 严重的影响。城市点源污染得到有效控制后，这一影响将更加突出，必须寻求适合我国国情的 治理技术。利用土壤的渗滤功能对城市非点源进行截纳和就地处理是非点源治理中一种简单有 效的生态治理技术。 本论文依托国家“8 6 3 ”苏州水环境质量改善与综合示范项目，采用人工土快速渗滤处理系 统，结合e m 技术，对收集后的初雨处理进行了实验室模拟小试试验。论文的主要研究内容包 括：( 1 ) 苏州地表径流的水质调研；( 2 ) 快速渗滤处理系统中人工土配比的试验；( 3 ) 系统中投加 e m 菌对污染物的去除效果的影响；( 4 ) 土层厚度、e m 投加量、水力负荷周期对污染物去除效果 的影响及机理分析。研究表明：投加e m 菌能明显提高系统对污染物的去除效果：在土层厚度 为7 0 c m 、e m 复壮液投加量为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， 对各污染物的去除均能达到较佳；影响各污染物去除效果因素的主次为，水力负荷周期、e m 投 加量，土层厚度。通过小试研究，为结合了生物技术( e m 技术) 的人工土快速渗滤系统应用于 控制面源污染的实际工程提供了可借鉴的参考数据。 关键词：地表径流面源污染人工土快速渗滤系统有效微生物( e m ) a b s t r a c t t h er e s e a r c ha b o u tt h i r t yy e a r so v e t s e a ss h o w e dt h ee a f t h ss u r f a c er u n o f fh a sp l a y e da n i m p o r t a n tr o l eo ns u r f a c ew a t e rp o l l u t i o n a f t e rt h ee f f e c t i v ec o n t r o l l i n go f t h ep o i n ts o u r c e sp o l l u t i o n ， t h es i g n i f i c a n c eo ft h i si m p a c tw i l lb em o r eo b v i o u s ，s o m eh a r n e s st e c h n i q u e sf i tf o rt h es i t u a t i o no f o u rc o u n t r ym u s tb ea d o p t e d i ti so n eo fs i m p l e ，e f f e c t i v ee c o l o g i c a lt e c h n i q u e st h a tt r u n c a t i n ga n d d i s p o s i n gn o n - p o i n ts o u r c eu r b a np o l l u t i o n sb ym a k i n gu s eo f p e r c o l a t i o nf u n c t i o no fs o i l i nt h i sp a p e r , l i t t l e s c a l ee x p e d m e n tw a sc a r r i e do u ti nl a b o r a t o r yb yu s i n gr a p i di n f i l t r a t i o nl a n d t r e a t m e n ts y s t e mw i t ha r t i f i c i a ls o i l ，c o u p l i n gw i t he mt e c h n i q u e ，b a s e do nn a t i o n a l 8 6 3 p r o j e a tf o r i m p r o v i n ga n ds y n t h e s i sd e m o n s t r a t i n gw a t e re n v i r o n m e n tq u a l i t yi ns u z h o u t h em a i nc o n t e n t si nt h e p a p e rc a nb es u m m a r i z e da sb e l o w ：( 1 ) w a t e rq u a l i t ys u r v e yo fs u r f a c er u n o f fi ns u z b _ o u ；( 2 ) c o m p o s i n gt e s to f a r t i f i c i a ls o i l ；( 3 ) t h ei n f l u e n c eo f p o l i n t i o nr e m o v a le f f i c i e n c yw h e t h e ra d d i n ge m t 0t h es i m u l a t i o ns y s t e m ( 4 ) t h ei n f l u e n c eo f p o l l u t i o nr e m o v a le f f i c i e n c ya n dm e c h a n i s ma n a l y s e si f a d j u s t i n gs o i ld e p t h ，t h eq u a n t i t yo f e m , h y d r a u l i cl o a d i n gp e r i o d t h es t u d yi n d i c a t e s ：i tw i l li m p r o v i n gt h er e m o v a le f f i c i e n c yo fp o l l u t a n t se v i d e n t l yb ya d d i n g e mt os y a e m ；t h er e m o v a le f f i c i e n c yo f a l lk i n d so f p o l l u t a n t sw i l lb eb e t t e rw h e ns o i ld e p t hi s7 0 c m ， t h ea p p e n d i n gq u a n t i t yo fe mr e j u v e n a t i o ni s1 5 0 0 m e m 2 ，h y d r a u l i cl o a d i n gp e d o di s2 4 h ；t h e i n f l u e n c ef a c t o r sf o rr e m o v a le f f i c i e n c ys o r t i n gb yp r i o r i t ya r eh y d r a u l i cl o a d i n gp e r i o d t h ea p p e n d i n g q u a n t i t yo fe mr e j u v e n a t i o n ，s o i ld e p t h t h i sl i t t l e - s c a l ee x p e r i m e n ts t u d yp r o v i d e st h ep r e f e r e n c e d a t af o rp r o j e a tt oc o n t r o ln o n - p o i n ts o u r c ep o l l u t a n t sw i t ha r t i f i c i a ls o i lr a p i di n f i l t r a t i o ns y s t e m c o u p l i n gw j t hb i o l o g i c a lt e c h n i q u er e mt e c h n i q u e ) k e yw o r d s ：t h ee a r t h ss u r f a c er u n o f f , , n o n - p o i n ts o u l ep o l l u t i o n , a r t i f i c i a ls o i lr a p i di n f i l t r a t i o n s y s t e m ，e m ( e f f e c t i v em i c r o o r g a n i s m ) 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) ： 茎! 壶砸年占月。日 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) ：茎：壶2 口矿年6 月幻日 人工土快速渗滤系统削减城市面源污染负荷的试验研究 1 绪论 1 1 研究背景 水是一切生物赖以生存的基础，是人类生活和生产活动中最基本的物质条件之 一，是工农业生产、社会经济发展和生态环境改善不可替代的极为宝贵的自然资源， 具有不可替代的特点。可以说，没有水就没有生命，更没有社会的进步和繁荣。 随着经济的发展，人口的增加，生活水平的不断提高，世界范围对淡水资源的 需求和消耗不断增多，相应的城市污水和工业废水的排放量也在不断增多，由于污 水处理设施的滞后和面源污染控制不够得力，使全球淡水资源正面临两大问题：水 资源短缺和水环境污染。这在一些国家和地区，尤其是发展中国家和地区，日益严 重并有加剧的趋势。1 。 我国的水资源总量约为2 8 1 0 1 2 m 3 ( 其中地下水8 0 0 0 亿m 3 ) ，居世界第六位， 但按人均占有量约2 2 0 0 m 3 ，只有世界人均占有量的1 4 ，相当于美国的1 5 、前苏联 的1 7 ，排在世界第1 0 0 位以后，中国己被列入全球贫水国家的名单。水污染更加剧 了水的危机，据估计，全世界每年排放的污水达4 0 0 0 5 0 0 0 亿m 3 ，占全球径流量 的1 4 以上。有人认为，到2 0 2 5 年，全世界人口增至8 3 亿，如果不合理开发利用 水资源，将有二分之一的人口遭受中高度或高度缺水的压力和水的危机。1 。 我国水资源空间分布很不均匀。长江流域以北的淮河、黄河、海滦河、辽河、 黑龙江五个流域水资源合计仅占全国总量的1 4 4 ，而人口却占全国总量的4 3 5 。 所以这五个流域的人均水资源占有量只是略高于9 0 0 m 3 。因此，水资源对我国来说 是十分宝贵的，保护水资源的另一个不可忽视的方面就是防治水污染。1 。 水污染加剧了我国水资源短缺，直接威胁着饮用水的安全和人民的健康，同时， 由于河流和湖泊长期接纳污废水，水环境条件不断恶化，不仅严重地影响了水生生 物的生存，导致水生生物种群结构的改变，而且由河湖所维持的水生生态系统遭受 严重破坏，生态系统的完整性被简化、被降低，其抵御外界因素干扰的能力下降， 生态系统变得十分脆弱，存在着潜在的危险性，影响到了工农业生产和农作物安全， 据统计造成的经济损失约为国民生产总值的1 5 3 。水体的环境污染失衡及灾害 已成为我国实施可持续发展战略的重要制约因素“3 。 水环境污染是点源污染和面源污染共同作用的结果。过去人们一直认为工业点 源是造成水污染的主要原因，各国投入大量人力物力，重点治理工业点源污染。但 治理的实践表明单纯控制点源污染，仍然不能消除水体污染，因为除了点源外，大 量的面源污染物继续分散地不间断地进入水体。美国现在面源污染占总污染量的 2 3 ，成为目前美国河流污染的主要原因0 1 。 河海大学硕士学位论文 面源污染造成的后果往往是严重的。例如黄河流域的水土流失，造成河道和水 库的淤积，土壤和养分大量流失、水体污浊，是一种严重的面源污染。农业与城市 径流所带来的养分( 特别是磷、氮两种元素) 过量地输入河口、湖泊和水库，往往 造成这些水域的富营养化，使水体的生态系统发生变化，水质恶化。国内已有相当 多的湖泊和水库出现富营养化。而近年来，农药化肥的过量使用，畜禽养殖业的快 速发展，矿山露天开采范围急剧增加等因素，导致面源负荷与危害在同步增长，日 本的稻田是b i s s a u 湖的最大污染源；荷兰农业面源提供的t n 、t p 分别占水环境污染 总量的6 0 和4 0 5 0 ：丹麦2 7 0 条河流9 4 的氮负荷、5 2 的磷负荷由面源污染引 起嘲。 近年来，中国水污染控制的力度在不断加大，但水污染恶化趋势还没有得到根 本的遏制。到目前为止，重点仍是对点源污染的控制。在“三河、三湖”的治理过 程中，面源污染已引起越来越多的重视。滇池、太湖、巢湖等流域的污染治理经验 表明，不控制面源污染不可能从根本上解决水体的污染问题0 1 。 随着世界人口城市化进程的加快以及人类生活水平的提高，城市的需水量在逐 年增加。城市的水资源短缺和水质污染问题已引起各国的广泛关注和不安。1 9 9 6 年 “世界水日”的口号是“为干渴的城市供水”。“水资源危机已成为继石油危机之后 的第二大危机”。我国也同样面临着城市用水危机。据统计，全国6 6 8 个城市有4 0 0 多个城市缺水，5 0 多个城市经常闹水荒。1 。城市水环境问题不仅成为制约国民经济 发展的重要因素，而且对人们的健康造成了危害和威胁，引起了严重的社会问题。 因而城市周围的水环境问题直接影响到城市的可持续发展。尤其是在我国平原 河网地区，河流交错纵横，由于经济发展较快，城市化进程较快，虽然点源污染得 到了一定的控制，但是大量未经处理的面源污染物伴随着降雨径流直接排入城市的 水体，成为城市水环境污染的主要污染源。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 排放总量，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 “。e p a ( 1 9 9 3 年) 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n 1 1 。 由此可见，随着点源污染控制的不断完善和城市的快速扩张，面源污染的矛盾 日益突出，对城市水系构成严重的威胁。城市水环境质量要想得到根本改善，除了 有效控制点源污染外，还必须对城市面源污染物加强控制与管理。 人工土快速渗滤系统削减城市面源污染负荷的试验研究 1 2 城市面源污染国内外研究进展 城市面源是随降雨径流产生的城市区域内的分散污染源，它主要通过降雨径流 的淋溶和冲刷作用，从大气、地面和土壤分别进入地表水和地下水中，进而造成水 环境污染“。由于城市是人类居住和活动最密集的地方，且大部分区域是不透水表 面，加之区域的自然状况和降雨过程差别较大，因此城市面源污染强度大，污染负 荷时空变化幅度宽，研究、控制和处理的难度也较大“。 1 2 1 城市面源污染规律的研究 美国、日本等发达国家自2 0 世纪6 0 年代开始关注城市面源污染，7 0 年代起开 始系统的研究，并付诸管理实践。城市降雨径流污染作为一种很重要的面源污染， 在发达国家研究的历史较长。对城市面源污染规律的研究主要包括2 个方面：模型 研究和初始冲刷的研究。 ( 1 ) 模型研究 早期的研究集中以土地利用对河流水质产生影响的认识为基础，对降水径流污 染特征、影响因子、单场暴雨和长期平均污染负荷输出等方面进行了研究，其具体 研究方法是建立统计模型，进而建立污染负荷与流域土地利用或径流量之间的统计 关系“。著名模型有s w 删( 城市水管理模型) 、s i o r m ( 城市地表径流数学模型) 等“”。 到2 0 世纪8 0 年代，美国农业部( u s d a ) 研究所开发的c r e a m ( 化学污染物径流负荷和 流失模型) ，采用了美国农业部水土保持局开发的s c s 水文模型来计算暴雨径流“， 充分考虑了污染物在土壤中的物理、化学形态和分布状况“”，为城市径流污染模型 的发展提供了很好的经验。同时面源污染模型加强3 s ( g i s 、g p s 、r s ) 技术在其定量 负荷计算、管理和规划中的应用研究o 。进入到2 0 世纪9 0 年代后，在对过去城市 径流面源污染模型多年应用经验进行总结的基础上，不断地完善和提高已建立的模 型，推出新的模型“”。同时，与面源污染负荷估算相关的流域开发方向、面源污染 管理模型和风险评价成为本时期应用模型研究的最新突破点。随着计算机技术飞速 发展和3 5 技术及g r a s sg 1 s 、a r c i n f o 等技术的应用，为城市面源污染的研究提供 了很大的方便。很多功能超大的流域模型被开发出来，这些模型不再是单纯的数学 运算程序，而是具有空间信息处理、数据库技术、数学计算、可视化表达等功能的 大型专业软件。 ( 2 ) 初始冲刷的研究 初始冲刷( f i r s tf l u s h ) 是指当降雨开始后最先产生的径流，其污染物的含量是 整个产流过程中最高的啪3 。初始冲刷发生时，会有大量的污染物随着径流排放到受 纳水体中。初始径流中污染物的含量受到以下参数的影响：汇流面积、降雨强度、 河海大学硕士学位论文 不透水区面积以及距上一次降雨时间间隔。然后根据曲线相对于对角线( 与水平面成 4 5 度角) 的偏差比例来估算其强度”“。由于研究的复杂性，对于初始冲刷在定义上 仍存有分歧。2 。2 “。d e l e t i c 的研究中。“，把初始冲刷产生的标准由降雨事件中占整个 产流2 0 的最先产生径流的总污染物负荷( f f 2 0 ) 来确定。因此可以用累积曲线来表 示待测水质指标w q c ( w a t e rq u a l i t yc h a r a c t e r ) 。l e e 等研究表明初始冲刷可以用 一种数据分析方法来计算。通过用这种方法研究表明汇流区域面积越小，其初始 冲刷现象就会越明显。同时在暴雨过程中不同功能区污染物单位负荷量的大小顺序 如下：高密度的居民区 低密度的居民区 工业区，未开发的区域o ”。 国内对城市面源污染重视程度相对不足，对城市面源污染规律的研究起步也较 晚。我国最早的面源污染研究始于2 0 世纪8 0 年代的湖泊富营养化调查，真正意义 上的城市面源污染研究始于北京城市径流污染的研究，之后相继在上海、杭州、苏 州、长沙、南京、成都等城市开展了城市面源污染规律的研究1 。在模型研究方面， 相关研究多局限于城区径流污染的宏观特征和污染负荷定量计算模型的研究，在研 究手段上也采用了人工模拟实验技术、遥感技术以及3 s 技术等新技术，提高了城市 面源污染负荷模型的精度，推进了面源污染的量化工作。在初始冲刷研究方面，以 北京、南京等大城市为主。车伍等人的研究表明：掌握城区雨水径流水质及其主要 的影响因素是有效地利用城区雨水资源和控制城区面源污染的基础。根据北京1 9 9 8 2 0 0 0 年大量的降雨径流水质数据表明，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。除了空气质量的影响外，最重要的影响因素是屋面材料、 道路类型及路面污染状况、气温、降雨强度、降雨量和降雨间隔时间等”1 ；北京城 区研究结果表明，控制屋面2 - 3 m m 和路面l o m m 左右的初期径流可大幅度减少污染物 输送量，控制污染较重的初期雨水径流可有效地控制城市面源污染负荷。这与国外 的一些研究结果吻合啪。吴慧芳、陈卫等人的研究表明：城市径流中的污染物主要 来自降水、地表和下水道系统，其中地表污染物是径流污染物的主要组成部分。”。 1 2 2 城市面源污染控制的研究 目前，国内外普遍适用的控制城市面源污染的方法可以分为非工程的和工程的 两大类。非工程方法指用加强管理来达到控制污染的方法，包括控制大气污染、绿 化、播草种和清扫街道等。工程的方法指靠兴建工程措施来达到控制污染，如修建 沉淀池、渗漏坑、多孔路面、贮水池和处理污染的建筑物等。在这两方面以美国的 “最佳管理措施”( b m p s ) 最具有代表性。e p a 把b m p s 定义为：任何能够减少或预防 水资源污染的方法、措施或操作程序，包括工程、非工程措旖的操作和维护程序m 1 。 目前国内外对城市面源污染控制的工程措施，主要有植被控制、渗滤控制和湿地滞 留系统。 4 人工快速渗滤系统削减城市面源污染负荷的试验研究 ( 1 ) 植被控制 植被控制是利用地表植被对径流中污染物进行分离的措施，它能够将污染物在 径流输运过程中分离出来，以达到保护水体的目的。地表的植被不仅可以减少径流 的速度，过滤沉积物，还可以提高土壤的抗侵蚀性，减少径流对土壤的侵蚀。草是 植被控制最常用的植物，草的种类、密度、性状和结构等均影响到污染物的去除效 果。 ( 2 ) 湿地滞留系统 湿地去除污染物的机理有：沉淀、截留和生物吸附等，不仅可以去除颗粒悬浮 物，还可以去除可溶性污染物等。湿地系统有天然湿地和人工湿地，由于在城市中 天然湿地一般不会出现在可以利用的位置，所以一般构建人工湿地控制面源污染。 湿地是一种高效控制城市径流污染的措施。它能有效地减少径流，有良好的去除污 染物的能力。在美国的佛罗里达州已经建立了许多处理城市径流污染的湿地。一般 情况下，湿地对于城市径流产生的b o o 、总悬浮固体和总氮的去除效果较好，去除 率为6 0 8 5 。 ( 3 ) 渗滤控制 这是一种将污染水流暂时存储起来的措施，通常包括渗坑、渗井等，主要去除 可溶解的污染物，去除机理是过滤、颗粒物吸附和离子交换等。这种系统可以单独 使用，也可以与其他的方法结合使用。 e p a 在其制定的最佳管理措施( b m p s ) 中，就已提出增加透水地面的渗透性和设 置专用雨水渗透装置削减城市面源污染的方案。日本在1 9 8 0 年开始推行雨水贮留渗 透计划，利用公园、绿地、庭院、停车场、运动场、道路以及建筑物等场所，通过 设置渗透池、渗透管、渗透井、渗透侧沟、透水性铺盖等专用雨水渗透设施补充涵 养地下水，恢复河川基流，控制城市面源污染。德国柏林、法兰克福等城市则在许 多建筑的屋顶根据不同的屋顶类型和建筑型式建造了许多屋顶花园，充分利用土壤 的渗透和净化能力削减城市暴雨径流量，控制面源污染。 我国在城市面源污染的治理和控制领域，相关研究十分缺乏，有报道的仅局限 于北京、武汉等少数几个城市。北京建筑工程学院的欧岚o o 等人曾经研究了人工土 层对屋面雨水径流污染的净化效果，结果表明：经过l m 厚天然土层的渗透，c o d 的去除率可达6 0 ，经过l m 厚人工土层的渗透，c o d 的去除率可达7 0 8 0 。章 北平。”以武汉东湖为例，研究了炉渣一壤土渗滤系统对非点源n 、p 的削减作用， 证明炉渣一壤土系统具有较大的污染物截纳容量，在径流率o 0 7 - 0 3 2 l s m 时，t n 的去除率可达到4 0 5 0 - - - 6 7 6 ，t p 去除率5 7 5 6 7 8 。 近年来，在国内实际应用中较多的使用了多孔路面，它可以有效的去除径流水 河海大学硕士学位论文 中溶解物和颗粒物。 1 2 3 研究现状的分析 1 2 3 1 污染规律研究的现状分析 国外对城市面源污染规律的研究起步较早，发展较快，随着计算机技术的发展 和进步，遥感技术和地理信息系统g i s 与面源污染模型相结合起来，相继开发出了 一些功能强大的面源污染模型，广泛应用于面源污染预测和面源污染影响评价上， 将逐渐成为今后研究的一个重要方向。同时，也存在一些问题： ( 1 ) 具有坚实的水文学基础、考虑污染物地表迁移转化过程、可推广应用于资 料少的大流域的机理型模型少，而经验型模型难以大范围推广应用。 ( 2 ) 对大气干沉降和面源毒性污染物在空中、地表的迁移转化研究刚刚开始， 迁移转化的过程研究明显不足。 ( 3 ) 现有的模型一般要求参数太多，限制它在其他地区的应用。 我国在此方面开展的研究工作不多，仅局限于城区径流污染的宏观特征和污染 负荷定量计算模型的研究。其中，北京城市径流污染研究为最具代表性的城市面源 污染研究，主要从径流量与污染负荷的关系、单位线、地表物质累积规律等方面进 行了研究。主要存在的问题有： ( 1 ) 面源污染的基础调查工作只是在零散的城市开展，缺乏全国性的系统普查 分析。 ( 2 ) 模型研究方面过多地机械模仿国外模型，未针对模拟对象进行有效的调整， 而完全自主完成、适应我国条件、模拟效果良好的模型则更少。 1 2 3 2 污染控制研究的现状分析 植被控制、渗滤控制和湿地滞留系统是目前国内外控制城市面源污染的三种主 要控制措旌和手段。目前存在的主要问题是： ( 1 ) 覆盖植被： 在一定程度能够将污染物在径流输运过程中分离出来，以达到保护水体的目的。 同时植物受气候和季节的影响较大，对污染物的控制也受此影响。覆盖植被有可能 导致的另一负面影响就是增加了除草剂的使用，转而增加了对环境的危害。因此植 被控制措施通常作为控制城市面源污染的辅助措施而不是关键控制手段。 ( 2 ) 湿地滞留系统： 控制措施虽然能有效减少径流，对污染物有良好的去除效果，但是也存在一些 不足之处：湿地设计和操作标准目前尚未明确；湿地也有可能成为害虫的繁衍 基地，危害城市居民的身体健康，影响城市景观，降低其生态环境效应。湿地需 要较多的人工维护和管理。例如：当水生植物不适应生活环境时，需要调整植物种 人工土快速渗滤系统削减城市面源污染负荷的试验研究 类，并重新种植，同时植物的调整需要变换水位。杂草的生长也会影响到湿地植物 的生长，需要经常进行杂草的去除。城市中一般不存在天然湿地，需要构建人工 湿地，对场地也有一定的要求。 ( 3 ) 渗滤控制 与上述两种控制措施相比较，渗滤控制措施则被广泛应用于削减径流量，控制 城市径流污染、控制城市面源污染，是最主要的城市面源污染控制措施。但是在相 关的研究中也存在一些问题和不足。 在实际中，对渗滤控制措旎的应用更多注重于削减径流量的作用，忽视了削 减污染物负荷的功能。这一不足之处体现在实际工程应用中，多以铺设多孔路砖和 修建雨水渗透设旋为主，目标仅限于控制降雨径流量，没有充分利用渗滤介质对污 染物质具有良好去除效果的功能。 对渗滤介质去除城市面源污染物的理论研究和实际运用的研究不够。城市面 源污染特征不同于常规的点源污染特征，因此在利用渗滤介质去除污染物的理化和 生物作用有待深入研究，应加强人工模拟试验研究，并且在人工模拟试验研究的基 础上进行室外现场研究，为实际工程应用提供可靠的依据。 控制手段比较分散和孤立，没有建立有效的系统的控制手段。目前国内外对 渗透池、渗透井等控制措施，均是针对单独的某一建筑，控制手段比较分散和孤立， 对于城市中某一区域的面源污染控制尚未提出和建立有效的系统的控制手段。 1 3 课题的提出 苏州市地处太湖为中心的浅碟形平原的底部，以平缓地平原地形为主，城市河 道纵横交织成网，河湖串通，水流流向顺逆不定，水情复杂，是典型的江南水网城 市。近年来随着经济、城市规模及工农业的发展，大量污染源进入水体，大大超过 了河网水系的纳污能力，造成了城市河流的严重污染。苏州城市水环境的恶化，严 重损伤了这个享誉国内外江南水乡的面貌，直接影响了这个有“天堂城市：美称的 投资环境。为了彻底改善苏州古城区的水环境，近年来，苏州市政府加大了苏州水 环境的整治。为此，苏州市水利局政府委托河海大学进行国家8 6 3 课题一苏州水环 境质量改善与综合示范项目的研究。 影响苏州古城区水环境的污染源主要是点源污染( 包括工业污染源和生活污染 源) 及城市面源污染。目前，苏州城区的工业污染源与大部分的生活污染源直接输 送至城市污水处理厂进行处理，点源污染已经得到了有效的控制，面源污染的治理 成为污染源控制的关键因素。本论文的研究就是基于苏州水环境质量改善与综合示 范项目，探求控制苏州古城区城市面源污染的有效工程措施。 7 河海大学硕士学位论文 考虑到苏州古城区楼宇密集，难以在古城区内构建湿地滞留系统，同时结合前 述对城市面源污染控制三种主要控制措施的分析，拟采用人工土快速渗滤系统对苏 州城市面源污染进行控制和研究。 该系统利用了土壤对污染物具有净化功能这一基本原理，通过人为配制土壤的 手段，改变天然土壤的组成和物理性状，使之成为一种土壤渗滤处理面源污染负荷 的改良类型。 人工土快速渗滤处理技术是应用生态学原理加工程学方法而形成的生态工程水 处理技术，对污染物的去除主要是靠微生物的作用。考虑到系统经过一定运行时间 后，对污染物的去除效能有所降低，因此为了有效保持系统的去除效果，在本论文 中将e m 生物技术结合到人工土快速渗滤系统中，以期达到强化系统微生物的作用， 在较长时间内保持并提高系统对污染物的去除效果，使得该系统能够更加有效的削 减城市面源污染负荷，从而达到改善苏州水环境的目的。 1 4 研究的目标及技术路线 1 4 1 研究目标 本论文依托河海大学承担的8 6 3 课题一苏州市水环境质量改善与综合示范项 目，结合苏州水环境和城市面源污染控制措施中存在的问题，探讨适合苏州本地区、 技术经济合理、生态环境效益显著的城市面源控制技术，实现经济有效的污染源控 制和治理，为苏州水环境的改善和治理提供理论支持。 人工土快速谬滤系统自减城市面源污染负荷的试验研究 1 4 2 研究的技术路线 9 人工土快速渗滤系统削减城市面源污染负荷的试验研究 2 试验设计 2 1 试验目的 通过监测苏州城区降雨地表径流获得室内试验的水质参数，选用苏州本地天然 土壤、粗砂和沸石为人工土基质的组成成分并按照不同比例配制，选取渗透系数较 大，对污染物去除效果较好的人工土配比作为后续试验的渗滤介质。 在相同的试验装置和运行参数下，研究人工土快速渗滤系统中投加有效微生物 e m ( e 每e c t i v em i c r o o r g a n i s m s ) 对污染物的去除效应。通过考察不同土层厚度、不同 e m 投加量和不同水力负荷周期对系统中污染物迁移转化规律的影响，分析各参数 和运行条件对城市非点源污染物降解的强化效果和影响机制，确定投加e m 的人工 土快速渗滤系统的最佳运行工况，为苏州乃至城市面源污染的生态治理技术提供可 借鉴的参考。 2 2 研究内容 本研究主要开展以下几方面的工作 ( 1 ) 苏州城区降雨径流水质调查研究，为室内实验提供水质参数依据 ( 2 ) 人工土基质初筛及人工土静态实验研究 人工土拟选用我国东部平原河网地区苏州本地的天然土壤、粗砂和具有较强吸 附作用的沸石按一定比例配制，静态试验研究不同配比的人工土对水量下渗和污染 物去除的效果，确定合适的人工土组成。 ( 3 ) 人工土土柱动态实验研究 研究在投加e m 菌液后人工土对城市降雨径流污染负荷的消减效果和主要设计 及运行参数，如人工土的厚度、e m 投加量、水力负荷周期等。 2 3 试验装置设计 本试验为室内小试试验。主要装置为高位水池、渗透柱，材料均为有机玻璃。 室内试验的基本装置如图2 1 所示。在不同试验阶段，柱体的内径不同，土层厚度 不同，且根据试验需要设置不同土层厚度的取样口。各试验阶段的试验装置详见各 部分的试验方案。 土柱模拟试验装置中设有溢水口，保持土层上的淹水厚度为5 c m ，能够保证试 验过程中定水头供水。 河海大学硕士学位论文 图2 1人工土快速渗滤模拟试验装 2 4 考察指标及分析测定方法 水样分析项目与分析方法见表2 1 表2 1试验污水水质分析项目与分析方法一览表 分析项目分析方法 化学需氧量( c o d )标准重铬酸钾法 总磷( t p ) 钼锑抗分光光度法，5 过硫酸钾消解预处理 总氯( t n )过硫酸钾氧化紫外分光光度法 氨氮( n h 4 + - n )纳氏试荆分光光度法 p h 精密p h 计 溶解氧( d o )膜电极法( 溶解氧仪) 温度( t )温度计 悬浮物( s s )重量法( 1 0 5 烘干) 1 2 罕l训引刻引剐刊跏士 人工土快速渗滤系统削减城市面源污染负荷的试验研究 3 人工土快速渗滤试验进水水质参数确定 本论文拟用人工土快速渗滤处理技术削减城市地表径流的污染负荷，必须正确 确定试验采用的进水水质，为此必须研究苏州地区降雨径流污染物浓度变化规律。 3 1 苏州城区地表初雨径流水质调查研究 3 1 1 城市地表径流污染的成因及特点 城市地表径流污染是指在降雨过程中雨水及其形成的径流流经城市地面( 如商 业区、居住区、停车场、街道等) ，聚集一系列污染物质( 如原油、氮、磷、重金属、 有机物质等) 并直接排入水体而造成的水体非点源污染。“。 随着城市化进程的加快，城市土地利用类型发生了巨大的改变，原有的植被、 土壤等半渗水性和渗水性路面被人工建筑物所代替，城市滞水空间被侵占，不透水 区域迅速扩大，改变了流域水文过程。城市地表不透水面积的增加，随之带来了地 表径流量的增加、地面汇流时间的缩短、径流量峰值加大、达到峰值的时间缩短、 以及合流制管系溢流量的变化等，这为城市地表径流污染的发生提供了动力条件。 城市地表累积的各种污染物质是城市地表径流污染发生的主要物质基础。一般 来说，城市降雨径流中的污染物来自三方面：降水、土地表面和下水道系统。降水 污染物含量由两部分组成，一部分为降水污染物背景值；另一部分为降水通过大气 而引起的湿沉降，其中背景值一般比较稳定；下水道系统对径流水质的影响主要是 沉积池中沉积物和排水系统漫溢出的污水。地表污染物可被认为是雨洪径流污染物 的主要部分，污染物以各种形式积蓄在街道、阴沟和其它与排水系统直接相连接的 不透水面积上，例如，行人抛弃的废物，从庭院和其他开阔地上冲刷到街道上的碎 屑和污染物，建造和拆除房屋的废土、垃圾、粪便或随风抛撒的碎屑，汽车漏油， 轮胎磨损和排出的废气，从空中干沉降的污染物等o ”。因此，城市地表径流水质主 要取决于城市地表累积物的状况即地表的污染状况。城市地表累积物在降雨及其形 成的径流的击溅、冲刷和搬运作用下就形成了城市地表径流污染。 由于影响城市地表径流污染物的因素很多，因而城市地表径流的污染物质比较 复杂，但是这些污染物大体可以分为以下几类：悬浮固体、好氧物质、重金属、富 营养化物质、细菌和病毒、油脂类物质、酸类物质、有毒物质和腐殖质。 3 1 2 苏州城区的降雨特征与监测概况 苏州城市中心区属典型的亚热带季风气候，受冬夏季风影响，冬季寒冷干燥， 夏季温暖湿润，四季分明，总体上呈现出冬夏季长、春秋短的特点，雨水充沛，无 霜期长。城市中心区多年平均降水量在1 1 0 0 m m 左右，最大年降雨量1 5 5 4 m m ( 1 9 5 7 年) ，最小年降雨量5 7 4 5 m m ( 1 9 3 4 年) 。每年4 9 月受暖湿夏季风( 偏南风) 的 河海大学硕士学位论文 影响，降水多而集中，各月平均降水量为l o o 1 6 0 r a m ，6 个月的降水量占全年的 7 0 以上。这期间的降水包括夏初的梅雨和夏秋的台风雨。1 0 月到次年3 月，因受 干冷的冬季风( 偏北风) 影响，降水较少，各月平均降水量为4 0 8 5 m m 。 本次对苏州城区降雨径流的水质监测以城区内的商业区、居民区和工业园区为 主要研究对象。根据苏州城区的功能分区选择具有代表性的商业区、居民区和工业 园区，均在各区道路边的雨水箅前设一个降雨径流采样点。商业区选择观前商业区， 采样点在景德路上；居民区选择桂花新村居民住宅小区，采样点在桂花新村内的道 路上：工业园区选择苏州工业新区，采样点在滨河路上。 径流水质随降雨过程而变化，初期降雨所形成径流的污染物最强。所有降雨事 件的水质分析结果均表明，屋面和路面雨水初期径流污染物浓度很高，随降雨历时 的延长，主要污染指标逐渐下降并趋于稳定o “。为了给室内小试试验提供可靠的降 雨径流水质参数，本次水质监测主要针对初期地表径流，从地表径流形成至延续的 6 0 r a i n 内为监测的时问段。这6 0 r n i n 按照0 5 m i n 、5 1 0 r a i n 、l o 1 5 m i n 、1 5 3 0 m i n 、 3 0 4 5 m i n 和4 5 6 0m i n 分为6 个采样时间段，对三个不同区域的采样点进行同时 采样。 监测指标主要为p h 、d o 、s s 、c o d 、t p 、t n 、n h a + - n 。 3 1 3 苏州城区地表径流水质监测结果与分析 本研究水质监测时间在2 0 0 4 年7 月初8 月底，正处于年中降雨较多的夏季。 但由于2 0 0 4 年出现了罕有的干旱气候，因而这段时间内不仅降雨频率低且降雨历时 短，有的降雨过程不能形成地表径流，有的降雨过程形成地表径流后不能延续到 6 0 m i n 。同时在整个苏州城区的降雨过程中出现了较多的局部雷阵雨，不能同时收集 到三个不同采样点的地表径流。因此，本次地表径流水质监测获得数据较少，但是 对室内小试试验仍然具有一定的指导意义。 在这期间成功地进行了2 次集中采样。分别在2 0 0 4 年7 月1 9 号和7 月2 5 号。 第一场雨开始于2 0 0 4 年7 月1 9 日2 0 ：1 0 ，1 0 m i n 后开始产生地表径流，持续时间 3 0 m i n 。第二场雨开始于2 0 0 4 年7 月2 5 日1 2 ：0 0 ，1 5 m i n 后开始产生地表径流，持 续时间9 0 r a i n 。两次地表径流监测结果见表3 1 表3 3 。 1 4 人工土快速渗滤系统削减城市面源污染负荷的试验研究 表3 一i商业区地表径流水质监测实测值 指标 商业区 0 1 0 m i n0 3 0 m i n3 0 6 0 m i n ( m g l ) 最小值最大值中值最小值最大值中值最小值最大值中值 s s6 0 01 0 0 08 0 04 0 07 0 05 5 04 0 05 0 04 5 0 r p o 3 3 1 5 8o 9 6o 1 41 2 90 7 2o2 2o 3 2 o 2 7 n l - h + - n 1 43 2 62 3 31 5 93 2 32 4 12 3 92 9 62 6 8 t n1 4 1 92 0 2 91 7 2 49 9 81 8 7 61 4 3 75 2 16 4 1 5 8 1 c o d5 6 01 5 8 01 0 7 08 89 0 04 9 45 61 8 41 2 0 d o6 16 56 36 66 96 7 57 77 87 7 5 o h 6 o 6 5 表3 2住宅区地表径流水质监测实测值 指标 住 宅 区 0 1 0 m i n1 0 3 0 m i n3 0 6 0 m i n ( m g l ) 最小值最大值中值最小值最大值中值最小值最大值中值 s s 6 0 01 5 0 01 0 5 01 0 02 0 01 5 03 0 05 0 0 4 0 0 t p o 3 1o 3 9o 3 5o 1 1o 2 70 1 9o 1 3o 1 80 1 6 n h 4 + - n 2 1 72 2 82 2 32 - 3 32 42 _ 3 72 1 82 4 92 3 4 t n8 5 1 1 0 0 49 2 88 8 1 0 5 84 ，75 9 38 _ 3 97 1 6 c o d2 5 63 2 02 8 82 0 0 2 2 42 1 2 4 82 1 61 3 2 d o66 36 1 56 976 9 56 97 97 4 p h 6 0 6 5 表3 3 工业区地表径流水质监测实测值 指标 工业区 o 1 0 m i n0 3 0 m i n3 0 6 0 m i n ( m g l ) 最小值最大值中值最小值最大值中值最小值最大值中值 s s1 0 01 7 0 09 0 01 0 02 0 01 5 01 0 02 0 01 5 0 1 p o 1o 6o 3 5o ，0 3o 3 3o 1 8o 0 80 2 30 1 6 n i t 4 + - no 51 1 25 8 50 4 42 5 71 5 12 4 24 7 63 5 9 t n 5 4 7 2 8 6 91 7 0 84 7 65 6 15 1 94 3 87 8 7 6 1 3 c o d 2 0 09 6 05 8 03 22 6 41 4 81 61 41 5 d o67 46 77 67 87 77 67 97 7 5 n h6 o 6 5 注：中值= ( 最小值+ 最大值) 2 根据表3 1 表3 3 可知：( 1 ) 苏州城区地表径流污染严重，主要污染物为 悬浮固体、有机物以及富营养化物质。悬浮固体和有机物的最高浓度值分别可以达 到1 7 0 0 m g l 和1 5 8 0m g l ，富营养化物t p 。= 1 5 8m g l ，t n 。= 2 0 2 9m g l ， n h 4 + - n 。= 1 1 2m g l ；( 2 ) h - - _ _ - - 个不同区域主要污染物浓度的中值可知，前1 0 m i n 河海大学硕士学位论文 的污染最为严重。随着降雨时间的延长，污染物浓度也随之降低，这与汪慧贞等人 对北京城区雨水径流的研究结论相符。“。尤其是悬浮固体和有机物的浓