（环境工程专业论文）湖滨区初期暴雨径流强化净化工程技术研究.pdf

上海交通火学博士学位论文摘要 湖滨区初期暴雨径流强化净化工程技术研究 摘要 随着我国社会经济的发展，大量未经处理的生活污水、工业废水和面源污染进 入湖泊，导致滇池、太湖、巢湖等些大型湖泊和杭州西湖、武汉东湖、南京玄武 湖、无锡五里湖等城市湖泊产生严重富营养化现象。当前，国家水污染治理工作的 开展使城市生活污水及工业废水等点源污染得到初步控制，上述湖泊富营养化现阶 段的主要原因在于面源污染，而暴雨径流是面源污染的主要途径之一，因此有效控 “曝雨径流对缓解城市湖泊富营养化具有重要的意义。 本文以国家科技部重大科技专项太湖项目“太湖水污染控制与水体修复技术及 工程示范”的第三子课题“重污染水体底泥环保疏浚与生态重建技术”( 项目编号： 2 0 0 2 a a 6 0 1 0 1 3 ) 为背景，目的是开发能控制太湖流域湖滨区初期暴雨径流携带的氮 磷污染的强化生态处理技术。 本研究引进日本的大通量推流型生态砾石人工湿地，在上海交通大学闵行校区 建立了6 0 td 。1 的中试装置，并进行一年的前期验证实验。在前期验证研究的基础上， 提出了控制城市湖泊湖滨区初期暴雨径流污染物新的集成强化工艺：三段式潜流生 l 态砾石人工湿地。在实验室基础研究阶段：经过对人工湿地生物脱氮和湿地基质物 ；化脱氮的比较，并结合无锡市西五里湖潮滨区的地理特点及湖滨区的景观建设，选 ，；择物化脱氮作为湖滨区初期暴雨径流氮污染物强化去除的技术途径；。自主开发了新 型除磷功能填料，并考察了其动力学特性。作为人工湿地的基质。在中试研究阶段： 将6 0 td 。1 的前期中试装置改造为三段式潜流生态砾石人工湿地，使用模拟初期暴雨 径流污染物的富营养化水体进行为期2 2 0 d 的连续流强化净化效果实验。在示范工程 研究阶段：将上述小试和中试的研究成果，应用在无锡市西五里湖渤公岛湖滨区初 期暴雨径流强化净化现场，建立了控制流域面积为4 4 1 x 1 0 4 m 2 的示范工程，取得了 海交通大学博士学位论文 摘要 良好的示范工程规模的处理效果。 在国际合作伙伴：日本国立环境研究所的实验场进行一年左右的人工湿地对污 染物净化效果实验，湿地氧化还原电位特征、湿地植物根区的形态特征和氨氧化菌 的数量与分布之问多因素、相互时空变化关系解析实验。实验结果表明：芦苇、茭 白和香蒲的根区深度在湿地基质表面以下一2 0 一3 0t i n ，在秋、冬季节，即植物枯 萎期，从形态照片发现植物根部与夏季差别不大，但湿地系统对b o d ；、t n 和n h 4 + - n 的去除性能普遍下降；沿湿地系统的垂直方向，在湿地基质表面以下一2 0 - - 3 0c m 区域，氧化还原电位明显上升，最高达到2 5 7m v ，呈现一个正峰值，在- - 4 0 锄植 物根部很难达到的区域，氧化还原电位为负值，最低为- - 3 1 2 m v ，呈现一个负峰值； 湿地系统中氨氧化菌主要分布在湿地基质表面以下一2 0 一3 0c m 植物根部区域，其 数量是空白对照床的3 5 倍。芦苇根系最发达，其根部区域的氨氧化菌为3 6 1 5 3 7 x 1 0 sc e l lg - 1s o i l ：在夏季，进水浓度为模拟湖滨区初期暴雨径流的实验组中，植 物对氮的吸收和去除性能良好，介于6 8 4 7 1 1 之i n 。 通过考察三种吸氨材料的氨氮吸附性能，发现改性沸石比天然沸石和蛭石具有 更大的氨氮吸附容量，为1 4 8 7m gg - 1 。静态实验显示，改性沸石对初始浓度为1 6m g l 1 的氨氮吸附的最佳用量为4gl - 1 ，在上述( 最佳用量) 条件下，改性沸石对氨氮 的去除率在半小时内即可达到6 6 ，同时，发现随着初始氨氮浓度的增加，改性沸 石对氨氮的去除率亦提高。动态实验显示，水力停留时间越长、初始浓度越高，改 性沸石滤柱对氨氮的去除效果越好。此外，改性沸石对氨氮的去除随着运行时间的 延长而下降，最佳的运行时间应控制在2 0h 以内。 通过考察四种吸磷材料的吸磷性能，发现粉煤灰对磷具有较大的吸附容量，适 合作为人工湿地除磷的基本材料。在此基础上，通过免烧工艺研制出直径为5 锄的 新型除磷功能填料，其具有如下特点：对磷吸附容量为3 5 5m gg - 1 ，对磷的吸附曲线 符合l a n g m i u r 公式，并具有良好的抗压强度，最低的抗压强度为1 5 1m p a 。动态实 验显示，除磷功能填料的水力停留时间越长，对磷的去除率越高。 中试研究阶段，三段式潜流生态砾石人工湿地模拟初期暴雨径流污染物的富营 养化水体的强化净化效果实验表明：由于三段式潜流生态砾石人工湿地充分发挥了 2 上海交通大学博士学位论文 摘要 脱氮除磷功能填料的物化吸附性能，从而显示出比推流型砾石人工湿地更好的去污 特性。在稳定运行阶段，当水力停留时间为4 5h ，其对c o d c r 、t n 、n h 4 + n 和 t p 的平均去除率分别为6 2 、4 5 、6 1 和6 4 ，出水透明度在1n l 以上，吨水 运行成本为0 3 1y u a n 。 现场的示范工程运行结果表明：采用前置存储调节池和三段式潜流生态砾石人 工湿地的组合工艺，能够有效地解决以往初期暴雨径流难收集、传统处理工艺占地 面积大和对氮磷污染物去除率低的问题。经过2 0 0 5 年7 9 月暴雨期的现场跟踪监测 分析，示范工程对总氮、氨氮和总磷的平均去除率分别为5 1 2 0 、6 5 6 和6 4 8 ， 此外，示范工程5 地1 3 0m 2 ，完全为地埋式结构，地表与湖滨带的景观建设协调一致。 由于整个示范工程利用自然标高，无需任何动力，运行成本较低，每年的运行成本 为0 2 1 y u a n ( m 2 ) - 1 ，控制的流域面积可以达到4 4 1 x 1 0 4m 2 ( 按具有湖滨区普遍意义 的草坪面积计算) 。 作为一项高效、低成本和免管理的生态处理集成新工艺，这项技术适合太湖流 域乃至全国城市湖泊湖滨区的初期暴雨径流污染控制，在流域面源污染防治方面具 有推广应用前景。 关键词：三段式潜流生态砾石人工湿地，城市湖泊，湖滨区，初期暴雨径流，媵氮 除磷 3 a b s t 珀c t r e s e a r c ho nt h et r e a t m e n to fl a k e s i d e i n i t i a ls t o i u 垤、) i 猹t e rr u n o f f b y t h ee n h a n c e d e c o l o g i c a le n g i n e e r i n gt e c n o l o g y a b s t r a c t w i t ht h eo u t b u r s td e v e l o p m e n to ft h es o c i a le c o n o m y , al a r g eq u a n t i t yo fu n t r e a t e dd o m e s t i c s e w e r a g e ，i n d u s t r i a lw a s t e w a t e ra n dn o n - p o i n t e dp o l l u t i o nw e r ed i s c h a r g e di n t ol a k e s , w h i c hr e s u l t e d i ns e r i o u se u t z o p h i c a t i o ni nb i gl a k e sl i k ed i a n c h i ，t a ia n dc a o ，a n dc i t yl a k e sl i k ew e s t e r nl a k eo f h a n g z h o o ，e a s t e r n l a k ei nw u h a n ，x u a n w ul a k ei nn a n j i n ga n dw u l il a k ei nw u x i n o w a d a y s ，t h e u n d e r t a k i n go fn a t i o n a lw a t e rp o l l u t i o nc o n t r o lm e a s u r e sh a sp a r t l yl i m i t e dt h ep o l l u t i o ns o u r o g $ o f d o m e s t i cs e w e r a g ea n di n d u s t r i a lw a s t e w a t e r t h em a i nr e a s o nf o rt h el a k ee u t r o p h i c a t i o ni s n o n - p o i n t e dp o l l u t i o n ，a n do v e r l a n df l o wi st h em a i na p p r o a c ho fi t t h e r e f o r e ，i ti su t m o s ti m p o r t a n tt o e f f e c t i v e l yc o n o lt h eo v e r l a n df l o wi no r d e rt or e l i e v et h ec i t yl a k ee u t r o p h i c a t i o n t h i st h e s i si sb a s e do i lt h ep r o j e c to fe n v i r o n m e n tf r i e n d i yd r a i n a g ea n de c o l o g i cr e c o v e r yo f h e a v yp o l l u t e ds e d i m e n t s , t h et h i r ds u b - p r o j e c to ft e c h n o l o g ya n dd e m o u s t m t i o np r o j e c to fw a t e r p o r u t i o nc o n t r o la n dw a t e rq u a l i t yr e c o v e r ya tl a k et a i ，s p o n s o r e db yt h em i a i s t r yo fs c i e n c ea n d t e c h n o l o g ya sas p e c i a lp r o j e c tf o rl a k et a l ( p r o j e c tn u m b e r ：2 0 0 2 a a 6 0 1 0 1 t h eo b j e c t i v eo ft h i s r e s e a r c hi st od e v e l o pa l li n t e n s i f i e da n de n g i n e e r i n gt e c h n l o g o yw h i c hc o u l dd e c r e a s ea n dc o n u _ 0 lt h e i m p a c to nt h ee u t r o p h i c a t i o no ft h ew a t e rb o d yo fl a k et a lc a u s e db yt h en i t r o g e na n dp h o s p h o r u s f r o mt h ei n i t i a ll a k e s i d eo v e r l a n df l o w al a r g ef l u xp l u g - f l o we c o l o g i cg a v e lc o n t r u c t e dw e t l a n d ( p f g c w ) w a si n t r o d u c e di nt h i s r e s e a r c h ，a n da6 0td 1p i l o t 咄w a ss e tu po nm i n h a n gc a m p u sa ts h a n g h a ij i a n t o n gu n i v e r s i t yw i t h p e r f o r m e df o ray e a rf o ri n i t i a lv a l i d a t i o n b a s e do nt h i s , at h r e e - s t a g es u b m e r g e dg r a v e lc o n s t r u c t e d 4 a b s t r a c t w e t l a n dw a sp r o p o s e d ，w h i c hw a san e wi n t e n s i f i e dp r o c e s st oc o n t r o lt h ei n i t i a lc i t yl a k e m d eo v e r l a n d f l o wp o l l u t i o n p h y s i o c h e m i c a ld e n i 仃i f l c a t i o nw a ss e l e c t e df o r t h es u r f a c eo v e r l a n df l o wn i t r o g e n p o l l u t i o nr e m o v a lb yc o m p a r i n gb i o l o g i c a la n dp h y s i o c h e m i c a ld e n i t r i f i c a t i o no fc o n s t r u c t e dw e t l a n d s ， i nc o n s i d e r a t i o no fl a k e s i d ep r o p e r t i e sa n dt h el a n d s c a p e an o v e lm e d i u mf o rc o n s t r u c t e dw e t l a n d s w a si n d e p e n d e n t l yd e v e l o p e d ，w i t hi t sd y n a m i cp r o p e r t i e si n v e s t i g a t e d i nt h ep i l o te x p e r i m e n t s , t h e6 0 td - 1w a sr e n o v a t e di n t oat h r e e - s t a g es u b m e r g e dg r a v e lc o n t r a c t e dw e t l a n d ( t s s o c w ) ，a n do p e r a t e d f o ri n t e n s i f i e dp u r i f i c a t i o nb yu s i n gt h ee u t r o p h i c a lw a t e rc o n t a m i n a t e db yt h ei n i t i a lo v e r l a n df l o wf o r 2 2 0d a y s i nt h es t a g eo fd e m o n s t r a t i o n ，t h eo u t p u t so fl a b - s c a l ea n dp i l o ts c a l ee x p e r i m e n t sw e r e a p p t i e di nt h ed e m o n s t r a t i o np r o j e c ts e tu pa ta tt h el a k e s i d es i t eo fb o g o n gi s l a n do fl a k ew u l i ，w e s t o f w u x ic i t y t h ep r o j e c tc o n t r o l l e da l la r e ao f4 4 1 x 1 0 4 m 2 ，a n dg o o dr e s u l t sw e r eg a i n e d i nt h e e x p e r i m e n ts i t e o fj a p a nn a t i o n a le n v i r o m e n t a lr e s e a r c hi n s t i t u t e ，t h ei n t e r n a t i o n a l c o o p e r a t o r , t w oe x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u tf o ro n ey e a r o n ei st h ep o l l u t a n tp u r i f i c a t i o ne f f i c a c y i n v e s t i g a t i o n ，a n o t h e ro n ei st h ec o r r e l a t i o na n a l y s i se x p e r i m e n to l lo x i d a t i o n - r e d u c t i o np o t e n t i a lo f w e t l a n d s ，f l o r ar o o ta r e ap h y s i c a le h a r a c t e r i s t i c sa n da m m o n i ao x i d a t i o nb a c t e r i a lq u a n t i t ya sw e l la s d i s t r i b u t i o n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h er o o td e p t ho fp h r a g m i t e sc o m m u n i s 开加z i z a n i ac a d u c i f l o r a a n dt y p h at a u f o t i aw a s2 0 - 3 0 b e l o wt h ew e t l a n dm a t r i c e s i na u t u m na n dw i n t e r , e g s a p l e s s p e r i o d ，i tw a sf o u n dt h a tt h es h a p eo fr o o ts h o w e dn ob i gd i f f e r e n c ew i t ht h o s ei ns u m m e r ，b u tt h e r e m o v a le f f i c a c yd r o p p e df o rb o d 5 ，t na n d1 岍- 1 4 * - n a l o n gt h ev e r t i c a ld i r e c t i o n ，a tt h ea r e ao f2 0 - 3 0 c mb e l o ww e t l a n dm a t r i c e s , t h eo r pr e m a r k a b l yi n c r e a s e dw i t ht h em a x i m u mo f2 5 7m v , ap o s i t i v e p e a k w h i l s ta tt h ea r e ao f4 0 c mb e l o wt h ew e t l a n dm a t r i c e s ，w h i c hc a nn o te a s i l yb er e a c h e db yt h e r o o t s , t h eo r p w a sn e g a t i v ew i t ht h em i n i m u mo f - 3 1 2m y , an e g a t i v ep e a k m o s to ft h ea m m o n i a o x i d a t i o nb a d e r i aw e r ef o u n da tt h er o o ta r e a2 0 - 3 0 b e l o wt h em e t r i c e s , t h eq u a n t i t yo fw h i c hi s 3 巧t i m e so ft h o s ei nt h eb l a n kc o n t r 0 1 t h em o s tp r o s p e r o u sr o o ts y s t e mw a sf o u n di nr e e dw i t ht h e q u a n t i t yo fa m m o n i ao x i d a t i o nb a c t e r i ao f3 6 1 - 5 3 7x 1 0 sc e l lg - 1s o i l i ns u m m e r , g o o dp e r f o r m a n c e o fn i t r o g e nr e m o v a lw a sf o u n da r o u n d6 8 4 刁1 1 i nf l o r aw i t ha ni n f l u e n tc o n c e n t r a t i o ns i m i l a rt ot h e l a k e s i d ei n i t i a lo v e r l a n df l o w a m m o n i an i t r o g e na d s o r p t i o nr e m o v a lp o t e n t i a lo ft h r e es u b s t a n c e sw a si n v e s t i g a t e d ，a n di tw a s 5 f o u n dt h a tr e n o v a t e dz e o l i t e sh a dh i g h e ra m m o n i a n i t r o g e na d s o r p t i o nc a p a c i t y , n a m e l y1 4 8 7 m gg 1 ， c o m p a r e dw i t hn a t u r a lz e o l i t e sa n dv e r m i c u l i t e s t h er e s u l t so ft h es t a t i ce x p e r i m e n ts h o w e dt h a tt h e o p t i m a ld o s a g eo ft h er e n o v a t e dz e l o l t ef o rt h ea m m o n i a n i t r o g e nw i t hai n i t i a lc o n c e n t r a t i o no fi 6m g l - 1i s4 9l 1 ，a n dt h er e m o v a lr a t eo f6 6 c o u l db ea c h i e v e dw i t h i nh a l fa nh o u r t h er c m o v a l r a t ew a s a l s of o u n di n c r e a s e dw i t ht h ei n c r e a s eo fi n i t i a l a m m o u l an i t r o g e nc o n c e n t r a t i o n t h ed y n a m i c e x p e r i m e n ts u g g e s t e dt h a tl o n g e rh r ta n dh i g h e ri n i t i a la m m o n i an i t r o g e nc o n c e n t r a t i o nc o n t r i b u t e d t h ea m m o n i an i t r o g e nr e m o v a le f f i c a c yo ft h er e n o v a t e dz e o l i t ec o l u m n ，w h i l s tt h el o n g e rp e r f o r m i n g t i m eu n d e r m i n e di t se f f i c a c y t h es u g g e s tt i m ew a sw i t h i n2 0 h p h o s p h o r u sa d s o r p t i o nr e m o v a lp o t e n t i a lo f f o u rs u b s t a n c e sw a sa l s oi n v e s f g a t e d r e s u l t ss h o w e d t h a tt h ec o a la s hw a sa ni d e a le l e m e n t a r yp h o s p h o r u sr e m o v a lm a t e r i a li nt h ec o n s t r u c t e dw e t l a n df o r i t sh i g h e rr e m o v a lc a p a c i t y , a n dan o v e lf o n c a t i o n a l p h o s p h o r u sr e m o v a lm e d i u m ( h 慢的w a s d e v e l o p e dw i t hac o l u m nd i a m e t e ro f5c mb yu n b u r n e dm e t h o d t h er e m o v a lo fp h o s p h o r u sb yt h i s m e d i ac o u l db ee x p r e s s e db yl a n g m u l rf o r m u l a ，w i t ht h ec a p a c i t yo f3 5 5 m gg - 1 t h i sm i n i m u m c o m p r e s s i v es t r e n g t ho ft h i sm e d i aw a s1 5 1h f p a t h ed y n a m i ce x p e r i m e n tr e v e a l e dt h a tl o n g e rh r t w i t hf p r mr e s u l t e di nh i g h e rp h o s p h o r u sr e m o v a lr a t e e f f e c t so ft h ei n i t i a lp h o s p h o r u sc o n c e n t r a t i o n w e r em o r ec o m p l i c a t e d ，i nt h ef i r s t8ht h er e m o v a lr a t ef l u c t u a t e dw h i l s tw i t h i nt h ef o l l o w i n go n e w e e ki tt e n d e dt ob ec o n s t a n t f o rt h e e u t r o p h i c a t i o nw a t e rb e d yw h i c hh a st h es i m i l a rp o l l u t i o nc o n s t i t u t e sa st h ei n i t i a l o v e r l a n df l o w , t h ep e r f o r m a n c e so fat h i n e s t a g e s u b m e r g e dc o n s t r u c t e dw e t l a n df f s s c , c w ) f o r i n t e n s i f i e dp u r i f i c a t i o nw e r ei n v e s t i g a t e d i tw a go b s e r v e dt h a tt s s g c wo u t p e r f o r m e dp f c 沱- wi n p o l l u t a n tr e m o v a ld u et ot h ef u n c t i o n a ld e n i t r i f i c a t i o na n dp h o s p h o r u sr e m o v a lm e d i a w h e nt s s c w w a sw o r k i n g s t e a d i l yw i t ht h eh r t o f4 - 5h o u r s , t h ea v e r a g er e m o v a lr a t e so ft h es y s t e mf o rc o d c b i n ，n i - 4 + - na n d i tw e r e6 2 ，4 5 ，6 1 a n d6 4 ，a n dt h ee f f l u e n tt r a n s p a r e n c yw a so v e rl m u n c l e r t h i sc o n d i t i o n ，t h ep e r f o r m a n c ee x p e n s ew a s o n l y0 1 3y u a nr 1 b yo b s e r v i n gt h ep e r f o r m a n c eo ft h ed e m o n s t r a t i o np r o j e c t , i tw a sf o u n dt h a tt h ec o m b i n a t i o no f p r e p o s i t i v ea d j u s t i v es t o r a g et a n ka n dt s s g c wc o u l de f f e c t i v e l ya v o i dt h en o r m a ls h o r tp o i n t sl i k e c o l l e c t i o nd i f f i c u l t y f o r i n i t i a ls t o r m w a t e r r a n o f f , h i g h e r l a n du s ea n d l e s s e f f e c t i v e n e s s o f n i t r o g e n a n d 6 a b s t t a c t p h o s p h o r u sr e m o v a l t h ea v e r a g er e m o v a lr a t e sf o rt n ，n h 4 + - na n dt pw e r e5 1 2 ，6 5 6 a n d 6 4 8 r e s p e c t i v e l y t h ew h o l es i t ea r e aw a s1 3 0m 2 w i t ha l ls t r u c t u r e sc o n s t r u c t e du n d e r g r o u n d ，w h i c h c o u l dp r o t e c tt h el a n d s c a p eh a r m o n yd u et ot h eg o o du s eo fn a t u r a lt e r r a i nw i t h o u ta n ye n e r g yi n p u t ， t h ep e r f o r m a n c ec o s tf o rt h i ss y s t e mw a so n l y0 2 1y u a n ( m sa ) 一，w h i c hs h o w e di t se n e r g ys a v i n g a d v a n t a g e i tc o l l l dc o n t r o lac a t c h m e n t w i t ha na r e ao f4 4 1 x 1 0 4m 2 ( c a l c u l a t i o nb a s e do nt h en o r m a l l a k e s i d el a w na r e a ) a sa ni n d e p e n d e n t l yd e v e l o p e de c o l o 百ct r e a t m e n tp r o c e s s ，t s s c wh a si t ss t r o n gp o i n t si l o w c o s t ，e a s ym a n a g e m e n ta n dh i g he f f i c i e n c y i t c o u l db ea nt e c h n o l o g yo p t i o nf o rn i t r o g e na n d p h o s p h o r u sm m o v mi nl a k e s i d eo v e r l a n df l o wo fl l k et a i a n di t a l s oh a si t sd e m o n s t r a t i n ga n d r e f e r e n c ev a l u ei l a k e s i d ea r e ae c o l o g i cr e c o v e r ya sw e l la sn i t r o g e na n dp h o s p h o r u sp o l l u t i o nc o n t r 0 1 k e y w o r d s ：t h r e e - s t a g es u b m e r g e dg r a v e lc o n s t r u c t e dw e t l a n d ，u r b a nl a k e ，l a k e s i d e ， i n i t i a ls t o r m w a t e rr u n o 正r e m o v a lf o rn i t r o g e na n dp h o s p h o u l s 7 上海交通大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立 进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究 做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意 识到本声明的法律结果由本人承担。 学位论文作者签名： 蕊竺 日期：矿占年。妒月哆日 上海交通大学 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同 意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许 论文被查阅和借阅。本人授权上海交通大学可以将本学位论文的全部或 部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囵。 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：荔指导教师签名：以鸱吁 日期：矿卅啤口p 月e t 日期：b ( ) 年啦月移e l 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 第1 章绪论 自古以来，人类择水而居，江河湖泊大多是人类文明的发源地。然而，近几十 年来，随着我国社会、经济的快速发展，城市化、工业化进程的不断加快，产生了 大量的城市生活污水，与此同时，城市污水处理设施建设滞后、政府投入污水处理 资金不足、污水处理的经营管理观念落后、农村地区过量使用化肥和农药以及固体 废弃物随意丢弃等，致使大量生活污水和工业废水不经处理直接排放入水体，导致 全国许多湖泊、河流的水生生态系统遭到破坏，水质污染日益加重，不断发生湖泊 富营养化现象。 1 1 湖泊富营养化 富营养化是描述一种在很长时间内不可逆的自然现象的术语。1 9 0 7 年w e b e r 在 研究德国北部泥炭沼泽演替过程时应用贫营养( o l i g o t r o p h y ) 和富营养( e u t r o p h y ) 的 概念来划分和描述土壤的营养状态。1 9 1 9 年n a u m a n n 首先在湖泊学中使用贫营养、 中营养和富营养来划分湖泊生态类型。富营养化是湖泊分类和演化的一种概念，根 据其过程分为两种类型，一种是自然的富营养化，即由于自然界的岩石风化、水土 流失和风的传输等作用，使营养盐类长期积累形成。湖泊由贫营养发展为富营养， 进一步发展为沼泽地和干地。这个过程需要几千年，甚至几万年以上；另一种是人 为活动所造成的富营养化，由于生活污水和生产废水未经处理直接排入江河湖泊， 迅速促使和加速水域的富营养化，严重者仅需2 0 3 0 年即可使湖泊达到富营养化的 程度。现代环境工程学认为，水体的富营养化是指水体( 特别在缓慢流动的湖泊、 水库、内海等水域) 中含氮、磷和其他营养盐类物质过多时，将促进藻类等浮游生 物的过量繁殖，致使水面上形成密集的水华或赤潮，造成水体的透明度降低和水体 老化的一种自然现象。 水体富营养化问题从六十年代末才开始引起世界的关注。世界经济合作和发展 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 组织( o e c d ) 对各国的湖泊和水库进行了调查研究，确认水体富营养化将导致生态 系统受到破坏。世界上典型的富营养化水体为美国的伊利湖、日本的第一大湖琵琶 湖和第二大湖霞浦湖。水体的富营养化会带来一系列严重后果：( 1 ) 藻类占据空间 越来越大，使鱼类活动空间越来越小，进而藻类种类逐渐减少，并由以硅藻和绿藻 为主转为以蓝藻为主，蓝藻不是鱼类的良好饲料，有一些种属能分泌藻毒素，藻毒 素是肝脏肿瘤的强诱发剂，严重威胁着人体健康和饮用水安全；( 2 ) 藻类过度生长 及死亡和腐败，造成水体中的溶解氧急剧下降，在一定时间内使水体处于严重缺氧 状态，容易引起底层需氧生物死亡和触发底泥中营养物质的释放，影响水生生物的 生存，特别是鱼类的大量死亡；( 3 ) 一些藻类带有腥味异臭，并污染周围空气，而 且其分泌物是水中色度的来源之一，使水体透明度降低，影响水体的感观性能；( 4 ) 水体富营养化后，可使水流变缓，大量衰死的藻类沉积到湖底可使水体变浅，最终 使水体消亡，变成沼泽地或干地。根据国家环境保护总局发布的( 2 0 0 4 年中国环境 质量状况i l j ，2 0 0 4 年，全国城镇生活污水和工业废水排放总量为4 8 2 4 亿吨，其中 工业废水排放量2 2 1 1 亿吨，占排放总量的4 5 8 ；“三湖”( 太湖、巢湖、滇池) 的水质均为劣v 类，污染严重。 由此可见，湖泊富营养化等水环境问题已经成为我国经济发展和社会进步的一 个障碍，引起了我国各级政府的高度重视，并已成为全世界普遍关注的热点问题之 1 2 初期暴雨径流污染控制 目前，各地方政府大力建设城市污水处理厂，对城市污水进行收集并进行有效 控制，2 0 0 4 年全国城市污水处理率达到4 5 6 i ，这从一定程度上缓解了各流域和 湖泊污染的进一步加剧。然而，引起湖泊富营养化的原因除了传统的点源污染外， 更重要的是被长期忽视的面源污染。面源污染是指溶解的或固体污染物从非特定的 地点，在降雨或融雪冲刷作用下，通过径流过程而汇入受纳水体f 包括河流、湖泊、 水库、海湾等) 并造成水体的富营养化或其它形式的污染。与点源污染相比，面源污 上海交通大学博士学位论文 第一章绪论 染具有危害规模大，防治困难的特点，在一定程度上不断增加我国水域的污染程度。 据调查显示【2 l ，在我国东部太湖流域富营养化的总氮贡献率中，农业面源占5 9 ， 生活污水占2 5 ，工业废水占1 6 ：总磷贡献率中，农业污染占3 0 ，生活污水占 6 0 ，工业废水占1 0 。 在面源污染中，污染物主要通过暴雨径流进入水体。传统的城市排水系统在防 洪和排水规划设计中，强调采用分流制排水体制将雨水和污水收集，雨水就近排入 河流、湖泊，污水经污水管网送至污水厂处理。虽然对点源污染进行了有效控制， 但未对城市暴雨径流面源污染进行控制，导致了携带大量污染物的初期暴雨径流进 入水域。近年来，我国城市水系统受城市暴雨径流影响的事件屡有发生。例如，北 京城市河湖水系曾多次发生暴雨径流的严重污染事件，耗资数十亿整治后的城区河 湖仍然存在水质恶化现象。与此同时，在广大农村地区同样存在上述问题。由于经 济实力相对较弱，农村等地区缺乏水处理设施，暴雨径流形成以后，在流动过程中 携带着农村土壤和堤岸上的污染物、沉积物，沿岸坡一泻而下或以地表漫流的形式， 毫无阻拦地进入受纳水体。国家环境保护局在污染防治技术政策中明确指出1 3 1 ：鼓励 有条件的地方采用前置库、碎石床等工程技术，利用天然或人工库( 塘) 拦截暴雨 径流，通过物理、化学以及生物过程使径流中污染物得到有效削减。随着我国流域 整体水质的逐步改善，随机性暴雨径流所带来的对水体生态系统的冲击，已日益成 为流域水污染控制的主