工业聚集区面源污染特征及人工湿地控制机理研究

发布时间：2017-05-22 11:04

  本文关键词：工业聚集区面源污染特征及人工湿地控制机理研究，由笔耕文化传播整理发布。

【摘要】：随着我国工业快速发展,城市工业聚集区的面源污染日趋严重,导致受纳水体水质不断恶化,环境和景观功能逐渐丧失。目前国内外对于工业聚集区的面源污染特征及其控制机理的研究相对较少,发展中国家快速城市化过程所形成的工业聚集区,更具有特殊的经济结构和显著的地域特征,对这类工业聚集区研究的薄弱已严重阻碍了城市水体环境质量和景观功能的改善,影响了我国经济的可持续发展。本论文选取东莞市同沙水库集水区为工业聚集区的典型代表,对其面源污染特征及人工湿地控制机理进行了系统的探讨。研究在对集水区降雨径流水质、水量以及降雨特征监测的基础上,探讨了不同功能区面源污染特征以及降雨和集水区参数的影响。采用M(V)、MFFn和b参数等定性和定量模型相结合的方法,探究了工业聚集区面源污染输出特征及其初始冲刷效应。采用FFn、PCA、多元线性回归等模型分析了工业聚集区初期雨水污染负荷分配规律及其主要影响因素,并探讨了初期雨水截流标准。依据工业聚集区面源污染特征,采用复合折流(IBSSF)和水平潜流(HSSF)两种构型湿地进行模拟净化研究,分析了不同构型湿地对径流污染物的净化规律及影响因素,探讨了不同构型人工湿地在处理工业聚集区面源污染时微生物种群的变化特征及其与污染物迁移转化的耦合关系;以期为工业聚集区面源污染控制和管理工作提供理论基础。论文取得主要研究成果如下:(1)对工业聚集区污染特征研究表明,该工业聚集区内商住混合区COD、TSS、TN、TP和NH4+-N等常规污染物EMC均值分别达到302.81 mg/L、367.19 mg/L、16.69mg/L、3.17 mg/L、5.52 mg/L,EPL分别达到了57.13 kg/hm2、67.33 kg/hm2、2.95 kg/hm2、0.63 kg/hm2、1.14 kg/hm2,是该工业聚集区常规污染物的主要来源;工业区的PAHs和Fe、Zn、Pb、Cu等重金属EMC分别达到了8.59μg/L、4.27 mg/L、3.5 mg/L、0.58 mg/L、0.31 mg/L;商住混合区的PAHs和Pb的EMC值分别达到了5.96μg/L和0.28 mg/L,生态停车场PAHs达到了1.32μg/L;工业区是该工业聚集区PAHs和重金属的主要来源,但整个区域PAHs和重金属的污染比较严重。各功能区污染物排放的主要影响因素不同,商住混合区主要是降雨量(RD)、平均雨强(I)、最大雨强(Imax5)和雨前干期长度(ADD);工业区是I、Imax5和ADD;生态停车场只有Imax5和ADD。总体来说降雨强度越大、雨前干期越长,该工业聚集区面源污染也越严重。(2)对工业聚集区初始冲刷研究表明,采用无量纲累积M(V)曲线和MFFn比率曲线结合b参数模型定量和定性相结合的分析方法,可以较好的识别工业聚集区不同功能区初始冲刷的强度差异;相比较M(V)曲线,MFFn对初始冲刷强度识别结果可以有效地消除直观微小差别造成的图形识别误差,结果更有效;b参数对初始冲刷强度的定量分析结果与MFFn曲线分析结论一致,但无法反应初始冲刷的中间变化过程。研究发现该工业聚集区各土地利用类型初始冲刷强度分别是工业区商住混合区生态停车场;区域内最大雨强和降雨量越大,初始冲刷效应越明显;不可渗透地面是低雨强降雨事件的主要污染源,而在高雨强降雨事件中可透性地面也是主要污染源之一。(3)对初期雨水污染负荷特征研究表明,工业聚集区初期雨水污染负荷排放与初始冲刷效应一致,每10%的累积径流输出的累积污染负荷随着累积流量增加而减小;采用FFn法对工业聚集区初期雨水污染负荷的分布特征进行分析,得出该区域TSS、COD、TN和TP等四个指标的FF40的平均值分别是55%、53%、58%和61%,对工业聚集区初期雨水截流探讨认为FF40是同沙水库集水区初期雨水径流截流参考最低标准;通过相关性、PCA和多元线性回归等方法分析,发现初期雨水污染负荷主要影响要素是雨前干期长度(ADD)、平均雨强(I)和降雨量(RD)。(4)对不同构型湿地污染物去除规律及影响因素研究表明,复合折流湿地床体上层和底层DO和p H值变化差异比水平潜流要小,床体特征更适宜好氧微生物生长,种植植物后更快运行稳定,对污染负荷的适应范围也更大。稳定运行后两个湿地系统对工业聚集区面源污染净化效良好,复合折流比水平潜流湿地对COD、TN、NH4+-N和菲平均处理效率更高,分别高出4.55%、6.36%、15.42%和2.52%;两个湿地对TP和重金属的去除效率差异不大。COD、TP及菲的去除在两个湿地床体前1/4段已基本完成;TN和NH4+-N在湿地床体前1/2段的去除量均达到总去除量的81%。床体上层是污染物去除的主体部分,复合折流比水平潜流湿地在床体底层去除效率更高。(5)对不同构型湿地基质酶活性研究表明,两个湿地不同床体位点脱氢酶(Dehydrogenase,DHA)、过氧化氢酶(Catalase,CAT)酶活的季度变化趋势相似。多酚氧化酶(Polyphenol Oxidase,PPO)活性因PAHs的存在和降解而增强,其酶活在床体前1/4段较高,后3/4段沿程差异不明显。硝酸盐还原酶(Nitrate Reductase,NR)活性与NO3--N浓度显著正相关(p0.01)。DHA和CAT在复合折流湿地比在水平潜流湿地中床体上层的底层差异要小,在复合折流湿地中DHA和CAT与COD、TN、TP去除负荷的相关性更显著。(6)对不同构型湿地微生物群落结构研究显示,复合折流和水平潜流两个湿地系统微生物群落结构复杂,菌群特征随季节和床体空间表现出近似的变化规律;复合折流和水平潜流湿地夏季香农指数分别比冬季高0.224和0.383,湿地夏季微生物多样性明显高于冬季;夏季两个湿地香农指数基本一致,在冬季复合折流湿地要高出0.188,复合折流湿地微生物多样性季节变化相对较小。在两个湿地床体内,在夏季复合折流和水平潜流湿地上层比底层香农指数分别大0.09和0.123,冬季分别大0.124和0.225,两个湿地在夏季床体微生物多样性分布比冬季更加均匀,复合折流比水平潜流湿地床体多样性分布更加均匀。生物多样性指数的空间差异性与污染物去除效能的空间分布规律相吻合,污染物去除效能与微生物多样性存在正相关关系。切胶测序发现两个湿地系统中优势条带主要集中在变形菌门Proteobacteria sp.(32%)和拟杆菌门Bacteroidetes sp.(29%),检测出了与脱氮、菲的降解有关菌株。
【关键词】：工业聚集区 面源污染 初始冲刷 初期雨水 人工湿地 微生物群落结构
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：X52
【目录】：

• 摘要5-8
• ABSTRACT8-16
• 第一章 绪论16-39
• 1.1 城市面源污染16-22
• 1.1.1 城市面源污染概念16-17
• 1.1.2 城市面源污染物来源17-20
• 1.1.3 城市面源污染特征20-21
• 1.1.4 城市面源污染影响因素21-22
• 1.2 城市面源污染初始冲刷22-26
• 1.2.1 初始冲刷概念22-23
• 1.2.2 初始冲刷描述方法与评判标准23-25
• 1.2.3 初始冲刷研究进展25-26
• 1.3 城市面源污染控制研究26-29
• 1.3.1 城市面源污染危害26-27
• 1.3.2 城市面源污染控制技术27-29
• 1.4 人工湿地研究进展29-35
• 1.4.1 人工湿地的概念、组成及功能29
• 1.4.2 人工湿地的基本类型29-31
• 1.4.3 人工湿地净化机理31-33
• 1.4.4 人工湿地对面源污染控制33-34
• 1.4.5 人工湿地微生物群落34-35
• 1.5 研究目的与研究内容35-39
• 1.5.1 本文研究目的和意义35-36
• 1.5.2 本文研究内容36-39
• 第二章 工业聚集区面源污染负荷特征研究39-57
• 2.1 引言39-40
• 2.2 材料与方法40-45
• 2.2.1 研究区域概况40-41
• 2.2.2 采样点布置41-42
• 2.2.3 样品采集与分析42-44
• 2.2.4 场次降雨污染物平均浓度（EMC）44
• 2.2.5 单位面积场次降雨径流污染负荷（EPL）44
• 2.2.6 统计分析44-45
• 2.3 结果与讨论45-55
• 2.3.1 区域降雨特征分析45-46
• 2.3.2 工业聚集区面源污染EMC分析46-50
• 2.3.3 工业聚集区面源污染EPL分析50-52
• 2.3.4 降雨和集水区特征对污染输出的影响52-55
• 2.4 本章小结55-57
• 第三章 工业聚集区面源污染输出特征研究57-75
• 3.1 引言57-58
• 3.2 材料与方法58-60
• 3.2.1 研究区域概况58
• 3.2.2 样品采集与分析58
• 3.2.3 M(V)曲线模型58-59
• 3.2.4 MFFn比率曲线59
• 3.2.5 b参数模型59-60
• 3.2.6 统计分析60
• 3.3 结果与讨论60-73
• 3.3.1 不同降雨情景污染物输出60-63
• 3.3.2 不同下垫面污染物输出63-64
• 3.3.3 初始冲刷效应M(V) 分析64-68
• 3.3.4 初始冲刷效应MFFn分析68-71
• 3.3.5 降雨径流初期冲刷效应b参数定量71-73
• 3.4 本章小结73-75
• 第四章工业聚集区面源污染初期雨水特征研究75-86
• 4.1 引言75-76
• 4.2 材料与方法76-77
• 4.2.1 研究区域概况76
• 4.2.2 样品采集与分析76
• 4.2.3 污染负荷比例FFn值76-77
• 4.2.4 统计分析77
• 4.3 结果与讨论77-85
• 4.3.1 初期雨水负荷分布研究77-80
• 4.3.2 初期雨水特征参数相关性分析80-81
• 4.3.3 初期雨水特征参数PAC分析81-83
• 4.3.4 初期雨水负荷回归分析83-85
• 4.4 本章小结85-86
• 第五章 工业聚集区面源污染不同构型湿地控制研究86-112
• 5.1 引言86-87
• 5.2 材料与方法87-92
• 5.2.1 人工湿地设计与建设87-90
• 5.2.2 人工湿地运行90-91
• 5.2.3 样品采集与分析91
• 5.2.4 统计分析91-92
• 5.3 结果与讨论92-110
• 5.3.1 pH和DO浓度变化规律分析92-94
• 5.3.2 植物、运行间隔时间和HRT影响分析94-98
• 5.3.3 耗氧有机物去除规律及影响分析98-101
• 5.3.4 氮元素去除规律及影响分析101-105
• 5.3.5 磷元素去除规律及影响分析105-107
• 5.3.6 重金属及PAHs去除规律分析107-110
• 5.4 本章小结110-112
• 第六章 面源污染控制不同构型湿地土壤酶活及菌群研究112-136
• 6.1 引言112-113
• 6.2 材料与方法113-116
• 6.2.1 样品采集113-114
• 6.2.2 土壤酶活测定114
• 6.2.3 PCR-DGGE及DNA测序114-116
• 6.2.4 数据处理116
• 6.3 结果与讨论116-135
• 6.3.1 不同构型湿地过氧化氢酶与净化特征耦合分析116-119
• 6.3.2 不同构型湿地脱氢酶与净化特征耦合分析119-123
• 6.3.3 不同构型湿地多酚氧化酶与PAHs脱除特征分析123-124
• 6.3.4 不同构型湿地硝酸盐还原酶与硝态氮脱除特征分析124-125
• 6.3.5 不同构型湿地微生物多样性分析125-132
• 6.3.6 不同构型湿地群落结构及演替分析132-135
• 6.4 本章小结135-136
• 结论与展望136-141
• 研究结论136-139
• 主要创新点139
• 研究展望139-141
• 参考文献141-156
• 攻读博士期间取得的研究成果156-158
• 致谢158-159
• 附件159

【参考文献】

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