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基于生物滞留措施的城市雨洪径流污染净化试验分析

2025-03-05 60 上传者：管理员

摘要：文章采用室内试验方法对不同生物滞留措施下城市雨洪径流污染的净化效果进行对比，并建立不同生物滞留填料组合的污染物吸附曲线方程。结果表明，生物滞留填料粒径范围越大，其对污染物的吸附能力越高，净化效果越佳；相比于单料，土壤、沸石、活性炭、火山岩组合比例下净化效果最优。

关键词：
净化效果
城市雨污
填料组合
水质净化
生物滞留措施
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城市雨污通过生物滞留措施能得到不同程度的净化效果,当前区域生态湿地及水库水质净化应用较为成熟的措施就是生物滞留措施,通过不同生物滞留措施组合可提高区域水质净化效果,改善区域水质环境[1]｡近些年来,生物滞留措施下的水质净化相取得了一定成果[2-8],这些成果均表明采用不同组合的生物滞留措施可提高水质净化效率,但对于不同生物滞留措施材料组合的优化试验还未得到相关研究[9]｡相关研究成果表明[10-15],采用沸石､活性炭等单料方式下对于区域水质净化效果不是很明显,需要进行相关材料之间的优化组合,来提高生物滞留措施对区域水质净化的效果｡为提高城市雨污净化效果,改善城市河流水环境质量,采用室内试验方法对不同生物滞留措施下城市雨洪径流污染的净化效果进行对比,并建立不同生物滞留填料组合的污染物吸附曲线方程｡研究成果对于建立城市雨污净化方案具有参考价值｡

1、试验方法

采用框架长和宽分别为5､1m玻璃结构作为水质净化试验装置,雨水口直接连接玻璃管,玻璃管内部填充不同填料组合,在玻璃管出口处进行水质采样｡分别按照COD､TN､TP､NH+4-N等指标进行水质污染物指标的测定｡水污染吸附量在不同生物滞留填料组合下的计算公式为:

式中,Q—生物滞留措施下污染物净化量,mg;ρ—城市雨污浓度初始质,mg/L;ρt—净化时刻内的污染物浓度变化值,mg/L;V—水体容积,L;m—生物滞留措施下各类组合填料的质量,mg｡采用等温吸附模型对各类污染物浓度受生物滞留不同填料组合下的浓度净化量进行计算,计算公式分别为:

式中,Qe—采用等温吸附模型计算的污染物净化量,mg;ρe—污染物浓度最大值,mg/L;b—生物滞留措施下污染物被填料吸附最大量,mg;C—不同组合填料下的吸附能力,mg/L;d—模型计算参数｡在吸附量计算基础上对净化效果进行定量计算,计算公式分别为:

式中,RC—城市雨污吸附率,%;RQ—城市雨物净化率,%;ρin—试验初期污染物浓度值,mg/L;ρout—试验末期污染物浓度值,mg/L｡Vin—试验初期水量,m3;Vout—试验模型水量,m3｡

2、试验结果

2.1试验设置

选取土壤､活性炭､沸石､珍珠岩作为生物滞留填料,按照不同比例进行组合,各类填料粒径范围和表面积特性见表1,不同填料试验组合见表2｡

表1不同填料下的粒径范围和表面积指标

表2不同填料组成及渗透系数

从表1可看出,最优最大粒径范围的填料为蛭石,最小粒径范围的填料为珍珠岩,表面积范围最大和最小的分别为活性炭和陶粒;对于单料而言,蛭石对水体污染物吸附能力最高,而珍珠岩由于具有较小的粒径范围,其对水体污染物的吸附能力最弱｡不同生物滞留措施下各填料组合主要影响渗透系数,渗透系数越高其对污染物吸附能力越弱,渗透系数越低其对污染物的吸附过滤能力越强｡综合考虑材料组合下渗透系数影响,选择4类生物滞留措施填料组合进行试验分析,分析不同组合下污染物的吸附量｡

2.2雨污指标吸附试验

分别对COD､TN､TP､NH+4-N在不同生物滞留组合下污染物吸附量进行分析,并结合不同时间各污染物指标浓度变化建立不同组合下的等温吸附曲线,结果如图1—2所示｡

从图1—2可看出,随着时间的推移各污染物浓度逐步递减,浓度变化曲线具有相似性｡当吸附时间大于20h后,污染物被不同生物滞留填料组合的吸附量逐步趋于平稳变化,污染物吸附程度降低;随着各污染物浓度递增后其吸附能力也均一定程度的增加,单位容量内污染物吸附量随之增加而逐步趋于平衡;填料组合中增加一定比例的活性炭可明显增加不同生物滞留填料对污染物的吸附效果｡

图1TN､NH+4-N在不同生物滞留填料组合浓度变化曲线

图2TP､COD在不同生物滞留填料组合浓度变化曲线

2.3污染物吸附方程

在不同填料组合下污染物吸附曲线分析上,建立4类填料组合不同模型下的污染物吸附方程,并确定污染物吸附方程相关参数,各污染物吸附方程见表3—6｡

表3城市雨污中TN指标在不同填料组合下的吸附方程

表4城市雨污中NH+4-N指标在不同填料组合下的吸附方程

表5城市雨污中TP指标在不同填料组合下的吸附方程

表6城市雨污中COD指标在不同填料组合下的吸附方程

从表3—6可看出,各模型下其吸附参数拟合回归系数可高于0.6,呈现较好的线性回归性｡各组合类型中,组合1吸附方程的相关系数最高,其次为组合2和组合4;3类组合下由于活性炭的占比相对较少,使得去吸附方程的回归系数相对较低｡从各模型对污染物吸附程度分析可知,Frueundlich模型对于TN和NH+4-N指标的拟合程度高于Langmuir模型,而Langmuir等温吸附模型对COD指标的拟合效果更佳｡

2.4污染物净化效率分析

考虑到城市暴雨重现期的影响,对进入试验装置内的雨污量进行不同量级的设置,对比分析优化的填料组合下对污染物的净化效率,对比结果见表7｡

表7不同量级下各类污染物净化效率对比

试验中1#装置和2#装置分别对应5年一遇和10一遇暴雨量级,优化生物滞留填料组合后污染物吸附率在28.75%~62.88%之间｡对于各类污染物削减率而言,5年一遇暴雨条件下各类污染物的净化率均在60%以上;而对于10年一遇暴雨量级下,优化生物滞留填料组合下各类污染物吸附率在2.93%~50.92%之间,相比于5年一遇暴雨量级下污染物的吸附率明显下降｡因此,暴雨量级的增加降低生物滞留措施对污染物的吸附能力,而由于吸附率的降低各类污染物净化率也相应减少｡

3、结论

(1)通过等温吸附试验分析,采用Langmuir模型建立的污染物吸附曲线拟合系数总体要高于Frueundlich模型,Frueundlich模型更适合于重金属类污染物吸附曲线拟合｡

(2)在各类生物滞留填料组合下,活性炭的增加可明显提高吸附能力,此外应尽量提高填料组合的粒径范围｡

(3)暴雨量级对生物滞留措施下污染物吸附率影响明显,后续研究中还应重点对城市雨污中暴雨量级的吸附率影响进行深入探讨｡

参考文献:

[1]张东.基于黑臭水体治理的城市雨污分流改造技术研究[J].水利技术监督,2024(3):215-217.

[2]郭嘉丽.基于城市雨污污染成分动态识别的观测试验探析[J].水利技术监督,2018(3):36-37.

[3]王继行,高颖.采用汛期溢流格筛净化城市雨污混合溢流污水[J].中国给水排水,2019,35(6):108-111.

[4]丁春梅.截污净化技术在海绵城市污水处理中的应用研究[J].环境科学与管理,2018,43(7):104-107.

[5]林英姿,石春艳.海绵城市截污净化技术设施概述[J].中国资源综合利用,2016,34(12):46-48.

[6]易皓,邴永鑫,虢清伟,等.城市雨源型河道原位水质净化系统设计与特点分析[J].中国给水排水,2015,31(22):54-57.

[7]周望.北方滨水地区城市雨洪源头滞留减排与净化集成技术研究[D].吉林建筑大学,2015.