道路下沉式绿地截污功能层净化路面污染径流的性能与设计研究

作     者：吴建 

作者单位：东南大学 

学位级别：硕士

导师姓名：杜延军

授予年度：2018年

学科分类：12[管理学] 1204[管理学-公共管理] 08[工学] 081303[工学-城市规划与设计(含：风景园林规划与设计）] 0815[工学-水利工程] 0813[工学-建筑学] 0834[工学-风景园林学（可授工学、农学学位）] 

主      题：海绵城市 下沉式绿地 截污功能层 路面径流污染 吸附特性 渗透特性 污染物运移 

摘      要：海绵城市道路中下沉式绿地截污功能层能够在有效净化路面径流污染的同时削减路面径流强度。本文依托于南京市住房和城乡建设委员会项目(***1509),通过室内试验和数值模拟研究了下沉式绿地截污功能层填料对路面径流污染物(化学需氧量COD和重金属Pb、Zn、Cd、Ni)的吸附特性及渗透性能,明确了截污功能层填料中各材料质量配比,提出了截污功能层的优化设计方案。主要研究结论如下:(1)通过吸附等温试验研究了不同截污功能层吸附原材料的对COD和重金属Pb、Zn、Cd、Ni的吸附特性。结果表明,对于COD,煤质活性炭的吸附能力最强,Langmuir模型拟合出的最大吸附量为62.86 mg/g;对于重金属Pb、Zn、Cd、Ni,钢渣的吸附能力最强。等温吸附模型拟合中,煤质活性炭对Pb的吸附更为符合Langmuir模型,煤质活性炭和钢渣对于其他污染物的吸附更为符合Freundlich模型。煤质活性炭对COD和Ni的吸附以物理吸附为主,对Pb和Cd的吸附以离子交换为主,对Zn的吸附由颗粒扩散主导,而钢渣对各重金属的吸附以离子交换为主。(2)利用层次分析法确定了煤质活性炭和钢渣的优化质量配比,并结合吸附等温试验和吸附动力学试验与理论分析了截污功能层复合吸附材料的吸附特性和吸附机理。结果表明,复合吸附材料的优化质量配比为,煤质活性炭:钢渣=9:1;相比较于煤质活性炭,复合吸附材料对重金属吸附能力更佳,较于钢渣,复合吸附材料对COD吸附能力更为显著,复合吸附材料与煤质活性炭的等温吸附模型拟合结果与吸附机理基本一致。吸附动力学试验表明,各污染物达吸附平衡的时间先后为:Pb、COD、Ni、Zn、Cd。伪二级动力学方程能够很好地拟合复合吸附材料对各污染物的吸附过程。(3)通过变水头渗透试验明确了截污功能层填料的最佳质量配比,并结合吸附等温线试验研究了截污功能层填料的吸附特性。结果表明,截污功能层填料的最佳质量配比为,中粗砂:煤质活性炭:钢渣=80:18:2,在90%压实度下其饱和渗透系数k为1.60×10 m/s,满足要求。吸附等温试验表明,截污功能层填料与复合吸附材料的吸附等温线模型拟合结果基本一致。(4)通过柔性壁土柱击穿试验研究了路面径流污染物COD、Pb、Cd、Zn、Ni在截污功能层中的运移特性。结果表明,COD、Cd、Zn、Ni浓度均随时间逐渐增大,达击穿状态的时间先后为:Ni、Zn、COD、Cd。在30 h试验结束时Pb远未达击穿状态。利用CMR法得到污染物在截污功能层中纵向弥散度α约为0.0136 m。(5)利用数值模拟对截污功能层处理路面径流污染的长期净化效果进行了评价,并提出了截污功能层的优化设计方案。结果表明,在南京地区年平均降雨强度和污染强度下,设计年限15年时,截污功能层(砂+煤质活性炭+钢渣)的厚度应至少设计为70cm;截污功能层应尽量布置在下沉式绿地结构最下层(排水层上方);增大降雨强度会降低下沉式绿地的服役年限,因此在降雨充沛地区应根据当地路面径流污染程度与降雨强度,应对截污功能层作进一步优化设计。