再生水补给条件下城市景观水体的水质特征与调控技术研究

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再生水已经成为缺水城市景观水体的重要补给水源,但由于其主要水质指标往往与地表水环境质量标准的要求有较大差距,因此,如何在再生水补水的条件下有效保障水体的水环境功能成为广受关注的重要命题。论文针对目前尚未解决的若干基本问题,在再生水补给条件下城市景观水体的水质特征与调控技术方面开展了系统性的研究工作,通过全国代表性城市景观水体调研获得第一手实际资料,结合小型试验揭示了再生水中营养盐等典型污染物对水体水质的影响规律。在此基础上以水体的景观功效保障为主要目标,进行了城市景观水体的水质基准研究、再生水补水对景观水质的影响研究、原位和异位水质净化技术研究与功效评价以及水体景观功效提升综合对策研究。论文研究的主要成果如下:(1)城市水体的景观功效与水体透明度(SD)密切相关,因此,应以SD作为景观水质的综合指标。基于全国各地城市189个景观水体的调研和4个代表性水体的长期水质监测,以再生水作为补水来源的情况下,SD≥0.64m是水体景观水质保障的必要条件。研究表明,水中藻类繁殖程度对SD的影响最大且具有很强的相关性,以叶绿素a(Chl-a)作为藻类控制指标,与SD对应的基准建议值为10mg/m3。由于营养盐是造成藻类繁殖的主要原因,根据水体总氮(TN)和总磷(TP)浓度与Chl-a的相关性分析结果,提出了不同地域水体TN和TP的基准建议值为:半干旱地区TN=12mg/L,TP=0.3mg/L;半湿润地区TN=10mg/L,TP=0.2mg/L;湿润地区TN=5mg/L,TP=0.1mg/L。(2)针对景观水体的富营养化问题,以铜绿微囊藻为控制对象,通过系列实验,研究了营养盐和微量金属元素对藻类繁殖的影响。结果表明,除TN、TP及N/P外,水中共存的微量金属元素Fe、Mn、Zn、Cu等在一定的浓度范围内(Fe:5001000μg/L,Mn:2080μg/L,Zn:0.55μg/L,Cu:110μg/L)均会促进藻类的生长。以常量营养物及微量金属元素为评价因素,分别建立了以Chl-a为评价目标的水质矩阵,通过分析确立了各个因素的影响权重,从而判明常量营养物中N/P值是水体景观水质调控的主因素,其次是正磷酸盐、氨氮、硝态氮、聚磷酸盐;微量金属元素中Mn是主控因素,其次是Fe、Zn、Cu。(3)针对再生水补水比例和换水周期对水体景观功效的影响开展实验研究,结果表明,以稳定达到一级A水质的再生水进行水体补水,在再生水比例不超过50%的情况下,水体水质容易稳定维持在基准建议值的水平,在常规换水条件下可维持水体景观功效;再生水补水比例超过50%,水体水质明显有随时间恶化的趋势,需要通过缩短换水周期使水体水质维持在基准建议值的水平;完全采用再生水补水的情况下,春秋季的适宜换水周期应控制在5日之内,夏季的适宜换水周期则应控制在3日之内。(4)研究了水体原位净化和异位处理的水质改善功效。结果表明,采用再生水补水的情况下水体的复氧系数(平均0.15 d-1)低于常规水体的复氧系数(0.40d-1左右),因此曝气增氧是提高水体自净能力的重要措施,且应根据再生水补给量和除碳脱氮需求来确定曝气量。结合实际案例研究了生态-生物多元组合水质原位净化技术,采用生态浮床进行原位净化的条件下,通过底部立体弹性载体的生物挂膜作用、轻质陶粒充填浮垫的吸附作用、顶部挺水植物的吸收作用,可实现水中氮磷的有效原位去除。与原位净化相比,以生态过滤为代表的旁路循环异位处理具有更好的污染物去除能力,且能同时实现水体的水力调控,在换水周期长下,是保障城市水体景观功效的有力措施。(5)以西安思源学院再生水补水的人工景观湖为典型案例,研究了城市景观水体水质改善和景观功能提升的综合技术。长期水质检测和水质模拟分析结果表明,通过合理的水力调控、因地制宜的自然增氧、以水生植物种植为主的水体生境改善,在完全采用再生水补水的条件下,无需进行旁路循环处理,也能充分保证人工湖的景观功效。
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