改良型透水混凝土鋪裝去除徑流污染物的試驗研究

劉 蕊，郜會彩，應 鵬

（1.紹興文理學院土木工程學院，浙江紹興312000；2.浙江省巖石力學與地質(zhì)災害重點實驗室，浙江紹興312000；3.浙江省山體地質(zhì)災害防治協(xié)同創(chuàng)新中心，浙江紹興312000）

近年來，氣候多變導致不透水路面多發(fā)洪澇災害，雨水徑流已發(fā)展成為非點源污染的一個主要因素。透水鋪裝去除徑流污染物的效能已逐漸被學者們關(guān)注，目前國內(nèi)外已有一些學者開展了不同透水路面去除徑流污染的研究工作。Ruston［1］通過研究雨水徑流中的污染負荷發(fā)現(xiàn)，合理利用透水路面能有效緩解徑流污染。Drake［2］研究發(fā)現(xiàn)，透水混凝土路面可以有效去除徑流污染中90%的TSS。Kamali 等［3］研究提出傳統(tǒng)透水路面對氨氮的去除效果較好，但對總氮和硝態(tài)氮的去除效果一般。紀桂霞等［4］研究發(fā)現(xiàn)，路面鋪設下墊面材料影響徑流水質(zhì)的嚴重程度依次是瀝青混凝土路面＞綠地面＞瓦屋面。解曉光［5］研究發(fā)現(xiàn)，透水鋪裝中各層材料組成的不同會對SS 和COD 的去除產(chǎn)生一定的影響，提出通過增加纖維布鋪設過濾下墊層可提升SS 的去除效率。崔珍珍［6］研究發(fā)現(xiàn)，透水混凝土磚對污染物SS 和TP 的去除效果較為明顯，但對COD 和TN 的去除效果較差。為響應“海綿城市”及“無廢城市”的建設理念，夏偉東等［7］指出將建筑廢棄物再生骨料應用于海綿城市建設具有一定的現(xiàn)實意義。李巖凌等［8］研究發(fā)現(xiàn)，再生骨料蓄水率明顯大于天然骨料，能進一步緩解城市熱島效應。

綜上所述，透水路面的合理使用可以有效去除徑流污染物，再生骨料透水性強及可回收利用的優(yōu)勢明顯，但將再生骨料合理運用到透水鋪裝中，研究其對徑流污染去除效果的成果還不多。為了更好地支持我國海綿城市建設并研究再生骨料對徑流污染的去除效果，本文利用再生骨料制成改良型透水混凝土鋪裝，開展不同降雨重現(xiàn)期、不同降雨間歇時間下的入滲試驗，研究其對典型徑流污染物的去除效能，并與普通透水混凝土鋪裝的去除效果做對比。研究成果可為今后海綿城市建設和建筑廢棄物回收利用等提供理論參考。

1 試驗裝置、材料與內(nèi)容

1.1 試驗裝置

如圖1所示，試驗模擬降雨采用自制的直徑20 cm、高30 cm的降雨桶，桶底均勻分布25 個直徑為0.2 cm 的小孔，通過改變孔數(shù)和進水水量來控制降雨強度；透水鋪裝模型裝置垂直放置于降雨桶下方，選取直徑20 cm、高度45 cm的PVC圓筒，圓筒內(nèi)壁進行粗糙化處理，側(cè)面依次按照圖1設置孔口，分別為溢流口和取樣口a、b、c。其中，取樣口a 處于透水混凝土面層中，取樣口b 處于粒徑為10～18 mm 的再生骨料墊層1 中，取樣口c 處于粒徑20～26 mm再生骨料墊層2中。

圖1 試驗裝置布置圖Fig.1 Layout plan of test equipment

1.2 試驗材料及水質(zhì)

1.2.1 試驗材料

試驗設置2 種類型的透水混凝土鋪裝，內(nèi)部結(jié)構(gòu)及材料設置見表1。制作透水混凝土鋪裝所需材料主要有PO42.5級普通硅酸鹽水泥、不同粒徑級配再生骨料和天然骨料、透水土工布、基層土樣等。其中改良型透水混凝土面層按水灰比0.3、集灰比3.7，采用5 mm 單級配粒徑再生骨料、PO42.5 級普通硅酸鹽水泥、聚羧酸緩凝高性能減水劑等澆筑而成，如圖2所示。

圖2 透水混凝土面層Fig.2 Permeable concrete surface layer

表1 各層組成及材料設置Tab.1 Composition and Material Setting

1.2.2 試驗水質(zhì)

根據(jù)資料分析，各個國家和地區(qū)由于路面鋪設要求、行人數(shù)等不同，透水混凝土路面徑流污染物差異較大，其中SS、COD、TN 和TP的濃度分別為7～4 950、17～1 778、1.6～30和0.03～1.85 mg/L［8，9］。為方便控制和測量不同降雨條件下透水鋪裝對徑流污染的去除效果，試驗中徑流污染物SS、COD、TN 和TP 將分別使用道路揚塵、化學藥劑葡萄糖、甘氨酸、磷酸二氫鉀配置試驗用水。

1.2.3 污染物分析方法

試驗期間取得水樣需在24 h 內(nèi)檢測完成，常規(guī)污染物檢測參考《水與廢水監(jiān)測分析方法》（第四版），具體選用分析方法如表2所示。采用公式（1）計算對應典型污染物去除率η。

表2 污染物分析方法Tab.2 Pollutant analysis methods

式中：C進進水濃度；C出為出水濃度。

1.3 試驗內(nèi)容及步驟

根據(jù)相關(guān)文獻和規(guī)范，降雨歷時選60 min，控制不同降雨強度、降雨間歇時間，同時設置普通透水混凝土鋪裝作為對照。具體試驗內(nèi)容及步驟如下：

（1）不同降雨重現(xiàn)期下改良型透水混凝土鋪裝控污試驗：首先利用紹興市暴雨強度公式（2）計算出不同重現(xiàn)期下模擬降雨數(shù)據(jù)，如表3所示。配置徑流污染物SS、COD、TN 和TP 的濃度分別為500、300、9 和0.8 mg/L 作為模擬用水。根據(jù)試驗前降雨筒調(diào)試結(jié)果，不同重現(xiàn)期降雨強度按照堵孔數(shù)量來控制。試驗開始后，隨著時間推移鋪裝內(nèi)部逐漸蓄水，表面產(chǎn)生徑流并升高至溢流口；從溢流口溢水開始計時，每隔10 min 在取樣口采集水樣，利用儀器測定污染物濃度。

表3 不同重現(xiàn)期下模擬降雨設置Tab.3 Modulated rainfall settings for different recurrence periods

式中：i為設計降雨強度，mm/min；P為設計降雨重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時，min。

（2）不同降雨間歇時間下改良型透水混凝土鋪裝控污試驗：保持重現(xiàn)期P=2 a、降雨歷時60 min 及模擬用水濃度SS、COD、TN、TP 分別為500、300、9、0.8 mg/L 等條件不變，降雨間歇時間分別取1、3、5、7、10、15、30 d；自模擬降雨開始，按照與之前試驗一致的操作進行試驗，60 min 時在取樣口取樣檢測污染物濃度。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同降雨重現(xiàn)期下改良型透水鋪裝系統(tǒng)控污效果

降雨重現(xiàn)期P為2、5、10 a 時，不同取樣口對應的徑流污染物SS 去除率如圖3（a）～3（c），兩種透水鋪裝的SS 出水濃度變化如圖3（g）；不同取樣口對應的徑流污染物COD 去除率如圖3（d）～3（f），兩種透水鋪裝的COD出水濃度變化如圖3（h）。

圖3 不同降雨重現(xiàn)期下透水鋪裝系統(tǒng)的去污效能Fig.3 Decontamination efficiency of permeable pavement system at different rainfall reappearing period

由于試驗柱達到飽和并產(chǎn)生溢流存在一定時間的延遲，因此降雨前期取樣口a 和b 所在位置較高取不到水樣即污染物去除率為0。由圖3（a）～3（c）可知，重現(xiàn)期2、5、10 a 時面層對SS去除率分別是59.2%、57.5%、55.3%；由于去除SS 主要通過物理截留和基質(zhì)吸附作用，且透水混凝土面層中含有孔隙率較高的再生骨料，因此改良型透水混凝土面層對SS 的去除貢獻最大。隨著降雨的進行，每個取樣口的SS 去除率也在增加；隨著重現(xiàn)期的增大，降雨強度隨之增大，由于雨水的沖刷作用，各個取樣口的SS 去除率呈現(xiàn)小幅下降趨勢，在5%～8%之間。由圖3（g）可知，隨著重現(xiàn)期的增大，兩種透水鋪裝的SS 去除率都呈下降趨勢，但整體去除率都達到了95%左右；與普通透水混凝土鋪裝相比，改良型透水混凝土鋪裝對SS 的去除率增加3%左右?？傮w來說，隨著重現(xiàn)期的增大，透水混凝土鋪裝對SS 的去除呈下降趨勢，降幅在5%左右，且改良型透水混凝土鋪裝去除SS效果好于普通透水混凝土鋪裝。

由圖3（d）～3（f）可知，隨著降雨的進行，各取樣口COD 的去除率也隨之增加；由于面層中水泥含有一部分能進行絮凝的水化物質(zhì)、COD 中存在一定形式的有機物及面層中存在可以有效截留吸附的孔隙，因此各層對COD 的去除貢獻為：透水面層強于再生骨料墊層1 和再生骨料墊層2。由圖3（h）可知，隨著重現(xiàn)期的增大，降雨強度和雨水沖刷力度隨之加大，兩種透水鋪裝對應的COD整體去除率降低10%左右；改良型透水混凝土鋪裝去除COD的能力明顯強于普通透水混凝土鋪裝。

不同取樣口對應的徑流污染物TN 去除率見圖4（a）～4（c），TN 的出水濃度變化見圖4（g）；不同取樣口對應的徑流污染物TP去除率見圖4（d）～4（f），TP的出水濃度變化見圖4（h）。

由圖4（a）～4（c）可知，隨著重現(xiàn)期增大，取樣口a、b、c 的TN去除率范圍分別為10.5%～22.8%、13.4%～30.2%、13.9%～35.3%，去除效果呈下降趨勢，下降幅度為10%左右；再生骨料墊層2對TN 的去除效果要強于再生骨料墊層1和透水混凝土面層，這是因為它的粒徑較大，相對應的比表面積也較大，且TN 的去除一部分是利用微生物的吸附能力，而再生骨料墊層2 表面附著的微生物數(shù)量要多于其他結(jié)構(gòu)層，所以該層對TN 去除的貢獻最大。由圖4（g）可知，隨著重現(xiàn)期從2 a 增加到10 a，改良型透水混凝土鋪裝對TN的去除率分別為35.3%、33.4%、30.1%，普通透水混凝土鋪裝對TN的去除率分別為29.9%、27.8%、25.4%，降幅在3%～5%之間；這是由于改良型透水混凝土鋪裝中利用的建筑廢棄再生骨料表面孔隙度略高于天然骨料，相應的孔隙內(nèi)微生物的總量較高。隨著重現(xiàn)期的增大，雨水沖刷力度變大使附著的微生物數(shù)量減少，因此兩種透水混凝土鋪裝對TN 的整體去除率呈下降趨勢，透水混凝土鋪裝對TN 的整體去除效果較差。

由圖4（d）～4（f）可知，當重現(xiàn)期從2 a 增大到10 a，取樣口a～c 的TP 去除率變化范圍分別是55.0%～62.1%、63.8%～72.4%和66.2%～75.6%，TP去除率的降幅約5%～7%，但TP的整體去除率達75%以上，去除效果較好。從圖4（h）可以看到，隨著降雨的延續(xù)，不同重現(xiàn)期下兩種透水鋪裝系統(tǒng)去除TP的能力呈增長趨勢，重現(xiàn)期為2、5、10 a 時，改良型透水混凝土鋪裝對TP 的去除率分別是75.3%、72.4%、70.3%，普通透水混凝土鋪裝對TP的去除率分別是72.5%、69.1%、66.7%；所以兩種透水鋪裝對TP的去除效果均較好，且改良型透水混凝土鋪裝稍好于普通透水混凝土鋪裝。隨著重現(xiàn)期增大，兩種透水鋪裝系統(tǒng)對TP的去除能力逐漸減弱，約5%降幅。

圖4 不同降雨重現(xiàn)期下透水鋪裝系統(tǒng)去污效能Fig.4 Decontamination efficiency of permeable pavement system at different rainfall reappearing period

2.2 不同降雨間歇時間下改良型透水鋪裝控污效果

當降雨歷時60 min、降雨重現(xiàn)期2 a、污染物SS、COD、TN、TP 的進水濃度分別為500、300、9、0.8 mg/L 時，不同降雨間歇時間下各取樣口的污染物濃度變化見圖5（a）～5（d）。

由圖5（a）可知，改良型透水混凝土鋪裝取樣口a、b、c 對應的SS 出水濃度變化范圍分別是205.48～208.33、26.30～38.53、4.92～10.15 mg/L；普通透水混凝土鋪裝取樣口a、b、c 對應的SS出水濃度變化范圍分別是206.97～209.57、30.15～42.31、6.35～13.57 mg/L。由此可見，各取樣口的SS出水濃度變化不大（部分數(shù)據(jù)產(chǎn)生波動是由進水濃度誤差導致），不同的降雨間歇時間對SS 的去除影響較小。這也說明SS 的去除主要依靠基質(zhì)孔隙的截留和吸附，且建筑廢棄再生骨料的孔隙率要高于天然骨料，因此改良型透水混凝土鋪裝對SS的截留吸附效果較好。

由圖5（b）可知，改良型透水混凝土鋪裝取樣口a、b、c 對應的COD 出水濃度變化范圍分別是128.61～184.11、99.12～145.62、89.23～132.96 mg/L；普通透水混凝土鋪裝取樣口a、b、c對應的COD 出水濃度變化范圍分別是130.96～187.63、103.56～150.16、95.11～138.71 mg/L。隨著降雨間歇時間的增加，取樣口a～c 的COD 出水濃度是先快速降低后趨于穩(wěn)定。由于COD 常以可被孔隙吸附截留的顆粒態(tài)和可被微生物分解或離子交換的溶解態(tài)有機物形式存在，當間歇時間較短時，鋪裝內(nèi)部有充足殘余水分和微生物分解所需營養(yǎng)物質(zhì)，因此COD 去除率呈先增長的趨勢；隨著間歇時間的增加，內(nèi)部水分不斷蒸發(fā)、分解溶解態(tài)有機物所需的營養(yǎng)物質(zhì)不足，微生物難以發(fā)揮較大作用，因此COD的出水濃度逐漸趨于穩(wěn)定。

由圖5（c）可知，改良型透水混凝土鋪裝取樣口a、b、c 對應的TN 出水濃度變化范圍分別是6.908～6.956、6.295～6.313、5.827～5.880 mg/L；普通透水混凝土鋪裝取樣口a、b、c對應的TN出水濃度變化范圍分別是6.945～7.035、6.360～6.427、5.873～5.942 mg/L。由此可見，隨著降雨間歇時間的增加，取樣口a～c的TN 出水濃度基本趨于穩(wěn)定。由于TN 除了依靠孔隙吸附、截留，還依靠微生物的反硝化去除，當間歇時間較短時，改良型透水鋪裝內(nèi)部結(jié)構(gòu)處于淹沒狀態(tài)導致缺氧而促進微生物對TN 的反硝化作用，因此TN 的去除率有所提高，但總體來說降雨間歇時間對TN的去除影響不大，與SS的去除影響類似。

由圖5（d）可知，改良型透水混凝土鋪裝取樣口a、b、c 對應的TP 出水濃度變化范圍分別是0.127～0.303、0.072～0.221、0.043～0.197 mg/L；普通透水混凝土鋪裝取樣口a、b、c對應的TP出水濃度變化范圍分別是0.143～0.310、0.084～0.235、0.052～0.206 mg/L。由此可見，隨著降雨間歇時間的增加，取樣口a～c的TP 出水濃度也是先快速降低后逐漸穩(wěn)定。這是由于徑流污染物中顆粒態(tài)磷可以通過基質(zhì)截留吸附，而溶解態(tài)磷需要利用水泥固化物或基質(zhì)中存在的離子進行交換來吸收，當降雨間歇時間較短時，鋪裝內(nèi)部擁有較充足的殘余水分及適宜微生物分解的營養(yǎng)物質(zhì)，TP的去除率會先提高；隨著間歇時間的增加，內(nèi)部營養(yǎng)成分不足導致微生物難以生長，因此TP的出水濃度趨于穩(wěn)定。

圖5 不同降雨間歇時間下污染物濃度變化Fig.5 Changes in pollutant concentrations at different rainfall intervals

3 結(jié) 語

（1）隨著降雨重現(xiàn)期的增大，改良型和普通透水混凝土鋪裝對SS、COD、TN及TP的去除效果均下降，當重現(xiàn)期為2 a時對各徑流污染物的去除效果最好；改良型透水混凝土鋪裝比普通透水混凝土鋪裝凈化污染物效果好。

（2）降雨間歇時間的變化對SS、TN 的去除效能影響不大；但隨著降雨間歇時間的增加，COD 和TP 的去除效果均呈現(xiàn)出先上升后逐漸穩(wěn)定的趨勢。

（3）在整個控污過程中，建筑廢棄物再生骨料因其孔隙率高等優(yōu)點可有效提高部分污染物去除能力，為今后海綿城市建設和建筑廢棄物回收利用提供一定參考。