城區(qū)雨水水質(zhì)凈化與保持的人工濕地技術(shù)研究

1、城區(qū)雨水水質(zhì)凈化與保持的人工濕地技術(shù)研究申歡1，潘永寶2，胡洪營1(1.清華大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程系 環(huán)境模擬與污染控制國家重點聯(lián)合實驗室，北京，100084；2.西安建筑科技大學(xué)，環(huán)境與市政工程學(xué)院，西安710055)摘 要： 采用潛流式人工濕地對城區(qū)雨水中污染物的去除效果和規(guī)律進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：當(dāng)水力負(fù)荷在0.31.2m/d之間時，人工濕地對TP、TN和濁度的去除效果分別維持在2050、3055和8095之間；當(dāng)水力負(fù)荷大于1.2m/d時，TN的去除效果明顯下降，但TP和濁度的去除效果基本不變。濕地出水中TP和TN的濃度與相應(yīng)面積負(fù)荷之間存在線性相關(guān)關(guān)系。人工濕地對TP、TN和濁度的去除主

2、要是在前二分之一段的濕地床中完成的。經(jīng)過處理，儲存池中雨水的TP和TN兩項指標(biāo)可以分別達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)（GB3838-2002）中的類和類水的要求。關(guān)鍵詞：潛流式人工濕地，雨水，氮，磷Study on constructed Wetland for Water Quality Improvement of Rainwater in Urban AreaSHEN Huan1，PAN Yong-bao2，HU Hong-ying1 (1. ESPC State Key Joint Laboratory, Dept . of Environ. Sci. and Eng., Tsinghua U

3、niversity, Beijing 100084 ,China; 2. School of Environment and Municipal Engineering , Xian Architecture and Technology University , Xian 710055)(2.Abstract：Pollutants removal for improving water quality of rainwater in urban area using subsurface constructed wetland was studied. The experimental re

4、sults showed that the removal rates of TP, TN and turbidity were 2050%, 3055% and 8095%, respectively, under the operating condition of that the hydraulic loading rate was 0.31.2 m/d. When the hydraulic loading rate increased to 1.5 m/d, the removal rates of TN decreased observably, but the removal

5、rates of TP and turbidity sustained the same performance on the whole. TP and TN in the wetland effluent have linear relation to their area loading rates. Most TP, TN and turbidity of rainwater were removed in the initial 1/2 of the wetland bed. After being treated by the wetland, TP and TN of the r

6、ainwater in tank could meet the China national standards of Grade and Grade defined in Environmental quality standards for surface water (GB 38382002), respectively.Key words： subsurface constructed wetland；rainwater；nitrogen；phosphorus1前言為了解決水資源短缺的問題，雨水作為一種水資源愈來愈受到人們重視。城市雨水的收集、利用不僅可以解決城市小區(qū)部分用水問題（如：

7、處理后的雨水可以用于城市景觀水體、綠化、洗車、噴灑道路、消防以及沖廁）；而且可以起到蓄洪的作用，以減少暴雨時城市的排洪量。由于雨水在時空分布上具有很大的不均勻性,大量的雨水往往集中在為期較短的雨季,為能充分利用雨水資源,應(yīng)采取措施將收集的雨水進(jìn)行合理貯存。在城市中，通?？蓪⑹占挠晁徒鼉Υ嬖诖蟠笮⌒〉男钏畼?gòu)筑物中，如：湖泊洼地、河道、池塘、人工景觀水體等，以供使用。由于雨水中含有較高濃度的污染物（如COD、SS 、N、P等）,再加上大多數(shù)雨水儲存構(gòu)筑物內(nèi)水體的循環(huán)流動性較差，因此水質(zhì)惡化和由水體富營養(yǎng)化引起的水華現(xiàn)象普遍存在，在嚴(yán)重的情況下還會出現(xiàn)雨水惡臭現(xiàn)象，喪失可利用的價值，反而成為新的

8、污染源。因此研究和開發(fā)雨水水質(zhì)凈化和保持技術(shù)成為了雨水資源化的重要課題。人工濕地是近些年來研究和應(yīng)用較多的一項水環(huán)境生態(tài)修復(fù)技術(shù)。由于人工濕地對污染物的去除負(fù)荷較小，因此往往需要較大的占地面積，這就限制了其在城市水環(huán)境污染修復(fù)方面的應(yīng)用。為此本文提出采用新型人工濕地對城區(qū)收集雨水的水質(zhì)進(jìn)行凈化和保持的新方法。首先將雨水儲存構(gòu)筑物周圍的綠化帶改建為潛力式人工濕地，即在綠化帶地面以下建設(shè)潛流式人工濕地，在地表種植具有較強除污能力和良好景觀效果的植物。將蓄水構(gòu)筑物中的雨水定期泵入人工濕地進(jìn)行處理，處理后水自流回蓄水構(gòu)筑物。這種技術(shù)的特點是：將濕地和綠化帶合二為一，既能夠充分發(fā)揮人工濕地處理效果好、運

9、轉(zhuǎn)維護(hù)方便、工程基建和運行費用低等的優(yōu)點，又能夠避免濕地占用城市內(nèi)有限的土地資源。另外這種新型人工濕地可以完全根據(jù)周圍建筑區(qū)環(huán)境的特點進(jìn)行設(shè)計和建設(shè)，不僅不會改變建筑區(qū)的整體布局，還會帶來良好的景觀效果。本文主要研究了潛力式人工濕地對城區(qū)收集雨水中污染物的去除效果和規(guī)律。2實驗材料和方法2.1實驗系統(tǒng)本研究為清華大學(xué)節(jié)能示范樓項目的一部分，實驗系統(tǒng)建于示范樓旁邊。該系統(tǒng)于2005年4月底建成，5月初開始正式運行。實驗系統(tǒng)由雨水儲存水池和潛流式人工濕地組成，平面布置如圖1所示。雨水來自實驗系統(tǒng)旁邊的一座建筑物的屋頂，屋頂鋪設(shè)水泥磚保護(hù)層。屋面雨水經(jīng)雨水管直接流入儲存池。儲存池中的雨水由水泵送至濕

10、地進(jìn)行處理，經(jīng)過濕地處理后的水自流入儲存池。圖1系統(tǒng)平面布置圖人工濕地雨水儲存池泵坑布水區(qū)集水區(qū)雨水雨水儲存池的面積為32.9m2，長×寬為9.4m×3.5m，有效深度為1.0m。人工濕地的面積為32.9m2，長×寬為9.4m×3.5m，平均深度為0.65m。濕地填料層厚度為0.5m，表層土層厚0.1m。濕地種植的植物為景觀效果較好的水柳、鳶尾和美人蕉，種植比例為：水柳55、鳶尾40和美人蕉5%，采取間種的方式種植植物，種植密度為8株/m2。2.2實驗用水由于北京地區(qū)的降雨主要集中在79月，為了保證研究能夠的進(jìn)行，在5月和6月里，以自來水為水池的水源，進(jìn)

11、入雨期后（7月份后）再以雨水作為水池的水源。由于降雨的時間、雨量、雨水中污染物的濃度等因素具有不確定性，不利于進(jìn)行系統(tǒng)的研究。為此，本實驗采取定期向水池中投加一定量N和P的方式來模擬實際雨水中N和P的濃度。相關(guān)資料報道的雨水中TP和TN的濃度范圍分別為0.10.9mg/L和112mg/L 14。因此將配水中TP和TN的濃度分別控制在0.51.2mg/L和1015mg/L之間，在TN中NH4+-N和NO3-N各占50。2.3水質(zhì)監(jiān)測指標(biāo)和方法實驗過程中，分析的指標(biāo)包括TP、TN、NH4+-N、NO3-N、濁度和藻類等。其中TP、TN、NH4+-N和NO3-N等采用標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行測定5；濁度采用數(shù)顯

12、濁度儀測定。藻類計數(shù)用計數(shù)框測定。3實驗結(jié)果與討論3.1人工濕地對雨水的凈化效果經(jīng)過大約50天的啟動運行，濕地對各項污染物的去除效果趨于穩(wěn)定，且植物也長到了3050cm，形成了一定的景觀效果，濕地進(jìn)入了成熟階段。表1匯總了進(jìn)入成熟階段后人工濕地對雨水水質(zhì)的凈化效果。由表1可知：（1）對COD的去除蓄水池水（即進(jìn)水）中的COD很低，在2.416.6mg/L之間，主要是因為實驗用雨水直接從房頂收集，未流經(jīng)路面，因此受到的污染較少；另外收集雨水的房頂鋪設(shè)材料為水泥和磚，不會向外溶出的有機物。當(dāng)水力負(fù)荷為0.61.2m/d時，出水COD為1.95.2mg/L之間，去除率為18.480。當(dāng)水力負(fù)荷為1.

13、5m/d時，COD的去除率出現(xiàn)了負(fù)值。初步分析，這可能是由于水力負(fù)荷過大，水流將濕地中積累的有機物帶出造成的。（2）對TP的去除當(dāng)進(jìn)水TP濃度為0.050.72mg/L時，出水TP在0.030.42mg/L之間，TP去除率在1366之間，大部分情況下去除率集中在2050之間，說明濕地對TP的去除效果較差。另外，當(dāng)水力負(fù)荷由0.3m/d增加到1.5m/d時，濕地對TP的去除率并沒有出現(xiàn)下降的現(xiàn)象，表明水力負(fù)荷對TP的去除效果沒有明顯的影響。（3）對N的去除本實驗從NH4+-N、NO3-N和TN三個指標(biāo)研究了人工濕地對雨水中N的去除效果和規(guī)律。由表1可知，濕地對NH4+-N的去除效果較差，進(jìn)水NH

14、4+-N濃度為0.047.36mg/L之間，出水濃度在0.036.12mg/L之間，且在大多情況下，出水NH4+-N濃度高于進(jìn)水的濃度，NH4+-N去除率表現(xiàn)為負(fù)值。初步分析造成這一結(jié)果的原因為：濕地中截留一些的物質(zhì)（如蓄水池中滋生的藻類等）腐爛以后會釋放出NH4+-N，而釋放出NH4+-N的數(shù)量大于硝化菌去除和植物吸收數(shù)量的總和，因此造成出水NH4+-N濃度大于進(jìn)水NH4+-N濃度。由表1可知，當(dāng)進(jìn)水NO3-N在0.6532.7mg/L之間變化時，出水NO3-N為0.0815.8mg/L，去除率為16.597.5，表明濕地對NO3-N的去除效果波動較大。對照水力負(fù)荷可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水力負(fù)荷為0.

15、30.9m/d時，NO3-N去除率維持在51.797.5之間；當(dāng)水力負(fù)荷由0.9m/d增加到1.5m/d時，NO3-N的去除率卻從51.797.5逐漸下降到16.544.2，這表明濕地對NO3-N的去除效果與水力負(fù)荷有較大的關(guān)系。表1 不同水力負(fù)荷條件下人工濕地對雨水的凈化效果水力負(fù)荷(m/d)0.30.60.91.21.5COD進(jìn)水(mg/L)/9.6-16.62.411.85.97.47.813出水(mg/L)/2.25.21.944.362.23.310.420.3去除率(%)/68.48018.47043.870-20 -60TP進(jìn)水(mg/L)0.240.430.150.720.05

16、0.250.240.540.050.12出水(mg/L)0.170.240.130.420.030.130.120.310.030.09去除率(%)29.144.213.34229.459.513662540NH4+-N進(jìn)水(mg/L)0.210.340.727.360.097.230.092.140.043.2出水(mg/L)1.881.541.265.090.496.120.151.850.032.41去除率(%)-498.2-357-341.241.7-410-20.5-66.614.85.942.9NO3-N進(jìn)水(mg/L)0.653.261.4219.351.832.70.7712.

17、70.8917.76出水(mg/L)0.080.290.283.100.2415.80.118.150.713.6去除率(%)6597.573.69651.788.162.475.716.544.2TN進(jìn)水(mg/L)2.693.492.2527.112.5840.70.8815.091.1221.19出水(mg/L)1.421.631.677.991.6623.40.2810.280.9016.31去除率(%)44.853.225.570.535.7542267.91638.5濁度進(jìn)水(NTU)24.433.110.115.510.212.86.313.74.210.1出水(NTU)1.12

18、.10.571.831.091.921.022.710.621.07去除率(%)91.496.787.595.784.691.480.285.485.391.2濕地出水TP(mg/L)TP面積負(fù)荷 (g/m2·d)TN面積負(fù)荷 (g/m2·d)濕地出水TN(mg/L)圖2 TP和TN的濕地面積負(fù)荷與出水濃度之間的關(guān)系濕地對TN的去除效果和規(guī)律與NO3-N的相似。當(dāng)進(jìn)水TN濃度在0.1640.7mg/L之間變化，濕地出水TN在0.2623.4mg/L之間，TN的去除率為1670.5。當(dāng)水力負(fù)荷為0.31.2m/d時，TN去除率在25.570.5之間，大部分情況下去除率集中在3

19、055之間；當(dāng)水力負(fù)荷由1.2m/d增加到1.5m/d時，NO3-N的去除率卻從25.570.5%下降到1638.5%。（4）對濁度的去除當(dāng)進(jìn)水濁度為4.233.1NTU時，出水濁度為0.572.71NTU，去除率為80.296.7，這表明景觀型濕地對濁度有很好的去除效果。另外，當(dāng)水力負(fù)荷由0.3m/d增加到1.5m/d時，濕地對濁度的去除率基本上保持著同樣的水平，這表明水力負(fù)荷對濁度的去除效果沒有明顯的影響。3.2負(fù)荷關(guān)系本研究比較了潛流式人工濕地TN和TP的面積負(fù)荷與各自出水濃度之間的關(guān)系，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知，濕地出水中TP和TN的濃度隨相應(yīng)面積負(fù)荷的增加而升高，通過回歸分析發(fā)現(xiàn)它

20、們之間分別存在如下線性關(guān)系：TP=2.03NTP-0.02，R20.66；TN=0.5NTN+0.91，R20.93。式中：NTP和NTN分別表示濕地承受的TP和TN的面積負(fù)荷，單位均為g/m2·d；TP和TN的單位為mg/L。TN和NTN之間的線性相關(guān)性好于TP和NTP之間的線性相關(guān)性。面積負(fù)荷與出水濃度之間的這種相關(guān)關(guān)系為人工濕地的設(shè)計提供了依據(jù)。例如：要使?jié)竦爻鏊蠺P和TN的濃度分別小于0.2mg/L和1.5mg/L，則選取的相應(yīng)濕地面積負(fù)荷就應(yīng)該小于0.11gTP/m2·d和1.2gTN/m2·d。再跟據(jù)每天進(jìn)入人工水體中TP和TN的數(shù)量以及所選取的面積

21、負(fù)荷即可計算出需要多少面積的濕地。3.3污染物在濕地沿程中的變化規(guī)律本研究比較了TP、TN和濁度在濕地沿程中的變化情況，結(jié)果如圖3所示。其中在考察TN的沿程變化規(guī)律時，濕地的水力負(fù)荷為0.6m/d；考察TP和濁度的沿程變化規(guī)律時，濕地的水力負(fù)荷為0.3m/d。由圖3可知，當(dāng)TP、TN和濁度的進(jìn)水濃度分別為0.57mg/L、11.3mg/L和33.5NTU時，出水分別為0.31mg/L、4.9mg/L和1.1NTU，去除率分別為45.6、56.6和96.7。在濕地床的前二分之一段里，污染物的去除效果較為明顯，TN、TP和濁度的去除量分別占整個系統(tǒng)去除量的85.3、96.8和96.6。而在后二分之

22、一段里，隨著距離的增加污染物濃度僅略有降低。這一結(jié)果說明景觀型濕地對TP、TN和濁度的去除主要是在前二分之一段的濕地床中完成的。3.4蓄水池內(nèi)水質(zhì)的改善效果為了考察人工濕地是否能長期將蓄水池內(nèi)的水質(zhì)保持在一個較好的水平，本部分研究安排了如下的對比試驗：距離 (m)圖3 濕地沿程的處理效果TP濃度(mg/L)TN濃度(mg/L)濁度(NTU)試驗一：停止?jié)竦剡\行，在蓄水池內(nèi)蓄集雨水并控制水位約為0.5m。蓄水池內(nèi)雨水的水質(zhì)情況如下：TP0.25mg/L、TN5.3mg/L、氨氮1.6mg/L、COD10.9 mg/L、濁度10.1NTU，水溫大約在2833。經(jīng)過大約5天時間，蓄水池內(nèi)爆發(fā)了嚴(yán)重的水華，水體呈墨綠色，較為混濁，且有輕微的腥味散出。水中藻類的數(shù)量為32.2×107個/L，濁度為 26.2NTU，透視深度不足0.2m。試驗二：將水力負(fù)荷控制在1.5m/d，采用景觀型濕地對蓄水池中已經(jīng)惡化的水進(jìn)行處理。經(jīng)過3