人工強(qiáng)化生態(tài)緩沖裝置對(duì)城市初期雨水污染負(fù)荷的削減作用

顏錕　崔康平　許為義　汪翠萍　張國臣

摘要：為削減城市初期雨水的污染負(fù)荷，設(shè)計(jì)了以碎石和碎木片為填料主體的人工強(qiáng)化生態(tài)緩沖裝置，研究了該系統(tǒng)在較短淹水時(shí)間（15、30、60 min）內(nèi)對(duì)城市初期雨水水質(zhì)的改善效果，分析了生態(tài)緩沖帶對(duì)COD、NH3-N、TN、TP等4種污染物的去除過程和機(jī)理。結(jié)果表明，15 min淹水時(shí)間下對(duì)COD、NH3-N、TN、TP的平均去除率分別為37.32%、53.36%、19.04%、31.26%；60 min淹水時(shí)間的平均去除率分別為63.72%、71.64%、32.83%、49.35%，平均出水濃度為74.00、3.46、12.13、1.46 mg/L，均達(dá)到了城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB18918-2002）的一級(jí)或二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

關(guān)鍵詞：人工強(qiáng)化生態(tài)緩沖帶；初期雨水；淹水時(shí)間；削減

中圖分類號(hào)：X703.1 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：0439-8114（2016）08-1964-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.08.014

Abstract： An artificially intensified ecological buffer was designed for the reduction of pollution load of initial rainwater. Gravel and chips was the main body of carrier for buffer. The improved effects for the initial rainwater of the system in a short submerge time （15，30，60 min） were considered. The removal mechanism and process of COD，NH3-N，TN and TP were emphatically analyzed in the test. The results showed that at the submerge time of 15 min，the average removal rates of COD、NH3-N，TN and TP were 37.32%，53.36%，19.04% and 31.26%； At the time of 60 min，the average removal rates were 63.72%，71.64%，32.83%，49.35%， the average concentrations in effluent were 74.00，3.46，12.13，1.46 mg/L. The concentrations of pollutions were meet the first or second grade discharge standard of pollutants for municipal wastewater treatment plant （GB18918-2002）.

Key words： artificially intensified ecological buffer； initial rainwater； submerge time； removal

隨著城鄉(xiāng)一體化的迅速發(fā)展和居民生活水平的提高，水資源短缺已成為制約中國經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展的重要因素，而不斷推進(jìn)的工業(yè)化進(jìn)程，也使得水體污染日益嚴(yán)重。在發(fā)達(dá)國家，點(diǎn)源污染已基本得到有效控制，雨水徑流帶來的非點(diǎn)源污染成為水體污染的主要因素[1，2]。城市地表徑流含有相當(dāng)數(shù)量的懸浮顆粒物、營養(yǎng)鹽、重金屬和有機(jī)污染物，如果未經(jīng)處理排入城市受納水體，易引發(fā)水體富營養(yǎng)化和水生生態(tài)系統(tǒng)破壞等[3-5]。研究表明，雨水徑流具有明顯的初期沖刷效應(yīng)，即在多數(shù)情況下，污染物集中在初期的數(shù)毫米雨量中[2，5]。因此，控制初期雨水成為雨水利用系統(tǒng)和城市徑流污染控制的一項(xiàng)主要舉措[6，7]。

雨水生態(tài)處理技術(shù)作為低影響開發(fā)（Low impact development，LID）體系[8]的重要組成部分，在徑流量削減、徑流污染控制、地下水回補(bǔ)及景觀方面具有顯著的生態(tài)效應(yīng)[9]。國外典型的雨水生態(tài)技術(shù)主要有暴雨濕地、雨水花園、植被過濾帶、生物滯留池等[9-12]。Davis[11]利用沙和碎報(bào)紙組成厭氧層處理徑流雨水，試驗(yàn)表明該填料具有較好的滯留能力，能促進(jìn)反硝化作用，提高TN的去除效率；胡愛兵等[13]利用土壤、碎石填料模擬生物滯留池，達(dá)到凈化道路雨水徑流和削減硬化路面洪峰流量的目的。

本研究針對(duì)初期雨水的水質(zhì)特點(diǎn)，結(jié)合植被過濾帶、生物滯留池的處理機(jī)理，研究了由碎石、碎木片等自然界中非改性物質(zhì)組成的滲濾系數(shù)較大的土壤-碎石-碎木片組合填料對(duì)初期雨水進(jìn)行的緩沖效果，探討了在不同淹水時(shí)間（15、30、60 min）內(nèi)對(duì)初期雨水水質(zhì)的凈化效果和機(jī)理，以期為中國的雨水徑流污染防治及雨水綜合利用提供參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗(yàn)用土為校園草坪沙壤土；碎石、鵝卵石為建筑工地的篩選河沙；碎木片為破碎的速生楊木材；試驗(yàn)階段用水以文獻(xiàn)[14]中合肥市老城區(qū)雨污合流段路面初期徑流雨水污染物濃度平均值為依據(jù)，用上海國藥集團(tuán)生產(chǎn)的分析純（AR）藥品C6H12O6、KH2PO4、KNO3、NH4Cl以及道路塵土加自來水配置而成，同時(shí)在降雨期間收集道路雨水口及集水井處前10～20 min雨水。主要水質(zhì)指標(biāo)見表1。

1.2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)裝置為長100 cm、寬30 cm、高70 cm的有機(jī)玻璃材料制成的模擬槽（圖1），基本構(gòu)造如下：下部為10 cm的鵝卵石層（粒徑0.5～1.0 cm），中間主體部分為40 cm的粗礫石+5%碎木片層（粒徑0.5～1.0 cm），上部為5 cm的細(xì)礫石層（粒徑0.25～0.5 cm），最上層為10 cm的種植土壤，并種植有本地常見的邊坡草。裝置底端設(shè)有出水口，以收集出水。

1.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)開始前3周，取合肥工業(yè)大學(xué)斛兵塘水，每天恒流進(jìn)水30 min，水力負(fù)荷0.1 m/d，淹水8 h后排出，對(duì)系統(tǒng)中的微生物進(jìn)行接種培養(yǎng)，每天檢測(cè)進(jìn)出水水質(zhì)，25 d后出水水質(zhì)穩(wěn)定，啟動(dòng)完成。自2014年4月27日起，按照試驗(yàn)階段用水水質(zhì)補(bǔ)水，水力負(fù)荷0.15 m/d，分別在淹水15、30、60 min時(shí)收集滲濾出水，測(cè)定進(jìn)出水水質(zhì)。運(yùn)行過程中，監(jiān)測(cè)進(jìn)水和滲濾出水的化學(xué)需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）、總磷（TP）、懸浮物（SS）。分析方法參考文獻(xiàn)[15]中的規(guī)定和要求。

2 結(jié)果與分析

自2014年4月27日至7月20日共計(jì)模擬初期雨水試驗(yàn)25次，實(shí)際采集降雨期間10～20 min道路徑流雨水4次。不同淹水時(shí)間下各項(xiàng)目的出水濃度和去除率變化范圍如表2所示。

2.1 不同淹水時(shí)間COD的去除效果

在試驗(yàn)運(yùn)行階段，系統(tǒng)進(jìn)水至淹水15、30、60 min COD的濃度變化和去除率變化如圖2所示。

由表2、圖2可知，系統(tǒng)試驗(yàn)階段COD進(jìn)水濃度為174～276 mg/L，淹水15 min的出水平均濃度為135 mg/L，平均去除率為37.32%。隨著淹水時(shí)間的增加，淹水30 min的平均出水濃度降低至111 mg/L，淹水60 min的平均出水濃度降低至74 mg/L，達(dá)到了城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB18918-2002）的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，COD的去除率最高達(dá)到81.96%，去除率與進(jìn)水濃度呈現(xiàn)一定的相關(guān)關(guān)系。采用實(shí)際雨水試驗(yàn)，進(jìn)水COD濃度為148～305 mg/L時(shí)，淹水60 min的出水COD濃度為65～96 mg/L。同時(shí)，模擬雨水和實(shí)際雨水試驗(yàn)的進(jìn)水COD變化較大時(shí)，淹水60 min出水COD濃度維持在39～96 mg/L之間，表明該系統(tǒng)具有一定的抗沖擊負(fù)荷能力。

由于合肥典型區(qū)域道路初期雨水中的COD多為懸浮態(tài)[16]，懸浮態(tài)COD的去除主要靠填充基質(zhì)的過濾、吸附以及生物氧化作用。有機(jī)物進(jìn)入系統(tǒng)后，首先經(jīng)基質(zhì)過濾、吸附作用截留下來，然后通過微生物的接觸氧化作用被降解，在污水與基質(zhì)的接觸過程中，污水中的有機(jī)污染物被大量的微生物氧化分解而得以去除。本研究中，在試驗(yàn)后期有3次采樣的落干時(shí)間為5 d，淹水15 min的去除率降低至14.21%，淹水60 min去除率降低至37.89%。5 d落干期的去除率較落干期2 d的去除率有較大的下降，可能的原因在于隨著落干時(shí)間的增長，土壤填料內(nèi)部孔隙率增大，機(jī)械過濾性能降低，同時(shí)雨水在試驗(yàn)前期的入滲過程中可能將碎木片中的部分有機(jī)物（纖維素、木質(zhì)素等）淋洗出來，導(dǎo)致COD的出水濃度升高。

2.2 不同淹水時(shí)間NH3-N的去除效果

試驗(yàn)運(yùn)行階段，25次模擬試驗(yàn)中NH3-N的濃度變化和去除率變化如圖3所示。

由表2、圖3可知，出水水質(zhì)隨著進(jìn)水NH3-N濃度的變化而變化，在2 d落干期，系統(tǒng)在淹水15 min的出水水質(zhì)穩(wěn)定在5.67 mg/L，去除率平均為53.36%，隨著淹水時(shí)間的增長，去除率逐漸增加，淹水60 min的最低去除率為56.89%，最高去除率為87.61%，平均出水濃度為3.46 mg/L。單場降雨試驗(yàn)中，NH3-N的平均進(jìn)水濃度為10.44 mg/L，平均出水濃度為3.57 mg/L，達(dá)到了城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB18918-2002）的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)，起到了較好的緩沖效果。

初期雨水中的氮主要以有機(jī)氮和NH3-N的形式存在，滲入土壤后，有機(jī)氮和NH3-N被吸附和截留，隨后在微生物的作用下被降解，部分被植物吸收。在布水期，系統(tǒng)溶解氧量減少，好氧硝化作用受到一定的抑制，此時(shí)去除NH3-N的主要途徑是填料的吸附作用。落干期，系統(tǒng)恢復(fù)了良好的透氣性、氧化性以及較好的水力傳導(dǎo)能力，硝化作用得到加強(qiáng)，吸附在填料上的NH3-N被硝化細(xì)菌同化而分解。本試驗(yàn)中，填料采用滲透性能較好的碎石，采用試驗(yàn)前接種、縮短水力負(fù)荷周期、加快干濕交替頻率的運(yùn)行方式，使系統(tǒng)具備了發(fā)生硝化作用的有力條件，維持較好的NH3-N去除效果。另有研究表明[17]，植物對(duì)氮的吸收主要發(fā)生在系統(tǒng)表層的土壤中，NO3--N和NH3-N是能被植物利用的最主要的氮源。本試驗(yàn)前期由于在移栽中植物的根系受到一定程度的破壞，植物的生長情況較差，NH3-N的去除效果不顯著，隨著試驗(yàn)的進(jìn)行，植物根系逐漸恢復(fù)生長，提高了對(duì)系統(tǒng)中NH3-N的去除。

2.3 不同淹水時(shí)間TN的去除效果

在試驗(yàn)運(yùn)行階段，TN的濃度變化和去除率變化如圖4所示。

隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，TN的出水濃度隨著淹水時(shí)間的增長而降低，不同的淹水時(shí)間，TN的去除率波動(dòng)較大，淹水15 min的去除率為5.21%～33.05%，淹水60 min間的去除率為14.19%～55.10%。從去除情況看，進(jìn)水與出水TN濃度呈現(xiàn)一定的相關(guān)性，進(jìn)水TN濃度在14.32～26.76 mg/L時(shí)，平均出水濃度由淹水15 min的15.71 mg/L降低至淹水60 min的12.13 mg/L。實(shí)際雨水試驗(yàn)中，TN平均進(jìn)水濃度為22.15 mg/L，淹水60 min平均出水濃度為15.63 mg/L，平均去除率為29.46%，達(dá)到了城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB18918-2002）的一級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。

TN的去除主要是以微生物為主導(dǎo)的硝化和反硝化作用，而決定最終出水濃度的是反硝化作用。反硝化作用是經(jīng)硝化作用生成的NO2--N和NO3--N在無氧或缺氧的條件下被反硝化細(xì)菌還原轉(zhuǎn)化為N2的過程。在反硝化過程中，碳源是重要的影響因素[18]。Lucas等[19]發(fā)現(xiàn)，由于沒有足夠的反硝化反應(yīng)發(fā)生，在持續(xù)干旱后NO3--N的淋洗現(xiàn)象更強(qiáng)，而添加碳源的設(shè)計(jì)對(duì)于抵抗這種不利影響非常有效，但可能造成填料中的氮營養(yǎng)物本底值過高而使出流水質(zhì)惡化。本研究在碎石中添加5%的碎木片，在歷次試驗(yàn)中存在5次淹水15 min的出水TN濃度大于進(jìn)水TN濃度，即發(fā)生氮的淋洗現(xiàn)象。因此控制有機(jī)質(zhì)的添加量，避免淋洗現(xiàn)象的發(fā)生，研究有機(jī)質(zhì)含量與TN去除率的關(guān)系，是后續(xù)研究中的重點(diǎn)。

2.4 不同淹水時(shí)間的TP去除效果

常溫條件下（試驗(yàn)環(huán)境溫度25 ℃），人工強(qiáng)化生態(tài)緩沖帶中TP的進(jìn)出水濃度和去除率變化見表2、圖5。

隨著淹水時(shí)間的增長，TP的出水濃度逐漸減少，去除率逐漸增加。系統(tǒng)運(yùn)行初期，TP的出水濃度和去除率存在一定波動(dòng)，淹水60 min的出水濃度為0.67～2.33 mg/L，去除率為33.69%～72.53%。整個(gè)試驗(yàn)階段的進(jìn)水TP平均濃度為2.74 mg/L，淹水60 min的平均出水濃度為1.46 mg/L。單場降雨試驗(yàn)中，TP的進(jìn)水濃度為3.68、2.35、2.79、3.04 mg/L時(shí)，淹水60 min的出水濃度為2.03、1.57、1.90、2.13 mg/L。模擬試驗(yàn)和收集初期雨水試驗(yàn)的TP出水濃度均優(yōu)于城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB18918-2002）的二級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，且進(jìn)水濃度變化較大時(shí)，出水TP濃度波動(dòng)不大，說明系統(tǒng)在穩(wěn)定運(yùn)行的情況下對(duì)進(jìn)水水質(zhì)具有一定的抗沖擊負(fù)荷能力。

道路雨水徑流中的磷主要以有機(jī)磷和無機(jī)磷兩種形態(tài)存在，其中以PO43-形態(tài)存在的磷占主要部分。人工強(qiáng)化生態(tài)緩沖帶對(duì)磷的去除主要依靠填料的吸附與固定、植物根系的吸收以及化學(xué)沉淀、微生物利用等。植生土壤對(duì)磷的吸附被認(rèn)為是最有效的去除途徑[20]。系統(tǒng)運(yùn)行初期，吸附作用占主導(dǎo)地位，本試驗(yàn)中采用的土壤為草地沙壤土，土壤中含有一定量的Ca2+、Al3+、Fe3+等離子，與徑流中的磷發(fā)生絡(luò)合反應(yīng)，生成各種難溶性磷酸鹽，去除率較高。隨著系統(tǒng)的運(yùn)行，吸附容量達(dá)到飽和，去除率有所下降，淹水15 min對(duì)TP去除率降低至16.82%，但植物根系對(duì)磷的吸收利用有所增強(qiáng)，同時(shí)聚磷菌的生長繁殖加快，在基質(zhì)-微生物-植物的共同作用下，對(duì)磷的去除率逐漸增加，最后實(shí)現(xiàn)磷的穩(wěn)定去除。

3 結(jié)論

1）本試驗(yàn)條件下，人工強(qiáng)化緩沖帶處理模擬合肥老城區(qū)初期雨水，對(duì)COD、NH3-N、TP、TN均有一定的緩沖效果。除TN外，運(yùn)行初期，各指標(biāo)均能達(dá)到較好的緩沖效果，后期運(yùn)行過程中，進(jìn)水濃度的變化對(duì)系統(tǒng)出水影響較小，能夠承受一定的污染負(fù)荷波動(dòng)。

2）NH3-N的去除效果較好，淹水60 min的去除率為56.89%～87.61%，對(duì)于COD和TP，隨著淹水時(shí)間的增長，緩沖效果的增強(qiáng)較為明顯；對(duì)于TN，運(yùn)行初期的緩沖效果隨進(jìn)水水質(zhì)波動(dòng)較大，淹水60 min的最低去除率為14.19%，試驗(yàn)后期，淹水60 min的平均出水濃度穩(wěn)定在12.13 mg/L左右，達(dá)到了城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)（GB18918-2002）的一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。

3）后續(xù)試驗(yàn)應(yīng)用系統(tǒng)填料中碎木片的添加量對(duì)反硝化作用的影響，探究最佳的碳源添加量。在應(yīng)用過程中，根據(jù)場地規(guī)模和不同淹水時(shí)間下各指標(biāo)的去除率設(shè)計(jì)不同過流時(shí)間和尺寸的人工生態(tài)緩沖帶濾槽。

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