高玉嬋，金星龍，趙樂軍，宋現(xiàn)才

(1.天津理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與安全工程學(xué)院，天津 300000；2. 天津市市政工程研究院，天津 300392)

隨著國際標(biāo)準(zhǔn)化組織水回用技術(shù)委員會(huì)(ISO/TC282)會(huì)議的陸續(xù)召開，水資源回用成為近年來研究的重要課題。雨水作為大自然給予的天然資源，具有氧含量高、雜質(zhì)少、硬度低及易收集[1]等特點(diǎn)，可直接或經(jīng)再處理后達(dá)到城市雜用水、工業(yè)用水等水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，滿足人們?nèi)粘Ｉa(chǎn)、生活。吳淑琰[2]在雨水徑流的回用分析研究中指出多數(shù)情況下對(duì)徑流采取初期棄流后便可作為城市景觀用水。同時(shí)張肖[3]研究結(jié)果也顯示降雨可使人工湖水中污染物濃度減小，有利于改善水質(zhì)。因此，將雨水進(jìn)行必要的回收利用對(duì)減輕地表水體污染、緩解城市水資源短缺具有重要意義。

對(duì)屋面徑流受污染特征進(jìn)行有效監(jiān)測(cè)可以為雨水回用處理提供有效數(shù)據(jù)支持。本次研究選擇SBS屋面作為研究對(duì)象，將降雨過程雨水在屋面的下滲量及蒸發(fā)量考慮在內(nèi)改進(jìn)取樣方法，對(duì)徑流中污染物出流規(guī)律特征和產(chǎn)生原因、初始沖洗效果及回用可行性進(jìn)行分析，以期為制定可行的雨水利用方案提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)支持。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 研究區(qū)域概況

該實(shí)驗(yàn)測(cè)試點(diǎn)選擇天津市某大學(xué)教學(xué)樓屋頂，為提高屋面的防水性能，2018年6月27日新鋪設(shè)SBS防水材料，從鋪裝至第1次采樣完成，時(shí)隔1.5個(gè)月，期間經(jīng)過3場(chǎng)雨的沖刷，其中2場(chǎng)中雨，1場(chǎng)小雨，降雨量分別為15.6 mm(7月24日)、16.3 mm(7月30日)和8.3 mm(8月14日)。圖1為鋪設(shè)SBS防水材料后屋面情況。

圖1 鋪設(shè)SBS防水材料后屋面Fig.1 Roofing condition after laying SBS waterproof material

1.2 樣品采集及分析方法

自降雨開始，雨水形成徑流沖刷屋面，自兩側(cè)的落水管排放至地面，采樣點(diǎn)則設(shè)置于2個(gè)落水管下方。根據(jù)當(dāng)?shù)亟涤晏卣?，即降雨量呈先緩慢增大至最高值后緩慢下降的?guī)律，以及《大氣降水樣品的采集與保存》(GB13580.2-92)[4]所述方法設(shè)計(jì)樣品收集原則，即自產(chǎn)生明顯徑流開始計(jì)時(shí)，以0～15 min內(nèi)，15 min/次，15～25 min內(nèi)，10 min/次，25～35 min內(nèi)，5 min/次，35～55 min內(nèi)，10 min/次，55～85 min內(nèi),15 min/次，85～145 min內(nèi)，30 min/次，>145 min后，60 min/次的時(shí)間間隔采集樣品，將收集到的水樣混合均勻后儲(chǔ)存5 L到采樣瓶里進(jìn)行保存。降雨基本特征見表1。雨水徑流量根據(jù)采樣耗時(shí)與容器內(nèi)徑流體積所計(jì)算的瞬時(shí)徑流量[5]表示：

Q=V/t

(1)

式中：Q表示雨水徑流量，mL/min；V表示屋面徑流在規(guī)定時(shí)間間隔內(nèi)排放總體積，mL；t表示監(jiān)測(cè)時(shí)間間隔，min。

表1 降雨事件基本特征Tab.1 Characteristics of rainfall events

樣品收集完成后，迅速運(yùn)送回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行水質(zhì)分析，主要檢測(cè)指標(biāo)有pH、TSS(總懸浮物)、COD(化學(xué)需氧量)、TP(總磷)和TN(總氮)。樣品具體分析方法參見文獻(xiàn)[6]中所述方法進(jìn)行檢測(cè)。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 不同降雨事件中徑流中污染物變化特征

2018年在3場(chǎng)降雨中，pH變化范圍分別為6.06～6.52(8月19日)、5.92～6.45(8月30日)、6.08～6.85(9月19日)，均表現(xiàn)為弱酸性，但隨著降雨時(shí)間的延長(zhǎng)，pH逐漸增大，并趨于中性。一方面，由于空氣中存在一定量的氮氧化物、硫氧化物等酸性氣體[7]，在降雨過程中逐漸溶解；另一方面，SBS防水材料及其表面附著的固體顆粒中碳氮化合物[8]，在降雨沖刷作用下，隨徑流排放。

圖2～圖4分別為3場(chǎng)降雨中排放徑流量以及各污染物質(zhì)量濃度隨時(shí)間的變化曲線。降雨事件Ⅰ中污染物變化過程見圖2。從圖2中可以看出，初期徑流中各污染物質(zhì)量濃度較高，TSS、COD、TP、TN最高質(zhì)量濃度分別為25.78、925.84、0.22、7.78 mg/L。隨后徑流量迅速增大，污染物的質(zhì)量濃度迅速下降，至70 min時(shí)各污染物濃度已達(dá)較低值，分別為1.75、208.64、0.03、2.14 mg/L，隨后各項(xiàng)數(shù)值趨于平緩，最終分別穩(wěn)定在1.00、226.03、0.03、2.46 mg/L，約為初始濃度的1/25、1/4、1/7和1/3[9]。究其原因，可能是由于前期屋頂積累了大量污染物，同時(shí)空氣中也存在大量污染性氣體和固體顆粒，經(jīng)過雨水沖刷，大量污染物溶解，隨徑流排放，前期體積流量越大，單位時(shí)間內(nèi)隨徑流排出的污染物越多，因此污染物濃度迅速下降，70 min時(shí)，大部分污染物已隨徑流排放，后期污染物濃度逐漸平穩(wěn)。

圖2 2018-08-19屋面徑流中污染物變化特征Fig.2 Characteristics of pollutants in roof runoff on August 19, 2018

降雨事件Ⅱ中污染物變化過程見圖3。從圖3中可以看出，初始水質(zhì)較差，污染嚴(yán)重，TSS、COD、TP最高質(zhì)量濃度分別為90.50、2 138.90、0.42 mg/L，隨徑流時(shí)間的持續(xù)，整體呈減小趨勢(shì)，后逐漸分別穩(wěn)定在29.25、335.33、0.01 mg/L。相較于降雨事件Ⅰ，首先,TSS，COD和TP的初始質(zhì)量濃度較高，究其原因由于該次降雨事件前期干燥天數(shù)為10 d，與降雨事件Ⅰ(4 d)相比，干燥天數(shù)較長(zhǎng)，污染物累積較多[10]。其次，TSS、COD、TP濃度分別于30、35和45 min處濃度降低幅度減小甚至有少許增大。分析原因是30～45 min間體積流量減小，徑流單位時(shí)間內(nèi)與屋面的接觸時(shí)間增長(zhǎng)，導(dǎo)致其更易溶解較多的污染物。再次，總氮濃度隨徑流量的增大而增大，可能是由于屋面污染物累積量較高，而降雨強(qiáng)度較小，因此徑流對(duì)于屋面污染物的溶解作用大于對(duì)污染物的稀釋作用[11]，因此自屋面徑流產(chǎn)生的一段時(shí)期內(nèi)，TN質(zhì)量濃度隨徑流體積流量的增大而增大。

圖3 2018-08-30屋面徑流中污染物變化特征Fig.3 Characteristics of pollutants in roof runoff on August 30, 2018

降雨事件Ⅲ中污染物變化過程見圖4。此次降雨量為23.8 mm，降雨強(qiáng)度為中雨。相較于前2次降雨事件，COD初始濃度與最終穩(wěn)定濃度明顯高于前2次，分別為降雨事件Ⅰ的11倍(925.84 mg/L)和3.5倍(226.03 mg/L)，降雨事件Ⅱ的4.8倍(2 138.90 mg/L)和2.3倍(335.33 mg/L)。分析原因可能是由于距離上次取樣相隔18 d，時(shí)間較長(zhǎng)，且期間2場(chǎng)小雨并未形成徑流，但溶解空氣中的污染物會(huì)隨降雨累積在屋面，導(dǎo)致徑流初始污染物濃度高。

圖4 2018-09-18屋面徑流中污染物變化特征Fig.4 Characteristics of pollutants in roof runoff on September 18, 2018

2.2 不同降雨事件的初始沖洗效應(yīng)

不同降雨事件中屋面徑流污染物隨徑流體積的累積情況見圖5。以累積體積百分比為橫坐標(biāo)，累積質(zhì)量百分比為縱坐標(biāo)建立曲線關(guān)系，將y=x作為參考曲線，曲線偏離參考線的角度越大，則說明初始沖洗效果越強(qiáng)，部分文獻(xiàn)中證明降雨強(qiáng)度與初始沖刷效果呈正相關(guān)，即降雨強(qiáng)度越大，初始沖洗效果越強(qiáng)[12]。

圖5為各場(chǎng)降雨的初始沖洗效果情況。各場(chǎng)降雨對(duì)于大部分的屋面累積污染物都產(chǎn)生初始沖洗效應(yīng)，相比而言，降雨事件Ⅲ[見圖5(c)]初始沖洗效果圖中各曲線偏離參考線的角度最大，特別是對(duì)TSS的沖刷效果尤其明顯，因此該降雨事件的初始沖洗效果最為顯著。而8月30日的降雨沖刷效果圖中，TN變化曲線位于參考線的下方，因此未發(fā)生初始沖洗效應(yīng)，該結(jié)果與TN前期變化規(guī)律一致。各場(chǎng)降雨初始沖刷效果各不相同，該現(xiàn)象不是單一因素作用的結(jié)果，而是降雨強(qiáng)度、屋面材質(zhì)、降雨歷時(shí)等多種因素綜合作用的結(jié)果[13]。

圖5 不同降雨事件的初始沖洗效果Fig.5 First flush effect of different rainfall events

2.3 不同降雨事件中污染物的事件平均濃度

事件平均濃度(EMC)作為一個(gè)評(píng)價(jià)地表降雨徑流受污染程度的重要指標(biāo)，即用降雨事件總污染物負(fù)荷與總徑流體積比值表征徑流污染,具體計(jì)算方法如下：

(2)

式中：M表示整個(gè)降雨事件中污染物總質(zhì)量，mg；V表示徑流總體積，L；Ct表示t時(shí)刻污染物濃度，mg/L；Qt為t時(shí)刻雨水徑流量，mL/min。

根據(jù)式(2)，可得屋面徑流污染物EMC的統(tǒng)計(jì)值(見表2)。

由表2可知，在選取的3場(chǎng)降雨事件中除了COD外,其他指標(biāo)均無顯著變化規(guī)律，而COD的EMC值在降雨事件Ⅲ中最大為3 866.18 mg/L，降雨事件Ⅱ中最小為490.38 mg/L，但均超過標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ(40 mg/L)的上限值。TP的EMC值普遍較低，分別為0.08、0.23、0.08 mg/L，且都在標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ和標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ規(guī)定范圍內(nèi)。同時(shí)，降雨事件Ⅰ和降雨事件ⅢTSS的EMC值符合《城市污水再利用景觀環(huán)境用水水質(zhì)》湖泊、水景類標(biāo)準(zhǔn)[15]，因此該場(chǎng)降雨可作為湖泊、水景用水的水源之一。綜合數(shù)據(jù)結(jié)果可得，在3次降雨事件中COD污染最為嚴(yán)重，最高甚至為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)的100倍；不同降雨條件下屋面徑流水質(zhì)結(jié)果各不相同，大多數(shù)情況下均超出《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，可考慮將屋面徑流收集進(jìn)行再處理后循環(huán)利用，既可避免地下水的污染，又可緩解全球水資源短缺的現(xiàn)狀。

表2 屋面徑流各污染物EMC統(tǒng)計(jì)值Tab.2 EMC value statistic table on roof runoff

注：“-”為標(biāo)準(zhǔn)未作明確規(guī)定；標(biāo)準(zhǔn)Ⅰ為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838-2002)Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)Ⅱ?yàn)椤冻鞘形鬯偕镁坝^環(huán)境用水水質(zhì)》(GB/T 18921-2002)湖泊、水景類標(biāo)準(zhǔn)[14]。

3 結(jié) 語

(1)分析了以SBS防水材料為下墊面的屋面徑流TSS、COD、TP和TN隨時(shí)間變化的規(guī)律，進(jìn)而得到不同降雨事件中各污染物的EMC值，分別與GB 3838-2002、GB/T 18921-2002相比，徑流水質(zhì)符合城市景觀用水標(biāo)準(zhǔn)。

(2)不同參數(shù)條件下的降雨徑流對(duì)屋面各污染物的沖刷效果有所不同，降雨量越大、屋面污染總負(fù)荷越高，雨水對(duì)屋面的沖刷作用越強(qiáng)，初始沖洗效果越顯著；反之，降雨強(qiáng)度過小時(shí)，徑流對(duì)污染物的溶解作用強(qiáng)于稀釋作用，將不會(huì)發(fā)生初始沖洗效應(yīng)。

(3)SBS屋面徑流中COD污染最嚴(yán)重，是由降雨強(qiáng)度、屋面材質(zhì)、降雨歷時(shí)等多種因素綜合作用的結(jié)果，在雨水處理及回用過程中應(yīng)著重考慮。

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