上海市雨水系统的运行状况测评与应对策略研究.doc

1、1、 上海市雨水系统的运行状况测评与应对策略研究学生:冯沧 导师:李田 教授上海市新建排水系统以分流制系统为主，然而由于种种原因，大多数分流制系统存在较为严重的雨污混接现象，不仅增加了雨天出流污染负荷，而且容易导致旱流污水重力直排，对受纳水体环境质量造成严重威胁。为解决上述现实问题，本论文选取浦东新区已/未进行分流改造住宅区，通过两个住宅区雨水管中旱流水样的分析对比，评价了住宅区分流改造的效果，分析了影响分流改造效果的主要原因；选择上海市三个不同年代建设的代表性分流制雨水系统进行旱流和雨天出流水质监测分析，综合运用系统服务范围内用水量数据、泵站运行数据、排放河道水位记录，通过管网水力模型模拟，

2、结合系统水量平衡关系，评价截流设施的运行效果、估算实际的溢流量；探讨了分流制雨水系统年污染负荷及来源、影响截流效果的主要因素，以期为优化新建截流设施的设计和已有截流设施的运行管理提供依据。对已/未进行分流改造的住宅区雨水系统旱流水质水量的案例监测结果表明，未经分流改造的住宅区混接率为41.7%，改造后的住宅区混接率仍有22.1%，且混接污水中仍含有粪便污水，原因是污水系统的运行水位过高，导致居民住宅出户管排水不畅，造成有意识的混接，说明污水系统的能力不配套或高水位运行策略是造成雨污混接的原因之一。分流改造难以彻底消除混接现象，系统截流措施仍然必要。在对所研究系统与周边系统和河道的水力联系进行调

3、查判断的基础上，利用相关基础数据、系统截流量和存水量变化的平衡关系计算三个分流制系统的混接率，结果显示，花木1#系统混接率为27.1%；国顺东和嫩江系统分别为35.4%和51.7%，说明上海市分流制系统的混接情况非常严重。由于部分混接分流制系统存在没有计量的旱流溢流而无法获得真实的年排江量，本文根据不同泵站的实际情况进行了分析研究，对不存在联通的系统，泵排量即为排江量；对存在联通的系统，将系统与河道间的联通概化为当量管的连接，通过估算当量连接管的特性参数、建立系统水力模型、率定并验证系统产汇流参数等步骤，计算系统全年径流量，进一步根据系统水量平衡分析，估算年重力溢流水量和年排江总量。结果表明：

4、花木1#系统年排江量114.7万m3/a；国顺东系统年泵排量83.9万m3/a，重力溢流量39.5万m3/a，年排江总量123.4万m3/a；嫩江系统年泵排量148.9万m3/a，重力溢流量202.8万m3/a，年排江总量351.7万m3/a。三个系统的旱流水质监测结果显示，混接程度较轻的花木1#系统旱流污水水质明显好于混接程度较重的国顺东和嫩江系统。与合流制系统旱流水质比较，混接严重的分流制雨水系统已无明显区别。三个系统出流污染物浓度特性的分析表明，在中/小降雨排江事件中，低混接率的排水系统雨天出流水质明显好于高混接率的系统；大/暴雨、长间隔排江事件中，混接程度对雨天出流的部分水质指标有影响

5、，主要表现在NH4+-N 和SS两个指标；大/暴雨、短间隔排江事件中，混接程度对系统雨天出流水质影响不明显。大部分排江过程中各污染物质的初期效应不明显。对排江污染物EMC统计显示，混接程度最轻的花木1系统排江污染物COD、SS、TP、TN、NH4+-N的EMC均值浓度分别为172mg/L、239 mg/L、1.99 mg/L、5.07 mg/L和2.74 mg/L；混接程度较重的国顺东系统COD、SS、TP、TN、NH4+-N的EMC均值浓度分别为347mg/L、529 mg/L、5.48 mg/L、16.83 mg/L和8.49 mg/L；混接程度最重的嫩江系统COD、SS、TP、TN、NH

6、4+-N的EMC均值浓度分别为230mg/L、481mg/L、4.98 mg/L、22.90 mg/L和10.78 mg/L。根据各系统排江污染物的年度流量加权EMC与年实测排江总水量测算，花木1# 系统TP、TN、NH4+-N、COD、SS单位面积年污染负荷分别为0.48、1.31、0.68、41.61、55.22 t/ km2a；国顺东系统TP、TN、NH4+-N、COD、SS分别为2.45、10.73、6.73、137.91、193.14 t/ km2a；嫩江系统分别为3.79、23.02、15.64、142.52、203.71t/ km2a。各污染物的负荷明显与系统混接程度呈正相关。通

7、过质量平衡法初步估算，花木1#系统排江事件COD污染负荷组成的平均值，旱流、径流和管道沉积物分别占14%、38%和48%；SS污染负荷组成的平均值，旱流、径流和管道沉积物分别占4%、24%和72%。管道沉积物所占比例均最大，但旱流和地表径流在COD负荷中所占的比例明显大于其在SS中的占比。从工程经济的角度考虑，对已建混接严重的分流制系统，在现阶段实施大规模的分流改造难以取得理想效果，容忍一定程度混接现象的存在，增强雨水泵站的截流能力是经济上更合理的旱流污染削减策略。优化现有混接分流制系统截流设施运行效果的措施包括：(1)增加截流能力，同时考虑扩大污水输送管道或专设截流污水输送管至下游有足够容量

8、的污水系统；(2)增设雨水调蓄池；(3)加强管道清淤。2、水葫芦在农村生活污水处理中的应用技术研究学生：高月霞 导师：徐祖信随着社会主义新农村建设的逐步开展，上海各区县陆续试点启动农村污水处理，做出了许多成功的探索。由于受到传统的污水收集处理的思维模式和政府投入计划的影响，针对农民社区与自然村落的污水处理技术进步较快，散居农户污水处理的实例报道较少。上海地处江南水乡地区，池塘、沟渠密布。农民在建造房屋的时候，往往就近将未经处理的生活污水排入这些池塘，由于污染物质的常年积累，很多池塘发生严重的富营养化，滋生浮萍和蓝藻，严重时甚至发黑变臭。利用这些池塘，因地制宜地改造为生态塘系统，即可以达到处理污

9、水的目的，还可以起到农村水处理治理的效果。基于这一思路，本文选用水葫芦作为净化植物，对水葫芦在农村污水处理中的应用方法作了如下研究： （1）水葫芦代谢产物平衡与生长期差异。水葫芦代谢过程既向环境释放有机物，又从环境中吸收有机物，当两者的速度相等时反应达到平衡，环境中的有机物浓度趋于稳定。受到水葫芦细胞空隙大小的限制，分子量低于10000 dalton 的有机物更容易进入水葫芦体内。中小分子有机物往往是生物易降解有机物，因此，水葫芦吸收过程对BOD5的去除作用更明显，28时6d的BOD5去除率可达88%，而TOC去除率只有75%。水葫芦代谢活动释放的一部分有机物容易生物降解，当环境中存在微生物时

10、，将发生耦合的水葫芦释放和微生物降解过程。在污水中生长的水葫芦，通过水葫芦吸收和微生物的降解的联合作用，TOC去除的启动速率大大提高，前4d的TOC去除速率比单纯水葫芦吸收时的去除速率可提高45%。由于水葫芦通过匍匐茎繁殖的原因，不同生长期水葫芦的根、茎、叶比例不同：大植株和小植株茎叶比重0.5，中等大小的植株茎叶比重=0.5。水葫芦不同组织部位的氮、磷含量也不同，均表现为叶茎根，因此，中等大小植株的纤维素和木质素总量也最低。在相同的质量密度下，处于不同生长期的水葫芦由于单体质量不同，单位面积内的植株数量不同，尽管植株越大其代谢活动的总量越大，但是中、小植株在数量上的优势，使它们可以达到更好的

11、水质净化效果。（2）水葫芦塘除污性能优势及除污途径评价。与普通稳定塘和藻类/浮萍塘相比，水葫芦塘对有机物、氮和磷的处理效果更好。水葫芦生长吸磷是水葫芦塘除磷的主要途径，其对系统除磷的贡献率达到83%，通过沉淀和微生物同化作用去除的磷只有17%。水葫芦塘的脱氮途径及其贡献率包括：水葫芦生长吸收，35%；悬浮及底泥微生物脱氮，39%；根系附着微生物脱氮，26%；微生物脱氮途径的贡献达到65%，是水葫芦塘脱氮的主要途径。绘制了水葫芦塘除磷、脱氮能力评估表，可供水葫芦塘除污能力推算使用，由于水葫芦的吸磷强度高，在60%的水葫芦塘污染负荷情况下，都能达到良好的除磷效果。（3）水葫芦放养繁殖、塘型水深及水

12、力负荷。水葫芦塘引种时，水葫芦覆盖水面面积的10%即可，以减少种源费、运输费和人工费。水葫芦繁殖速度最快可达0.5Kg/m2d，池塘将由藻类/浮萍塘藻类/浮萍+水葫芦塘水葫芦塘自然过渡。水葫芦的鲜重密度以控制在1030 Kg/m2d为宜，水葫芦密度过低时，起不到对抗风力环流的作用；水葫芦密度过高时，易发生衰亡腐败，对水质造成二次污染。水葫芦及水面大气复氧只能影响水深0.4m的范围，0.4m水深以下的趋向还原环境，不利于发生硝化反应。由于水葫芦塘主要通过微生物作用脱氮，水深对氨氮及总氮的去除存在负面影响，水深以小于1.2m为宜。考虑到水深低于0.4m的池塘易淤塞，以选择0.4m1.2m水深的池塘

13、为宜。夏、秋季水葫芦生长旺盛，除污效果好；而春、冬季净化效果相对弱些，所以在评估一给定池塘的处理能力时要以冬、春季的处理效能评价。工程性试验表明，上海地区按照HRT=60d设计时，出水可以达到污水综合排放一级标准（GB7987-1996）。（4）提出了水葫芦在农村污水处理中的应用方法与规程建议，包括：水葫芦塘址选择、处理能力评价、纳管与出水设计、水葫芦放养与打捞共4个部分，最后在上海市南汇区某村成功地开展了工程实践。3、新型吸附材料的研制及对微量污染物质的去除机理研究学生：刘振中 导师：邓慧萍针对水体中存在的污染物质砷，采用离子交换纤维对其进行去除研究，发现离子交换纤维有较高的吸附砷的能力，在

14、As()的初始浓度为25 mg/L时，饱和吸附容量可达285 mg/g，吸附动力学可用拟一级反应模型来拟合。水中部分共存的阴离子对离子交换纤维吸附砷有显著影响，CO32-、PO43-、SO42-、SiO32-、NO3-的存在明显抑制了As()的去除，而Cl-、F-对As()去除影响不明显。离子交换纤维对砷的选择性较差，将铁氧化物负载到离子交换纤维表面即制备载铁离子交换纤维Fe-IEF。Fe-IEF总的除砷能力与原离子交换纤维相比略有提高，受CO32-、SO42-、Cl-、SiO32-、NO3-的影响明显减小，但PO43-对砷去除影响仍然较大。F-的影响较负载铁之前增大。总体来讲，Fe-IEF具

15、有较好的除砷能力。但由于离子交换纤维自身价格较高，应用中受到一定的限制，因此，研究一种价格低廉的除砷吸附材料是十分必要且有意义的。 活性炭是一种应用广泛的吸附材料，但单独采用活性炭除砷，效果不明显，因此本研究着重对活性炭进行改性，针对水中三价砷和五价砷的去除，研究活性炭的改性方法及改性后的活性炭的除砷性能。目前对去除水中As()的研究较多，但对As()的研究较少。由于铁氧化物对As()有较好的选择吸附性，同时锰氧化物对As()有一定的氧化能力。因此，为同时去除水体中As()和As(), 将铁锰复合金属氧化物负载到活性炭表面，分别以FeCl24H2O和KMnO4、Fe(NO3)39H2O 和Mn

16、(CH3COOH)24H2O为改性剂，对活性炭进行改性研究。为获取最优的改性方案，通过正交设计结合BP网络优化改性条件。以Fe和Mn的总浓度、Fe和Mn物质量的比值、水浴温度、干燥温度为正交实验设计因子，每个因子各取5个水平，以三价砷的去除率为目标因子，编制4因素5水平正交设计表。结合BP网络强大的函数拟合功能，以正交设计表中4因素为网络输入层，以三价砷去除率为网络输出层，建立BP神经网络模型，并通过该模型进行预测和优选，得到最佳的活性炭改性方案。制备的改性活性炭分别记为FM-GAC-1、FM-GAC-2。两者对As()的吸附容量分别为32.37mg/g，26.67 mg/g；对As()的吸附

17、容量分别为28.87mg/g，30.32 mg/g。其吸附容量均随温度的升高而略有下降。化学反应阶段为其速度的限速反应，且其中采用拟二级反应模型拟和最好。pH值对改性活性炭吸附As()、 As()有明显影响，在中性偏酸性时其吸附效果较好，且此时金属溶出率最低。负载铁锰氧化物的活性炭有较好的吸附砷的能力。为研究活性炭及负载铁（锰）氧化物的活性炭对有机物的吸附能力，以2,4,6-三氯酚为目标物，研究其吸附性能。制备的五种活性炭GAC0、GACH、GACF、GACF1M1、GACF1M3, 对2,4,6-TCP的吸附容量分别为160、178、207、194和238 mg/g。其中GACF1M3对2,

18、4,6-TCP的吸附效果最好。吸附法简单、快速、高效，但不能将有机污染物从环境中去除，且吸附剂需要不断地再生。为改善吸附材料的这一不足，利用过渡金属氧化物的催化性能，将吸附催化氧化集为一体，研究负载金属氧化物的活性炭与过氧化氢联合作用对2,4,6-TCP的去除，结果发现，两者联用较单独使用活性炭和过氧化氢对2,4,6 -TCP的去除要好，且过氧化氢的浓度对去除效果有明显影响，不同2,4,6-TCP的初始浓度均影响去除效果，过氧化氢与2,4,6-TCP之间存在最佳的浓度比。其作用机理包括吸附作用和催化氧化作用。4、绿色高活性纳米零价铁制备及还原能力表征研究学生：李少林 导师：马鲁铭同普通宏观零价

19、铁材料相比，纳米零价铁（zero valent iron nanoparticle, nZVI）由于其纳米级尺寸（AlFeZn。对助剂La的添加效应进行了深入研究，发现La能抑制活性组分的聚集长大，有助于金属组分细小化，提高了催化剂表面高分散相CuO的量，同时增强了Cu-Mn之间的相互作用，进一步防止了铜晶粒的热迁移，从而提高了催化剂的活性及稳定性。Cu-Mn-La/g-Al2O3催化剂中Cu/Mn/La的最佳摩尔比为1/2/0.2。 (4) 利用沉积-沉淀法一步制备的Cu-Ni/g-Al2O3双功能催化剂具有优良的二甲醚重整制氢性能。Cu、Ni和g-Al2O3之间存在着相互作用，镍的加入可以

20、有效地提高铜组分在g-Al2O3上的表面富集与分散，优化铜组分的分布状态，促进CuO颗粒的细小化，并可增强铜组分和载体之间的相互作用，有效地防止铜晶粒的团聚，从而提高催化剂的活性及稳定性；另一方面，铜的加入也可以改善催化剂中金属镍的分散性，减小镍颗粒的尺寸，降低催化剂对CH4的选择性，提高催化剂的氢气生成速率，并在一定程度上抑制积炭的形成与沉积。对Cu-Ni/g-Al2O3催化剂的组成(包括金属负载量，Cu/Ni摩尔比)，制备工艺(包括制备方法，焙烧温度)以及操作条件(包括还原温度、反应温度、系统压力、气体空速和催化剂的粒径大小)进行了优化。结果表明，2Cu-1Ni-5Al2O3催化剂经400

21、 oC还原后，在常压、350 oC、水醚比4和进料空速3240 mL(gcath)-1的反应条件下，可呈现最佳性能，在进料不含稀释气的条件下，连续反应100 h的过程中，二甲醚转化率稳定在95%以上，目的产物氢气和一氧化碳的生成浓度也分别稳定在63%和28%以上。（5）初步研究了Cu-Ni/g-Al2O3上二甲醚水蒸气的反应机理。进一步阐明了g-Al2O3不仅仅作为载体，同时也是二甲醚水蒸气重整制氢反应必不可少的活性组分之一。反应主要经历了二甲醚水解生成甲醇和甲醇进一步裂解生成CO和H2：CH3OCH3 + H2O 2CH3OHCH3OH CO + 2H2即总反应为：CH3OCH3 + H2O

22、 4H2 + 2CO此外，也一定程度地发生了水气变换反应：CO + H2O CO2 + H2其中，甲醇的裂解可能经由下列步骤达成：O-H的裂解：CH3O-H(a) CH3O(a) + H(a)甲氧基的裂解：CH3O(a) CO(g) + 3H(a)9、农村水葫芦的生长规律及其在循环农业中的利用研究学生：徐大勇 导师：徐祖信农村生活污水是农村面源污染的主要组成部分，长期以来，由于农村环境保护意识的淡薄和治理资金的短缺，农村生活污水未经处理就直接排放，对农村及其流域水体造成了严重污染。针对农村生活污水的特点，有关人员提出了用一种原产自南美的快速生长的漂浮植株水葫芦来处理农村生活污水，并取得了较好的

23、效果。针对水葫芦在自然环境中的生长繁殖规律及其污水净化效果的研究较多，而在农村生活污水特定环境中水葫芦个体单株及其种群繁殖、死亡和分解研究少见报道。同时由于水葫芦的生物学特性，在生活污水处理过程中产生大量的水葫芦废弃物，如何处置及其在农业上的资源化利用成为水葫芦在农村生活污水净化过程中不可忽视的关键问题。本课题根据植物学、生态学和资源环境学理论，从水葫芦的生长繁殖、死亡分解、处理和资源化利用角度展开研究，取得了如下结果：（1）对于水葫芦个体单株的生长规律。从幼年到成熟，水葫芦茎叶长（植株茎和叶的长度之和）的平均增长率污水是河水的2倍多，分别为0.19cm.d-1和 0.09 cm.d-1。重量

24、平均增长率污水为0.65g.d-1，是河水0.38g.d-1的1.7倍。前20-25d生长速度最快，为水葫芦个体营养生长期，这期间水葫芦在污水和河水中，茎叶长平均每5d的增长幅度分别为41.6%和26.7%，重量平均每5d的增长幅度分别为95.7%和23.8%。25-44d为水葫芦生殖生长期，此期间，水葫芦在污水和河水中的最大分蘖数平均每5d增加1-2棵。水葫芦单株生长发育进程中植株体内全N、全P含量随生长天数逐渐下降。到试验结束时，植株全N含量，污水和河水分别下降了49.9%和60.0%，全P分别下降了61.3%和73.2%。纤维素和木质素含量在水葫芦生长进程中总体上升高，在污水和河水中纤维

25、素含量分别升高了3.5%和7.0%，而木质素含量的增加幅度分别为46.2%和75.2%。水葫芦幼株经过30d左右的生长体内纤维素和木质素的含量基本稳定，据此可认为水葫芦单株发育已经成熟。水葫芦单株生长过程对TN、TP、NH4-N和CODcr的去除作用明显，他们的去除率分别达到49.7%、92.6%、83.3%和45.6%，且其发生作用的主要时间在幼株生长的最初20d左右，这一时期分别占污水TN、NH4-N和CODcr总去除量的78.7%、95.5%和80.8%。对于水面较大的水体，水葫芦光合作用引起的根系泌氧对水体中的溶解氧的影响小。（2）对于水葫芦种群繁殖和生物量增长。水葫芦在河水与污水中的繁殖分蘖生长和生物量增长均符合指数增