城市景觀濕地系統(tǒng)去除初期雨水污染物效果研究*

張鴻濤，于寶國，鄧方園，張弘弢，楊遠(yuǎn)坤，諶 書

(1.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213； 2.西南科技大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621010)

0 引言

近年來，初期雨水污染問題在國內(nèi)外引起廣泛關(guān)注[1-3]。隨著我國經(jīng)濟(jì)、社會(huì)的不斷發(fā)展，城市硬化下墊面逐漸擴(kuò)張，地面面源污染情況加劇[4-6]，包括汽車尾氣、大氣降塵、建筑材料腐蝕物等在內(nèi)的城市面源污染物基本匯集在10mm厚初期雨水中，其污染負(fù)荷遠(yuǎn)大于中后期雨水，使初期雨水含有大量高濃度污染物，包括氮、磷和重金屬等[7-9]。初期雨水多排放至就近河湖中，加重了地表水環(huán)境污染程度，嚴(yán)重時(shí)將導(dǎo)致區(qū)域性水體富營養(yǎng)化和黑臭化，影響水資源循環(huán)利用，最終威脅人類健康[10]。因此，采取有針對(duì)性的措施對(duì)城市初期雨水進(jìn)行凈化處理尤為重要。

國外對(duì)初期雨水及凈化措施的研究較成熟，已頒布了相應(yīng)的政策、法規(guī)，建成了較完整的雨水處理和利用系統(tǒng)[11-13]，如澳大利亞建成了水敏感城市設(shè)計(jì)系統(tǒng)，英國建成了可持續(xù)城市排水系統(tǒng)，新西蘭建成了低影響城市設(shè)計(jì)和開發(fā)系統(tǒng)，美國建成了低影響開發(fā)和最佳管理措施系統(tǒng)。我國對(duì)初期雨水管控和綜合利用的研究始于20世紀(jì)90年代，主要關(guān)注城市面源污染，直至2014年，提出了海綿城市建設(shè)理念，采用“滲、滯、蓄、凈、用、排”方針管理和利用雨水，低影響開發(fā)是海綿城市建設(shè)的重要組成部分[14-16]。

海綿城市是對(duì)我國城市水系統(tǒng)的綜合治理，也是對(duì)城市人居環(huán)境的重構(gòu)[17]，其核心是通過生態(tài)工程與人工設(shè)施的有機(jī)結(jié)合，建立以河湖水系為核心，實(shí)現(xiàn)城市雨水自然積存、滲透和凈化，形成城市水系統(tǒng)良好循環(huán)的資源節(jié)約型、環(huán)境友好型和可持續(xù)發(fā)展綠色宜居城市[18-19]。由于城市雨水和徑流的產(chǎn)生具有隨機(jī)性和間歇性，且城市面源污染來源分布廣泛，污染物濃度變化大、瞬時(shí)流量大[20]，需充分利用城市非硬化下墊面，通過建立人工濕地自然生態(tài)系統(tǒng)，進(jìn)行城市面源污染治理，通過土壤、植物、微生物的協(xié)同作用，促進(jìn)雨水儲(chǔ)存、滲透、凈化，利用城市景觀濕地系統(tǒng)就地削減城市雨水徑流污染。本文以初期雨水為處理對(duì)象，對(duì)城市景觀濕地系統(tǒng)進(jìn)行中試研究，以期為后續(xù)試驗(yàn)研究及類似地區(qū)城市景觀濕地系統(tǒng)工程建設(shè)提供參考。

1 試驗(yàn)概況

1.1 中試系統(tǒng)構(gòu)建

城市景觀濕地系統(tǒng)裝置位于玻璃大棚內(nèi)，試驗(yàn)進(jìn)水采用初期雨水，試驗(yàn)裝置由1個(gè)前端沉淀池和3個(gè)折流式潛流人工濕地單元組成。城市景觀濕地系統(tǒng)裝置設(shè)計(jì)尺寸為長300cm、寬100cm、高100cm，分成3個(gè)處理單元，設(shè)置不同填料高度，材質(zhì)為玻璃鋼，各單元采用串聯(lián)方式連接，跌水高度0.1m，處理單元內(nèi)部設(shè)有3塊隔板，并在頂部和底部間插開孔，水流在處理單元內(nèi)部垂直流動(dòng)。

第1單元凈長1m，凈寬1m，主要起快速過濾作用，填料全部由φ100mm聚乙烯懸浮球組成，內(nèi)部填充聚氨酯泡沫和碎石，雨水可快速通過，并在其中種植美人蕉，平均株距為20cm×20cm。第2單元分前、后段，前、后段凈長均為0.5m，凈寬均為1m，前段自下而上依次為集水層、吸附層和滲濾層，前段底層鋪設(shè)20cm厚碎石(直徑20～30mm)、中層鋪設(shè)20cm厚煤矸石(直徑10～20mm)、表層鋪設(shè)20cm厚陶粒(直徑10～20mm)并種植吉祥草；后段底層鋪設(shè)20cm厚碎石(直徑20～30mm)，表層鋪設(shè)20cm厚陶粒(直徑10～20mm)，中層鋪設(shè)20cm厚沸石并種植鳶尾，平均株距為15cm×15cm。第3單元凈長1m，凈寬1m，自下而上依次為集水層和滲濾層，底層鋪設(shè)20cm厚碎石(直徑20～30mm)，表層鋪設(shè)20cm厚陶粒(直徑10～20mm)并種植再力花，平均株距為15cm×15cm。所選植物在保持水質(zhì)凈化的同時(shí)，兼具園林景觀植物作用。

1.2 初期雨水

氮、磷和有機(jī)污染物是城市初期雨水中的主要污染物，使用某污水處理廠出水配制初期雨水，進(jìn)水水質(zhì)指標(biāo)為：化學(xué)需氧量濃度283.22～401.66mg/L，氨氮濃度17.17～28.79mg/L，總磷濃度2.81～4.32mg/L，pH值6.5～7.5。

1.3 試驗(yàn)方法

城市景觀濕地系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)通入好氧生活污水自然掛膜，首先將生活污水曝氣24h，控制溶解氧為3～5mg/L，然后將混合液排到城市景觀濕地系統(tǒng)中，每隔24h進(jìn)水1次，進(jìn)水量為0.5t，重復(fù)運(yùn)行15d，當(dāng)城市景觀濕地系統(tǒng)對(duì)生活污水化學(xué)需氧量和氨氮去除率穩(wěn)定在75%以上時(shí)，表示啟動(dòng)成功，此時(shí)接入初期雨水，試驗(yàn)正式開始。穩(wěn)定運(yùn)行期間，城市景觀濕地系統(tǒng)水力停留時(shí)間為3h，環(huán)境溫度為25～30℃，主要考察各單元進(jìn)出水化學(xué)需氧量、氨氮、總磷變化情況。水處理規(guī)模為100L/h，模擬間歇式降雨天氣，進(jìn)水5h，試驗(yàn)期間和停止進(jìn)水后沿程取樣，考察進(jìn)水、第1單元出水、第2單元出水、第3單元出水中污染物去除效果。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)于各項(xiàng)污染物指標(biāo)(化學(xué)需氧量、氨氮、總磷)去除率情況，以化學(xué)需氧量平均去除率為例，按式(1)計(jì)算：

(1)

式中：η化學(xué)需氧量為化學(xué)需氧量平均去除率；C進(jìn)為進(jìn)水化學(xué)需氧量濃度(mg/L)；C出為出水化學(xué)需氧量濃度(mg/L)。

2.1 化學(xué)需氧量去除效果

城市景觀濕地系統(tǒng)對(duì)化學(xué)需氧量去除效果如圖1所示。由圖1可知，進(jìn)水化學(xué)需氧量濃度為245.30～401.66mg/L；第1單元出水化學(xué)需氧量濃度為93.30～241.66mg/L，平均去除率為51.19%；第2單元出水化學(xué)需氧量濃度為58.62～124.71mg/L，平均去除率為46.02%；第3單元出水化學(xué)需氧量濃度為31.48～73.24mg/L，平均去除率為42.67%。城市景觀濕地系統(tǒng)對(duì)化學(xué)需氧量總?cè)コ示S持在84.38%左右，出水平均化學(xué)需氧量濃度為51.22mg/L，滿足GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。總的來看，出水化學(xué)需氧量濃度始終保持在較低水平，證明本系統(tǒng)不僅具有較強(qiáng)的抗沖擊負(fù)荷能力，且對(duì)污染物具有持續(xù)穩(wěn)定的處理效果。

圖1 城市景觀濕地系統(tǒng)對(duì)化學(xué)需氧量去除效果

城市景觀濕地系統(tǒng)對(duì)化學(xué)需氧量的去除主要依靠濕地填料吸附作用和微生物生化氧化作用，當(dāng)填料滲濾性變差時(shí)，可考慮通過反沖洗措施或定時(shí)更換填料的方式解決[21]。陶粒、煤矸石、碎石等填料的多孔特性不僅對(duì)有機(jī)物具有一定吸附作用[22-23]，且有利于填料和植物根系上的微生物附著生長，城市景觀濕地系統(tǒng)得以持續(xù)保持較高的化學(xué)需氧量去除效果。

2.2 氨氮去除效果

城市景觀濕地系統(tǒng)對(duì)氨氮去除效果如圖2所示。由圖2可知，進(jìn)水氨氮濃度為17.17～28.79mg/L；第1單元出水氨氮濃度為14.27～24.90mg/L，平均去除率僅為13.77%；第2單元出水氨氮濃度為6.05～17.40mg/L，平均去除率為41.19%；第3單元出水氨氮濃度為3.71～12.21mg/L，平均去除率為33.05%。城市景觀濕地系統(tǒng)對(duì)氨氮總?cè)コ示S持在65.58%左右，出水平均氨氮濃度為7.67mg/L，滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 城市景觀濕地系統(tǒng)對(duì)氨氮去除效果

綜上所述，在系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行期間，第1單元對(duì)氨氮的去除效果較差，第2，3單元對(duì)氨氮的去除效果明顯增強(qiáng)，主要原因?yàn)椋孩偬盍衔锢砦胶碗x子交換作用 第2，3單元中填充了大量煤矸石、陶粒和沸石，多孔介質(zhì)表面會(huì)形成靜電力和毛細(xì)力等，將水中氨氮吸附在填料結(jié)構(gòu)表面，但此狀態(tài)易受外界環(huán)境影響而解析，而離子交換發(fā)生在填料結(jié)構(gòu)內(nèi)部，填料上析出的陽離子與銨離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，將水中銨離子穩(wěn)定在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，不易解析[24-25]；②跌水復(fù)氧作用 各處理單元之間以自然跌水串聯(lián)，使第2，3單元表層水體中溶解氧濃度達(dá)3mg/L左右，跌水復(fù)氧有利于好氧微生物的大量生長，促進(jìn)了微生物對(duì)氨氮的氨化作用和同化作用，從而去除水中的氨氮[26]。

2.3 總磷去除效果

城市景觀濕地系統(tǒng)對(duì)總磷去除效果如圖3所示。由圖3可知，進(jìn)水總磷濃度為2.81～4.33mg/L；第1單元出水總磷濃度為1.26～2.38mg/L，平均去除率為43.68%；第2單元出水總磷濃度為0.60～1.97mg/L，平均去除率為48.42%；第3單元出水總磷濃度為0.45～1.37mg/L，平均去除率僅為12.77%。城市景觀濕地系統(tǒng)對(duì)總磷總?cè)コ示S持在74.67%左右，出水平均總磷濃度為0.87mg/L，滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 城市景觀濕地系統(tǒng)對(duì)總磷去除效果

第1單元對(duì)總磷去除率最高可達(dá)57.32%，對(duì)初期雨水中磷的去除效果較好，隨著試驗(yàn)啟動(dòng)過程的結(jié)束，填料表面形成較厚的深褐色生物膜，但微生物同化和沉淀作用對(duì)總磷的去除效果不穩(wěn)定，已被吸收的磷在厭氧條件下可能被釋放到水體中，造成出水總磷濃度升高，這是系統(tǒng)運(yùn)行過程不可避免的。

第2單元中添加的陶粒和煤矸石具有大量孔道、空洞，對(duì)初期雨水中磷具有良好的吸附作用，而沸石不僅具有上述優(yōu)勢，由于其內(nèi)部和表面含有大量金屬陽離子，可與磷酸根形成穩(wěn)定的沉淀，這是城市景觀濕地系統(tǒng)去除初期雨水中磷的主要途徑[27]。同時(shí)，城市景觀濕地系統(tǒng)中的植物會(huì)吸收分子態(tài)污染物供自身生長，但已有研究表明[28-29]，植物已不再是人工濕地去除總磷的主要手段。

第3單元對(duì)總磷的平均去除率僅為12.77%，說明除磷不是該單元的主要功能。

2.4 去除效果時(shí)空變化規(guī)律

城市景觀濕地系統(tǒng)在不同運(yùn)行時(shí)間段(1～5h)及不同處理單元(進(jìn)水、第1單元、第2單元前段、第2單元后段、第3單元和出水)對(duì)氨氮、總磷去除效果時(shí)空變化曲線分別如圖4，5所示。由圖4可知，運(yùn)行1，2h時(shí)，出水氨氮濃度分別為5.71，8.22mg/L，此時(shí)城市景觀濕地系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除率分別為79.89%，71.03%，出水平均氨氮濃度6.96mg/L，略低于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)；運(yùn)行3h時(shí)，出水氨氮濃度升高，達(dá)15.15mg/L，處理效果較差，說明前3h對(duì)氨氮的去除主要依賴于不同填料的吸附作用，且物理吸附作用已趨于飽和，達(dá)吸附與解析動(dòng)態(tài)平衡狀態(tài)，離子交換作用吸附氨氮速率減小，使出水氨氮濃度升高。但在較高氨氮負(fù)荷條件下運(yùn)行3h后，城市景觀濕地系統(tǒng)中氨化細(xì)菌活性增強(qiáng)，氨氮去除率在4h恢復(fù)至55.17%，在5h恢復(fù)至77.34%，此時(shí)占主導(dǎo)作用的是氨化細(xì)菌和植物根系。當(dāng)取樣深度為0～50cm時(shí)，不同運(yùn)行時(shí)間氨氮去除率基本沿程增加；城市景觀濕地系統(tǒng)對(duì)氨氮的去除效果主要集中于第2單元前、后段，說明第2單元填料級(jí)配可高效去除氨氮。

圖4 城市景觀濕地系統(tǒng)對(duì)氨氮去除效果時(shí)空變化曲線

由圖5可知，不同運(yùn)行時(shí)間下城市景觀濕地系統(tǒng)對(duì)總磷的去除效果差別較小，1～4h去除率分別為86.84%，78.83%，78.83%，73.72%，僅在5h時(shí)去除率略下降，為68.07%，此時(shí)出水平均總磷濃度為1.15mg/L，滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)B標(biāo)準(zhǔn)?？偭兹コ饕性诘?，2單元，當(dāng)取樣深度為0～50cm時(shí)，第1，2單元總磷濃度基本沿程下降，這表明隨著取樣深度的增加及氧濃度的降低，聚磷菌向水中釋放一定量的磷，使城市景觀濕地系統(tǒng)形成局部較高磷濃度微環(huán)境，但填料表面及內(nèi)部孔道結(jié)晶除磷作用增強(qiáng)，在填料表面形成穩(wěn)定的沉淀[30]，從而保證城市景觀濕地系統(tǒng)出水總磷濃度保持在較低水平。

圖5 城市景觀濕地系統(tǒng)對(duì)總磷去除效果時(shí)空變化曲線

3 結(jié)語

1)本試驗(yàn)使用某污水處理廠出水配制初期雨水，測得其化學(xué)需氧量、氨氮、總磷濃度范圍分別為245.30～401.66，17.17～28.79，2.81～4.33mg/L。

2)通過在城市景觀濕地系統(tǒng)中加入懸浮球、沸石、陶粒、煤矸石和碎石，有效改善了系統(tǒng)滲透性，使系統(tǒng)對(duì)初期雨水化學(xué)需氧量、氨氮、總磷具有較好的去除效果。

3)城市景觀濕地系統(tǒng)對(duì)初期雨水污染物的去除，主要依靠填料的物理攔截和化學(xué)吸附作用，其次是微生物生化氧化作用和植物吸附吸收作用。如果高污染負(fù)荷初期雨水需滿足GB 50400—2016《建筑與小區(qū)雨水控制及利用工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的雨水多途徑回收利用要求，應(yīng)進(jìn)一步改善城市景觀濕地系統(tǒng)運(yùn)行條件或探索更優(yōu)的填料級(jí)配和植物搭配比例，這為今后的研究提供了方向。

4)基于海綿城市理念搭建的城市景觀濕地系統(tǒng)，搭配多種廉價(jià)易得的填料，可與河流、湖泊堤岸相融合，具有不占用新的土地、無動(dòng)力設(shè)計(jì)、便于運(yùn)行維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。因此，城市景觀濕地系統(tǒng)可作為經(jīng)濟(jì)高效的初期雨水凈化技術(shù)，有效削減初期雨水徑流高濃度污染負(fù)荷。