綜合透水地面系統(tǒng)去除城市徑流污染物試驗(yàn)與探索

■ 李蒙正 Li Mengzheng 呂偉婭 Lu Wenya孫研研 Sun Yan

0 引言

目前，城市的下墊面多以混凝土、瀝青等材料鋪設(shè)的硬地面為主。在降雨初期，雨水徑流中裹挾了大量的污染物，最終通過管網(wǎng)排放至受納水體，引起城市地表水體污染。美國環(huán)保署EPA明確表示了城市地表徑流是繼生活污水、工業(yè)廢水和農(nóng)業(yè)面源污染之后，導(dǎo)致城市河流和湖泊污染的第三大污染源[1]。

雨水管理是解決城市徑流污染問題的較好途徑。城市大規(guī)模的基礎(chǔ)設(shè)施和空間/成本的限制，使多數(shù)可用的雨水管理措施難以實(shí)施。美國就此提出了低沖擊開發(fā)模式(Low Impactment Development)，從源頭進(jìn)行降雨徑流污染的控制和管理，通過分散的，小規(guī)模的源頭控制機(jī)制來達(dá)到對暴雨所產(chǎn)生的徑流和污染物的控制，并綜合采用入滲、過濾、蒸發(fā)和蓄流等多種方式，使開發(fā)后城市的水文功能盡可能地接近開發(fā)之前的狀況[2]。透水地面是低沖擊開發(fā)理念中的一個(gè)重要技術(shù)手段，易于應(yīng)用在新城建設(shè)和舊城改造中，可結(jié)合不透水地表，覆蓋一定比例的透水路面，在提高路面結(jié)構(gòu)性能的同時(shí)，降低了成本。

透水地面系統(tǒng)共分為三個(gè)部分：透水面層、找平層和透水基層。綜合透水地面系統(tǒng)是利用縫隙透水材料和自透水材料的綜合透水效果，將地表降水滲入基層，來達(dá)到消減洪峰和減少徑流量的目的。其消減洪峰的效率在許多研究中已經(jīng)得到證實(shí)[3]。近年來，滲濾介質(zhì)的研究和應(yīng)用在國內(nèi)日益受到重視，廣泛應(yīng)用到污水處理、城市雨水徑流凈化等諸多領(lǐng)域。譚凌智[4]等以33厘米厚的蓄水陶土層作為吸附介質(zhì)，研究其對武漢城市主干道雨水面源污染物的吸附、截留及凈化雨水的效果，得出蓄水陶土對TP和TN的去除效果顯著的結(jié)論。姜凌和秦耀民[5]利用人工土壤層處理雨水徑流、補(bǔ)給地下水進(jìn)行研究，采用土砂比參數(shù) 5∶1、滲透厚度為 1m的人工土壤層能去除雨水徑流中大部分污染物。但是，由于缺乏對多層滲濾介質(zhì)在透水路面系統(tǒng)的綜合應(yīng)用研究，導(dǎo)致國內(nèi)對透水地面系統(tǒng)去除徑流污染物的研究較少。國外在研究透水地面系統(tǒng)凈化徑流水質(zhì)時(shí)，主要側(cè)重于徑流中重金屬離子的遷移變化，雖然做了大量此類研究，但由于其地表徑流水質(zhì)較好[6]，較少關(guān)注對多種徑流污染物截留過程及去除效果。

本文根據(jù)南京市雨水地表徑流污染的特點(diǎn)，以TSS、TP、TN、NH3+-N和CODcr為評價(jià)指標(biāo)，比較了自透水性能較好的砂基透水磚路面系統(tǒng)在不同厚度結(jié)構(gòu)層下的去除效果和規(guī)律；測定了污染物在結(jié)構(gòu)層的分布規(guī)律，以期為透水地面系統(tǒng)在去除雨水地表徑流污染的實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置與處理

試驗(yàn)裝置如圖 1所示，采用3個(gè)塑料圓形試驗(yàn)柱，每個(gè)試驗(yàn)柱直徑 0.5m，高度分別為 0.25m、0.35m、0.45m。在每個(gè)試驗(yàn)柱內(nèi)壁附一層土工布，防止壁效應(yīng)的產(chǎn)生(即滲透開始后，一部分雨水較快地沿壁下滲，導(dǎo)致出水水質(zhì)下降)。底部裝0.05m厚的開孔承托板，以便于排水，上面鋪裝基層、找平層和透水磚。找平層和基層間及底部承托板上鋪一層土工布，防止砂礫流失。沿試驗(yàn)柱垂直剖面設(shè)置取樣孔(透水面層底部、找平層底部和底部礫石層處)，每層同一水平高度取樣口設(shè)置3個(gè)，以保證取樣的均勻性。通過自制盲管采集器，定時(shí)采集系統(tǒng)水樣和砂礫樣品。供給試驗(yàn)柱雨水徑流水樣的設(shè)施為內(nèi)置攪拌器的70L水箱，存放配制的道路地表徑流，供水系統(tǒng)由水泵、軟管、LZB-4型轉(zhuǎn)子流量計(jì)、直徑0.45m 的圓形噴頭組成。

按照經(jīng)驗(yàn)對路基厚度變化范圍劃分為：較繁忙人行道100～150mm，自行車、摩托車等輕型車道150～200mm，輕量轎車車行道及停車場等厚為230～300mm[7、8]。所以將試驗(yàn)設(shè)成 3個(gè)模式(表 1)。

1次模擬降雨和 1次落干所構(gòu)成的循環(huán)稱為系統(tǒng)的水力負(fù)荷周期，降雨期從水泵開啟模擬降雨開始至水泵關(guān)閉系統(tǒng)底部無出水為止；落干期指從本次降雨期結(jié)束至下次降雨到來時(shí)。根據(jù)江蘇氣象信息平臺多年南京夏季降雨資料，將試驗(yàn)柱水力負(fù)荷周期設(shè)為降雨期3h、落干期4d。

1.2 試驗(yàn)材料

試驗(yàn)選用環(huán)保總局中國環(huán)境標(biāo)志(Ⅱ型)產(chǎn)品認(rèn)證的節(jié)能省地型生泰砂基透水磚，產(chǎn)品滿足2005年中華人民共和國建材行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)；鋪裝方法參照透水磚路面施工與驗(yàn)收規(guī)程[9]。試驗(yàn)砂礫料來自南京某市政施工現(xiàn)場，砂和級配碎石符合如下級配，如表2、表3所示。

表1 各試驗(yàn)柱結(jié)構(gòu)層形式

表2 找平層用砂級配表

表3 級配碎石顆粒組成表

1.3 試驗(yàn)水樣

供試水樣取自南京市浦珠路機(jī)動車路面和南京工業(yè)大學(xué)校內(nèi)停車場雨水口。徑流采樣時(shí)間間隔為: 0～5 min～10 min～20 min～30 min，對 2011年3月至9月的降雨進(jìn)行了取樣，雨水徑流污染物平均濃度EMC(event mean concentration)表示污染程度。徑流中主要污染物及其濃度如表4所示，其中，TSS采用重量法，TP采用鉬銻抗分光光度法，TN采用過硫酸鉀氧化、紫外分光光度法，氨氮采用納氏試劑光度法，化學(xué)需氧量采用重鉻酸鉀法(GB11914-89)，實(shí)測雨水徑流基本為Ⅴ～劣Ⅴ類水質(zhì)(GB38382-2002)。實(shí)驗(yàn)用水均以本標(biāo)準(zhǔn)配置，其中表征有機(jī)污染物的物質(zhì)為糖類、淀粉和尿素。

1.4 試驗(yàn)過程

在試驗(yàn)準(zhǔn)備階段，用清潔自來水代替試驗(yàn)雨水徑流樣，開啟供水系統(tǒng)，模擬南京夏季平均降雨強(qiáng)度，保證噴頭水流量4.2mm/h，降雨均勻；進(jìn)行一系列的水力系數(shù)和理化參數(shù)[10]測試，系統(tǒng)穩(wěn)定后，砂樣和級配碎石的部分理化參數(shù)如表5所示。

試驗(yàn)開始時(shí)，將配制水樣放入水箱，開啟水箱內(nèi)置攪拌機(jī)，不斷的低速攪拌使水樣處于擾動狀態(tài)，以穩(wěn)定水質(zhì)；降雨期開始后，每間隔一段時(shí)間，分別從各取樣口取水樣，測定TSS、CODcr、TN、TP、氨氮值；降雨期結(jié)束時(shí)和下個(gè)降雨期開始時(shí)，從各層取樣口均勻取砂礫樣，測定其理化性質(zhì)。

2 結(jié)果與討論

2.1 污染物總體去除效果隨時(shí)間的變化規(guī)律

常溫條件下，三個(gè)試驗(yàn)柱采用相同水質(zhì)同時(shí)模擬降雨，運(yùn)行了7個(gè)水力負(fù)荷周期。結(jié)果表明，同一周期，不同模式對同一種污染物的去除率隨時(shí)間的變化規(guī)律相似。選取第3周期不同模式對污染物去除率的時(shí)間變化曲線(圖 2)。同一模式對不同種污染物去除率的周期變化趨勢大致相同(以模式2對污染物去除率的周期變化曲線為例，見圖3)。

表4 試驗(yàn)期間雨水徑流水質(zhì)狀況

表5 砂樣、級配碎石樣的部分理化參數(shù)

TSS：同一周期3種處理模式的TSS平均出水濃度恒定，去除率接近100%。經(jīng)過7個(gè)周期的模擬，各處理模式均表現(xiàn)出去除率的小幅上升。降雨期結(jié)束時(shí)，觀察到透水面層填縫有較多的顆粒。說明粒徑較大的懸浮顆粒首先被截留在表層濾料的空隙中，懸浮物可能沒有“穿透”找平層。

TP：同一周期中3種處理模式出水TP濃度大致保持平穩(wěn)0.1mg/L。在開始的3個(gè)周期，平均去除率約為91%，3個(gè)周期后系統(tǒng)的去除率降幅在15% 左右。從水樣水質(zhì)分析得出，可溶性無機(jī)磷占無機(jī)磷總量的30%，說明大多呈膠體和顆粒狀的磷被系統(tǒng)截留。小部分可溶性無機(jī)磷可能與沙礫中的Ca2+，F(xiàn)e3

+等離子生成難溶性沉淀物沉積在系統(tǒng)內(nèi)部，從而使前期磷的去除率較高，沉淀后磷化合物通過水流的稀釋或者當(dāng)可溶性磷大大超過水體中的磷的濃度時(shí)，重新釋放到水體中，從而導(dǎo)致系統(tǒng)后期出水磷濃度有所增高。

TN和氨氮：TN的去除率隨基層深度的增加，其衰減速率減緩。在同一周期的開始階段，氨氮去除率較高；TN的去除率較低(第一周期除外)，但前10min上升迅速；隨著時(shí)間的延續(xù)，兩者均表現(xiàn)出下降趨勢。在不同的周期中，氨氮的去除率穩(wěn)定在78%左右，出水達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)。因?yàn)樯暗[帶有負(fù)電荷，NH4+很容易被吸附，在開始階段以快速吸附為主，隨著吸附過程的持續(xù)，快速吸附點(diǎn)位逐漸被氨氮占滿，進(jìn)入慢速吸附階段；落干期氨氮發(fā)生硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，系統(tǒng)反硝化能力較弱，在下一個(gè)降雨期硝態(tài)氮隨水排出[11]。TN在前4個(gè)周期的去除率均值為81.5%，后3個(gè)周期，有不穩(wěn)定的增減趨勢。這與Hatt[12]等在研究砂石過濾器時(shí)的現(xiàn)象相似，初期濾料有穩(wěn)定的吸附結(jié)構(gòu)，能有效的吸附顆粒結(jié)合氮，會隨著時(shí)間的推移出現(xiàn)氮素浸出現(xiàn)象。

CODcr：第3周期中，模式1、模式2、模式3對 CODcr的平均去除率分別為 58.5%、 64.6%、 67.0%；從7個(gè)周期看，系統(tǒng)中CODcr的去除率在62%左右，尤其是后3個(gè)周期，去除速率逐漸增大。說明系統(tǒng)對有機(jī)物具有一定的截留和降解能力，降雨期截留的有機(jī)質(zhì)在落干期可能被微生物氧化降解，從而使系統(tǒng)納污能力得以恢復(fù)，生物膜的出現(xiàn)使去除率有上升的趨勢。

2.2 結(jié)構(gòu)層對污染物的去除效果

在同一周期中，不同模式同一結(jié)構(gòu)層對氨氮、TP、CODcr去除率的時(shí)間變化趨勢大致相同。以第3周期模式2各結(jié)構(gòu)層對污染物去除率的時(shí)間變化趨勢(圖4)為例，討論結(jié)構(gòu)層對污染物去除率的變化規(guī)律。從圖中可以看出，氨氮、TP、CODcr的出水濃度從上至下依次減?。晃廴疚镌谕ㄟ^25cm 透水基層過程中也得到了一定程度的去除，但隨著時(shí)間的延續(xù)，透水基層的去除性能減弱速率逐漸大于找平層，甚至在后期出現(xiàn)基層出水TP和CODcr值基本等于找平層。這是由于礫石比表面積較小，表面的截留能力較弱，隨著截留過程的持續(xù)，逐漸達(dá)到飽和狀態(tài)，吸附速率趨近于零。

2.3 污染物在結(jié)構(gòu)層的分布和降解

截留效果用截留量來表示，指本周期降雨期結(jié)束時(shí)刻和開始時(shí)刻同一深度污染物含量的差值。以第3和第4周期模式2為例，討論試驗(yàn)柱中氨氮、TP、TOC截留量的垂向分布和落干期去除效果(圖5)。

可以看出，試驗(yàn)柱對有機(jī)物、總磷和氨氮的截留量隨深度逐漸降低，污染物主要截留在10cm 以上的結(jié)構(gòu)層中；礫石層截留能力較弱，對同一污染物的截留量基本保持不變，氨氮截留量約2mg/kg礫石樣、TOC和TP約20mg/kg礫石樣。結(jié)合污染物總體去除率隨時(shí)間的變化規(guī)律，分析有三方面的原因：①眾多的砂礫表面提供了巨大的沉降面積；②濾料粒徑愈小，沉降面積愈大；③進(jìn)入找平層的細(xì)小顆粒剛好被砂濾料間的細(xì)小空隙攔截，逐漸形成一層主要由被截留的固體顆粒構(gòu)成的濾膜，并由它起主要的過濾作用。

對同一周期落干期開始和結(jié)束時(shí)砂礫樣的理化參數(shù)比較得出，TP的降解程度較低，導(dǎo)致3個(gè)周期后系統(tǒng)對TP的去除率有所降低的現(xiàn)象；TOC平均降低率為61%、氨氮為90%，表明在降雨期截留下來的有機(jī)物和氨氮在較長的時(shí)間內(nèi)被微生物分解和吸收利用，證實(shí)了對氨氮轉(zhuǎn)化過程的推測。落干期使系統(tǒng)的納污能力得以恢復(fù)，保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

3 總結(jié)

(1)透水地面系統(tǒng)對路面雨水徑流污染物有明顯的去除效果，在模擬南京夏季降雨的條件下，通過7個(gè)水力負(fù)荷周期的運(yùn)行，不同厚度的基層表現(xiàn)出相似的去除規(guī)律，其中TSS、TP的平均去除率受基層厚度影響不大，TP的平均去除率70%，TSS接近100%。

(2)在降雨期，污染物主要是截留作用，污染物主要集中在透水面層砂縫和找平層0～10cm砂層，污染物的截留量隨深度逐漸降低，級配碎石截留性能相對較弱。

(3)試驗(yàn)反映出落干期在污染物的降解中發(fā)揮了重要作用。在落干期，截留在滲濾介質(zhì)上的有機(jī)物和氨氮作用顯著，使系統(tǒng)恢復(fù)了對污染物的截留能力。

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