径流雨水溶解性有机质与重金属在LID设施中的迁移转化研究

发布时间：2020-09-27 06:18

　　我国城市的水问题越来越突出(资源缺乏、污染严重、内涝频发),极大的制约了城市的可持续发展。如何科学地利用雨水缓解城市水资源紧张的矛盾、有效地削减暴雨径流,成为一个备受关注的问题。针对雨水径流污染问题,美国提出了低影响开发(Low Impact Development,LID)的概念,将雨水低影响控制利用设施设计贯通于整个城市的规划设计过程之中,在技术上主要从源头、中间、末端三方面进行控制,这些技术对我国的城市雨水污染控制与利用很有借鉴意义。本研究旨在对径流雨水中典型污染物(营养物质、重金属以及有机污染物等)在LID设施中迁移转化进行深入研究,以探究城市雨水问题以及为海绵城市的建设提供技术支撑。研究通过LID模拟装置,对四种不同城市功能区径流雨水在经过植草沟和生态混凝土驳岸带处理后的的净水性能进行了评价。通过紫外-可见光吸收光谱(UV-vis)、三维荧光光谱(3D-EEMs)、同步荧光光谱(SFS)等荧光光谱的测定,配合平行因子分析、主成分分析、相关性分析和二维相关光谱等分析工具来分析北京雨水径流样品在LID设施中DOM的特性。通过跟踪DOM光谱的变化,量化了LID设施处理DOM的过程。径流雨水在通过LID设施前水样中总氮(TN)和总磷(TP)的浓度相对较高,总悬浮物(TSS)和总有机碳(TOC)在出水径流中下降了50.00%至95.23%。道路区域,古典园林区,核心商业区域和住宅区域四个功能区的TP,TN和TOC的去除率分别达到96.22%-99.45%,81.87%-99.72%和94.40-95.52%。植草沟处理对重金属(Heavy Metal,HM)离子Cu~(2+),Zn~(2+),Pb~(2+)和Cr~(2+)的去除率为30.95%-97.39%。生态混凝土驳岸在四个功能区中对重金属离子的去除率可达83.15%-99.10%,净化效果明显。光谱参数表明在LID设施处理后,DOM的腐殖质和芳香性增加,四个功能区的径流DOM的芳香度和分子量均呈现出水大于进水。基于平行因子分析(PARAFAC)对三维荧光数据的分析,四个功能区径流雨水经过处理分解出DOM的三个主要成分,包括两种腐殖质成分和一种类蛋白成分。通过主成分分析和相关性分析,可以发现雨水径流中DOM组分的变化随着功能区的改变和LID设施处理而变化。径流污染中的DOM和其他污染物主要呈现正相关关系,营养类污染物可与DOM一同被生态混凝土处理,重金属污染物可能与DOM具有络合作用而被净化。通过荧光淬灭实验和络合常数计算,发现植草沟出水中Cu~(2+)可以和类蛋白物质和类腐殖质物质同时发生络合反应,且Cu~(2+)与类蛋白物质发生反应的程度强于与类腐殖质物质。生态混凝土驳岸带雨水径流进出水中Pb~(2+)也可以和类蛋白物质和类腐殖质物质同时发生络合反应,且Pb~(2+)对类腐殖质物质发生反应的敏感程度强于与类蛋白物质。此外,二维相关光谱(2D-COS)的结果表明,不同的LID设施以及径流雨水在通过LID后,结合位点和序列会受到影响,络合位点发生变化,但两种重金属的结合能力与位点各不相同:外部扰动下植草沟G2中的峰值强度高,表明植草沟G2中的径流出水样品更容易受到Cu~(2+)变化的影响;径流雨水在经过生态混凝土驳岸带后,Pb~(2+)更易于与DOM结合,且对类腐殖质物质的敏感性更高。本研究可深入对雨水中典型污染物相互作用、迁移转化及其环境效应的认识,有助于更好的利用雨水保障城市水资源补给。
【学位单位】：北京建筑大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：X52
【部分图文】：

示意图,技术路线,示意图

技术路线示意图

示意图,植草,模拟装置,示意图

第 2 章实验材料及方法水是根据北京市的雨水强度公式设计的，具体如下：（2-1）其中 q 代表雨水强度（L·s-1·ha-1）; p 是复发间隔，选择为 2 年; t 是道路径流样本到达流入草地沼泽地的集水区最远点所需的时间（选择 5 分钟）。因此，计算的 q 值为402·L·s-1·ha-1：约 12.5L·min-1。取样时间间隔设计为 1min，2min，5min，10min，20min，30min 和 1h。由于本研究中 PARAFAC 分析是对三维数据阵列进行的，该数据阵列至少由 50 个 DOM 样本的 EEM 光谱数据组成，因此我们从两个植草沟中一共收集了 50个以上样本。

植草,实验装置

植草沟实验装置

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