王俊嶺，梁慧，楊明霞，王華

(1.北京建筑大學(xué) 環(huán)境與能源工程學(xué)院，北京 100044；2.中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，北京 100080； 3.中科院建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100190)

城市工業(yè)區(qū)的綠地面積占比普遍較小，無法對(duì)屋面雨水徑流污染物進(jìn)行及時(shí)的削減與凈化[1-2]。因此，增設(shè)徑流預(yù)處理設(shè)施，可有效地降低廠區(qū)內(nèi)發(fā)生徑流污染的風(fēng)險(xiǎn)。

如今海綿城市的建設(shè)如火如荼的展開，雨水花園系統(tǒng)在城市雨水的治理方面成效顯著[3-5]。研究發(fā)現(xiàn)，通過對(duì)傳統(tǒng)雨水花園系統(tǒng)的改造，可對(duì)徑流中總氮和總磷的去除率大幅度提高[6-7]。

雨水花園凈化水質(zhì)的研究大多集中在填料改良上，而本身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的研究較少。本文以深圳某工業(yè)區(qū)降雨條件為背景，在傳統(tǒng)雨水花園系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增設(shè)前池，分析其對(duì)徑流污染物的凈化效果，以期為工業(yè)區(qū)屋面徑流污染的治理提供參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料與儀器

葡萄糖、磷酸二氫鉀、硝酸鉀、氯化銨、醋酸鉛、硫酸鋅、氯化銅、氯化鎘等均為分析純；工業(yè)潤(rùn)滑油；過篩塵土。

HJ-001電子天平；HJ-031紫外可見分光光度計(jì)；HJ-262電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀；HJ-245紅外分光光度計(jì)。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

前池雨水花園系統(tǒng)主要分為前池和雨水花園兩個(gè)部分。前池部分為底面邊長(zhǎng)0.602 m的正方形，雨水花園橫斷面為直徑0.502 m的圓形，在雨水花園頂部設(shè)有溢流口，底部設(shè)有穿孔管和出水口。該系統(tǒng)由蠕動(dòng)泵控制的流量模擬工業(yè)區(qū)屋面降雨徑流，匯流面積比為50∶1，系統(tǒng)的實(shí)景圖見圖1。

圖1 前池雨水花園系統(tǒng)Fig.1 Front pond rain garden system

1.3 植被與填料

麥冬作為一種喜濕耐澇的植物，在人工濕地和生物滯留設(shè)施中對(duì)水質(zhì)的凈化效果良好，尤其是對(duì)總氮的去除率高達(dá)70%以上。因此，本實(shí)驗(yàn)中雨水花園部分植被層選用麥冬作為栽種植物，且考慮到麥冬生長(zhǎng)環(huán)境需要充足的水和光照，在雨水花園上部增設(shè)照度為4 000 lux的補(bǔ)光燈。

填料層參考相關(guān)文獻(xiàn)[8]，填料層自下而上為礫石層(厚度250 mm，粒徑50 mm)、砂石層(厚度150 mm，粒徑10 mm)、土與石英砂混合層(厚度250 mm，配比為1∶1，土用0.02 mm篩網(wǎng)過篩，石英砂用1～2 mm篩網(wǎng)過篩)、沸石層(厚度50 mm，粒徑8～16 mm)。經(jīng)過計(jì)算，填料層的滲透系數(shù)為 K=4.73×10-5m/s。

1.4 模擬屋面雨水配制

參考深圳工業(yè)區(qū)的初期雨水徑流的相關(guān)研究[9-11]，將COD、SS、TN、TP、Cu、Zn、Pb、Cd和石油類9項(xiàng)污染指標(biāo)列入檢測(cè)范圍，實(shí)驗(yàn)配水中各污染物對(duì)應(yīng)的藥劑、濃度、檢測(cè)方法、檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 實(shí)驗(yàn)配水中各污染指標(biāo)濃度Table 1 Concentration of each pollution index in the distribution water

1.5 實(shí)驗(yàn)方法

在降雨條件為重現(xiàn)期一年，降雨歷時(shí)為60 min下，進(jìn)行前池雨水花園系統(tǒng)對(duì)屋面降雨徑流中COD、SS、TP、TN、Cu、Zn、Pb、Cd及石油類污染指標(biāo)去除效果實(shí)驗(yàn)。

通過調(diào)節(jié)蠕動(dòng)泵轉(zhuǎn)速，模擬設(shè)定的降雨條件下的徑流量，并在前池進(jìn)水時(shí)，開始計(jì)時(shí)。在前池的出水口、雨水花園的溢流口和出水口按設(shè)定的時(shí)間點(diǎn)分別取樣1 L，進(jìn)行水質(zhì)檢測(cè)，計(jì)算各污染指標(biāo)的削減率(見式1)，并分析污染指標(biāo)隨時(shí)間的變化規(guī)律及其污染物分別在系統(tǒng)中的去除效果。

(1)

式中R——去除率，%；

Cin——污染物進(jìn)水濃度，mg/L；

Cout——污染物出水濃度，mg/L。

2 結(jié)果與討論

2.1 COD、SS去除效果分析

前池雨水花園系統(tǒng)對(duì)于COD和SS的去除效果隨時(shí)間的變化見圖2。

圖2 系統(tǒng)對(duì)COD和SS的去除效果Fig.2 Removal effects of COD and SS in the system

由圖2可知，系統(tǒng)出水的COD的濃度變化呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢(shì)，去除率范圍為57.20%～72.80%，均值為65.40%，與生物滯留設(shè)施有關(guān)研究中的COD去除率相比，減少了約30%[12]。這是因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)中進(jìn)水COD濃度較高，且在雨水花園底部設(shè)置穿孔管，使污染物在系統(tǒng)中停留的時(shí)間較短，導(dǎo)致去除率偏低。系統(tǒng)出水SS濃度呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢(shì)，去除率均值高達(dá)93.09%，說明系統(tǒng)對(duì)SS有較好的去除效果且全程處于較好的過濾吸附階段。這與殷利華等研究的雨水花園設(shè)施TSS的平均去除率90%的結(jié)果一致[13]。

前池對(duì)于COD和SS的去除效果隨時(shí)間的變化見圖3。

圖3 前池對(duì)COD和SS的去除效果Fig.3 Removal effects of COD and SS in the front pood

由圖3可知，前池出水COD濃度呈現(xiàn)先下降再上升趨勢(shì)，去除率范圍為3.60%～26.80%。在前池出水15 min內(nèi)，去除率逐漸增大，在54 min時(shí)，去除率達(dá)到峰值26.80%，此后緩慢下降，這是因?yàn)榍俺貙?duì)COD的初期沉降作用易達(dá)到飽和。去除率均值為13%，總體上前池對(duì)COD有一定的削減作用，但不穩(wěn)定。前池出水中SS的濃度逐漸降低，去除率均值高達(dá)63.31%，說明前池的物理沉降作用能去除大部分的懸浮物固體，減輕了雨水花園的負(fù)擔(dān)，從而提高了系統(tǒng)的水質(zhì)凈化能力。

2.2 TN、TP去除效果分析

前池雨水花園系統(tǒng)對(duì)TN、TP兩類污染指標(biāo)的去除效果見圖4。

圖4 系統(tǒng)對(duì)TN和TP的去除效果Fig.4 Removal effects of TN and TP in the system

由圖4可知，系統(tǒng)出水中總氮濃度呈現(xiàn)先增高后降低的趨勢(shì)，去除率變化范圍為35.24%～75.85%，均值為56.20%。在系統(tǒng)開始出水TN的出水濃度較高，是因?yàn)槌鏊當(dāng)y帶了填料層中含氮物質(zhì)，且雨水在系統(tǒng)中停留時(shí)間過短，污染物來不及被植物吸收就被排出系統(tǒng)；經(jīng)過一段時(shí)間的沖刷后，系統(tǒng)的TN去除率上升，且直到系統(tǒng)出水結(jié)束,也未達(dá)到飽和狀態(tài)，說明該系統(tǒng)對(duì)總氮的去除效果良好。系統(tǒng)出水中總磷的濃度呈逐漸升高的趨勢(shì)，去除率范圍為58.0%～90.91%，均值為72.55%，是因?yàn)樘盍蠈颖旧淼牧撞粩噌尫?，另外隨著時(shí)間的推移，系統(tǒng)對(duì)磷的吸收也趨于飽和。

前池對(duì)總氮和總磷的去除效果見圖5。

圖5 前池對(duì)TN和TP的去除效果Fig.5 Removal effects of TN and TP in the front pood

由圖5可知，前池出水中總氮的濃度均值為6.39 mg/L，去除率變化范圍為18.54%～24.15%；總磷的濃度均值為2.29 mg/L，去除率變化范圍為12.24%～28.32%。前池對(duì)總氮和總磷的削減作用均是通過沉降作用實(shí)現(xiàn)，受水力學(xué)參數(shù)的影響較大，因此，系統(tǒng)配水不均衡會(huì)導(dǎo)致前池對(duì)TN、TP的去除率不具有規(guī)律性。但從去除效果可知，增設(shè)前池可以去除約1/5的氮磷量。李芬芬等對(duì)生物滲透設(shè)施綜述中提到[14]，飽和后采用最多的方法為更換填料和投加碳源，但實(shí)驗(yàn)過程中經(jīng)常出現(xiàn)有機(jī)物淋出現(xiàn)象。因此，雨水花園增設(shè)前池，可延長(zhǎng)填料層的使用壽命，為后續(xù)的雨水花園中植物滲濾吸收、土壤顆粒吸附等過程減負(fù)。

2.3 Pb、Zn、Cu、Cd去除效果分析

系統(tǒng)出水中Cd、Zn、Cu、Pb的去除率隨時(shí)間變化的趨勢(shì)見圖6。

圖6 系統(tǒng)對(duì)Pb、Zn、Cu、Cd的去除效果Fig.6 Removal effects of Pb,Zn,Cu and Cd in the system

由圖6可知，Pb的去除最為穩(wěn)定且去除效果最佳，去除率均值為98.03%。其次是Zn的去除效果，去除率范圍在91.73%～94.36%。對(duì)Cu和Cd的去除效果不夠穩(wěn)定,這與較多的生物滯留設(shè)施的研究結(jié)果類似。但對(duì)四類重金屬的去除率均超過50%，平均去除率最低的Cd達(dá)到82.50%，說明將此系統(tǒng)應(yīng)用到工業(yè)區(qū)含重金屬的雨水治理中能發(fā)揮出較大的凈化作用。

系統(tǒng)中各部分對(duì)四類金屬的去除效果占比見圖7。

圖7 系統(tǒng)各部分對(duì)Pb、Zn、Cu、Cd 的平均去除率占比Fig.7 The average removal rate of Pb,Zn,Cu and Cd in each part of the system

由圖7可知，三者相比雨水花園作為系統(tǒng)的核心部分主要通過植物滲濾吸收、土壤顆粒吸附等過程進(jìn)行重金屬降解，因此對(duì)四類重金屬的去除率占比最高。前池主要是利用重力沉降作用對(duì)重金屬的進(jìn)行去除，可減輕雨水花園凈化水質(zhì)的負(fù)擔(dān)。尤其是常規(guī)雨水花園對(duì)Cu去除效果不穩(wěn)定，利用前池的重力沉降作用可將去除率均值提高到86.05%。黃超群等對(duì)屋面徑流的實(shí)驗(yàn)表明[15]，Cu的去除率為40%。進(jìn)一步說明，增設(shè)前池可以有效地提高雨水花園系統(tǒng)的凈水效果。

2.4 石油類去除效果分析

石油類污染物在系統(tǒng)中的去除效果見圖8。

圖8 系統(tǒng)對(duì)石油類污染物的去除效果Fig.8 Removal effects of petroleum pollutant in the system

由圖8可知，石油類污染物的去除主要是通過前池沉降和雨水花園的吸附作用被滯留，之后被微生物和植物降解。系統(tǒng)對(duì)石油類污染物的去除率呈現(xiàn)逐漸增大趨勢(shì)，變化范圍為77.73%～89.33%，均值為83.24%，去除效果較好。

石油類污染物在前池中的去除效果見圖9。

圖9 前池對(duì)石油類的去除效果Fig.9 Removal effects of petroleum pollutant in the front pood

由圖9可知，前池對(duì)石油類污染物去除率逐漸升高，均值約為50.39%，說明前池可以有效的分擔(dān)雨水花園對(duì)石油類污染物的去除壓力。前池在39 min時(shí)剛開始出水，對(duì)石油類污染物的去除率較高，可達(dá)到60.32%，隨后下降，可能是受配水不均勻的影響。之后去除率升高但速率逐漸變緩，是因?yàn)殡S著時(shí)間的延長(zhǎng)，前池對(duì)吸附石油類污染物的懸浮物重力去除逐漸變?nèi)酢?/p>

3 結(jié)論

(1)前池雨水花園系統(tǒng)對(duì)COD、SS指標(biāo)的去除效果較好，去除率范圍分別為57.20%～72.80%，87.80%～96.34%，其中前池對(duì)COD和SS的平均去除率分別為13%，63.31%，說明前池的物理沉降作用能去除大部分的懸浮物，減輕了雨水花園的負(fù)荷，從而提高了系統(tǒng)的水質(zhì)凈化能力。

(2)系統(tǒng)對(duì)TN、TP指標(biāo)的平均去除率分別為56.20%，72.55%，且前池對(duì)TN、TP的去除率范圍分別為18.54%～24.15%，12.24%～28.32%，因受水力學(xué)參數(shù)的影響較大，前池對(duì)TN、TP的去除率不具有規(guī)律性。從去除效果可知，增設(shè)前池可以去除約20%的氮磷量，這為后續(xù)的雨水花園中植物滲濾吸收、土壤顆粒吸附等過程減負(fù)不少。

(3)系統(tǒng)對(duì)重金屬Pb、Zn、Cu、Cd的去除主要通過植物滲濾吸收、土壤顆粒吸附等過程，平均去除率分別為98.03%，92.83%，86.05%，82.50%，其中對(duì)Pb和Zn去除效果最為穩(wěn)定。前池主要是重力沉降作用，尤其是對(duì)去除效果不穩(wěn)定的Cu，可較大的提高其去除率。系統(tǒng)對(duì)石油類的去除率變化范圍為77.73%～89.33%，其中前池對(duì)石油類的平均去除率較高為50.39%，但受前池配水不均勻的影響較大。