隨著城市化進(jìn)程的加快，城市內(nèi)澇、水資源短缺和徑流污染加重等問題凸顯。據(jù)美國國家環(huán)保署信息，雨水徑流已被列為導(dǎo)致水體污染的第3大污染源。自2014年10月發(fā)布《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南》以來，城市徑流削減與收集、雨水凈化與合理利用，成為我國新時期城市建設(shè)的重點，也是水環(huán)境研究的焦點之一。
海綿城市建設(shè)的要義是通過人工設(shè)施和自然途徑的結(jié)合，實現(xiàn)雨水自然積存、自然滲透和自然凈化，并能夠在缺水時“釋放”雨水，形成良好的自然循環(huán)，促進(jìn)雨水資源的利用和生態(tài)環(huán)境保護(hù)。城市雨水徑流的發(fā)生具有隨機性和間歇性，污染源具有分布廣泛、不集中且污染物濃度變化大等特點。如何有效收集、凈化、儲存城市徑流雨水是解決問題的關(guān)鍵之一。充分利用城市非硬化下墊面，在保持其原有生活和生態(tài)功能基礎(chǔ)上，通過土壤-植物-微生物系統(tǒng)聯(lián)合作用促進(jìn)雨水就地滲透、凈化、儲存是解決問題的有效途徑。近年來，利用土壤滲濾原理削減地表水污染及城市降雨徑流污染的研究受到廣泛關(guān)注，20世紀(jì)70年代，國外已開始利用各種類型綠地儲蓄地表徑流和削減徑流污染，其中，優(yōu)化非硬化區(qū)下墊面填充基質(zhì)是提高系統(tǒng)雨水處理性能的有效途徑，目前關(guān)于城市下墊面研究僅停留在傳統(tǒng)的沙土基質(zhì)配比優(yōu)化和分層填裝方面，雨水滲透速度提升空間有限且污染物削減量難以滿足回用標(biāo)準(zhǔn)。
為此，針對城市雨水徑流中的氮、磷和有機污染物，構(gòu)建4套平行裝置，模擬城市徑流雨水滲濾過程，評估雨水在裝置內(nèi)的滲透速度、持水量和去污性能，并確定裝置的最佳出水高度，從而優(yōu)化不同基質(zhì)填充模式對雨水的作用效果，尋求滲透速度快、持水量高和污染物去除效果好的城市下墊面填充方式，為海綿城市建設(shè)提供技術(shù)支撐。
1 材料和方法
1.1 模擬裝置構(gòu)建
構(gòu)建4套模擬裝置，包括蠕動泵、進(jìn)水桶、滲濾柱等，其中滲濾柱是主體。滲濾柱尺寸：內(nèi)徑Ф10 cm，高h(yuǎn)135 cm;材質(zhì)為有機玻璃，由上、下兩部分組成，中間以法蘭連接，上部是滲濾柱主體，包括基質(zhì)層(高125 cm)和溢流段(高5 cm)，柱體頂部設(shè)溢水口，溢水口下5 cm處設(shè)進(jìn)水口，從進(jìn)水口開始每隔30 cm設(shè)1個出水口，共計4個;下部為蓄水層，高5 cm，連接出水管，與上部之間用布滿0.5 cm小孔的有機玻璃隔開。由于磷在滲濾過程中易被介質(zhì)的物理化學(xué)吸附截留，可以認(rèn)為磷在土壤中是幾乎不移動的，滲濾過程中部分氮可被介質(zhì)吸附，其余的可以通過硝化、反硝化作用去除。基于上述理論，基質(zhì)層從上往下依次分為吸附層、滲濾層和集水層，具體填充方式如表1所示，其中吸附層填充基質(zhì)在課題組前期研究的基礎(chǔ)上進(jìn)行配比，裝置如圖1所示。
表1 滲濾柱基質(zhì)層填充方式
圖1 滲濾柱示意圖
1.2 供試雨水
氮、磷和有機污染物是城市雨水徑流中的主要污染指標(biāo)，其中氮、磷是造成水體富營養(yǎng)化的主要物質(zhì)。采用人工配制徑流雨水，模擬自然徑流雨水中的銨態(tài)氮(NH4+-N)、總磷(TP)、化學(xué)需氧量(COD)。
人工徑流雨水不僅易得、無時間和天氣限制，還可以掌控進(jìn)水濃度，具體成分和配比如下： NH4Cl為(10±2)mg·L−1，KH2PO4為(3.5±0.5)mg·L−1，C6H12O6為(270±10)mg·L−1，用自來水溶解并混合均勻，使用當(dāng)天配置。
1.3 裝置運行
裝置運行分為3個階段。
1)測量滲濾柱的持水量。模擬自然環(huán)境，忽略地表蒸發(fā)前提下測定裝置內(nèi)基質(zhì)持水量。裝置開始運行后，根據(jù)進(jìn)水實際下滲狀況逐漸調(diào)節(jié)蠕動泵進(jìn)水流量，保證滲濾柱表層不干涸且溢水口無水溢出。當(dāng)蠕動泵進(jìn)水流量為11.2 mL·min−1左右時，裝置達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，記錄自進(jìn)水到第1次出水滲濾柱所容納的水量。
2)測量滲濾柱的滲透速度。采用定水頭法測定滲濾柱基質(zhì)滲透速度。實驗自08:00開始布水，持續(xù)運行12 h，保持蠕動泵以14 mL·min−1的速度進(jìn)水，使超出水頭的水量從溢水口流出，在滲濾柱末端出水口安裝玻璃轉(zhuǎn)子流量計測定出水速度，每隔0.5 h讀數(shù)。經(jīng)實驗測得各滲濾柱出水速度在90 min以后逐漸穩(wěn)定，對90 min以后的讀數(shù)取平均值，即為滲濾柱滲透速度。
3)測定滲濾柱對污染物的削減能力。待進(jìn)出水穩(wěn)定、出水口出水無泥沙流出后進(jìn)行第3階段取樣，每隔2 h用聚乙烯瓶采集各出水口出水，并放入4 ℃下保存，聚乙烯瓶需用蒸餾水沖洗干凈。每天08:00開始布水，16:00停止進(jìn)水，連續(xù)共取3 d。
1.4 水質(zhì)分析方法
根據(jù)海綿城市對城市徑流雨水的排放要求和城市徑流雨水主要污染特征，進(jìn)出水水質(zhì)指標(biāo)選取及分析方法如下：NH4+-N采用納氏試劑分光光度法;TP采用鉬酸銨分光光度法;COD采用微回流比色法(美國哈希DR890水質(zhì)分析儀)。
2 結(jié)果與討論
2.1 滲濾柱持水能力和滲透速度
4根滲濾柱持水量和滲透速度見表2。由表2可知，3#柱混合基質(zhì)(沸石+蛭石+陶粒)分層填充持水量最大，即在不滲透或溢出的情況下，3#柱所容納的水量最大。3#和4#柱填充物質(zhì)相同，填充方式不同，混合填裝時，基質(zhì)之間相互填充空隙，基質(zhì)層密度更大，儲水及滲透速度小于分層填裝。
表2 各滲濾柱最大持水量和平均滲透速度
各滲濾柱平均滲透速度，其中3#和4#柱滲透速度高于1#和2#柱，即沸石+蛭石+陶粒填充方式高于沸石+蛭石+煤渣滲濾柱的滲透速度。
根據(jù)中國氣象局降雨量等級劃分，大暴雨降雨量為100~249.9 mm·d−1。結(jié)合實驗數(shù)據(jù)計算，理論上在大暴雨天氣下，3#滲濾柱能承擔(dān)自身面積11~29倍區(qū)域的雨水滲透。
2.2 滲濾柱對污染物的去除效果
2.2.1 滲濾柱對NH4+-N的去除效果
4根滲濾柱中NH4+-N濃度變化如圖2所示。進(jìn)水初期水流沖刷基質(zhì)，攜帶出部分填充物質(zhì)，所以出水效果差且不穩(wěn)定，出水在8~12 h之間達(dá)到穩(wěn)定;出水穩(wěn)定后出水口1、出水口2出水濃度明顯大于出水口3、出水口4出水濃度，出水口1出水濃度總體大于出水口2出水濃度，出水口3、出水口4出水NH4+-N濃度相差不大，無明顯差距，滲濾柱在出水口3位置即基質(zhì)層深90 cm時，對NH4+-N的處理已達(dá)到最佳狀態(tài)。
取10 h后滲濾柱最終出水觀察(圖3)，4#滲濾柱出水相對較差，平均出水濃度為3.2 mg·L−1，1#、2#和3#滲濾柱出水效果相近，平均出水濃度分別為2.7、2.6和2.7 mg·L−1。此時各滲濾柱出水NH4+-N濃度均小于5 mg·L−1，符合《城市污水再生利用 城市雜用水水質(zhì)指標(biāo)》(GB/T 18920-2002)中道路清掃、消防等各項用水標(biāo)準(zhǔn)和《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放指標(biāo)》(GB 18918-2002)中一級A類要求。各滲濾柱對NH4+-N的去除率均在80%以上，1#、2#、3#和4#柱的去除率分別為86.68%、84.65%、86.27%和80.13%。
圖2 各滲濾柱不同出水口NH4+-N濃度隨時間的變化
圖3 各滲濾柱最終出水NH4+-N濃度
2.2.2 滲濾柱對TP的去除效果
4根滲濾柱中TP濃度隨時間變化如圖4所示，除2#柱在6 h左右有較大波動外，各滲濾柱出水中TP濃度穩(wěn)定。由出水口1可看出滲濾柱上層吸附層對TP有明顯作用，相同填充基質(zhì)中分層填充的吸附效果好于混合填充，不同填充基質(zhì)中沸石+蛭石+陶粒的組合略好于沸石+蛭石+煤渣組合;從上到下各出水口TP逐漸降低，各滲濾柱在出水口3的平均濃度均小于1 mg·L−1，到最終出水口4即基質(zhì)層深120 cm處達(dá)到最佳去除效果。出水口4在各個時間出水如圖5所示，除第1次出水時4#滲濾柱磷濃度較高，其余時間各滲濾柱出水均小于0.3 mg·L−1，各滲濾柱出水平均濃度均小于0.2 mg·L−1，符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)中一級A類標(biāo)準(zhǔn)。對比進(jìn)水與出水濃度，得出各滲濾柱對TP的平均去除率，如表3所示，均在95%以上;其中4#滲濾柱去除率最低，為95.63%，其余3個滲濾柱對TP的去除率相差不大，均大于98%;2#滲濾柱去除率最高，為98.59%。各滲濾柱TP的平均出水濃度及去除率如表3所示。具體聯(lián)系污水寶或參見http://m.bnynw.com更多相關(guān)技術(shù)文檔。
圖4 各滲濾柱不同出水口TP濃度隨時間的變化
圖5 各滲濾柱最終出水TP濃度
表3 各滲濾柱出水TP平均濃度及去除率
2.2.3 滲濾柱對COD的去除效果
滲濾柱吸附層混合填充與分層填充對COD去除效果無明顯區(qū)別，選取2#和3#滲濾柱進(jìn)行分析。如圖6所示，開始COD隨著SS被表層吸附劑截留，在前3 h中出水COD濃度有所下降，但隨著進(jìn)水量逐漸增多，填料內(nèi)部分不穩(wěn)定基質(zhì)隨水流流出，導(dǎo)致出水COD濃度上升;2#柱在12 h左右、3#柱在7 h左右出水中COD濃度再次逐漸下降，此時基質(zhì)中微生物開始生長，降解進(jìn)水中COD，30 h左右吸附層基質(zhì)出現(xiàn)掛膜，微生物對COD降解作用開始穩(wěn)定，出水中COD也逐漸降低并趨于穩(wěn)定;50 h以后最終出水中COD濃度降到30 mg·L−1以下，并逐漸穩(wěn)定;52 h以后2#柱和3#柱出水COD平均濃度分別為25.4 mg·L−1和25.6 mg·L−1，滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)中一級A類標(biāo)準(zhǔn)和《建筑與小區(qū)雨水控制及利用工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50400-2016)中除娛樂性水景用水標(biāo)準(zhǔn)以外的其他各項用水標(biāo)準(zhǔn)。
由圖6可看出，前期出水口2出水效果穩(wěn)定且COD濃度相對較低，但因為滲濾層基質(zhì)有機物含量高、顆粒小，前期出水中攜帶出填充基質(zhì)中有機物，導(dǎo)致出水口3和出水口4出水濃度較高;后期隨著微生物的生長，滲濾層基質(zhì)穩(wěn)定性增加，對COD處理效果逐漸提高，出水口3和出水口4出水COD濃度逐漸降低且趨于平穩(wěn)。
對裝置運行的72 h中進(jìn)水及最終出水口4水質(zhì)COD濃度取平均值，以此計算各滲濾柱對進(jìn)水中COD的平均去除率，結(jié)果如圖7所示，均在50%以上，其中3#柱去除率最高可達(dá)88.75%。
圖6 2#和3#滲濾柱各出水口COD濃度隨時間的變化
圖7 各滲濾柱對COD的去除率
3 結(jié)論
1)通過在吸附層引入沸石、蛭石、煤渣和陶粒4種新基質(zhì)，比較基質(zhì)填充方式，改良滲濾層基質(zhì)配比，有效增強了土壤的滲透速度和持水量，提高了對污染物的降解能力。
2)沸石+蛭石+陶粒分層填裝的3#滲濾柱效果最好，持水量為39.73%，平均滲透速度為2 992 mm·d−1，理論上在大暴雨天氣下最大能承擔(dān)自身面積11~29倍區(qū)域的雨水滲透，出水中NH4+-N濃度小于5 mg·L−1，TP濃度小于0.2 mg·L−1，50 h后COD濃度小于30 mg·L−1，均符合《城市污水再生利用 城市雜用水水質(zhì)指標(biāo)》(GB/T 18920-2002)中道路清掃、消防用水標(biāo)準(zhǔn)等各項標(biāo)準(zhǔn)，《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)中一級A標(biāo)準(zhǔn)和《建筑與小區(qū)雨水控制及利用工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50400-2016)中除觀賞性水景用水標(biāo)準(zhǔn)外其他各項用水標(biāo)準(zhǔn)。
3)通過對城市非硬化路面下墊面的優(yōu)化，不僅增大了基質(zhì)滲透速度和持水量，也提高了氮、磷和COD的去除率。在連續(xù)進(jìn)水的72 h內(nèi)填充柱表面最大積水高度不超過5 cm，且對NH4+-N、TP和COD去除效果較好。證明該種填充方式可適應(yīng)模擬條件下大于72 h的連續(xù)大暴雨，能夠很好地控制徑流總量、削減徑流峰值和徑流污染物，符合海綿城市建設(shè)需求。(來源：環(huán)境科學(xué)學(xué)報 作者：王鑫)
