改性木屑對初期雨水徑流污染控制的性能研究

劉 茵，張 挺，王旭冕，張建鋒

(1.西安建筑科技大學 建筑設計研究院，陜西 西安；2.中國市政工程中南設計研究總院有限公司，湖北 武漢 430010；3.西安建筑科技大學 環(huán)境與市政工程學院，陜西 西安 710055)

近年來極端天氣條件下超強暴雨誘發(fā)的城市內(nèi)澇危害頻發(fā)，傳統(tǒng)的城市雨洪快排模式已經(jīng)無法從根本上解決這一難題.2013年以來，各大中城市積極開展以“海綿城市”理念為核心的雨水系統(tǒng)規(guī)劃與建設，以期在調(diào)控城市徑流量的同時實現(xiàn)面源污染的有效削減，實現(xiàn)雨水的資源化利用[1].實踐證明，以綠色屋頂、下凹式綠地、雨水花園等為代表的低影響開發(fā)(LID，Low Impact Development)雨水設施，在實現(xiàn)城市景觀功能的同時，可以有效實現(xiàn)雨水量的積蓄、調(diào)節(jié)和徑流污染削減[2].這其中，結(jié)合城市降雨及徑流污染特征，通過綠地表層土壤改良，強化高污染負荷初期雨水截留和污染物去除效果，是充分發(fā)揮綠地雨水系統(tǒng)功能的關鍵[3].

研究表明，城市綠地對徑流污染物的去除機理主要包括綠地表層土壤和植物根系的過濾、截留、吸附等作用[4].徑流中的氨氮類物質(zhì)歷經(jīng)吸附和生物代謝得到降解，磷的去除主要是土壤吸附、植物吸收以及與鈣、鐵形成沉淀[5-7].另外，改良土壤滲濾介質(zhì)可以實現(xiàn)徑流中無機磷分層吸附，土壤中加入“砂礫料”和“無砂混凝土”的多層滲濾介質(zhì)系統(tǒng)可提高對磷去除率[6-8].徑流中SS主要通過土壤的過濾被截留，同時植物的根系作用也會增強過濾效果[9].相關研究也揭示了植物根系可以吸收和降解酚、氰、鉻、鋅等污染物[10]，植草對重金屬、尤其是呈離子狀態(tài)的重金屬有很好的截留效果[11-12].作為綜合性污染指標的COD主要依靠生物和非生物作用降解，其中生物分解作用使截留在土壤的90%的有機物得到去除[13].

目前，有關綠地系統(tǒng)中污染物處理的研究多集中于植物作用和表層以下土層重建，很少涉及到復合基質(zhì)改良土壤的技術研究.本文在分析城市屋面及道路雨水徑流污染特征的基礎上，采用改性木屑與土壤混合組成復合基質(zhì)的方式提高綠地系統(tǒng)的污染截留效果，在提高綠地系統(tǒng)持水能力的同時強化徑流污染物截留效果，提升初期徑流高污染負荷的原位控制效果，為目前開展的城市綠地系統(tǒng)建設提供技術參考.

1 材料與方法

1.1 降雨徑流污染特征變化研究

雨水采樣點為城市道路旁雨水井和建筑物落水管雨水出口，采樣瓶為300 mL聚乙烯塑料瓶，在使用之前用自來水涮洗干凈，然后再用10%(v/v)的HNO3震蕩洗滌一次，再用自來水反復涮洗，最后用超純水潤洗，晾干后蓋好備用.降雨時自產(chǎn)流開始采集第一個水樣，每5分鐘采集一個水樣，直到采集到90 min的徑流或者徑流結(jié)束為止，期間如果5 min內(nèi)無法采集滿300 mL，則直到采集滿300 mL為止，并做好相關記錄.降雨量條件由自動雨量監(jiān)測站記錄，該雨量計每隔0.2 mm進行一次記錄，可對降雨進行全程監(jiān)測.

1.2 木屑土壤混合物蓄水性能研究

木屑改良處理.孔徑分布分析表明，實驗用木屑中微孔比例為97.7%.木屑經(jīng)2 mm孔徑篩去除細小顆粒，用稀鹽酸浸泡2 h后，用水沖洗三遍，再用5%的三氯化鐵(FeCl3)浸泡24 h，撈出晾干，密封儲存.

持水性實驗.將木屑、木屑混合物、土壤三種基質(zhì)放置于對應的塑料培養(yǎng)皿中，用電子天平稱量各自樣本的質(zhì)量，記錄數(shù)據(jù)作為吸水前的質(zhì)量.分別用水浸沒12 h后用吸水紙吸培養(yǎng)皿中多余的水分直至吸干，用電子天平量稱重，吸水前后兩次質(zhì)量之差則為材料的飽和蓄水量.設立 3 組平行樣，樣本1、2和3為木屑，樣本4、5、6為木屑混合物(所采用的基質(zhì)符合種植草坪土壤含量要求和復合材料蓄水功能要求[14]，木屑和土壤的體積比為95∶100)，樣本7、8和9為土壤.除樣本8外其它樣本體積相等，樣本8土壤質(zhì)量和木屑樣本質(zhì)量基本相等，以確定土壤的體積和密度換算關系.

1.3 改良綠地實驗裝置對徑流污染去除研究

實驗裝置平面尺寸30 cm×60 cm，高度50 cm，由上往下依次為10 cm超高、5 cm土壤、30 cm復合基質(zhì)和3 cm石英砂層，其中復合基質(zhì)為改性木屑和土壤按照95∶100體積比例混合物，種植植物為麥冬和果嶺草兩種常見草坪草.裝置底部裝有出水管、頂部設進水布水管和流量調(diào)節(jié)閥門.實驗中根據(jù)不同降雨量折算裝置進水量和取樣時間設置.實驗水樣采用降雨期間收集的30 min初期徑流，個別實驗中采用人工配制水樣，人工配置雨水的水質(zhì)見表1.

表1 人工配制雨水水質(zhì)Tab.1 The concentration of main pollutants in artificially prepared rainwater

水樣監(jiān)測指標包括SS、CODCr(文中均采用COD)、TN、TP、NH3-N、NO3-N、Pb等6個指標，方法采用國家標準方法.

1.4 復合基質(zhì)中Fe的流失性能

復合基質(zhì)中包含經(jīng)FeCl3處理的改性木屑，在實驗過程中通過監(jiān)測裝置出水中的總Fe濃度變化，評估復合基質(zhì)中Fe的流失情況.Fe濃度采用鄰菲羅啉法測定[17].

2 研究結(jié)果與分析

2.1 土壤木屑蓄水性能研究

持水量指的是單位質(zhì)量土壤抵抗重力所能吸持的最大水量，一般用來表示土壤的蓄水性能.原狀土壤、復合基質(zhì)(土壤∶木屑體積=100∶95)的持水量分別為0.56 g/g、0.86 g/g(圖1所示).與土壤對比，復合基質(zhì)的持水量提高了約54%，這對于雨水徑流量的滯納削鋒作用顯著.從持水時間上看出，復合基質(zhì)的持水時間可以達到70 h，而原狀土壤的持水時間為58 h，持水時間的延長對于土壤保墑和植物生長具有積極作用.實驗所用木屑的微孔比例高達97.7%，因此復合基質(zhì)的持水性強于土壤.進一步的分析發(fā)現(xiàn)，兩種材料在自然條件下的含水率下降速率基本相當，因此復合基質(zhì)在實際中的使用不會明顯改變地層的雨水入滲性能.

圖1 不同基質(zhì)的持水量隨時間變化Fig.1 The water holding capacities of various basement materials with time

2.2 降雨徑流污染特征

從樓宇落水管連接的第一個雨水口開始出現(xiàn)徑流開始計時，屋面雨水多個樣品的污染指標監(jiān)測表明污染負荷在0～30 min較高(見圖2)，前30 min內(nèi)COD、SS、TN的衰減速度較大，隨時間延長各污染指標趨于穩(wěn)定.降雨初期由于屋面積累降塵物的溶解與分散，初期雨水中COD和SS的濃度分別達到403 mg/L、327 mg/L.隨降雨時間延長，各項指標值持續(xù)下降，約50 min后各項指標值趨于穩(wěn)定，雨水的COD、SS、TN和TP濃度分與屋面徑流相比較，城市道道路徑流雨水污染物濃度更高.監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，降雨初期道路雨水中COD、SS、TN、NO3-N和TP濃度分別為523.2 mg/L、389.4 mg/L、17.1 mg/L、32 mg/L和6.96 mg/L.從污染指標變化趨勢來看，在前40 min路面雨水的COD、SS、TN、NO3-N和TP下降比較快，隨后各污染指標趨于穩(wěn)定，其中COD、SS、TN、NO3-N和TP穩(wěn)定在71.38 mg/L、47.20 mg/L、3.01 mg/L、2.19 mg/L和1.91 mg/L，降雨前40 min雨水徑流中各類污染物含量占整場降雨污染物總量的50%～80%.屋面及道路兩種下墊面條件下徑流污染均呈現(xiàn)出初期雨水污染負荷較大的特征，因此在西安地區(qū)開展雨水利用時，結(jié)合實際情況確定的“徑流初期30 min內(nèi)雨水污染控制”是城市面源污染負荷削減的關鍵.

圖2 屋面和路面徑流水質(zhì)隨時間變化Fig.2 Pollutants concentration of rainfall runoff from roof and road with time

別穩(wěn)定在62.76 mg/L、51.53 mg/L、1.71 mg/L和1.61 mg/L，pH在整個降雨過程中基本不改變.

3 降雨徑流中污染物的去除

3.1 降雨徑流中常規(guī)污染物去除

(1)屋面降雨徑流污染物去除

采用復合基質(zhì)構(gòu)建的模擬綠地系統(tǒng)對實際實際屋面徑流污染削減效果見圖3.監(jiān)測顯示，屋面徑流污染物濃度變化過程中，“初期雨水高污染負荷”的特征明顯，在前30 min，系統(tǒng)對COD、SS、NH3-N、TP、NO3-N、TN等指標的去除效果分別為60.7%、68.4%、70.9%、67.4%、66.8%、62.3%，系統(tǒng)出水對應的指標值分別為12.69 mg/L、9.6 mg/L、0.29 mg/L、0.12 mg/L、0.21 mg/L和0.36 mg/L；30～90 min時段內(nèi)，系統(tǒng)對上述6個指標的去除率分別為48.3%、62.1%、75.0%、58.2%、70.7%、70.0%.在整個徑流期間，對于確定的6個污染指標的去除率最小為48.3%(COD)、最大為70.9%(NH3-N).

圖3 復合基質(zhì)去除屋面徑流雨水污染物效果Fig.3 Removal efficiency of composite materials basement for rainwater pollutants in roof rainwater runoff

收集實際降雨條件下的道路雨水口徑流，研究模擬綠地系統(tǒng)對于道路雨水中污染物的去除效果(見圖4).本場次降雨的歷時較短、強度較大且整個過程中降雨強度變化較大，因此，徑流雨水中污染物濃度較大，且受到降雨強度突然增強影響徑流雨水污染物濃度出現(xiàn)突然升高現(xiàn)象；降雨歷時前10 min污染物濃度呈現(xiàn)逐漸下降趨勢，降雨歷時10 min以后降雨強度增大，污染物濃度隨后也出現(xiàn)上升趨勢，但與初期雨水污染物相比則小很多.由于降雨徑流中夾雜較多雪松針形落葉，SS濃度較高.

圖4 復合基質(zhì)去除道路徑流雨水污染物效果Fig.4 Removal efficiency of composite materials basement for rainwater pollutants in road rainwater runoff

降雨徑流初期污染物SS、COD、NO3-N、NH3-N、TP、TN濃度分別為409.5 mg/L、239.8 mg/L、13.7 mg/L、20.2 mg/L、7.21 mg/L、26.5 mg/L.從污染指標的去除效果來看，初期雨水SS的最高去除率達到64%，這應該與土壤及植物根系的協(xié)同截留作用有關；COD、NH3-N和NO3-N的去除率較低.10～15 min時刻隨著降雨強度的突然變大，徑流中SS和COD分別上升了40.7 mg/L、41.2 mg/L，盡管模擬系統(tǒng)出水污染物濃度略有升高，但上升幅度遠小于進水濃度的變化，揭示復合基質(zhì)材料具有一定的耐污染負荷沖擊能力.路面徑流歷經(jīng)15 min左右后污染物濃度逐漸下降.因降雨歷時較短，徑流雨水中污染濃度幾乎一直呈現(xiàn)下降趨勢，而在徑流歷時25 min以后從裝置流出的雨水污染物濃度至穩(wěn)定.

3.2 復合基質(zhì)的重金屬離子截留性能

根據(jù)國內(nèi)外的研究，城市面源污染中重金屬離子污染主要源于屋面材料、燃料以及工業(yè)排塵.在實驗綠地裝置進水中人工添加兩種0.10和0.20 mg/L濃度的Pb2+，按照兩年一遇30分鐘短歷時降雨條件運行，出水中Pb2+的濃度均低于0.05 mg/L(見圖5).在綠地系統(tǒng)中，由于金屬元素在土壤層中會發(fā)生一系列復雜的物理化學反應，包括膠體微粒的物理吸附、離子交換或發(fā)生化學反應生成螯合物等，因此綠地系統(tǒng)對重金屬離子的截留效果良好[15].

圖5 木屑對徑流雨水Pb的去除Fig.5 Removal of Pb in runoff rainwate by modified sawdust

3.3 改良綠地實驗裝置對徑流污染去除穩(wěn)定性

改良綠地實驗裝置對6場次降雨徑流污染物去除率(90 min時段)見圖6.第1、2和3場次為屋面降雨徑流，第4、5和6次為道路路面降雨徑流，實驗裝置對各種污染物去除率基本維持穩(wěn)定水平，未發(fā)現(xiàn)去除率隨時間延長出現(xiàn)持續(xù)降低情況.由于路面徑流污染物濃度較大，道路徑流污染去除率略低于屋面徑流污染的去除率.復合基質(zhì)在重復使用過程中，第一次使用時鐵的泄漏濃度峰值在2.0 mg/L，后續(xù)5次使用時出水中鐵濃度均維持在1.0 mg/L以下.

圖6 改良綠地實驗裝置對徑流污染去除穩(wěn)定性Fig.6 Stability of removal efficiency of improved lawn system

4 結(jié)論

通過實驗監(jiān)測屋面和道路降雨徑流水質(zhì)變化，確定了西安城區(qū)屋面及城市道路降雨徑流的污染特征，采用改性木屑與土壤構(gòu)建了復合基質(zhì)材料的模擬綠地系統(tǒng)，并對其初期雨水的處理效果進行了比較分析，得到以下結(jié)論：

(1)路面降雨徑流污染濃度整體高于屋面降雨徑流污染物濃度，徑流初期15～30 min內(nèi)雨水污染物負荷占整場降雨污染物總負荷65%以上；

(2)采用復合基質(zhì)材料改良土壤構(gòu)建的模擬綠地系統(tǒng)，持水量相比較原狀土壤提高約54%，對于屋面及路面徑流中主要污染指標具有穩(wěn)定的去除效率，該系統(tǒng)構(gòu)造簡單、維護便利，適用于初期高污染負荷雨水徑流的原位分散處理，可為城市景觀綠地不斷開展的徑流控制和污染削減能力提升提供技術參考.