不同屋面和立面綠化基質(zhì)對雨水徑流的凈化效果研究

摘要通過模擬屋面與立面綠化滲濾系統(tǒng)，研究不同屋面綠化基質(zhì)和立面綠化基質(zhì)對雨水徑流的凈化效果。結(jié)果表明：屋面綠化基質(zhì)以玻璃輕石+陶粒+河沙處理的污染物去除率最大，對總氮（TN）、氨氮、總磷（TP）、化學需氧量（COD）的去除率分別為41.31%、55.07%、43.65%和36.36%；以玻璃輕石+陶粒為屋面綠化基質(zhì)對污染物的凈化效果不佳；玻璃輕石+陶粒+泥炭土、泥炭土對總磷的去除率均大于90%，但其對氮的去除效率不高；立面綠化基質(zhì)中，生物炭、土非土的凈化效果較好，生物炭對氨氮、總磷的去除率分別為98.45%和92.93%，巖棉、巖棉+玻璃輕石、炭棉對氮、磷的去除效果均較差。其中，巖棉處理的總氮、氨氮去除率分別為-20.42%和5.06%，而巖棉+玻璃輕石處理的總氮、總磷去除率均為負值。

關(guān)鍵詞屋面綠化；立面綠化；基質(zhì)；雨水徑流；凈化能力

中圖分類號X171"文獻標識碼A"文章編號0517-6611（2024）24-0184-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.24.039

開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

StudyonthePurificationEffectofDifferentRoofandFacadeGreeningSubstratesonRainwaterRunoff

SUChun-qing，ZHENGWei-guo，LUYangetal

（GuangdongWenkeGreenTechnologyCo.，Ltd.，Shenzhen，Guangdong"518111）

AbstractRoofandfacadegreeninginfiltrationsystemweresimulatedtostudythepurificationeffectofdifferentroofgreeningsubstratesandfacadegreeningsubstratesonrainwaterrunoff.Theresultsshowedthatthepollutantremovalrateofglasslightstone+ceramsite+riversandwasthehighest，andtheremovalratesoftotalnitrogen（TN），ammonianitrogen，totalphosphorus（TP）andchemicaloxygendemand（COD）were41.31%，55.07%，43.65%and36.36%，respectively.Thepurificationeffectofglasslightstone+ceramsiteasroofgreeningsubstratewasnotgood.TheremovalrateofTPbyglasslightstone+ceramsite+peatsoilandpeatsoilwasmorethan90%，buttheremovalefficiencyofnitrogenwasnothigh.Thepurificationeffectofbiocharandnon-soilwasbetterinthefacadegreeningsubstrate.TheremovalratesofammonianitrogenandTPbybiocharwere98.45%and92.93%，respectively.Theremovaleffectsofnitrogenandphosphorusbyrockwool，rockwool+glasslightstoneandcarbonwoolwereworse.TheremovalratesofTNandammonianitrogenbyrockwooltreatmentwere-20.42%and5.06%，respectively.While，theremovalratesofTNandTPbyrockwool+glasslightstonewerenegative.

KeywordsRoofgreening;Facadegreening;Substrate;Rainwaterrunoff;Purificationcapacity

雨水對大氣、地面以及土壤中的污染物進行淋溶和沖刷后形成的徑流中含有懸浮物（SS）、化學需氧量（COD）、總氮（TN）、總磷（TP）等污染物，容易造成水體黑臭或富營養(yǎng)化^［1］?；诘陀绊戦_發(fā)（low impact development，LID）理念的“海綿”技術(shù)可通過加強城市規(guī)劃建設(shè)管理，充分發(fā)揮建筑、道路、綠地、水系等生態(tài)系統(tǒng)對雨水的吸納、蓄滲和緩釋作用，有效控制雨水徑流，達到雨水截污凈化的目的。目前比較成熟的LID措施主要包括綠色屋頂、滲透鋪裝、植草溝、下凹綠地、人工濕地和雨水花園等^［2］。

LID技術(shù)主要通過植物和基質(zhì)的滲濾截留及吸附作用來控制雨水徑流污染。其中，基質(zhì)是植物生長的基石及微生物附著的主要場所，是海綿設(shè)施的主體部分和重要影響因素^［3］。Jiang等^［4］研究表明在基質(zhì)中添加粉煤灰、沸石、陶粒、爐渣等可以有效凈化雨水徑流中的氮、磷污染物。此外，組合基質(zhì)（土壤+礫石+花崗巖+大碎石^［5］、沸石+陶瓷濾料+石灰石^［6］、沙+爐渣+土壤^［7］等）對雨水徑流中的污染物有較好的去除效果。然而，這些試驗大多針對人工濕地研究，屋面與立面基質(zhì)研究主要集中在基質(zhì)配制、滯蓄能力、耐旱性等方面^［8-10］，而關(guān)于屋面與立面綠化基質(zhì)的凈水能力尚缺乏深入研究。

基于此，筆者通過構(gòu)建多種基質(zhì)組合的屋面、立面綠化模塊滲濾裝置，研究不同基質(zhì)及其組合對雨水中COD、總氮、氨氮、總磷等污染物的去除能力，以期為屋面綠化與立體綠化中的基質(zhì)選擇配置及提高海綿城市水處理技術(shù)提供科學參考。

1材料與方法

1.1試驗材料

屋面綠化裝置塑料種植盆，規(guī)格為50.0cm×50.0cm×9.5cm（長×寬×高），盆內(nèi)填充屋面基質(zhì)，種植盆側(cè)面近盆底處有1個出水孔，以采集出水。立面綠化裝置為長方體的垂直綠化種植盒，規(guī)格為13.5cm×3.3cm×150.0cm（長×寬×高），種植盒正立面設(shè)種植孔10個，頂部和底部中間分別有1個進水口和1個出水口。屋面與立面綠化裝置的基質(zhì)填料、裝填方式如表1～2所示，裝置示意圖見圖1。

1.2試驗用水

供試雨水為人工配制，具體配比如下：NH4Cl（32.0±0.5）mg/L，KNO3（72.5±1.0）mg/L，KH2PO4（17.5±0.5）mg/L，C6H12O6為（240.0±2.0）mg/L，用自來水溶解并混合均勻，使用當天配制。測試顯示：試驗進水TN濃度為15.68～16.11mg/L、TP濃度為1.02～1.47mg/L、氨氮濃度為9.50～13.75mg/L、COD濃度為168～184mg/L。

1.3試驗方法

試驗于2023年2—3月在廣東文科綠色科技股份有限公司龍崗實驗室進行。將配制的雨水緩慢倒入屋面和立面綠化裝置中，保證雨水入滲整個基質(zhì)層；每隔5～10min澆灌1次，重復操作3～5次后在底部出水口取樣，同時取進水水樣，用錐形瓶采集出水后過濾儲存于250mL聚乙烯瓶，并在4℃冰箱中保存，在2d內(nèi)完成全部水質(zhì)指標的測定。

1.4水質(zhì)測定與數(shù)據(jù)分析

采用堿性過硫酸鉀氧化-紫外分光光度法測定總氮（TN）含量；采用納氏試劑比色法-分光光度法測定氨氮含量；采用過硫酸鉀消解-鉬銻抗分光光度法測定總磷（TP）含量；采用重鉻酸鹽滴定法測定化學需氧量（COD）^［11］。數(shù)據(jù)統(tǒng)計與制圖采用Excel 2016軟件完成，污染物去除率的計算公式如下：

R=（C進－C出）/C進×100%

式中：R為污染物去除率（單位%）；C進為進水污染物濃度，單位mg/L；C出為屋面、立面綠化裝置出水的污染物濃度，單位mg/L。

2結(jié)果與分析

2.1不同基質(zhì)處理對TN的去除效果

如圖2所示，屋面綠化基質(zhì)以處理T4（玻璃輕石+陶粒+河沙）的TN去除率最高，為41.31%；其次為處理T3（玻璃輕石+陶粒），TN去除率為15.33%；處理T1（玻璃輕石+陶粒+泥炭土）、T2（泥炭土）的TN去除率均較低，分別為10.63%和5.16%。立面綠化基質(zhì)中，處理T8（生物炭）的TN去除率最高，為52.28%；其次為處理T9（土非土）和T7（炭棉）；處理T5（巖棉）、T6（巖棉+玻璃輕石）的出水TN含量均高于進水TN含量，去除率分別為-20.42%和-16.62%。

2.2不同基質(zhì)處理對氨氮的去除效果

由圖3可知，屋面基質(zhì)以處理T4（玻璃輕石+陶粒+河沙）的氨氮去除率最高（55.07%）；其次為處理T3（玻璃輕石+陶粒），氨氮去除率為17.15%；處理T1（玻璃輕石+陶粒+泥炭土）、T2（泥炭土）的出水氨氮含量均高于進水氨氮含量，氨氮去除率分別為-35.93%和-31.09%。立面基質(zhì)中，處理T8（生物炭）對氨氮的去除率最高（98.45%），出水氨氮含量僅0.32mg/L，達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838—2002）Ⅱ類標準（氨氮含量≤0.5mg/L）；其次為處理T9（土非土），氨氮去除率為65.38%；處理T7（炭棉）、T5（巖棉）、T6（巖棉+玻璃輕石）的氨氮去除率均較低，分別為41.42%、5.06%和24.21%。

2.3不同基質(zhì)處理對TP的去除效果

從圖4可以看出，屋面綠化基質(zhì)中，處理T1（玻璃輕石+陶粒+泥炭土）、T2（泥炭土）的出水TP含量均較低，分別為0.09和0.06mg/L，均滿足《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB3838—2002）Ⅱ類標準（TP含量≤0.1mg/L），其TP去除率分別為93.54%和94.30%；處理T3（玻璃輕石+陶粒）、處理T4（玻璃輕石+陶粒+河沙）的出水TP含量分別為0.85和0.79mg/L，其TP去除率分別為15.59%和43.65%。立面綠化基質(zhì)中，處理T8（生物炭）的TP去除率最高，達92.93%；處理T9（土非土）、T5（巖棉）、T7（炭棉）的TP去除率分別為36.93%、32.51%和19.82%；處理T6（巖棉+玻璃輕石）的TP去除率最低，出水TP含量高于進水TP含量，TP去除率為-11.21%。

2.4不同基質(zhì)處理對COD的去除效果

層面基質(zhì)選取玻璃輕石+陶粒+河沙（處理T4）、立面基質(zhì)選取炭棉（處理T7）和生物炭（處理T8），觀察不同基質(zhì)處理對COD的去除效果。如圖5所示，屋面基質(zhì)中，處理T4（玻璃輕石+陶粒+河沙）的出水COD含量為112mg/L，COD去除率為36.36%。立面基質(zhì)中，處理T8（生物炭）的COD去除率較高，為72.73%；處理T8出水COD含量降至50mg/L以下，符合GB18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》中一級A類標準；處理T7（炭棉）的COD去除率最低，僅13.64%。

3結(jié)論與討論

該研究結(jié)果表明，屋面、立面綠化基質(zhì)處理均有一定的脫氮除磷效果，但TN、氨氮、TP的去除率均有負數(shù)出現(xiàn)，且大部分處理的出水水質(zhì)均未達到《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》（GB 3838—2002），這可能是因為傳統(tǒng)人工濕地系統(tǒng)對氮、磷的去除主要是通過基質(zhì)吸附和植物攔截來完成的。該試驗僅靠基礎(chǔ)填料短期滲濾過程中的物理凈化作用將污染物去除，缺乏植物與微生物的生物降解過程，模擬裝置并未表現(xiàn)出較好的去除效果，這可能與進水污染物含量較高有關(guān)，與何宇哲^［12］、張毓媛等^［13］的研究結(jié)果相符。

不同屋面與立面基質(zhì)處理對雨水中COD、TN、氨氮、TP的去除率存在差異，屋面綠化基質(zhì)中玻璃輕石+陶粒+泥炭土、泥炭土的氨氮去除率均為負值，其TN去除率也較低（分別為10.63%和5.16%）;玻璃輕石+陶粒處理的TN、氨氮、TP去除率均介于15%～20%，這可能與泥炭土含有很高的有機質(zhì)、腐殖酸及其他營養(yǎng)成分、本身氮含量較高有關(guān)^［14］；玻璃輕石+陶粒+泥炭土、泥炭土的TP去除率均在90%以上，這可能與泥炭土富含腐殖酸有關(guān)。腐殖酸是一種顆粒表面帶負電荷的有機高分子混合物，而磷類污染物易與填料中金屬陽離子發(fā)生反應，以沉淀形式去除^［15-16］，因而增加了其對TP的去除率。此外，相較于玻璃輕石+陶粒處理，處理T4中河沙的添加明顯增加了氮、磷的去除率。玻璃輕石+陶粒+河沙對TN、氨氮、TP的去除率均在40%以上，這可能是由于陶粒和玻璃輕石微孔多、粒徑較大，河沙的添加使裝置內(nèi)部填料分布更均勻，水力滲透性能減弱，水流與填料接觸的有效時間延長，使其對污染物的截留、吸附作用更強^［17］。

立面綠化基質(zhì)中，巖棉處理的TN、氨氮去除率均較低，分別為-20.42%和5.06%，而巖棉+玻璃輕石處理的TN、TP去除率均為負值。這可能是因為玻璃輕石的添加增大了巖棉的孔隙，增加了進水滲濾速度，導致反應時間不足，從而降低了TN、TP的去除率。生物炭和土非土處理的氮、磷去除率均較高，其中生物炭處理對氨氮、TP的去除率分別為98.45%和92.93%，出水氨氮、TP含量均滿足GB3838—2002中Ⅱ類標準。生物炭對污染物的凈化效果明顯，可能是因為生物炭具有多孔結(jié)構(gòu)，吸附能力強，能使帶有硝化菌群的生

物膜結(jié)構(gòu)快速形成，同時為反硝化菌提供生存空間和碳源，促進脫氮除磷反應，進而提高了氮、磷的去除率^［18］。朱小婕等^［19］研究發(fā)現(xiàn)生物炭的添加對潛流濕地雨水可以實現(xiàn)較好的處理效果，與該研究結(jié)果相一致。

綜上所述，以玻璃輕石+陶粒為屋面綠化基質(zhì)對污染物的凈化效果不佳；玻璃輕石+陶粒+泥炭土、泥炭土對TP的去除效果均較好，但其對氮的去除效率不高。立面裝置中，巖棉、巖棉+玻璃輕石、炭棉處理的氮、磷去除效果均較差。屋面綠化基質(zhì)以玻璃輕石+陶粒+河沙對污染物的凈化效果最好，立面基質(zhì)以生物炭對污染物的去除率最大。這2種基質(zhì)均可用于海綿城市雨水花園示范地，通過自上到下的全系統(tǒng)滲濾凈化實現(xiàn)凈化雨水污染物的目的。

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