張瑞斌

1.江蘇龍騰工程設(shè)計(jì)股份有限公司 2.江蘇省雨污水資源化利用工程技術(shù)研究中心 3.南京市生態(tài)河道工程技術(shù)研究中心

隨著城鎮(zhèn)化的發(fā)展，城市不透水路面增加，容易出現(xiàn)城市內(nèi)澇、洪峰徑流過(guò)大等問(wèn)題，同時(shí)雨水徑流攜帶大量的污染物進(jìn)入市政管網(wǎng)后增加下游有機(jī)物負(fù)荷，因此海綿城市建設(shè)意義重大[1-2]。常規(guī)植草溝的截面大多以梯形為主[3-4]，邊坡順直，雨水流動(dòng)速度快，無(wú)法緩解徑流峰流量，在暴雨季節(jié)雨水猛烈沖刷下容易坍塌，凈化雨水的過(guò)濾層又多以簡(jiǎn)單的上下疊加形式設(shè)置，嚴(yán)重影響雨水的滲透和快速排出，且過(guò)濾層的凈化效果較差，這些都限制了植草溝的推廣和應(yīng)用[5-6]。作為給水廠生產(chǎn)過(guò)程中的副產(chǎn)物，鋁污泥含有大量鋁離子及其聚合物，用作生物填料時(shí)可有效提高脫氮除磷效果[7-8]。筆者將鋁污泥生物填料與臺(tái)階型植草溝相結(jié)合，以常規(guī)植草溝作為對(duì)照，構(gòu)建臺(tái)階型生態(tài)植草溝系統(tǒng)，研究并分析該系統(tǒng)凈化路面徑流水質(zhì)的效果，以期為海綿城市建設(shè)提供技術(shù)支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

鋁污泥取自給水廠，主要成分為Al2O3，濃度為38.62%～45.84%，體積密度為(1.18±0.10)g/cm3，孔隙率為40%，比表面積為21.54～36.50 m2/g，電導(dǎo)率為0.010 4～0.014 0 S/m。鋁污泥原料經(jīng)過(guò)攪拌、造粒后，在105～120 ℃下烘干2～3 h，以去除水分；在500～600 ℃下無(wú)氧焙燒6～8 h，自然冷卻后制備成鋁污泥生物填料。

1.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

試驗(yàn)地點(diǎn)位于南京市江寧區(qū)某新建小區(qū)，該小區(qū)建設(shè)時(shí)間短，綠地率高，適合試驗(yàn)的開展。在小區(qū)主干道一側(cè)的綠地上沿縱坡方向建造2種滲透型干式植草溝，分別記作設(shè)施Ⅰ和設(shè)施Ⅱ(圖1)，承接路面雨水。經(jīng)計(jì)算，2種植草溝匯水面積均為150 m2。設(shè)施Ⅰ為常規(guī)植草溝，縱向全長(zhǎng)10 m，坡度0.5%，最大深度0.3 m，橫向?yàn)榈固菪纹拭妫讓?.6 m，側(cè)面坡度為1∶2，底部設(shè)置了種植土層、砂層及穿孔下排水管道。其中，種植土層為混有腐殖質(zhì)、動(dòng)物糞便、膨潤(rùn)土和灰土的營(yíng)養(yǎng)土，厚度8 cm；砂層選用粒徑為2～3 mm的粗砂，厚度30 cm，且種植土層和砂層之間鋪設(shè)有透水土工布；穿孔下排水管道管徑100 mm，縱向布置，表面開孔直徑2 mm，管底距礫石層底部10 cm。設(shè)施Ⅱ?yàn)榕_(tái)階型生態(tài)植草溝，在設(shè)施Ⅰ基礎(chǔ)上將兩側(cè)坡面改造，設(shè)置三級(jí)臺(tái)階，每級(jí)臺(tái)階水平面寬15 cm，水平面從上往下依次設(shè)置厚度均為5 cm的碎石過(guò)濾層(粒徑10～20 mm)、礫石過(guò)濾層(粒徑5～10 mm)、鋁污泥過(guò)濾層(粒徑1～5 mm)；過(guò)濾層采用石籠網(wǎng)裝填，且籠孔直徑小于所裝材質(zhì)的粒徑。設(shè)施Ⅰ和設(shè)施Ⅱ的表面均種植多年生草本植物黑麥草，種植后需經(jīng)10～15 d維護(hù)管理，以確保栽種成活，待生長(zhǎng)至約10 cm即可進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)期間選擇2020年3月中的2場(chǎng)降雨事件，設(shè)施Ⅰ和設(shè)施Ⅱ均有出流，具體數(shù)據(jù)如表1所示，根據(jù)中國(guó)氣象局降水強(qiáng)度等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，降雨事件1為中雨(24 h內(nèi)降雨量為10.0～24.9 mm)，降雨事件2為大雨(24 h內(nèi)降雨量為25.0～49.9 mm)。下文用設(shè)施Ⅰ-1代表設(shè)施Ⅰ在降雨事件1中對(duì)路面徑流的處理情況，其余類同。

圖1 2種植草溝結(jié)構(gòu)示意Fig.1 Structure of two kind of grass swales

表1 降雨事件的降雨特征Table 1 Characteristics of rainfalls in rainfall events

1.3 樣品采集與分析

設(shè)施 Ⅰ 和設(shè)施 Ⅱ 沿道路縱向布置且與道路之間無(wú)開口路緣石，沒(méi)有集中進(jìn)水點(diǎn)，因此選擇距植草溝起始端1、3、5、7、9 m處作為5個(gè)水質(zhì)測(cè)量點(diǎn)，取平均值；由于2種植草溝的匯水面位于同一條道路的一側(cè)且面積相同，監(jiān)測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)進(jìn)水水質(zhì)幾乎相同，因此選取設(shè)施Ⅱ的進(jìn)水作為進(jìn)水水質(zhì)。分別在2個(gè)設(shè)施出水口處采集水樣，出水流量采用Hydro Vision流量計(jì)測(cè)定。降雨初期每5～10 min采集1個(gè)樣品，后期采樣間隔時(shí)間取30～60 min，具體根據(jù)降雨強(qiáng)度而定。所有水質(zhì)指標(biāo)均實(shí)行過(guò)程樣的連續(xù)監(jiān)測(cè)，結(jié)合流量過(guò)程的監(jiān)測(cè)獲得單次降雨事件的污染物平均濃度(整個(gè)降雨徑流事件中該污染物質(zhì)量與徑流總體積之比)。使用SL3-A翻斗式雨量計(jì)監(jiān)測(cè)研究區(qū)域的降雨特征數(shù)據(jù)。

SS粒徑采用光電感應(yīng)法(激光粒度粒形分析儀，Mastersizer 3000，Malvern)測(cè)定；CODCr采用重鉻酸鹽法測(cè)定；TP濃度采用鉬酸銨分光光度法(紫外可見分光光度計(jì)，UV1200，MAPADA)測(cè)定；TN和NH3-N濃度采用氣相分子吸收光譜法(氣相分子吸收光譜儀，GMA3510，森普)測(cè)定。

2 結(jié)果與分析

2.1 植草溝徑流量削減效應(yīng)

植草溝徑流總量削減效應(yīng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。由表2可見，設(shè)施 Ⅰ 在2次降雨事件中徑流總量削減率分別為51.45%和44.79%，而改良后的設(shè)施 Ⅱ 水量削減效果優(yōu)于設(shè)施Ⅰ，徑流總量削減率分別達(dá)到63.04%和55.21%。2種植草溝在2次降雨事件下的出水口流量擬合曲線如圖2所示。由圖2可知，由于植草溝土壤初始的孔隙存儲(chǔ)和滲透[9]，設(shè)施 Ⅰ 和設(shè)施 Ⅱ 均完全消納了最初降雨產(chǎn)生的進(jìn)水，且隨著降雨的進(jìn)行，設(shè)施 Ⅱ 特有的臺(tái)階型構(gòu)造延長(zhǎng)了徑流路徑和植草溝的消納時(shí)間，使設(shè)施 Ⅱ 出流時(shí)間大幅延緩。在隨后的降雨過(guò)程中設(shè)施 Ⅰ、Ⅱ 均發(fā)生了出流；相較于設(shè)施 Ⅰ，設(shè)施 Ⅱ 出流的峰值流量顯著削減，峰值時(shí)間至少延遲24～30 min，出流總流量減小。

表2 植草溝徑流總量削減效應(yīng)統(tǒng)計(jì)Table 2 Statistical analysis of runoff volume reduction by grass swales

圖2 2種植草溝在2次降雨事件下的出口流量擬合曲線Fig.2 Fitting curve of outlet flow of two kind of grass swales under two rainfall events

2.2 植草溝SS和CODCr削減效應(yīng)

植草溝進(jìn)出水中顆粒物粒徑分布及SS、CODCr污染物的削減統(tǒng)計(jì)結(jié)果見表3和表4。由表3和表4可知，設(shè)施Ⅰ和設(shè)施Ⅱ均可有效降低出流SS濃度和粒徑較大的顆粒物占比，設(shè)施Ⅰ對(duì)徑流中SS濃度和總量的削減率分別可達(dá)66.28%和83.63%，設(shè)施Ⅱ?qū)搅髦蠸S濃度和總量的削減率分別可達(dá)79.54%和92.44%。研究表明，城市地表降雨徑流中其他污染物濃度與SS濃度有著相似的變化趨勢(shì)，且這種相關(guān)關(guān)系能夠保持相當(dāng)一段時(shí)間[10]，植草溝對(duì)徑流中CODCr的去除易受到SS去除效果的影響。

表3 2種植草溝進(jìn)出水中顆粒物粒徑分布Table 3 Particle size distribution in the inlet and outlet water by two kind of grass swales

表4 植草溝SS、CODCr污染物削減效應(yīng)統(tǒng)計(jì)Table 4 Statistical analysis of SS, CODCr reduction by grass swales

在中雨條件下，設(shè)施Ⅰ對(duì)徑流中CODCr和總量削減率分別可達(dá)51.11%和76.26%，設(shè)施Ⅱ?qū)搅髦蠧ODCr和總量削減率分別可達(dá)67.08%和87.83%，設(shè)施Ⅱ的去除效果顯著。

2.3 植草溝NH3-N和TN削減效應(yīng)

植草溝對(duì)NH3-N、TN污染物的削減效應(yīng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表5所示。由表5可見，設(shè)施 Ⅰ 在2次降雨事件中對(duì)NH3-N濃度的削減率分別為-15.22%和0.93%，對(duì)TN濃度的削減率分別為27.74%和35.83%；設(shè)施 Ⅱ 在2次降雨事件中對(duì)NH3-N濃度的削減率分別為30.43%和34.75%，對(duì)TN濃度的削減率分別為57.92%和63.61%。在2次降雨事件中，設(shè)施 Ⅰ 對(duì)NH3-N總量的削減率分別為44.06%和45.31%，對(duì)TN總量的削減率分別為64.92%和64.57%；設(shè)施 Ⅱ 對(duì)NH3-N總量的削減率分別為74.29%和70.77%，對(duì)TN總量的削減率分別為84.45%和83.70%。

表5 植草溝對(duì)NH3-N、TN污染物削減效應(yīng)統(tǒng)計(jì)Table 5 Statistical analysis of NH3-N, TN reduction by grass swales

2.4 植草溝TP削減效應(yīng)

植草溝TP污染物削減效應(yīng)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表6所示。由表6可見，在2次降雨事件中，設(shè)施Ⅰ對(duì)TP濃度的削減率分別為44.83%和49.12%，對(duì)TP總量的削減率分別為73.21%和71.91%;設(shè)施Ⅱ?qū)P濃度的削減率分別為72.41%和78.36%，對(duì)TP總量的削減率分別為89.80%和90.31%，設(shè)施Ⅱ?qū)α椎娜コЧ黠@優(yōu)于設(shè)施Ⅰ。

表6 植草溝TP污染物削減效應(yīng)統(tǒng)計(jì)Table 6 Statistical analysis of TP reduction by grass swales

3 討論

由試驗(yàn)可知，設(shè)施Ⅱ?qū)S的凈化機(jī)制除了植被、土壤層和砂層的過(guò)濾、截留作用[10-11]外，較長(zhǎng)的徑流路徑和三道過(guò)濾層使SS更容易被截留，很少存在沉淀顆粒物受徑流沖刷再懸浮的問(wèn)題。設(shè)施Ⅰ出流NH3-N濃度不降反升(表5)，一方面可能是大粒徑顆粒優(yōu)先沉降，小粒徑顆粒具有更高的污染物吸附效應(yīng)[10]；另一方面是植草溝表層土壤中部分污染物更易通過(guò)淋溶和解吸進(jìn)入徑流，導(dǎo)致出流污染物濃度不降反升[12]。設(shè)施Ⅱ的去除效果優(yōu)于設(shè)施Ⅰ，主要原因是一般路面徑流的pH為6.5～8.0[4]，鋁污泥等電點(diǎn)約6.4，此時(shí)鋁污泥表面帶負(fù)電，帶正電的NH3-N通過(guò)靜電作用和分子間作用力吸附在多孔結(jié)構(gòu)的過(guò)濾層上[13-14]，尤其過(guò)濾層內(nèi)部的微生物硝化反硝化作用大量削減水流中的NH3-N[15-16]，而絕大部分小粒徑SS則通過(guò)三道過(guò)濾層的截留被去除(表4)，小顆粒的污染物吸附效應(yīng)大幅減弱；另外，過(guò)濾層能夠營(yíng)造雍水環(huán)境，降雨強(qiáng)度越大，徑流與過(guò)濾層的接觸面積越大，增強(qiáng)了過(guò)濾層對(duì)污染物的去除效果。

徑流污染物總量削減率與進(jìn)出水污染物濃度及徑流量有關(guān)，徑流總量的量級(jí)遠(yuǎn)大于污染物濃度的量級(jí)，因此，受徑流總量削減效應(yīng)影響，污染物總量也呈現(xiàn)出較好的削減效應(yīng)，再加上植草溝對(duì)污染物的過(guò)濾吸附作用，其污染物總量削減率高于徑流總量削減率。設(shè)施Ⅰ對(duì)溶解態(tài)污染物濃度影響較小，下滲作用[21]成為設(shè)施Ⅰ去除污染物的主要機(jī)制；而設(shè)施Ⅱ的臺(tái)階型坡面延長(zhǎng)了徑流路徑，臺(tái)階水平面上設(shè)置的填料過(guò)濾層強(qiáng)化去除徑流污染物，造成設(shè)施Ⅱ徑流總量和峰值流量減少，峰值時(shí)間大幅延遲，污染物濃度和總量削減率提高。由試驗(yàn)結(jié)果可知，2次降雨事件設(shè)施Ⅱ出流水質(zhì)均優(yōu)于GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，甚至部分指標(biāo)達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，而設(shè)施Ⅰ除了TN指標(biāo)，其他指標(biāo)均達(dá)到Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，說(shuō)明臺(tái)階型生態(tài)植草溝可取得較好的水質(zhì)控制及污染負(fù)荷削減效果。

4 結(jié)論

(1)在2次降雨事件中，改良后的設(shè)施Ⅱ徑流量削減效果優(yōu)于設(shè)施Ⅰ，徑流總量削減率分別為63.04%和55.21%，峰值流量顯著降低，峰值時(shí)間至少延遲24～30 min。

(2)設(shè)施Ⅱ具有較好的水質(zhì)控制及污染負(fù)荷削減效果，對(duì)徑流中SS、CODCr、NH3-N、TN和TP濃度削減率分別可達(dá)79.54%、67.08%、34.75%、63.61%和78.36%，對(duì)總量削減率分別可達(dá)92.44%、87.83%、74.29%、84.45%和90.31%。

(3)設(shè)施Ⅱ在2次降雨事件中，出流水質(zhì)均優(yōu)于GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，部分指標(biāo)達(dá)到Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。