摘要：采用粗河沙（粒徑為1.00～2.00 mm）、細河沙（粒徑為0.15～0.60 mm）、粗石英砂（粒徑為1.00～2.00 mm）、細石英砂（粒徑為0.50～1.00 mm）4種不同基質進行了徑流污染物去除比較試驗，以常規(guī)沙壤土（粒徑為0.02～0.20 mm）為對照。結果表明，在總氮初始濃度為20 mg/L時，4種基質對總氮的去除率最高；在總磷初始濃度為40 mg/L時，4種基質對總磷的去除率最高；隨著污染物初始濃度的增加，4種基質對污染物的去除率均有明顯的下降趨勢，總體而言，粗石英砂和細河沙的污染物去除率比另外兩種材料更高。在吸附量方面，除了細河沙外，其他3種基質對污染物的吸附量隨著污染物初始濃度的增大先升高后趨于平穩(wěn)，而細河沙在高濃度時展現(xiàn)出較好的吸附潛力。據(jù)分析其主要原因為河沙是通過物理黏附去除污染物，主要受其表面積影響，而石英砂是通過化學吸附進行截污，主控因素為孔隙度，因此有著較大比表面積的河沙和大孔隙度的石英砂截污效果更為明顯。

關鍵詞：透水鋪裝基層；骨料；徑流污染物；去除率；吸附量

中圖分類號：X52" " " " "文獻標識碼：A

文章編號：0439-8114（2025）01-0044-05

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2025.01.008 開放科學（資源服務）標識碼（OSID）：

Adsorption effect of different aggregates on typical runoff pollutants

CHEN Wen-gao，ZHANG Jia-lei，XU Cong

（School of Civil Engineering， Architecture and Environment， Hubei University of Technology， Wuhan" 430068， China）

Abstract： A comparative test of runoff pollutant removal was carried out for 4 different substrates. These 4 different substrates were coarse river sand （particle size of 1.00～2.00 mm）， fine river sand （particle size of 0.15～0.60 mm）， coarse quartz sand （particle size of 1.00～2.00 mm） and fine quartz sand （particle size of 0.50～1.00 mm）. The conventional sandy loam （particle size of 0.02～0.20 mm） was used as the control. The results showed that when the initial concentration of total nitrogen was 20 mg/L， the four substrates had the highest removal rate of total nitrogen. When the initial concentration of total phosphorus was 40 mg/L， the removal rate of total phosphorus by the four substrates was the highest. With the increase of the initial concentration of pollutants， the removal rate of pollutants by the four substrates had a significant downward trend. In general， the removal rate of pollutants by coarse quartz sand and fine river sand was higher than that of the other two materials. In terms of adsorption capacity， except for fine river sand， the adsorption capacity of the other three substrates to pollutants increased firstly and then tended to be stable with the increase of initial concentration of pollutants， while fine river sand showed good adsorption potential at high concentration. According to the analysis， the main reason was that river sand removed pollutants through physical adhesion， which was mainly affected by surface area， while quartz sand intercepted pollution through chemical adsorption， and the main control factor was porosity. Therefore， river sand with large specific surface area and quartz sand with large porosity had more obvious intercepting effect.

Key words： permeable pavement base； aggregate； runoff pollutants； removal rate； adsorption capacity

隨著國內城市點源污染控制的不斷完善，降雨徑流所導致的污染日漸成為城市水環(huán)境污染的主要來源［1-7］。城市降雨徑流污染過程是指雨水溶解并且攜帶地表污染物流入排水系統(tǒng)，最終污染接受水體的過程［1］。這一現(xiàn)象不僅與城市不透水面積的占比有關，還與排水機制以及城市規(guī)劃管理等因素密切相關［8］。因此，國內外學者提出了以低影響發(fā)展措施為代表的城市雨水可持續(xù)管控體系［9-16］。在低影響發(fā)展技術體系中，透水鋪裝系統(tǒng)是應用最為廣泛的源頭控制技術。透水鋪裝系統(tǒng)結構從上到下分別為面層、找平層、基層、底基層和墊層，與面層材料相比，占透水鋪裝系統(tǒng)體積2/3的基層對水質參數(shù)的影響更顯著［17-21］，這表明基層在透水鋪裝系統(tǒng)中起著至關重要的作用，特別是在處理雨水徑流污染物時具有顯著的影響。透水鋪磚的基層結構在雨水徑流滲透過程中，通過沉淀、孔隙吸附和生物作用，達到對地表徑流污染物的滯留和凈化作用，基層的截污作用是透水鋪裝系統(tǒng)中污染物截留的重要途徑，因此開展對其吸附性能的研究具有重要意義［22-29］。

目前，對透水鋪磚基層吸附性能的研究已經成為城市雨水管理和環(huán)境保護領域的熱點。透水鋪磚作為城市雨水管理中的重要技術手段，其基層的吸附性能對凈化雨水徑流中的污染物具有重要作用［21］。前期研究集中在降雨徑流過程、基層結構特征和骨料3個方面對透水鋪磚基層吸附性能的影響。首先，降雨徑流過程對透水鋪磚基層的吸附性能有著重要影響，研究人員在考察透水鋪磚基層對雨洪污染的吸附性能時，主要關注的是極端降雨條件和不同重現(xiàn)期下的情況［30，31］。極端降雨條件下，透水鋪磚基層的吸附性能可能會受到挑戰(zhàn)，因為大量的降雨可能會超出其設計容量，導致污染物的滯留和凈化效果下降。此外，不同重現(xiàn)期下的降雨事件也會對透水鋪磚基層的吸附性能產生影響，因為不同頻率和強度的降雨可能會導致不同程度的污染物沖刷和吸附效果。其次，在結構方面，除了常規(guī)的透水鋪磚，還有一些具有導滲導排管的透水混凝土鋪裝［32］、塑料網(wǎng)格砂基透水磚鋪裝［33］以及含盲管的透水鋪裝等［34］，它們的結構和材料特性可能會對吸附性能產生不同程度的影響。另外，透水鋪磚基層中的骨料也是影響其吸附性能的重要因素。石英砂和河沙等骨料具有較好的吸附性能，而其他材料如沸石、水泥和陶粒等［35，36］也可能對透水鋪磚基層的吸附性能產生影響。

城市地表功能和人類活動的多樣性使得城市降雨徑流污染過程異常復雜。在這樣的背景下，透水鋪磚作為重要的雨水管理技術，其吸附性能的研究顯得尤為重要。然而，隨著透水鋪磚使用年限的增加，其堵塞率增大、透水系數(shù)下降，受堵塞影響其對徑流中污染物的控制削減作用也會下降［37］?？紤]到堵塞，透水鋪磚吸附性能除了受骨料類型的影響外還受到骨料粒徑的影響。因此，本研究對吸附性能較好的2種骨料的常規(guī)粒徑進行了吸附試驗，比較了不同骨料類型和粒徑對透水鋪磚基層吸附性能的影響，以期為城市雨水可持續(xù)管控體系的設計和實施提供技術支撐。

1 材料與方法

1.1 試驗材料與儀器

1.1.1 試驗材料 依據(jù)之前關于不同骨料靜態(tài)吸附試驗的研究結果［33-37］，以常規(guī)沙壤土（粒徑為0.02～0.20 mm）為對照，選取粗河沙（粒徑為1.00～2.00 mm）、細河沙（粒徑為0.15～0.60 mm）、粗石英砂（粒徑為1.00～2.00 mm）、細石英砂（粒徑為0.50～1.00 mm）" " 4種不同的吸附介質進行降雨徑流吸附試驗，比較這些介質對降雨徑流中典型污染物的吸附效果。

1.1.2 試驗儀器 所用儀器主要有YXQ-LS-30SII型立式壓力蒸汽滅菌器（上海博迅實業(yè)有限公司），GM-0.33A型隔膜真空泵（天津市津騰實驗設備有限公司），KQ5200DE型數(shù)控超聲波清洗器（昆山市超聲儀器有限公司），Milli-Q型超純水儀（默克化工技術有限公司），SHA-C型水浴恒溫振蕩器（常州市華普達儀器制造廠）和UV-1700A型紫外分光光度計（上海美析儀器有限公司）。

1.2 試驗方法

典型徑流污染物種類及其配制所用試劑如表1所示［35，38］。試驗步驟：第一，配制試驗溶液，針對徑流中典型污染物，配制初始濃度分別為20、40、60、80、100、120、140、160、180、200 mg/L的污染物（總氮、總磷）溶液。第二，稱量基質材料。每份基質材料的質量均為5 g，每個污染物濃度每種基質設2個重復，故每種基質稱取20份。第三，將稱量好的基質置于裝有80 mL不同濃度污染物溶液的具塞錐形瓶中。將試驗樣品置于錐形瓶中后，需要將帶有蓋子的錐形瓶放在水浴搖床中，在轉速為150 r/min下常溫持續(xù)振蕩24 h，以確?；|與溶液充分接觸。第四，水浴振蕩完成后使用真空泵進行抽濾，并測定總氮和總磷的濃度。

表1 徑流典型污染物及配制溶液所用試劑

[污染物指標 配制溶液所用試劑 總氮 煙酸、硝酸鉀、亞硝酸鉀、氯化銨 總磷 磷酸二氫鉀 ]

1.3 測定指標與數(shù)據(jù)處理

總氮濃度采用堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法測定，總磷濃度采用鉬酸銨分光光度法測定。然后依據(jù)所測污染物濃度指標計算去除率和吸附量，計算式分別如式（1）和式（2）所示［38］。

U =（C0-Ce）/C0" " " " " （1）

q=V（C0-Ce）/m" " " " " " "（2）

式中，U為吸附介質對污染物的去除率，C0為吸附前污染物溶液的初始濃度，Ce為吸附后污染物溶液的平衡濃度，q為吸附介質對污染物的吸附量，V為溶液的體積，m為吸附介質質量。

2 結果與分析

2.1 不同基質對總氮吸附的影響

經測定，不同基質對不同濃度總氮的吸附效果不同，結果如表2所示。再根據(jù)式（1）和式（2）分析計算不同基質對總氮的吸附情況，繪制去除率-濃度曲線和吸附量-濃度曲線，如圖1所示。

由圖1可知，4種基質對總氮的吸附性能均好于對照沙壤土，4種基質對總氮的去除率也均優(yōu)于沙壤土。在不同總氮初始濃度下，除細河沙外，其他3種基質材料對總氮的去除率變化趨勢大體相同，都是從最高點開始下降，后續(xù)隨著總氮初始濃度的不斷增加，4種基質對總氮的去除率開始經歷短期的下降，后續(xù)再緩慢上升，最后持續(xù)下降，而細河沙對總氮的去除率隨總氮濃度的增加呈先下降后上升再下降又上升的趨勢。粗石英砂與細石英砂對總氮的去除率變化規(guī)律類似，在相同的總氮初始濃度條件下，粗石英砂對總氮的去除率始終高于細石英砂，表明粗石英砂具有更強的吸附能力。這種現(xiàn)象可能與粗石英砂的比表面積更大、孔隙結構更為復雜以及具有更多的吸附位點有關。粗石英砂顆粒更大，具有更高的孔隙度，從而提高了總氮在其表面的吸附效率。相比之下，細河沙和粗河沙對總氮的去除率變化更為復雜。然而，在相同的總氮初始濃度條件下，細河沙通常表現(xiàn)出比粗河沙更高的總氮去除率，表明細河沙在吸附總氮方面具有更好的性能。這可能是由于細河沙的顆粒尺寸更小，比表面積更大，與污染物接觸的更徹底，且細河沙的顆?？赡芨鼮榫鶆?，更有利于提高總氮的吸附效率。值得一提的是，去除率的最高點對應的總氮初始濃度都為20 mg/L，表明在低濃度下，各種基質對總氮的去除效果最好；第二高點對應區(qū)間為80～140 mg/L，說明在中等濃度下，各種基質依然表現(xiàn)出較好的去除效果。

隨著初始濃度的增加，不同基質對總氮的吸附量呈增加趨勢。除了細河沙外，其余基質的吸附量在一定濃度范圍內趨于穩(wěn)定，這可能是由于在這一濃度范圍內，基質的吸附位點已經飽和，無法再吸附更多的總氮，而細河沙的吸附量則持續(xù)保持上升趨勢，表明細河沙在更高濃度下依然具有較好的吸附能力，且尚未達到吸附飽和狀態(tài)。

2.2 不同基質對總磷吸附的影響

經測定，不同基質對不同濃度總磷吸附效果不同，結果如表3所示。 再根據(jù)式（1）和式（2）分析計算不同基質對總磷吸附的情況，繪制去除率-濃度曲線和吸附量-濃度曲線，如圖2所示。

由圖2可知，4種基質對總磷的吸附性能均好于沙壤土。在總磷初始溶液濃度為20～40 mg/L時，" " 4種基質對總磷的去除率略微上升；當總磷初始溶液濃度為40～60 mg/L時，4種基質對總磷的去除率急劇下降；當初始濃度為60～140 mg/L時，4種基質對總磷的去除率緩慢下降；當總磷初始濃度為140～200 mg/L時，4種基質對總磷的去除率基本上維持穩(wěn)定。總體看來，隨著初始溶液濃度的增大，4種基質對總磷的去除率均呈下降趨勢。在4種基質中，粗石英砂對總磷的去除率始終高于細石英砂，而在河沙方面，細河沙對總磷的去除率高于粗河沙，這表明不同粒徑的石英砂和河沙在總磷去除方面表現(xiàn)出了明顯的差異。

隨著總磷初始溶液濃度的增加，4種基質對總磷的吸附量也呈增加趨勢。總體來看，河沙的吸附性能優(yōu)于石英砂，其中細河沙對總磷的吸附效果最佳，其吸附曲線始終位于最上面，表明在各種初始濃度溶液中，細河沙對總磷的吸附效果最好。相反，細石英砂的吸附效果最不理想，其吸附曲線基本上一直處于最下方。此外，粗河沙與粗石英砂的變化曲線在趨勢上相似，且各濃度下的吸附量也比較接近，表明粗河沙與粗石英砂對總磷的吸附效果相當。這些結果表明，河沙類材料在總磷去除方面表現(xiàn)出較好的性能，尤其是細河沙的吸附效果最佳。此外，根據(jù)實際情況選擇合適的顆粒粒徑和材料特性也是至關重要的。因此，在未來城市雨水處理系統(tǒng)的設計和改進中，應充分考慮吸附材料的種類和特性，以最大限度地提高總磷的去除效率，從而保護城市水環(huán)境，提升水質。

3 小結與討論

前期研究結果表明，影響骨料吸附的主要因素有對水流的截留能力、孔隙度和比表面積［35］。骨料去除總氮主要是通過化學吸附、物理黏附、生物膜等作用［39，40］。針對總磷的去除，一方面是根據(jù)透水混凝土結構對顆粒態(tài)磷的過濾截留作用，另一方面是通過基質表面的物理吸附和內部多種組分與被吸附磷酸鹽的化學反應［41，42］。

在去除率方面，4種基質在總氮初始濃度為" "20 mg/L時，對總氮的去除率最高；在總磷初始濃度為40 mg/L時，對總磷的去除率最高，之后隨著初始濃度的增加，二者去除率呈明顯下降趨勢。具體而言，石英砂對污染的去除主要是通過化學吸附，鋁、鐵等廣泛存在于石英砂表面的聚合羥基陽離子對陰離子具有一定的吸附作用，徑流中的磷與石英砂接觸，出現(xiàn)磷酸鹽沉淀，從而實現(xiàn)了磷酸鹽從溶液中分離的目的［35］。此外，粗石英砂的孔隙度相較于細石英砂更大，更有利于化學反應進行。河沙對徑流污染的去除主要靠物理黏附，細河沙由于比表面積較大，更有利于污染物的附著?？傮w而言，粗石英砂和細河沙的污染攔截效果比另外兩種材料更好。

在吸附量方面，本研究發(fā)現(xiàn)4種基質對污染物的吸附量隨著初始溶液濃度的增大而增大。與化學吸附相比，物理黏附更為直接和快速，因此在高濃度條件下，河沙表現(xiàn)出較好的吸附效果。此外，細河沙由于顆粒更小，比表面積更大，使得水流可以較為緩慢地接觸其表面，從而增加了污染物的黏附量?？偟膩碚f，與其他3種介質在后期高濃度時保持平穩(wěn)趨勢不同的是，細河沙在濃度升高時展現(xiàn)出明顯的吸附潛力。

綜上分析，4種基質去除總氮和總磷污染物的總效果從強到弱整體表現(xiàn)為細河沙gt;粗石英砂gt;粗河砂gt;細石英砂，僅從污染截留角度考慮選擇細河沙作為城市雨水可持續(xù)管控體系的骨料基質較為合適，同時應盡量避免細石英砂的使用。

本試驗僅考慮粗細兩大類基質的比較，應增加更多的顆粒級配梯次組進行比較，同時可以考慮截流和截污兩大能力綜合分析。

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