生物炭改良土壤對(duì)初期雨水徑流污染物去除實(shí)驗(yàn)研究

薛英文，吳銘軒，肖云龍，胡曉蘭

（1.武漢大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，武漢430072；2.同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院，上海200092）

近年來，國(guó)內(nèi)外研究者認(rèn)為初期雨水形成的面源污染是造成城市水體污染的一個(gè)主要因素。Sanaslone［1］等人的研究指出，初期的20%徑流中產(chǎn)生的污染占到全部降雨中污染的80%。倪艷芳［2］的研究指出，初期雨水徑流具有污染物成分復(fù)雜多樣、污染源空間分布廣泛等特點(diǎn)，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染同時(shí)，也為后期水體修復(fù)帶來難度。鄧志光［3］等人在對(duì)武漢東湖面源污染研究中，通過截流初期雨水徑流，在控制TP（總磷）和TN（總氮）污染指標(biāo)上起到了明顯的效果。但如何有效截留初期雨水，并對(duì)截留的初期雨水進(jìn)行原位處理，是目前尚未解決的問題之一。2013年12月12日，習(xí)近平總書記在中央城鎮(zhèn)化會(huì)議上提出的海綿城市建設(shè)，為城市的雨洪管理和水環(huán)境保護(hù)提供了新的方向［4］。目前海綿城市建設(shè)在國(guó)內(nèi)正如火如荼地進(jìn)行中，但海綿城市建設(shè)中使用的土壤基本是未經(jīng)過改良的土壤，土壤滲透系數(shù)低，對(duì)初期雨水中的污染物截留與原位處理效果較差。有研究表明，通過多孔材料鋪砌從而增加入滲量的方式，可以有效截留并去除初期雨水中的SS（懸浮固體）、TP、TN（總氮）以及重金屬［4］。近年來，生物炭已被證明對(duì)水中TP，NH4+-N［5］和有機(jī)物［6］等污染物具有一定的吸附去除作用。

本文擬利用生物炭的特點(diǎn)，通過使用生物炭、河砂與黏土進(jìn)行組合，制備不同的生物炭改良土壤。研究經(jīng)生物炭改良后的土壤對(duì)初期雨水徑流中污染物的去除效果；使用種植草皮的改良土壤進(jìn)行進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)，研究植物+改良土壤共同作用對(duì)污染物的去除效果，以期為生物炭改良土壤應(yīng)用于海綿城市建設(shè)中提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)黏土取武漢東湖南路綠化帶長(zhǎng)時(shí)間干旱后表層土，將風(fēng)干后的黏土用篩網(wǎng)過篩，去除雜草與石塊等，并將黏土碾磨到1.6～2.0 mm粒徑待用。選用450 ℃下熱解制備的棉花桿生物炭［5］作為改良土壤的多孔材料，生物炭粒徑與黏土粒徑一致。砂土采用建筑工地常用的工程河砂。

改良土采用河砂、黏土、生物炭3 種介質(zhì)，3 種介質(zhì)按照黏土、河砂、生物炭完全混合（I 型）、黏土與河砂混合+生物炭（II型）、黏土+生物炭+河砂完全分層（III 型）3 種不同方式進(jìn)行組合。改良土壤高度取15 cm［7］，具體布置方式見圖1。各組合中砂土炭的使用比例見表1。

圖1 改良土壤布置方案示意圖（單位：mm）Fig.1 Schematic diagram of experimental combination

表1 實(shí)驗(yàn)各組材料占比與混合方式表Tab.1 Material proportion and mixing mode of each experimental group

結(jié)合其他研究者的經(jīng)驗(yàn)［8-14］，實(shí)驗(yàn)采用人工配置污水作為初期雨水徑流，初期雨水pH 取7.0，濁度=250 NTU，CODCr=250 mg/L，NH4+-N=8 mg/L，TP=10 mg/L。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置分為室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置與室外實(shí)驗(yàn)裝置兩種，均采用厚度為5 mm 的透明PE 板制作。為防止改良土壤進(jìn)入出水口，實(shí)驗(yàn)前在裝置底部鋪設(shè)不銹鋼鋼絲網(wǎng)。實(shí)驗(yàn)時(shí)將模擬雨水徑流從裝置上方一側(cè)按照一定流量流入，使得改良土壤表面的積水在1 cm 以下，并在實(shí)驗(yàn)裝置下方出水口收集滲出液。裝置平面尺寸見圖2。

圖2 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)與室外實(shí)驗(yàn)裝置平面圖與剖面圖（單位：mm）Fig.2 Plan and cross section of experiment model

室內(nèi)實(shí)驗(yàn)裝置長(zhǎng)500 mm，寬100 mm，裝置內(nèi)高300 mm。裝置底部每隔100 mm 設(shè)置兩個(gè)相隔50 mm，孔徑為18 mm 對(duì)稱出水孔，兩個(gè)出水孔連通為一個(gè)出水口，共設(shè)置10個(gè)出水孔，合計(jì)5個(gè)出水口。

室外實(shí)驗(yàn)裝置長(zhǎng)900 mm 寬500 mm，裝置內(nèi)高500 mm。裝置底部每隔100 mm 設(shè)置1 個(gè)孔徑為40 mm 出水孔，每排設(shè)置5個(gè)出水孔，同一排的5 個(gè)出水孔聯(lián)通為一個(gè)出水口，共設(shè)置40個(gè)出水孔，合計(jì)8個(gè)出水口。

1.3 檢測(cè)項(xiàng)目及方法

①滲透系數(shù)：常水頭實(shí)驗(yàn)法［15］。實(shí)驗(yàn)中調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵流量（Q）保持儀器中土層表面的水頭始終在1 cm，改良土層的面積（A）由裝置尺寸計(jì)算得到，通過達(dá)西定律［15］，計(jì)算出改良土的滲透系數(shù)K（K=Q/A）。②濁度：便攜式濁度儀法［16］。③CODCr：快速消解分光光度法［17］。④NH4+-N：納氏試劑分光光度法［18］。⑤TP：鉬酸銨分光光度法［19］。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 改良土壤組合方式確定實(shí)驗(yàn)

2.1.1 滲透系數(shù)實(shí)驗(yàn)

從表2中可以看出，模擬雨水徑流在A 組土層中水平流速最大，C 組土層中的水平流速最小。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，在B 組和C 組土層和裝置邊壁間出現(xiàn)界面流。三組裝置土層的平均滲透系數(shù)A 組最大，C 組最小。A 組雨水水平流速和下滲速率均較快，且無界面流出現(xiàn)，是因?yàn)橥翆咏橘|(zhì)成分混合均勻，生物炭顆粒增大了土層的平均孔隙度。B組上層和下層為砂土均勻混合介質(zhì)土層，而C 組上層為純黏土層，因此與C 組相比，B 組孔隙率較大，所以滲透系數(shù)大于C組。三組實(shí)驗(yàn)中，A 組的滲透系數(shù)遠(yuǎn)高于B組和C組，證明黏土、河砂、生物炭完全混合（I型）方式適用于短歷時(shí)降雨較大的區(qū)域。

表2 水平流速與滲透系統(tǒng)統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Horizontal flow rate and osmotic system statistics

2.1.2 濁度去除實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

不同組合方式改良土壤對(duì)初期雨水中濁度的去除過程見圖3。

圖3 A、B、C組實(shí)驗(yàn)瀝出液渾濁度平均濃度Fig.3 Average turbidity concentration of leachate in group A，group B and group C

A 組初始瀝出液中濁度最高，而B 組與C 組初始瀝出液濁度較低。原因是A 組為河砂、黏土與生物炭完全混合的組合土壤，由于生物炭為多孔材料，由上節(jié)中A 組土壤滲透系數(shù)最大可知，混合后的土壤孔隙率大，對(duì)懸浮顆粒的截留功能最小。隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長(zhǎng)，改良土壤在水力作用下逐漸被壓密壓實(shí)，土壤孔隙率減小，因此瀝出液濁度大幅降低。50 min 后瀝出液濁度趨于穩(wěn)定，最終各出水口瀝出液中的濁度均穩(wěn)定在3 NTU以下。

由于B 組上下層土壤為黏土與河砂的混合土，因此其空隙率介于A 組和C 組之間。同時(shí)，由于上部砂土混合土壤的重力作用，對(duì)中間的生物炭層具有一定的重力壓實(shí)作用，進(jìn)一步減小了中間生物炭層的孔隙率。因此過濾初期，其瀝出液濁度小于A 組土壤。由于土壤厚度較小，B 組土壤的空隙率降低到一定程度后不再減小，最終B 組土壤仍保持了較高的孔隙率。因此隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間的進(jìn)行，其瀝出液濁度有一定先升高后降低，表明改良土壤層對(duì)初期雨水中的懸浮顆粒具有一定的截留吸附作用。B 組運(yùn)行3 h 后，瀝出液中濁度趨于穩(wěn)定，各出水口濁度保持在18 NTU 以下，6 h 后各出水口瀝出液濁度均在11 TNU左右。

C 組實(shí)驗(yàn)初期，各層均未被壓實(shí)，因此其出水濁度較高，隨著時(shí)間的延長(zhǎng)，頂部黏土層因?yàn)榭紫堵市?，發(fā)揮了較大的截留作用，同時(shí)生物炭層也能發(fā)揮較好的吸附作用。而底部的河砂層既起了過濾截留作用，同時(shí)也起到了承托層的作用。因此C組改良土壤中各層均對(duì)濁度去除具有一定的作用，從圖3中可以看出，在瀝出液濁度穩(wěn)定時(shí)，C 組瀝出液濁度最低。6 h 后，C組各出水口瀝出液濁度均小于2 NTU。

三組改良土壤對(duì)濁度的去除效果為C>A>B。雖然C 組土壤對(duì)濁度的去除率最好，但在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，A 組中由于3 種介質(zhì)混合均勻，因此土層表面水流態(tài)較好。而B 組和C 組均有界面流產(chǎn)生，土層中流體狀態(tài)不穩(wěn)定，會(huì)出現(xiàn)模擬徑流無法浸沒所有介質(zhì)的狀況，使得改良土壤無法完全發(fā)揮作用。

2.1.3 CODCr去除實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3種組合對(duì)模擬雨水中CODCr的去除效果見圖4。

圖4 A、B、C組實(shí)驗(yàn)瀝出液CODCr平均去除率Fig.4 Average CODCr removal rate of leachate in group A，group B and group C

A 組在實(shí)驗(yàn)初期，1～5 號(hào)出水口瀝出液中CODCr的去除率在10%～13%之間，這是因?yàn)锳 組為完全混合土壤，實(shí)驗(yàn)初期土壤由于孔隙率大，滲透系數(shù)高，混合土壤對(duì)CODCr的截留去除能力較差。但隨著時(shí)間延長(zhǎng)，土壤逐漸壓密壓實(shí)，土壤孔隙率降低，土壤截留能力增強(qiáng)，土壤中的生物炭對(duì)CODCr的吸附效果得以發(fā)揮，因此對(duì)CODCr的去除率逐漸升高。約3 h 后趨于穩(wěn)定，去除率達(dá)到65%～70%，4 號(hào)口出水瀝出液CODCr濃度最低，穩(wěn)定在78 mg/L左右。

B組實(shí)驗(yàn)初期對(duì)CODCr去除效果最好。這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)初期，上層砂土混合土壤對(duì)CODCr有一定的截留去除效果，當(dāng)雨水下滲至生物炭層時(shí)，生物炭對(duì)CODCr起到了進(jìn)一步的吸附去除作用。但0～15 min 內(nèi)，B 組混合土壤對(duì)CODCr去除率下降到20%左右，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中使用的生物炭未經(jīng)沖洗，初期下滲的雨水將生物炭本身攜帶的CODCr沖洗下來，雖然有下層砂土混合層的截留，但截留效果較差，因此出現(xiàn)了去除率降低的情況。50 min 后，CODCr去除率逐漸升高，表明生物炭本身攜帶的CODCr已被沖洗干凈，生物炭逐漸發(fā)揮吸附作用，兩層砂土混合土壤也起到了較好的截留作用，CODCr的去除率也逐漸升高。最終去除率在4 h后達(dá)到55%，2號(hào)口瀝出液CODCr濃度最低，穩(wěn)定在108 mg/L左右。

C 組對(duì)CODCr的吸附效果最差，達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)5個(gè)出水口瀝出液中CODCr的去除率均在10%～13%之間。3 h 后，3 號(hào)口瀝出液出水CODCr濃度最低，最終出水穩(wěn)定在220 mg/L。C組實(shí)驗(yàn)表明完全分層組合方式的改良土，各土層間相互促進(jìn)作用最差。上層黏土雖然有較小的孔隙率，有一定的截留作用，但下層的生物炭與砂土由于孔隙率大，尤其是下層河砂，對(duì)CODCr沒有截留作用，因此最終使完全分層改良土壤對(duì)CODCr的吸附去除效果最差。

綜合比較可知，A 組土壤對(duì)CODCr的去除率高于B 組與C組，去除率穩(wěn)定在65%～70%，A 組4 號(hào)口出水瀝出液CODCr濃度最低，穩(wěn)定在78 mg/L左右。

2.1.4 NH4+-N去除實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3種組合對(duì)模擬雨水中NH4+-N的去除效果見圖5。

圖5 A、B、C組實(shí)驗(yàn)出水口NH4+-N平均去除率Fig.5 Average ammonia nitrogen removal rate of leachate in group A，group B and group C

從圖5中可以看出，A 組在0～30 min 內(nèi)，5 個(gè)出水口NH4+-N平均去除率迅速上升至80%，之后去除率呈緩慢下降趨勢(shì)，在4 h 后平均去除率穩(wěn)定在70%左右，1 號(hào)出水口瀝出液NH4+-N 濃度最低，穩(wěn)定在1.88 mg/L。B 組在0～30 min，NH4+-N 去除率從4.5%上升至80%左右，隨著時(shí)間延長(zhǎng)，去除效果逐漸穩(wěn)定在85%左右，在4 h 后，1 號(hào)出水口瀝出液NH4+-N 濃度最低，穩(wěn)定在0.956 mg/L。C 組在0～50 min 內(nèi)，NH4+-N 去除率上升至60%，之后去除率呈穩(wěn)定趨勢(shì)，直至4 h 后穩(wěn)定在60%～70%，2 號(hào)出水口瀝出液NH4+-N濃度最低，穩(wěn)定在1.98 mg/L。

實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)初期NH4+-N 去除率為負(fù)值，原因在于實(shí)驗(yàn)中為了模擬真實(shí)的土壤環(huán)境，實(shí)驗(yàn)前并未對(duì)砂土、黏土及生物炭等進(jìn)行清洗，因此實(shí)驗(yàn)初期，混合土壤中原有的NH4+-N 被沖洗出來，出現(xiàn)部分出水點(diǎn)瀝出液NH4+-N 超過了進(jìn)水NH4+-N的現(xiàn)象。隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng)，土壤中原有的NH4+-N 被沖刷干凈，各組分開始對(duì)進(jìn)水中的NH4+-N去除發(fā)揮作用。

在對(duì)NH4+-N 的去除方面上，B 組效果最好，A 組較差，C 組最差（但也穩(wěn)定在60%～70%）。三組試驗(yàn)在對(duì)NH4+-N的去除過程中前期去除能力增長(zhǎng)較快，去除率很快達(dá)到穩(wěn)定，后期各個(gè)出水點(diǎn)間去除效果差距不大。原因是改良土壤中，各材料的含量相同。改良土壤對(duì)NH4+-N 的去除機(jī)理主要是各組分對(duì)NH4+-N的截留和吸附。另外，改良土壤使用的生物炭表面含氧官能團(tuán)通過氫鍵［20］，氧化還原反應(yīng)［21］，以及靜電吸附［22］等作用在NH4+-N去除中起到了重要作用。

2.1.5 TP去除實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3種組合對(duì)模擬雨水中TP的去除效果見圖6。

圖6 A、B、C組實(shí)驗(yàn)各出水點(diǎn)瀝出液TP平均去除率Fig.6 Average phosphorus removal rate in group A，group B and group C

A 組初期對(duì)TP 的去除效果較好，隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng)，去除率趨于穩(wěn)定，4 h 后1～5 號(hào)出水口瀝出液中的TP 的去除率均大于75%，1號(hào)出水口瀝出液TP濃度最低，穩(wěn)定在2.31 mg/L。A組的生物炭均勻分布在改良土壤中，對(duì)TP 的吸附均勻持續(xù)進(jìn)行，去除效果較好。

B 組初期對(duì)TP 的去除效果會(huì)有短時(shí)間下降，且去除率較低，其中1號(hào)點(diǎn)位0～30 min瀝出液中TP濃度高于實(shí)驗(yàn)配置的初期雨水徑流中TP濃度。隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng)，生物炭改良土壤對(duì)進(jìn)水中TP去除率快速增加，隨后緩慢增長(zhǎng)，3 h后去除率達(dá)到穩(wěn)定，瀝出液中的TP 去除率在90%左右，5 號(hào)出水口瀝出液TP 濃度最低，穩(wěn)定在0.94 mg/L。

C 組初期對(duì)TP 去除效果最好，但隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng)，TP 去除效果呈逐漸降低趨勢(shì)，在3.5 h后TP平均去除率為45%左右，5 號(hào)出水口瀝出液TP 濃度最低，穩(wěn)定在5.41 mg/L。C 組實(shí)驗(yàn)表明完全分層組合方式的改良土，各土層間相互促進(jìn)作用最差。上層黏土雖然有較小的孔隙率，有一定的截留作用，但下層的生物炭與砂土由于孔隙率大，尤其是下層河砂，截留作用較差，因此最終使完全分層改良土壤對(duì)TP的去除效果最差。

綜合比較可發(fā)現(xiàn)，A、B、C 三組在TP 的去除方面，B 組效果最好，穩(wěn)定狀態(tài)下TP 平均去除率可以達(dá)到89%，C 組最差，穩(wěn)定狀態(tài)下平均去除率僅為45%。三組中，只有B 組在實(shí)驗(yàn)初期出現(xiàn)去除率下降現(xiàn)象，主要是由于三組實(shí)驗(yàn)土壤布置方案造成的。B 組中改良土壤的結(jié)構(gòu)布置從上到下依次為砂土混合層、生物炭層、砂土混合層。由于實(shí)驗(yàn)使用的土壤實(shí)驗(yàn)前均未經(jīng)過沖洗，因此上層土壤中會(huì)析出少量的磷，但其與進(jìn)水中的磷均會(huì)被中間生物炭層吸附，而下層土壤中原有的磷在實(shí)驗(yàn)初期析出后，因?yàn)闆]有生物炭對(duì)其進(jìn)行吸附去除，因而出現(xiàn)去除率下降現(xiàn)象。隨著實(shí)驗(yàn)時(shí)間延長(zhǎng)，下層土壤中的磷被沖洗干凈，干凈的土壤也會(huì)對(duì)磷進(jìn)行吸附，因此后期出現(xiàn)TP去除率迅速升高現(xiàn)象。而A 組和C 組雖然黏土也沒有經(jīng)過沖洗，但因?yàn)锳 組為砂土炭完全混合布置，因此土壤中析出的磷會(huì)被均勻混合的生物炭吸附，不會(huì)出現(xiàn)去除率下降現(xiàn)象，砂土炭完全混合，使得土壤和生物炭與進(jìn)水中的磷有更多的接觸面積，吸附量與吸附效果也相應(yīng)有所提升，因此且去除率會(huì)平穩(wěn)上升。C 組改良土壤從上到下依次為黏土、生物炭、河砂，上層黏土中析出的少量磷和進(jìn)水中的磷也均會(huì)被中間的生物炭層吸附，但上層致密的黏土顆粒與進(jìn)水中的磷接觸面積小，吸附很快達(dá)到飽和，而下層河砂在此只起到支撐層作用，對(duì)TP 去除沒有吸附效果，因此去除率逐漸下降。

改良土壤對(duì)磷酸鹽的去除機(jī)理同時(shí)包含化學(xué)吸附與物理吸附，其中生物炭對(duì)磷酸鹽的吸附符合準(zhǔn)二級(jí)反應(yīng)，化學(xué)吸附在去除TP過程中起主導(dǎo)作用［23］。

2.1.6 綜合分析

綜合三組改良土壤滲透系數(shù)，以及對(duì)濁度、CODCr、NH4+-N、TP 去除率的綜合分析，A 組5 項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于C 組，雖然在NH4+-N 和TP 的去除兩方面較B 組略差，但最終的去除率接近，而另外三方面均優(yōu)于B 組，并且由于A 組的滲透系數(shù)遠(yuǎn)高于B 組與C組，因此對(duì)于沖刷力強(qiáng)的短時(shí)暴雨，具有較好的耐水力沖擊負(fù)荷能力，因此河砂、黏土、生物炭3種材料完全混合方案（I型）更適用于實(shí)際工程。

2.2 完全混合模式下不同介質(zhì)配比影響實(shí)驗(yàn)

通過上述實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，采用黏土、河砂、生物炭完全混合（I型）模式的改良土壤，對(duì)污染物的去除效果好，滲透系數(shù)大，耐水力沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)。但由于3種介質(zhì)對(duì)污染物質(zhì)的去除機(jī)理不同，因此3 種介質(zhì)的配比也會(huì)對(duì)污染物的去除產(chǎn)生較大的影響。本節(jié)針對(duì)I型土壤組合方式，研究3種介質(zhì)在不同比例下進(jìn)行混合，探討3種介質(zhì)的不同配比對(duì)污染的去除效果。

實(shí)驗(yàn)采用D組、E組、F組三組不同的配比進(jìn)行，同時(shí)以A組的實(shí)驗(yàn)作為參考，對(duì)四種不同的配比情況進(jìn)行對(duì)比分析。A組、D 組、E 組和F 組四組河砂、黏土、生物炭3 種介質(zhì)的體積比見表3。

表3 三種介質(zhì)占比情況表%Tab.3 Material proportion and mixing mode of each experimental group

2.2.1 滲透系數(shù)實(shí)驗(yàn)

通過3 組試驗(yàn)在4 h 內(nèi)總滲透水量計(jì)算出每組試驗(yàn)平均滲透系數(shù)，結(jié)合A 組的滲透系數(shù)，四組裝置土層的平均滲透系數(shù)如表4所示。

表4 生物炭改良土水平流速與平均滲透系數(shù)統(tǒng)計(jì)表Tab.4 Permeability coefficient of biochar improved soil

A、D、E、F 四組試驗(yàn)中，隨著河砂所占比例增加，黏土所占比例減小，平均滲透系數(shù)依次增大，原因在于河砂和生物炭的粒徑遠(yuǎn)大于黏土，河砂的占比越大，黏土所占比例減小，土層的平均滲透系數(shù)就越高。

2.2.2 濁度去除實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

從圖7中可以看出，初期瀝出液中，D 組各出水口均有大量懸浮物析出，出水濁度均高于進(jìn)水，這是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)初期，混合土壤中小的黏土顆粒及生物炭上的灰分等隨進(jìn)水一起滲出。D組各出水口瀝出液在50 min 后開始趨向穩(wěn)定，最終穩(wěn)定后瀝出液濁度均在4 NTU以下。

圖7 A、D、E、F組實(shí)驗(yàn)各出水點(diǎn)瀝出液渾濁度平均濃度Fig.7 Average turbidity of leachate in group A，group D，group E and group F

實(shí)驗(yàn)初期，F(xiàn) 組各出水口瀝出液的濁度均低于進(jìn)水。隨著實(shí)驗(yàn)進(jìn)行，F(xiàn) 組瀝出液的濁度下降趨勢(shì)，與A、D、E 三組相似，均是5 min 后各出水口瀝出液濁度快速下降，最終各出水口瀝出液濁度均小于4 NTU。

在對(duì)濁度的去除方面，A組的濁度去除率最高，瀝出液的濁度穩(wěn)定在1 NTU 左右。D、E、F 三組出水的濁度均大于A 組，原因在于3 組的河砂與生物炭所占體積比之和均大于A 組，其滲透系數(shù)較大，對(duì)濁度去除能力較弱。

2.2.3 CODCr去除實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

從圖8中看出，D 組前15 min CODCr去除率在23%左右，隨后CODCr去除率呈逐漸上升趨勢(shì)，穩(wěn)定后瀝出液中CODCr的平均去除率在70%以上，4 h 后，4 號(hào)口出水瀝出液CODCr濃度最低，穩(wěn)定在63 mg/L 左右。E 組前50 min 對(duì)CODCr去除率增速較快，之后去除率增速減緩。4 h后平均去除率達(dá)到62%，其中3號(hào)口出水瀝出液CODCr濃度最低，穩(wěn)定在64 mg/L 左右。F 組中，前15 min 瀝出液中CODCr含量高于進(jìn)水，說明生物炭改良土壤中有CODCr析出，隨后CODCr去除率呈上升趨勢(shì)，4 h 后瀝出液中CODCr平均去除率在43%左右，其中4 號(hào)口出水瀝出液CODCr濃度最低，穩(wěn)定在140 mg/L 左右，F(xiàn) 組CODCr為4 組中最低，這是因?yàn)镕 組中河砂組分最高，達(dá)到總體積的60%，而河砂對(duì)CODCr吸附作用較差。

圖8 A、D、E、F組實(shí)驗(yàn)各出水點(diǎn)瀝出液CODCr平均去除率Fig.8 Average CODCr removal rate of leachate in group A，group D，group E and group F

在3組實(shí)驗(yàn)中檢測(cè)1～5號(hào)出水口的瀝出液，A組的去除率穩(wěn)定后可達(dá)到65%～70%，D 組的去除率穩(wěn)定后達(dá)到69%～74%，E組的去除率穩(wěn)定后達(dá)到55%～65%，F(xiàn) 組的去除率穩(wěn)定后為41%～46%。D 組是4 組實(shí)驗(yàn)中對(duì)CODCr去除效果最好的，瀝出液CODCr濃度最低穩(wěn)定在63 mg/L 左右。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，隨著雨水流經(jīng)的土層越長(zhǎng)，CODCr的去除效果越好，但由于5 號(hào)出水點(diǎn)出水孔緊貼裝置壁，邊壁效應(yīng)會(huì)影響瀝出液中CODCr濃度。

2.2.4 NH4+-N去除實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

現(xiàn)階段很多企業(yè)對(duì)ERP的認(rèn)識(shí)還不到位，沒有認(rèn)清該系統(tǒng)的巨大優(yōu)勢(shì)和重要影響，針對(duì)這種現(xiàn)象，積極研究并分析ERP對(duì)我國(guó)企業(yè)會(huì)計(jì)財(cái)務(wù)管理的影響具有非常重要的意義，主要有以下管理策略：

從圖9中可以看出，D 組和E 組初期瀝出液中NH4+-N 的去除率為負(fù)值，說明生物炭改良土壤中有NH4+-N 析出。50 min后，D組NH4+-N的去除率到達(dá)穩(wěn)定。4 h后，NH4+-N平均去除率為68%，其中1 號(hào)口出水瀝出液NH4+-N 濃度最低，穩(wěn)定在2.4 mg/L 左右。50 min 后，E 組NH4+-N 的去除率到達(dá)穩(wěn)定，4 h 后，NH4+-N 平均去除率58%左右，其中1 號(hào)口出水瀝出液NH4+-N濃度最低，穩(wěn)定在3.08 mg/L左右。F組初期瀝出液中NH4+-N平均去除率為27%，30 min后去除率達(dá)到穩(wěn)定，4 h后，瀝出液中的NH4+-N 平均去除率為60%左右，其中4 號(hào)口出水瀝出液NH4+-N 濃度最低，穩(wěn)定在2.8 mg/L 左右。4 組實(shí)驗(yàn)初期NH4+-N 的去除率增長(zhǎng)均較快，呈指數(shù)型增長(zhǎng)，0.5 h后，各組的去除率均趨于穩(wěn)定，最終穩(wěn)定后的NH4+-N 去除率A 組最高，F(xiàn) 組達(dá)到穩(wěn)定時(shí)間最短。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，5 個(gè)出水點(diǎn)中5 號(hào)點(diǎn)的瀝出液較其余各點(diǎn)去除率低，主要原因是邊壁效應(yīng)。

圖9 A、D、E、F組實(shí)驗(yàn)瀝出液NH4+-N平均去除率Fig.9 Average ammonia nitrogen cumulative removal rate in group A，group D，group E and group F

2.2.5 TP去除實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

從圖10可以看出，D 組初期瀝出液中的TP 平均去除率為78%，之后TP 去除率緩慢下降，50 min 后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定狀態(tài)下瀝出液的TP 平均去除率為59%左右，4 h 后，1 號(hào)口出水瀝出液TP 濃度最低，穩(wěn)定在3.9 mg/L 左右。E 組初期瀝出液中的TP 平均去除率為80%，之后TP 去除率呈下降趨勢(shì)，4 h 后瀝出液中TP 平均去除率僅為36%，4 h 后，4 號(hào)口出水瀝出液TP 濃度最低，穩(wěn)定在5.6 mg/L 左右。F 組初期瀝出液中TP 平均去除率為55%，在短暫時(shí)間下降后趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定狀態(tài)下瀝出液中的TP平均去除率為38%，4 h后，4號(hào)口出水瀝出液TP濃度最低，穩(wěn)定在5.9 mg/L 左右。對(duì)比A 組與D、E、F 組實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，A 組對(duì)TP 的去除率最高，達(dá)到75%～76%，F(xiàn) 組最差。各組對(duì)TP 的去除率隨時(shí)間的推移，去除率逐漸下降。改良土壤對(duì)TP的去除機(jī)理一方面為土壤中各組合對(duì)TP的吸附，另一方面則是磷酸鹽在材料表面與金屬離子形成磷酸鹽類沉淀（CaPO4，MgPO4等）［25］。隨著時(shí)間延長(zhǎng)，少部分吸附在生物炭表面的磷酸鹽會(huì)解吸出來，因此去除率會(huì)有所下降，但最終仍有較高的去除率。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，三組實(shí)驗(yàn)中1～5 號(hào)出水點(diǎn)的瀝出液穩(wěn)定后，5 號(hào)出水點(diǎn)瀝出液TP的去除率最低，主要原因是邊壁效應(yīng)。

圖10 A、D、E、F組實(shí)驗(yàn)瀝出液TP平均累積去除率Fig.10 Average phosphorus cumulative removal rate of leachate in group A，group D，group E and group C

2.2.6 綜合分析

綜合三組實(shí)驗(yàn)的滲透系數(shù)，以及對(duì)濁度、CODCr、NH4+-N、TP吸附去除率5 個(gè)指標(biāo)分析，A 組在NH4+-N，TP 和濁度去除率上都高于D、E、F 三組。雖然在CODCr去除中A 組較D 組差，但去除率接近。4 組實(shí)驗(yàn)中，A 組的滲透系數(shù)低于D、E、F 三組，耐水力沖擊負(fù)荷較小，但土壤飽和滲透系數(shù)仍可滿足武漢市10年一遇暴雨時(shí)降雨量［26］。

2.3 草皮+改良土壤實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

為了探究改良土壤在綠化種植草皮后的綜合水質(zhì)凈化效果，結(jié)合上述實(shí)驗(yàn)，本節(jié)采用河砂∶黏土∶生物炭按2∶2∶1的比例進(jìn)行完全混合，土層厚度取15 cm，在改良土層種植草皮的方案進(jìn)行模擬徑流實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)前在室外對(duì)種植草皮進(jìn)行一個(gè)月清水養(yǎng)護(hù)，待草皮長(zhǎng)到一定高度后再進(jìn)行一個(gè)月的模擬徑流污染物去除實(shí)驗(yàn)。

2.3.1 滲透系數(shù)實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)過程中，1 號(hào)位點(diǎn)先出水，每隔6.5 min 下一個(gè)位點(diǎn)開始出水，每個(gè)位點(diǎn)相差10 cm，模擬徑流雨水在土層中橫向流動(dòng)速率為0.256 mm/s，平均滲透系數(shù)為71.23 mm/h。由此可見，當(dāng)土層上方鋪設(shè)草皮后，植被的表層影響雨水滲透效率，降低雨水滲透率，但土壤滲透系數(shù)仍可滿足武漢市10年一遇暴雨時(shí)降雨量。

2.3.2 濁度去除實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

從圖11可看到，在前3 d 的吸附中，瀝出液濁度迅速下降，這是由于前期草皮養(yǎng)護(hù)時(shí)采用清水灌溉，通過前期養(yǎng)護(hù)，使得改良土壤結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。采用模擬雨水徑流實(shí)驗(yàn)6 d 后，土壤對(duì)渾濁度的去除基本達(dá)到平衡，出水濁度可維持在1.50 NTU 以下。試驗(yàn)進(jìn)行到第30 天時(shí)，1～8 號(hào)出水點(diǎn)瀝出液中的濁度依次為：0.66、0.52、0.45、0.51、0.43、0.38、0.40、0.33 NTU，呈下降趨勢(shì)，表明隨著雨水流經(jīng)的土層長(zhǎng)度增加，對(duì)懸浮物的去除效果越好，且瀝出液濁度低于未種植草皮時(shí)的瀝出液濁度。

圖11 瀝出液渾濁度濃度隨時(shí)間變化圖Fig.11 The average turbidity of leachate variation

2.3.3 CODCr去除實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

從圖12可看到，初期瀝出液中，CODCr的去除效果較差，1～8號(hào)出水點(diǎn)初期瀝出液中的CODCr去除率為35%左右。隨著時(shí)間增加，去除率增長(zhǎng)也較為緩慢，10 d 后CODCr去除率逐漸上升，第24 天趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定狀態(tài)下，1～8 號(hào)出水點(diǎn)瀝出液中的CODCr去除率依次為：49.95%、54.75%、57.79%、59.41%、62.56%、65.12%、67.17%、69.54%，表明隨著雨水流經(jīng)長(zhǎng)度增加，去除率逐漸增加，當(dāng)長(zhǎng)度增加10 cm時(shí)，去除率增加1.4%。30 d后各出水口CODCr值平均濃度為98 mg/L，最低濃度為76 mg/L。與未種植草皮土壤相比，對(duì)CODCr的去除率并沒有提升。在本實(shí)驗(yàn)中，由于8 號(hào)出水點(diǎn)距離后邊壁尚有10 cm 的距離，因此并未發(fā)生邊壁效應(yīng)。根據(jù)上述CODCr的去除規(guī)律，當(dāng)雨水徑流長(zhǎng)度為150 cm 時(shí)，處理后的初期雨水CODCr濃度低于30 mg/L，滿足地表水IV類水體要求。

圖12 不同出水點(diǎn)瀝出液中CODCr的累積去除率Fig.12 Different sites of leaching liquid accumulation in the removal rate of CODCr

2.3.4 NH4+-N去除實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

從圖13可看到，1～8號(hào)出水點(diǎn)初期瀝出液中的NH4+-N去除率依次為：64.45%、65.14%、66.63%、67.12%、67.34%、68.56%、69.23%、70.37%，24 d 后去除率基本達(dá)到穩(wěn)定。穩(wěn)定狀態(tài)下各出水點(diǎn)瀝出液中的NH4+-N 去除率依次為：72.41%、73.23%、74.68%、75.88%、76.88%、78.12%、79.98%、82.59%。30 d 后各出水口NH4+-N 平均濃度為1.9 mg/L，NH4+-N 最低濃度為在1.4 mg/L，小于未種植草皮時(shí)的出水濃度。1～7 號(hào)出水點(diǎn)相鄰點(diǎn)的瀝出液NH4+-N去除率增加較為規(guī)律，均在1%～1.4%，8號(hào)點(diǎn)較7號(hào)點(diǎn)增幅較大，為2.61%，這是由于8 號(hào)出水點(diǎn)收集范圍中包含該點(diǎn)之后的10 cm 長(zhǎng)度土層的瀝出液。總體上看，平均每延長(zhǎng)10 cm 土層，改良土壤對(duì)NH4+-N 去除率的增加在1%～1.4%。當(dāng)雨水徑流長(zhǎng)度為80 cm 時(shí)，處理后的初期雨水NH4+-N 濃度低于1.5 mg/L，滿足地表水IV類水體要求。

圖13 不同出水點(diǎn)瀝出液中NH4+-N的累積去除率Fig.13 Accumulative removal rate of ammonia nitrogen from leachate at different sites

2.3.5 TP去除實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

從圖14可看到，初期瀝出液中1～8 號(hào)出水點(diǎn)的TP 去除率依次為：64.45%、65.14%、66.63%、67.12%、67.34%、68.56%、69.23%、70.37%。后期對(duì)TP 的去除率有所上升，但增幅較小，實(shí)驗(yàn)第21 天后吸附接近平衡。穩(wěn)定狀態(tài)下，1～8 號(hào)點(diǎn)瀝出液中的TP去除率依次為：67.14%、68.67%、69.89%、71.23%、71.96%、72.87%、73.89%、74.99%。30 天后各出水口TP 平均濃度為2.9 mg/L，TP 最低濃度為在2.5 mg/L，與未種植草皮土壤相比，沒有明顯變化。土層對(duì)TP的去除率隨流體流經(jīng)的距離增加而增加，1～7 號(hào)點(diǎn)相鄰兩點(diǎn)的瀝出液TP 去除率增長(zhǎng)在1%～1.3%。當(dāng)雨水徑流長(zhǎng)度為290 cm 時(shí)，處理后的初期雨水TP 濃度低于1.5 mg/L，滿足地表水IV類水體要求。

圖14 不同出水點(diǎn)瀝出液中TP的累積去除率Fig.14 Different sites of leaching liquid accumulation in total phosphorus removal rate

2.3.6 綜合分析

由于前期清水養(yǎng)護(hù)草皮，初期瀝出液中并無TP、NH4+-N 與CODCr析出，初期瀝出液和穩(wěn)定狀態(tài)下的瀝出液濁度、CODCr、NH4+-N 與TP 去除率均隨流體流經(jīng)的長(zhǎng)度的增加而增加，且具有一定的規(guī)律性。

與室內(nèi)A 組試驗(yàn)結(jié)果相比較，種植草皮的模擬實(shí)驗(yàn)中，草皮影響土層的滲透系數(shù)，濁度的截留去除效果增強(qiáng)，說明草皮可以使改良土表層的孔隙率減小，增強(qiáng)土層對(duì)懸浮物的截留去除能力。室外模型實(shí)驗(yàn)中，CODCr、NH4+-N、TP 的去除率與A 組相差不大，說明種植草皮對(duì)這3 種污染物質(zhì)的去除效果提升較小。但相較于A組，草皮植被覆蓋可以使土層去除CODCr、NH4+-N、TP 的穩(wěn)定性提高，延長(zhǎng)改良土壤的使用壽命，增強(qiáng)改良土壤的工程實(shí)用性。

改良土壤對(duì)濁度、CODCr、NH4+-N、TP 的去除率與流體流經(jīng)土層的橫向長(zhǎng)度基本呈正相關(guān)，模擬徑流平均每流經(jīng)10 cm 的長(zhǎng)度（高度為15 cm 的生物炭改良土層），濁度截留增加0.038 NTU、CODCr的去除率增加2.67%、NH4+-N 的去除率增加1.41%、TP 的去除率1.08%。因此當(dāng)河砂∶黏土∶生物炭介質(zhì)體積比為2∶2∶1 的完全混合型改良土壤，種植草皮后土壤滲透系數(shù)仍滿足武漢市10年一遇暴雨時(shí)降雨量要求，同時(shí)可以對(duì)濁度、CODCr、NH4+-N、TP 起到良好的去除效果，基本達(dá)到工程使用的要求。

3 結(jié) 論

本文通過實(shí)驗(yàn)尋找城市道路綠化帶改良土壤的組成模式以及材料配比的最佳方案，并通過室內(nèi)與室外模型實(shí)驗(yàn)，探究改良土壤對(duì)城市道路雨水中濁度、CODCr、NH4+-N 和TP 的吸附去除規(guī)律，總結(jié)了綠化帶長(zhǎng)度對(duì)雨水污染物吸附去除的影響。

（1）河砂∶黏土∶生物炭體積比例為2∶2∶1時(shí)，黏土、河砂、生物炭完全混合式模式在NH4+-N 和TP 的去除兩方面，與黏土與河砂混合+生物炭分層式模型去除率相近，其中黏土+生物炭+河砂完全分層式模型在滲透系數(shù)和對(duì)污染物去除效果兩方面均最差。黏土、河砂、生物炭完全混合式模式的滲透系數(shù)高于黏土與河砂混合+生物炭分層式模型，因此其耐水力沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，適用于實(shí)際工程。

（2）河砂、黏土、生物炭完全混合式模式中，河砂∶黏土∶生物炭體積比例為2∶2∶1 時(shí)，對(duì)比另外三組，對(duì)懸浮物、NH4+-N 和TP 3 種污染物質(zhì)的去除效果最好，對(duì)CODCr去除效果一般。由于其滲透系數(shù)低于其他三組，因此其耐水力沖擊負(fù)荷能力較小，但土壤飽和滲透系數(shù)仍大于武漢市10年一遇暴雨時(shí)降雨量，因此可用于實(shí)際工程。

（3）河砂∶黏土∶生物炭體積比例為2∶2∶1 的完全混合型改良土壤，覆蓋種植草皮后土壤滲透系數(shù)仍滿足武漢市10年一遇暴雨時(shí)降雨量要求，同時(shí)對(duì)濁度、CODCr、NH4+-N、TP均有良好的去除效果。

（4）當(dāng)初期雨水中各污染物濃度分別為TP=10 mg/L，CODCr=250 mg/L，NH4+-N=8 mg/L 時(shí)，本研究中各出水指標(biāo)中除NH4+-N 達(dá)到地表水IV 類水體要求外，CODCr與TP 均超過地表水V 類水體水質(zhì)。由于本實(shí)驗(yàn)中模型長(zhǎng)度只有0.9 m，在實(shí)際工程應(yīng)用時(shí)，可適當(dāng)加長(zhǎng)徑流流經(jīng)的改良土壤長(zhǎng)度，當(dāng)流經(jīng)距離大于2.9 m 時(shí)，CODCr與TP 出水濃度均可滿足地表水IV 類水體要求，從而可以實(shí)現(xiàn)生物炭改良土的工程應(yīng)用?！?/p>