北运河城区段水质生物净化技术研究与示范

作     者：刘晨阳 

作者单位：天津农学院 

学位级别：硕士

导师姓名：李绍飞;常素云

授予年度：2020年

学科分类：08[工学] 0815[工学-水利工程] 

主      题：北运河 水生植物 人工水草 示范工程 立体生物组合技术 

摘      要：北运河贯穿京津冀,于天津大红桥汇入海河,是海河流域水环境改善的重点,北运河河道水质环境的改善对于带动京津冀区域生态环境的改善、建设美丽天津具有重要的意义。目前,生物—生态修复技术作为一种经济、有效的低能净水技术,已被广泛运用于城市河道水体治理中。北运河武清城区段容纳沿线多个污水处理厂的出水排放,具有非汛期水流滞缓、河岸硬化、河道生态破坏严重、水体自净能力差的特点。对此,本文研究开发基于水生植物、人工水草和微孔曝气的生物立体组合净化技术,并设计示范工程建设方案,使北运河武清城区段水质稳定达到地表V类水标准,为后续建设示范工程做准备。对于实现海河水系整体水质达标、促进北运河天津段流域经济社会的可持续发展具有重要意义。具体研究内容如下:(1)持续监测北运河武清城区段氨氮、总磷、COD浓度和溶解氧以及水温、流速等,分析河道水质在时间与空间上的变化规律。(2)开展水生植物净化试验,模拟河道水流的动水条件,对比不同水生植物对北运河原水的去除效果,筛选优势植物种类。进一步开展试验,研究25%、50%以及67%等不同覆盖面积比例以及不同水力停留时间下,水葱对北运河原水中氨氮、总磷和COD污染物的去除率以及水力负荷参数,确定了后期示范工程中植物浮床的覆盖面积比例为25%。在该覆盖面积比例下,水葱对河道水体中的氨氮、总磷和COD污染物去除率达到80%、94%、97%,相应的水力负荷参数分别为0.11mg/(L·d)、0.045 mg/(L·d)、5mg/(L·d)。(3)开展人工水草净化试验,对市面上较常见的三种人工水草超细碳纤维、阿克曼生态基、螺旋状水草进行挂膜试验,挂膜后开展三种人工水草对高污染、中等污染和低污染的人造污水的净化试验,筛选优势人工水草—超细碳纤维,确定人工水草运行体积比例为18%。开展超细碳纤维对北运河原水的净化试验,计算得出对河道水体中氨氮、总磷和COD污染物的去除率分别达到了88.6%、72.2%、80.4%,相应的水力负荷参数为0.62 mg/(L·hr)、0.026 mg/(L·hr)、6.17 mg/(L·hr)。(4)在北运河水质时空变化规律分析、水生植物和人工水草室内试验基础上,设计微孔曝气—人工水草—水生植物工艺组合的现场中试试验。在武清七污排水口向下100m的河段上,沿河长布设20m的分布式微孔曝气区,布设360m植物浮床以及3240根人工水草。建成后进行运行调试,分布式曝气区运行正常,水体溶解氧达到饱和状态,在低水温情况下分析监测水质净化效果。(5)在中试试验设计方案基础上,利用Mike 21软件模拟河道水流,结合水生植物和人工水草的室内试验结果,设计微孔曝气—人工水草—水生植物的立体生物组合净化技术的示范工程方案。在主河槽共布设40m的分布式微纳米曝气区,3456 m植物浮床区,布设31104根人工水草。前期室内试验得出,在水体流速为0.02.04m/s、水中溶解氧为6mg/L、水温为205℃的情况下,水生植物水葱与超细碳纤维人工水草对北运河水中氨氮、总磷和COD具有较好的净化效果。中试试验验证了微孔曝气—人工水草—水生植物的立体组合生物净化技术的在北运河城区段现场布设的可行性,在秋冬季水温低于10℃时,对水体中氨氮的去除率为16.7%。后期在中试试验基础上,利用Mike21搭建北运河河道水动力模型,对示范工程整体方案进行建设,净化北运河河道水质。