摘要：研究采用不同滲濾介質(zhì)構(gòu)建人工滲濾系統(tǒng)處理公路雨水徑流，跟蹤測定處理后雨水中主要污染物的去除率。結(jié)果表明，不同滲濾介質(zhì)的人工土柱對徑流污染物均具有較好的凈化效果，并表現(xiàn)出良好的耐沖擊負荷能力?；瘜W(xué)耗氧量的去除率大多在60%～80%；游離態(tài)氨去除率大都在40%～80%，總氮去除率基本在40%～60%；所有試驗土柱對總磷的去除作用都極為明顯，出水中磷含量較低，出水磷濃度最高值為0.112 mg/L，最低僅為0.050 mg/L。各試驗土柱對路面雨水徑流中的濁度去除率都在90%以上；重金屬出水濃度均達到了Ⅱ類水體水質(zhì)標準。在相關(guān)滲濾介質(zhì)中，木屑的吸附性能最好，原狀土自身具有較好吸附能力，栽培介質(zhì)由于自身含有一定的游離態(tài)氨，吸附效果較差，不宜直接作為綠地滲濾層的改良材料。

關(guān)鍵詞：滲濾介質(zhì)系統(tǒng)；雨水徑流；吸附

中圖分類號：X703 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2012）23-5318-06

Simulation Experiment of Treating Rainwater Runoff with Different Infiltration Media

NIE Fa-hui1，XIANG Su-lin1，MIN Lu-yan1，LIU jie1，WANG Biao2

（1.School of Civil Engineering and Architecture， East China Jiaotong University， Nanchang 330013，China；

2.State Key Laboratory of Pollution Control and Resource Reuse， Tongji University， Shanghai 200092，China）

Abstract： Different infiltration system constructed with different media was designed； and their long-term purification effect of rainwater runoff was monitored. The results showed that the artificial infiltration system with different media could remove pollutants from rainwater runoff efficiently； and the systems had powerful resistance to shock load. CODCr removing rate was 60%～80%； NH4+-N removing rate was 40%～80%； and TN removing rate was 40%～60%； TP could be removed significantly and the concentration in effluent was 0.050～0.112 mg/L； turbidity removing rate was over 90% by all the treatments. The concentration of heavy metals in effluent met class Ⅱ of quality standard for surface water. Among all evaluated mediums， wood crumbs performed the best absorption ability. The native soil itself had good NH4+ adsorption ability； however， the cultivation medium performed bad or even released NH4+-N due to the NH4+ containing in， thus was not a good choice for infiltration medium.

Key words： infiltration media system； rainwater runoff； adsorption

“滲濾層”是雨水滲透和凈化的主要作用層，要發(fā)揮滲濾系統(tǒng)削減雨水徑流的功能，首先要求其具有一定的滲透速率，這主要取決于土壤本身的特性。天然沙土因通透性強，滲透速率高的優(yōu)點，在國外常常被選作滲濾介質(zhì)[1]。然而沙性土壤也存在著許多不足之處，如肥力低、土壤的生物活性弱、污染物去除能力差等。相反，雖然黏性土壤在去除污染物方面有一定的優(yōu)勢，但它的入滲性能差，不宜直接作為滲濾介質(zhì)，因而在一定程度上限制了滲濾措施在土壤質(zhì)地黏重的上海地區(qū)的應(yīng)用。為了滿足雨水徑流處理的要求，既要考慮到污染物去除的要求，又要兼顧土壤的滲濾性能，需要人工配制理想的滲濾層土壤代替天然土層作為削減雨水徑流及其污染負荷的滲濾介質(zhì)。

為了驗證利用以上海地區(qū)原狀土配制人工土層削減城市雨水徑流及其污染負荷的可行性，本研究選擇了4種不同類型的改良材料，對土壤進行改良處理，研究各改良材料對土壤滲透性的影響，并評價了不同的人工土層凈化雨水徑流的效果，以優(yōu)化篩選綜合效果好的改良材料，研究成果可為后續(xù)的滲濾系統(tǒng)中試研究以及該工程措施在上海的應(yīng)用提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 材料的選取

人工土的主要成分是天然土壤。天然土壤本身環(huán)境容量巨大，凈化功能完善，但是由于自身滲透性能的限制，需要對其進行改良，使土壤的功能得到提高。

根據(jù)人工土的選配原則，本試驗選取了能夠提高土壤滲透性以及具有污染物去除能力的改良材料，包括石英砂、木屑、煤灰渣、園林綠化活性栽培介質(zhì)等，其主要特性如下：

1）天然土壤。供試土壤選用上海地區(qū)去除雜填土后離地表1 m以內(nèi)的表層土，表層土壤微生物活性強。由于從野外取回的土壤樣品含水率大體上處于風(fēng)干到水分飽和狀態(tài)之間，需要進行干燥。天然土壤取回后經(jīng)自然風(fēng)干、去除大的雜質(zhì)、碾碎后，取通過2 mm篩的土壤樣品進行試驗。試驗用土特性：小于0.01 mm的黏粒含量為38.4%，小于0.001 mm的黏粒含量為15.5%，滲透系數(shù)小于2.63×10-7，土壤容重1.28 g/cm3，pH 8.82，陽離子交換量（CEC） 11.5 cmol/kg，總磷0.57 g/kg，總氮92.25 mg/kg，硝氮10.15 mg/kg，氨氮1.70 mg/kg，有機質(zhì)4.85 g/kg。

2）石英砂。石英砂顆粒粒徑較大，是人工土壤具有一定通透能力的基本骨架。石英砂作為價格低廉、性能優(yōu)越的材料，常常被應(yīng)用于土壤改良，能提高土壤的滲透性，改善土壤結(jié)構(gòu)，減少地表徑流量，且其具有的一定的吸附特性有助于減少面源污染。本研究使用的石英砂顆粒直徑主要集中在0.25～2.00 mm，經(jīng)過篩、風(fēng)干后備用。

3）煤灰渣。試驗采用的煤灰渣取自同濟大學(xué)滬東校區(qū)鍋爐車間，煤灰渣組分采用X射線衍射測定分析，其物理特性和化學(xué)成分分別見表1和表2。其礦物質(zhì)組成相當復(fù)雜，約50%以上為氧化硅玻璃體，結(jié)晶礦物主要為莫來石、α-石英、β-硅酸二鈣、方解石、鈣長石及少量余炭，余炭具有活性炭的吸附作用。

4）木屑。木屑質(zhì)輕疏松、孔隙度大，是改良土壤的良好材料，在國內(nèi)外都被廣泛應(yīng)用。木屑可增加土壤的通透性和保水性能，并能在土壤微生物的作用下分解、轉(zhuǎn)化為腐殖質(zhì)，增加土壤的團聚性和保肥性[2]。試驗所用木屑的主要成分及物理特性如表3所示。

5）園林綠化活性栽培介質(zhì)。栽培介質(zhì)主要以生活垃圾、工業(yè)廢渣、動物糞便等有機廢棄物為主要原料，利用生物發(fā)酵技術(shù)對各種有機廢棄物進行無害化處理，根據(jù)不同綠地植物和綠化形式的要求配制而成。

1.2 試驗裝置

試驗裝置包括進水水箱、水泵、土柱等，如圖1所示。土柱采用有機玻璃制成，內(nèi)徑為10 cm，高100 cm。在裝置內(nèi)先鋪一層經(jīng)破碎的建筑廢棄物作為承托層，按照3～4 、1～3 、0.2～0.4 cm的級配，級配比為1∶1∶1自下而上的方式進行裝填，裝填厚度約為20 cm。每個土柱在距離表面沿土層深度方向（從上至下）30、50以及70 cm處設(shè)置取樣口，上部離柱頂5 cm處設(shè)有一個溢流口，并通過一個可以轉(zhuǎn)動的軟管調(diào)節(jié)水位。試驗過程中保持土層上部淹水深度為5 cm，以保證滲濾系統(tǒng)以定水頭方式運行。

1.3 試驗方法

1.3.1 試驗設(shè)置 試驗設(shè)1組空白對照和4組處理，分別為：①空白對照（CK）：原狀土（天然土壤）；②處理1（C1）：原狀土+木屑；③處理2（C2）：原狀土+煤灰渣；④處理3（C3）：原狀土+石英砂；⑤處理4（C4）：原狀土+園林綠化栽培介質(zhì)。各處理中原狀土與改良材料質(zhì)量比均為5∶1。

1.3.2 試驗設(shè)計 利用改良土壤進行模擬土柱的去除污染物效果試驗，研究各種基質(zhì)與土壤混合后對主要污染物的去除效果。該部分試驗使用人工土滲濾柱進行實際雨水徑流處理，通過測定各進出水水質(zhì)指標，分析滲濾系統(tǒng)對雨水徑流的處理效果和穩(wěn)定性能。

1.4 進水水質(zhì)及運行方式

1.4.1 進水水質(zhì) 試驗用水取自上海市楊浦區(qū)中山北二路路面的雨水口的實際雨水徑流，試驗徑流水質(zhì)情況見表4。

1.4.2 運行方式 模擬土柱采用進水—落干交替循環(huán)的工作方式。試驗啟動階段向土柱內(nèi)注入清水，連續(xù)滲流1周，使土樣充分飽和，淋洗土壤本底氮、磷和重金屬等，至滲流速度穩(wěn)定。試驗正式運行階段，始終保持土層上淹沒水位為5 cm，待裝置出水后，收集土壤水樣，約每隔2 h取一次樣，考察試驗裝置對化學(xué)耗氧量（CODCr）、游離態(tài)氨氮（NH4+-N）、總磷（TP）、總氮（TN）、濁度和總懸浮固體（TSS）等指標的去除作用。

1.4.3 配水方案 試驗配水采用進水常水位的方法，計時器控制每天8∶00～16∶00進水8 h，16∶00至第三天早8∶00落干40 h。配水時間8 h、一個運行周期為48 h，濕干時間比為1∶5。

2 結(jié)果與分析

2.1 CODCr的去除

圖2給出了原狀土滲濾土柱（以下簡稱原狀土柱）和人工土滲濾土柱（以下簡稱人工土柱）進水和出水中的CODCr濃度和去除率隨不同運行周期的變化規(guī)律曲線。由圖2可以看出，各試驗土柱對雨水徑流中CODCr均有明顯的去除作用，不同類型土柱的出水濃度普遍較低，去除率基本在60%～80%之間，最低為53%，最高達84%。出水CODCr濃度多數(shù)位于100 mg/L以下，最高達143 mg/L，最低為31 mg/L。其中原狀土柱在試驗期間對有機物的去除表現(xiàn)出較好的效果，出水濃度也保持在90 mg/L以下。這主要是因為試驗用土為粉質(zhì)粘土，具有較大的比表面積，能強烈吸附有機污染物，因此試驗過程中雨水徑流中的CODCr去除效果十分理想。但原狀土在物理性質(zhì)上又表現(xiàn)出入滲速率低、吸水膨脹、失水收縮的特點及較強的吸持水分的能力，長時間運行后土壤孔隙逐漸變小，引發(fā)堵塞。不同人工土柱對污染物去除效果有一定差別，其中C2（原狀土+煤灰渣）的處理效果最佳，其后依次為C3，C1，C4。采用園林綠化栽培介質(zhì)改良的土壤與其他處理相比，對CODCr的去除效果相對較差，這可能是因為園林改良材料中有機質(zhì)含量太高，雨水徑流在土柱中的入滲過程中，改良材料中的有機物溶出帶出了一部分污染物，從而使處理效果下降。因此，僅從去除CODCr考慮，宜選用煤灰渣、木屑和石英砂作為土壤滲濾層的改良材料。

2.2 NH4+-N的去除

各試驗土柱對雨水徑流中NH4+-N的去除作用見圖3。雨水徑流凈化試驗結(jié)果表明，原狀土和人工土對地表雨水徑流中的NH4+-N均有明顯的凈化效果，去除率基本維持在40%～80%之間，最低為18.6%，最高達80.0%；不同進水水質(zhì)情況下，進水NH4+-N濃度高時去除率亦較高，對照和各處理都表現(xiàn)出了較強的抗沖擊負荷能力。從對NH4+-N的去除效率來看，不同處理的去除效率存在一定的差別，人工土柱C2處理效果最好，這是由于人工土中含有一定量的煤灰渣，與一般顆粒物相比，煤灰渣具有較大的內(nèi)表面積，因而對氨氮具有較強的吸附作用，進一步促進了土壤的吸附截留功能。有學(xué)者研究認為，富含鈣、鐵和鋁質(zhì)的基質(zhì)凈化污水中氨氮的能力較強[2]。C1和CK的處理效果相當，略優(yōu)于C3，處理效果均較好。這主要是因為人工土柱中天然土壤的比例較大，土壤中的黏粒含量高，具有較強的吸附作用。雨水進入試驗裝置后，氨氮直接被帶負電荷的土壤膠體所吸附，與土壤顆粒之間發(fā)生迅速的化學(xué)固定；有機氮則在好氧微生物的作用下氨化，并逐漸轉(zhuǎn)化為NH4+而被土壤顆粒粘附。C1、C2、C3三者之間的處理效果的差別可能主要是由于滲透速率的不同造成的。試驗處理C4出水氨氮濃度較對照明顯偏高，這可能是由栽培介質(zhì)自身的性質(zhì)決定的，雨水在滲濾的過程中產(chǎn)生一定的氨氮溶出，致使出水氨氮含量高于對照。

2.3 TN的去除

不同的試驗土柱對雨水徑流中TN的去除作用見圖4。試驗結(jié)果表明，各試驗土柱對雨水徑流中的TN都具有一定的去除作用，去除率基本在40%～60%，最低只有12.3%，最高達64.4%。兩種水質(zhì)情況下，進水TN濃度高時去除率亦較高?？偟膩碚f，摻入木屑的人工土柱C1的出水效果最好，原狀土柱CK、C2和C3除氮效果相近，沒有顯著性的差別。原狀土柱和人工土柱C2、C3由于可利用的碳源較少，對氮的去除可能主要是靠土壤介質(zhì)的吸附作用。而人工土柱C1除氮效果良好的主要原因可能是土柱中添加的木屑既可成為微生物的碳源，同時又可以吸附固定NH4+-N，在落干期內(nèi)，系統(tǒng)又可以將吸附的氨態(tài)氮氧化為硝態(tài)氮。在后續(xù)的進水周期內(nèi)，連續(xù)飽和入滲使土柱滲濾系統(tǒng)成為厭氧環(huán)境，徑流中的硝態(tài)氮可以直接參與反硝化作用，從而使氮得到最終的去除。投加園林栽培介質(zhì)的試驗土柱C4去除效果相對較差，與原狀土相比沒有達到提高去除率的效果。這可能與栽培介質(zhì)中氮的溶出有關(guān)。綠地滲濾系統(tǒng)中脫氮機理和氮的遷移和轉(zhuǎn)化方式在后續(xù)的綠地滲濾試驗中還將進一步深入研究。

2.4 TP的去除

磷是控制水體富營養(yǎng)化過程的限制性因子。研究表明，在滲濾處理雨水徑流中磷的去除機理主要有滲濾介質(zhì)的截留、吸附、化學(xué)沉淀、植物吸收和微生物的累積等[3]。環(huán)境中磷的存在形式主要為非溶解態(tài)，其多以有機或膠質(zhì)態(tài)與微粒一起隨水移動。傳統(tǒng)的滲濾處理系統(tǒng)對磷的凈化功能主要依靠天然土壤對磷的截留和吸附作用。研究表明，污水中的磷90%以上可以被土壤吸附并貯存在土壤中[4]。

各試驗土柱對雨水徑流中TP的去除效果見圖5。由圖5可知，所有試驗土柱對TP的去除作用都極為明顯，出水中磷含量較低，出水濃度最高值為0.112 mg/L，最低僅為0.050 mg/L。這一方面是因為顆粒態(tài)磷是磷在路面雨水徑流中的主要存在形式，顆粒態(tài)的磷容易隨顆粒物一起被滲濾介質(zhì)過濾去除；另一方面土壤對磷素吸附是磷在土壤中另一個重要的反應(yīng)機理[5]。上海本地的原狀土為黏性土壤，黏粒含量較高，土壤中鐵、鋁和鈣等礦物質(zhì)的含量較高，因此對磷的去除效果較好。此外，由于本試驗中各人工土中添加的介質(zhì)種類不同，滲透系數(shù)不同，因此在不同程度上影響了對磷的吸附和化學(xué)沉淀作用，導(dǎo)致了各人工土柱對磷的去除效果略有不同，較長的水力停留時間有利于園林綠化栽培介質(zhì)對懸浮態(tài)磷的攔截過濾。相對來說，添加木屑的土壤除磷效果稍差，這可能是因為添加木屑后的人工土壤的滲透性能較好，水在系統(tǒng)內(nèi)的停留時間短。劉忠翰等[6]研究表明，影響土壤固定磷的因素有很多，包括有機質(zhì)的吸收和吸附，無定形硅酸鋁和氧化鐵、三水鋁石對磷酸粒子的轉(zhuǎn)型吸附和化學(xué)沉淀，pH和氧化還原電位（Eh）的影響以及土壤溶液所含物質(zhì)種類、數(shù)量等，其中土壤滲透速率和停留時間被認為是主要的影響因素。相對來說，微生物對磷的正常同化吸收和聚磷菌對磷的過量積累等可能是有限的。

2.5 濁度和TSS的去除

顆粒物是氮、磷、COD、重金屬、有機物等污染物的主要載體，顆粒物在傳輸過程中可以造成江、河、湖泊淤積和功能退化[7，8]。有效降低暴雨徑流中的顆粒物濃度和攔截大顆粒是控制暴雨徑流污染的關(guān)鍵。有研究表明，滲透系統(tǒng)因具有存儲和滲透雙重功能，一般可以去除雨水中98%的懸浮物質(zhì)以及由此產(chǎn)生的濁度[1]。

表5給出了不同試驗土柱對路面徑流進出水濁度和TSS的測定結(jié)果。試驗結(jié)果表明，各試驗土柱對路面雨水徑流中的濁度具有明顯的去除作用，去除率都在90%以上，出水濁度多數(shù)位于10 NTU以下，最高達16.4 NTU，最低為2.7 NTU。去除效果與進水水質(zhì)具有一定的相關(guān)性，進水濁度較高時去除率亦相對較高。徑流TSS主要來自降雨徑流沖刷路面產(chǎn)生的懸浮固體，它是徑流污染負荷的重要指標。由表5數(shù)據(jù)可以看出，經(jīng)各土柱滲濾處理后出水中的TSS大幅度降低，90%以上的TSS被去除，各處理之間無顯著性差別，出水TSS基本在10 mg/L以下，達到了《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》（GB 18918—2002）中的一級A標準。C1出水TSS值相對偏高，主要是因為一些細小的鋸末隨水流流出造成的?？傮w而言，原狀土柱和人工土柱對TSS都具有很好的去除效果。這是因為土壤滲濾系統(tǒng)主要通過過濾和截留作用去除大于其孔隙孔徑的懸浮物質(zhì)，同時通過吸附作用去除部分小于其孔隙孔徑的懸浮物質(zhì)。當進水TSS和濁度較高時，裝置通過過濾和截留作用能快速去除雨水徑流中的大量可視懸浮物質(zhì)，使出水清澈透明。

2.6 重金屬的去除

對不同土柱進出水中重金屬的濃度進行了測定，結(jié)果如表6所示。從表6中可以看出，各土柱對重金屬的去除效果都較好，進入土柱中的重金屬元素大部分都能被去除，重金屬出水濃度均達到了Ⅱ類水體水質(zhì)標準（GB 3838—2002）。從污染物去除效果來看，不同試驗土柱對重金屬的去除存在一定的差異。根據(jù)表6可知，添加園林改良材料和木屑的人工合成土壤對重金屬的累積去除率最高，而添加煤渣的土壤出水效果最差。這是因為木屑和園林改良材料有較高化學(xué)活性，易產(chǎn)生吸附金屬離子的活性基團[9]。大量研究表明，木屑等農(nóng)林廢棄物對重金屬的去除均有顯著的效果，離子交換和氫鍵結(jié)合是木屑等有機材料去除重金屬離子的主要作用原理[10，11]。煤灰渣由于本身含有一定量的重金屬，在地表徑流出流的過程中會帶出一部分重金屬，由此造成重金屬出水濃度較其他土柱偏高。

3 小結(jié)

1）原狀土和人工土滲濾系統(tǒng)都能有效地削減城市路面徑流的污染負荷。原狀土中投加木屑、煤灰渣和石英砂之后，改善了土壤的物化條件和微生物棲息條件，強化了污染物的降解作用，達到了提高人工土滲濾系統(tǒng)處理效果的目的。比較而言，由于自身污染物的溶出，摻入園林綠化栽培介質(zhì)的人工土柱出水效果較差，只適合作為上部種植層的改良材料以增加土壤的有機質(zhì)含量，不宜直接作為滲濾層的改良材料。

2）改良材料木屑、煤灰渣和石英砂具有促進土壤滲透、減少徑流量、削減污染物負荷的綜合效應(yīng)，對改善雨水徑流滲濾、控制路面徑流污染具有重要作用。從污染物的去除效率來看，摻入木屑的人工土的累積去除率最高，煤灰渣改良土和石英砂改良土去除效率相近。

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（責(zé)任編輯 呂海霞）