塘-人工湿地生态系统处理城市地表径流的初期运行.pdf

塘 -人工湿地生态系统处理城市地表径流的初期运行 * 尹 炜 1, 2 李培军 1 叶 闽 3 王 孟 3 杨国胜 3 陈惠敏 3 11 中国科学院沈阳应用生态研究所, 沈阳 110016; 2 1 中国科学院研究生院, 北京 100039; 31 长江水资源保护科学研究所, 武汉 430051 摘要 以武汉市桃花岛塘和人工湿地组合生态处理系统为研究对象, 探讨了该系统处理城市地表径流的初期运行, 结 果表明 塘和人工湿地组合生态系统可以有效的处理城市地表径流, 复合潜流人工湿地系统具有独特的除氮效果。 关键词 城市地表径流 塘 水平潜流人工湿地 复合潜流人工湿地 初期运行 * 沈阳市环境工程重点实验室基金 04002 ; 国家高科技研究发展计 划 2002AA601022 ; 中俄自然资源与生态环境联合研究中心资助 项目 0 引言 城市地表径流污染是典型的非点源污染, 具有地 域范围广、 随机性强、 成因复杂等特点, 对城市地表径 流进行有效控制, 探求经济有效的城市径流污染控制 技术已成为当务之急 [ 1, 2] 。人工湿地是上世纪 70 年 代发展起来的一种污水生态处理技术, 作为一种自然 处理系统具有重要的污水处理和资源恢复功能 [ 3 -6] 。 本研究采用塘与潜流人工湿地组合生态系统对武汉 桃花岛区域地表径流进行处理示范工程, 其中人工湿 地采用了水平潜流人工湿地和具有独特除氮功能的 复合潜流人工湿地, 本文对该生态处理系统的初期运 行进行分析与讨论。 1 示范区自然条件与工程概况 111 示范区自然条件 桃花岛示范区位于汉阳区, 年降雨量为1 150 1 450 mm, 3 8 月是主要雨期, 降水量年内分配很不 均匀; 示范区属于汉阳典型的城市新建区, 主要包括 7 个社区和几个分散的老居民区, 另外还有学校、 工 厂和机关, 汇水面积 1133 km 2, 透水性较好的地面面 积不足辖区面积的 30, 地下管网基本为雨污合流 制, 卫生状况一般。 112 工程概况 11211 处理工艺 处理工艺见图 1。 桃花岛示范工程区位于墨水湖边, 对原有的臭水 塘和菜地等进行了改造和重建, 处理工程主要包括储 存沉降塘系统、 水平潜流人工湿地系统、 景观塘系统 和复合潜流人工湿地系统, 储存沉降塘由2 个大塘组 图 1 城市地表径流处理工艺流程图 成, 塘面积 210 10 4 m 2, 有效水深 015 m, 在经过一条 引水沟渠和串级引水塘后, 由泵提升一部分进入水平 潜流人工湿地系统, 另一部分由地下管道输送至景观 塘系统。水平潜流人工湿地由 4 个单元并联组成, 总 面积5 000 m 2, 每个单元尺寸为 25 m 50 m, 平均构 造深度 016 m, 湿地植物选择了美人蕉、 香蒲和芦苇, 湿地基质由不同粒径的碎石和砂子、 土壤级配而成, 采用铺设土工膜防渗隔离。景观塘系统是由几个面 积不等的小塘组成, 塘内种植睡莲、 荷花等多种沉水、 浮水植物, 景观塘出水泵提升进入复合潜流人工湿地 系统, 复合潜流人工湿地由一个垂直流湿地单元和 3 个并联 的 水平 潜流 单元 串联 组成, 占 地 面积 2 000 m 2, 4个单元面积相等, 湿地植物选择了美人 蕉, 湿地基质由不同粒径的碎石级配而成, 采用铺设 土工膜防渗隔离, 湿地出水经过种植芦苇和香蒲的生 态塘最终流入养鱼塘, 养鱼塘与墨水湖相连, 这样处 理系统出水可以不断地置换养鱼塘中废水。在无雨 期, 引墨水湖水进入湿地系统, 在维护生态系统的同 时起到净化墨水湖湖水的作用。 93 环 境 工 程 2006年 6 月第24 卷第3 期 11212 水质水量 调查显示 1133 km 2 汇水区大雨日能产生初期较 重污染径流12 600 m 3, 因此示范工程设计处理水量 为 一次处理12 600 m 3城市地表径流污水, 处理周期 为6 10 d, 处理水量为1 260 2 100 m 3P d。 沉降塘 -水 平潜流湿地系统设计处理量为 700 1 200 m 3P d, 景观 塘 -复合潜流湿地系统设计处理量为 560 900 m 3P d。 监测结果显示, 桃花岛示范区初期暴雨径流中 CODCr浓 度为 100 978 mgP L, SS 浓 度 为 170 1 250 mgP L,TP 浓度为 0132 2118 mgP L, TN 浓度为 6132 31128 mgP L, 平均浓度如表 1 所示。 表 1 城市地表初期径流水质mg P L CODCrTPTNSS 2002102510600 2 结果与讨论 运行至今降雨多次, 但多为中雨和小雨, 其截流 方式为 中小降雨时, 当径流形成后启动截流涵闸将 雨污混合污水引入储存沉降塘系统, 至雨后引水管无 明显水流为止关闭截流涵闸; 大雨时, 径流形成时开 启截流涵闸, 储存沉降塘系统达到设计最高水位时关 闭截流系统。 211 储存沉降塘和水平潜流人工湿地组合系统 塘系统的进水水质存在一定的波动, 这是由于一 方面雨型的不同使形成的径流污染程度存在差异, 另 外雨型的不同使雨污的混合比例也存在一定的差异。 不过储存塘中原来储存的水量在一定程度上稀释了 引入的混合污水, 而且储存沉降塘具有一定的净化处 理功能, 使得湿地系统的进水水质波动较小。初期运 行过程采用每天运行 12 h 的间歇运行方式, 水力负 荷为 14 cmP d 出水水位每3 d 下降 10 cm, 到出水水位 为30 cm 高为止, 当出水水位高度为 30 cm 运行 3 d 后, 放空湿地 1 d, 然后重新抬高出水水位至最高点, 如此循环调整出水水位运行, 以诱导植物根系纵深生 长, 同时也在不同深度驯化不同的优势微生物, 雨污 混合污水的调试运行结果如表 2 所示。 表2 表明, 塘系统对各污染物具有一定的去除效 果, 特别对 SS 的去除效果明显, 去除率达到 85, 对 其它污染物的去除也都超过了 30 , 储存沉降塘系 统主要通过沉降附着在可沉降颗粒上的污染物来去 除CODCr、 TN 和TP, 另外塘内浮游生物也可以同化吸 收一部分可直接利用的有机物和营养物, 塘系统的初 步净化减轻了湿地的污染负荷, 同时防止湿地堵塞的 表 2 雨污混合污水调试运行效果mg P L 水质指标CODC rTPTNSS 雨污混合污水161 10 28142 165 0 12723 121 2 10453112 56 12 塘系统出水98 15 14161 175 0 12013 180 1 1668111 12 16 塘系统去除率P37 11 4018 31 14 35 1938 11 42 138412 85 18 湿地系统出水35 18 3150 145 0 1067 149 1 1273010 5 19 湿地系统去除率 P60 17 6418 73 14 75 1643 12 48 146013 66 14 总去除率P75 14 7911 81 18 84 1364 19 69 189318 94 17 发生。湿地系统出水稳定, 除 TN 的去除率低于 50 , 其它指标的去除率皆高于 60, 特别是 TP 的 去除率达到了 7516 , 出水水质可以达到污水综合 排放标准 GB8978 -1996 的一级标准。湿地运行初期 TP 的去除效果一般都比较好, 这主要是由于初期湿 地基质的吸附容量大、 效率高, TN 的效率较低主要是 由于系统没有完全成熟, 植物系统没有发育完全, 向 湿地内部传输氧量有限, 还没有在植物根区形成较好 的好氧厌氧交替的环境, 抑制硝化、 反硝化细菌菌群 的生长与繁殖, 进而导致了 TN 的去除效率较低。 CODCr的去除率超过 60, 湿地系统的 CODCr去除负 荷达到0101 kgP m 2d 。总之, 储存沉降塘 -水平潜流 人工湿地生态系统适合处理城市地表径流污水。 212 景观塘和复合潜流人工湿地组合系统处理效果 经过储存沉降塘和景观塘系统的净化稳定, 复合 潜流湿地系统的进水水质波动较小。湿地运行采用 设计处理量 560m 3P d, 为间歇运行方式12 hP d, 垂直流 湿地单元底部出水自流进入水平潜流湿地单元, 水平 潜流湿地单元出水水位高度可调, 出水水位的循环调 整可以诱导植物根系生长, 同时也在不同深度驯化不 同的优势微生物。塘系统和复合潜流人工湿地组合 系统处理雨期径流污水的初期运行效果如图 2 所示。 图2 塘 -人工湿地组合系统处理径流污染效果 从图 2可以发现塘系统对各污染物具有一定的 94 环 境 工 程 2006年 6 月第24 卷第3 期 去除效果, 特别对 SS 的去除效果明显, 去除率达到 85 , 对其它污染物的去除也都超过了 30 , 储存沉 降塘系统主要通过沉降附着在可沉降颗粒上的污染 物来去除 CODCr、 TN 和TP, 另外塘内浮游生物也可以 同化吸收一部分可直接利用的有机物和营养物, 景观 塘在起到景观美化作用同时也利用相同的原理来进 一步净化污水, 这样可以减轻了湿地的污染负荷, 同 时防止湿地堵塞的发生 [ 7] ; 塘 -人工湿地组合系统对 径流污水处理效果较好, 对其中各污染物的去除率为 CODCr8410 8514 、 TP 8916 9118、TN 9212 9414 、 SS 9518 9711。人工湿地在处 理系统中起到非常关键的作用, 利用植物 -微生物 -基 质系统有效地净化污水, 复合潜流人工湿地处理污水 效果如表 3 所示。 表 3 复合潜流人工湿地处理径流污水效果mg P L 项目CODMnCODC rTPTNSS 景观塘出水 进水8416 9131157 0113 12102 01954817 313 垂直流单元出水6213 3190195 0107 10135 01573012 213 去除率P 2111 29123810 41101212 16113217 4216 水平潜流单元出水6119 01472414 3170125 01051126 01181518 213 去除率P 5619 62107116 78148710 89114313 5413 总去除率P 6910 73118216 86168910 90146417 6912 从表 3 中数据可以看到, 复合潜流人工湿地系统 对景观塘出水进行了有效的处理净化, 处理效果很 好, 出水水质可以达到地表水水质标准 GB3838 - 2002 的 类水水质要求, 湿地出水可以补充鱼塘用 水, 改善鱼塘水质。在垂直流湿地单元中, 污水中的 CODCr、 SS 和TP 得到一定程度的去除, 同时达到较好 的硝化, 有机物的去除和硝化同步完成, 这主要是利 用了垂直流系统较高的氧传输能力, 另外在垂直流湿 地中同时使有机氮转化成氨氮, 少量的硝酸盐发生了 反硝化作用; 垂直流湿地出水进入水平潜流湿地, 由 于其氧传输能力比较差, 系统内环境以厌缺氧环境为 主, 污水中的污染物在水平潜流系统得到进一步的去 除, 主要的除污过程是废水中硝酸盐发生内源反硝化 反应, 使污水中的TN 得到有效的去除。垂直流湿地 提供的好氧环境和水平潜流湿地提供的厌缺氧环境 使得复合系统具备了除氮的功能环境, 复合潜流湿地 系统对TN 的独特去除效果在本处理工程得以体现, TN 的去除率达到 8910 9014 , 实现了实质性的 除氮, 从根本上减轻了地表水氮污染。 3 结论 塘 -潜流人工湿地生态工程适合城市地表径流污 水的处理, 塘系统的沉降作用去除了大量的 SS 及其 携带的其它污染物, 有效地防止湿地的堵塞和减轻湿 地的污染负荷, 湿地系统进一步净化处理保证了良好 出水水质。储存沉降塘 -水平潜流人工湿地系统处理 效果为 对各污染物的去除率分别为 CODCr7514 7911、 TP 8118 8413、 TN 6419 6918、 SS 9318 9417 ; 其中人工湿地对其进水中 CODCr、 TP、 TN、SS 的 去 除 率 分 别 为 6017 6418、 7314 7516 、 4312 4814 、 6013 6614, CODCr污染负荷为0101 kgP m 2d , 出水达到污水综合 排放标准的一级标准。景观塘 -复合潜流人工湿地系 统处理效果为 CODCr8410 8514、 TP 8916 9118、 TN 9212 9414、 SS 9518 9711, 出水 可以达到 GB3838 -2002 的 类标准; 其中复合潜流 人工湿地对其进水中 CODCr、 TP、 TN、 SS 的去除率分别 为 6910 7311、8216 8616 、8910 9014、 6417 6912, 对 TN 具有独 特的 去除 效果。 在无雨期, 湖水被引入该生态处理系统, 既维护 了生态处理系统的处理功能和生态功能的长效维持, 又改善了湖水水质, 保证了生态系统的良性循环。 参考文献 [ 1 ] 贺缠生, 傅伯杰, 陈利顶. 非点源污染的管理及控制. 环境科学, 1998,19 5 87 -91. [ 2 ] 赵剑强. 城市地表径流污染与控制. 北京 中国环境科学出版 社, 2002. [ 3 ] 高拯民, 李宪法. 城市污水土地处理利用设计手册. 北京 中国 标准出版社, 1991. [ 4 ] 张忠祥, 钱易. 废水生物处理新技术. 北京 清华大学出版社, 2004. [ 5 ] U. S. EPA. Constructed Wetland Treatment of Municipal Wastewaters Manual. EPA 625 -R -99 -010, Office of Research and Development, Cincinnati, Ohio. 2000. [ 6 ] James NC.Constructed Wetlands inTreating Urban Stormwater Runoff. Wat. Environ. Res. ,2000, 72 3 295 -304. [ 7 ] Kadlec R H.Pond andwetland treatment. Wat. Sci. Tech, 2003, 48 5 1 -8. 作者通讯处 尹炜 110016 沈阳市文化路 72 号 中科院沈阳应用 生态研究所 电话 024 83970367 E -mail 2000yinwei 163. com 2005- 11- 18 收稿 95 环 境 工 程 2006年 6 月第24 卷第3 期 ANALYSIS OF PRESENT STATUS OF WATER POLLUTIONIN TAOHUAJIANG RIVER BASIN IN GUILIN AND ITS COUNTERMEASURESLiu Zhiqing NiuKui Miao Qun et al 81,,,,,,,,,, Abstract The pollution problems and their reasons in Taohuajiang River basin were analyzed; and the countermeasures to solve these problems were also discussed. Keywords Guilin City, Taohuajiang River, water pollution, analysis and countermeasures ANALYSIS AND CHARACTERISTICS OF WATER QUALITY OF URBAN RAIN RUNOFF Wang Yanhong Han Yun Peng Dangcong 84 ,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, Abstract The effect of urban rain runoff on the water environments explored through the measurements of water quality of rain runoff in Baoji and the analysis of its pollution characters. The corresponding pollution control measures are also proposed, which provides basic data and technical support for studying and treating the pollution of urban water body produced by rain runoff. Keywords rain runoff, water quality and control ADVANCED TREATMENT OF MUNICIPAL SEWAGE PLANT EFFLUENT BY CONSTRUCTED WETLANDLi Yanhong Xie Qinglin Bai Shaoyuan et al 86,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,, Abstract Integrated vertica- l flow constructed wetland was used in this investigation for advanced treatment of municipal sewage effluent. Canna, calamus, wild rice and elephant grass were selected as constructedwetland plants and quartz sandwas selected as filling. It is shown that the optimal running conditions with hydraulic residence time of 24 h, with hydraulic loading of 014 m3Pm2d were determined. After 10 -month operation, the main inds of the effluent can meet / Water Quality Standard for Scenic Environment of Urban Recycling Water0GB PT18921 - 2002. Keywords constructed wetland, advanced treatment and hydraulic residence time TREATMENT OF RIVER SEWAGE BY TECHNOLOGY OF CONSTRUCTED WETLAND Deng Futang Sun Peishi Li Qiang et al 90 ,,,, , ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, Abstract It is introduced briefly that the applications of adaptable aquatic plants and purifying properties to constructed wetlands, whose scientific payoffs and engineering examples are also described. Keywords constructed wetland, aquatic plant and river sewage INITIAL OPERATION OF TREATING URBAN SURFACE RUNOFF BY POND -CONSTRUCTED WETLAND ECOSYSTEMYin Wei Li Peijun Ye Min et al 93 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, Abstract It is explored that the initial operation of treating urban surface runoff by WuhanTaohuadao pond -constructedwetland ecosystem. The results show that this sort of composite ecosystem can treat effectively an urban surface runoff, and it also has a unique effect of nitrogen removal. Keywords urban surface runoff, pond, horizontal underrun constructedwetland, composite underrun constructed wetland and initial operation MANUFACTUREANDAPPLICATIONOFCHLORINEPEROXIDEGENERATORWITH SECONDARY -AERATING UNDER NEGATIVE PRESSURE Tang Xinde Hao Xiuhong Lang Xianjun et al 96 ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,,,,,,,,,,,,,, ,,,,,,,, Abstract Using sodium chlorate and hydrochloric acid as raw materials and adopting unique secondary aeration process under negative pressure, mixed disinfection gases mainly on chlorine peroxideClO2 were generated by redox reaction under composite catalyst.These gases were subsequently absorbed to become mixed disinfectant with finite concentration. Disinfection purpose was achieved by mixing disinfectant with waste water. Keywords secondary aeration under negative pressure, chlorine peroxide generator, sodium chlorate and hydrochloric acid Sponsor Central Research Institute of Building and Construction of MCC Group Publisher Industrial Construction Magazine Agency Editor The Editorial Department of Environmental Engineering 33, Xitucheng Road, Haidian District, Beijing 100088, China Telephone 010 82227637、 82227638 Fax 010 82227637 Chief EditorWeng Zhongying Domestic All Local Posts DistributorChina International Book Trading Corporation P. O. Box 399, Beijing China Journalistic Code ISSN1000- 8942 CN11- 2097 PX E -mail Addresshjgc public. yj. hjgcmail.yj. cn. net WWW AddresshttpP P www. hjgc. com. cn httpP P www. hjgc. net. cn 6 ENVIRONMENTAL ENGINEERING Vol124,No13, Jun. , 2006