[澳大利亞] B.E.哈特等

1 概 述

雨水滲透系統(tǒng)是一種應對暴雨徑流的技術手段,在歐洲應用尤其廣泛。該技術可用于削減暴雨徑流量,并能將受納水體的污染物總量降至最低。雨水滲透系統(tǒng)可采用的構造形式很多,最典型的是在淺溝或淺池中填充砂礫過濾介質的構造。2004年美國環(huán)保署發(fā)現(xiàn),雖然吸附和微生物攝取等化學生物過程在某種程度上可對污染物的去除起到一定的作用,但在滲透系統(tǒng)中大部分污染物是通過機械和物理化學作用過濾去除的。雨水可通過系統(tǒng)滲出后流入周圍土壤,或由下水道收集后輸送到受納水體,前者最為常見。

盡管多數(shù)滲透系統(tǒng)由于阻塞等原因以失敗告終,但研究報告表明,在要求設置沉砂設施之前,已設計出雨水滲透系統(tǒng),并已運行了20多年。傳統(tǒng)的雨水滲透系統(tǒng)并非用于去除污染物質,其主要目的是削減暴雨徑流量,從而使進入受納水體的污染負荷得以減少。盡管如此,人們仍未充分了解雨水滲透系統(tǒng)在空間(沿濾層深度剖面)和時間上的去污效果,尤其是當阻塞發(fā)生時。許多研究僅僅只呈現(xiàn)滲透系統(tǒng)性能的一個方面,很少針對系統(tǒng)水力和水質方面的處理效果做出實驗評估。當提及污染物的去除時,研究結果往往不一致,如何處理滲透系統(tǒng)中長期積累的污染物也尚未確定。

如果雨水滲透系統(tǒng)得以廣泛應用,其長期攔污效果則是研究的一個重要領域。滲透系統(tǒng)中污染物的空間分布有助于評估周圍土壤和地下水受到污染風險的程度,同時,系統(tǒng)性能隨時間變化可以顯示系統(tǒng)在保護受納水體不受城市暴雨徑流影響方面的有效性問題。本文介紹了傳統(tǒng)滲透系統(tǒng)對雨水處理效果的實驗室研究結果,以期對大量砂礫滲透系統(tǒng)(如滲渠、滲透池、滲水坑及盲溝)的設計進行改進,內容涉及深度、水力負荷率等參數(shù),以及這些系統(tǒng)應對雨水中不同污染物的適用性。

2 實驗材料與方法

為了模擬砂礫滲透系統(tǒng)的長期運行特征,實驗人員用砂礫介質建造了一個垂直圓柱體,并在其上多次進行模擬暴雨徑流和污染物荷載實驗。每次實驗都使圓柱體保持運行狀態(tài)直到被阻塞為止,重建后再開始下一次實驗。每次模擬實驗都會對水壓和水質進行全程測量。

2.1 資料收集

2.1.1 半人工暴雨

2006年,研究人員黛莉緹克和弗萊徹分析稱,在實驗室模擬真實的暴雨污染特征,可采用“天然”或“人工”降雨,二者均有利弊。利用天然雨水(即從下水道排出口收集到的雨水)的優(yōu)點在于其物理、生物、化學特性均能如實反映雨水的實際情況。但很難保持樣本濃度和其他特征(如沉積物顆粒粒徑分布)的穩(wěn)定性,可能將輸入雨水的人為改變因素引入系統(tǒng)處理測量效果。而利用人造雨水(即采用實驗室化學制劑配制的雨水)能夠獲得更好的穩(wěn)定性,但同時也會因其中的非天然成分產生假象,缺乏真實性。

因此,實驗人員采取了折衷方案應對該問題,即從一個雨水塘中獲取泥沙沉積物以制備雨水?；卩嚳显谌蚍秶鷥葘τ晁|的研究成果,確定出適用的典型暴雨下污染物濃度,如下所示:總懸浮固體(TSS)150 mg/L,總氮(TN)2.6 mg/L,總磷(TP)0.35 mg/L,銅離子(Cu)0.05 mg/L,鉛離子(Pb)0.14 mg/L,以及鋅離子(Zn)0.25 mg/L。

2005年,研究人員阿爾戈和佩扎尼緹在確定投入滲透系統(tǒng)的泥沙數(shù)目和粒徑時,假定粒徑較大(＞300 μ m)的粗砂已在預處理措施中去除。在裝有550 L自來水的水池中加入粒徑 ＜300 μ m給定質量的泥沙,以配制與高度城市化地區(qū)徑流相似的懸浮固體濃度。該方法能在較大程度上獲取所需的營養(yǎng)物和重金屬濃度,且可通過添加實驗室化學制劑加以補足。這種半人工雨水的恒定均一狀態(tài)是通過在入流水池中通入高速的氣泡,形成循環(huán)旋流效果得到的。

2.1.2 實驗裝備

2007年,研究人員錫瑞瓦爾登等人做了一項實驗,將常用于雨水滲透系統(tǒng)中的砂礫介質(平均粒徑10.5 mm)填入一個內徑20 cm、高90 cm的有機玻璃圓柱體內(見圖1),在一個70 cm厚的細砂層上放置砂礫,該細砂層滲透系數(shù)為120 mm/h(2.4×10-5m/s),與滲透系統(tǒng)周圍常見的砂質壤土的水力特性近似。砂礫層的孔隙率大約為0.45,空隙體積為12.7 L。壓力傳感器(集成電路原件,型號 86 psi)每隔20 cm從側面植入圓柱體,沿圓柱體通長布置(包括砂礫層與細砂層),這些插入點同時也作為水樣的取樣點。該實驗裝置采用一維模型對滲透系統(tǒng)進行模擬(注:此處不考慮側向滲透介質及周圍土壤的影響)。

圖1 實驗用的砂礫滲透圓柱體的照片與示意

雨水通過一個旋轉噴水裝置,導入砂礫過濾介質,其中導入速率由軟件和壓力傳感器控制。而流出滲透系統(tǒng)的雨水則通過一個精度為0.2 mm的傾卸斗雨量計進行監(jiān)控。

實驗裝置由多個可裝配部件組成。每次實驗結束后,需將實驗裝置仔細拆卸開。將每節(jié)部件中的砂礫層烘干后稱重,然后徹底清洗,再次烘干進行稱重。夾帶著泥沙的礫石與沖洗干凈的礫石稱重結果的差值即為泥沙沉積物的重量。聚集在過濾裝置每節(jié)內的泥沙沉積物質量也可由此確定。

2.1.3 水位條件

為了研究過濾裝置在可控環(huán)境下的效果,研究人員做了7次實驗,每次實驗均在不同條件下進行(見表1)。如在過濾裝置砂礫介質的頂部、底部或中部保持恒定常水位(CWL)(見實驗1～3及實驗7),或模擬真實暴雨的充水與放空循環(huán),讓水位在砂礫過濾裝置的頂部和底部之間波動(VWL,見實驗4～6)。每次實驗都一直運行到過濾裝置堵塞為止,當出流量降至初始出流量約10%時,則定義為系統(tǒng)堵塞(盡管有幾次實驗由于設備故障而過早終止)。

表1 實驗的詳細記錄

2.1.4 水樣收集與分析方法

水樣在流入口、流出口以及沿砂礫過濾裝置深度30、50、70和85 cm處,隔一天取樣一次。測量的水質參數(shù)為 :TSS、TN、P、可過濾的活性磷(FRP)、銨鹽(NH+4)、硝酸及亞硝酸鹽(NOx)、溶解性有機氮(DON),以及重金屬元素(Cu,Pb和Zn)。這些污染物在城市暴雨徑流中較為常見,對水生態(tài)系統(tǒng)具有不利影響。2001年,研究人員保羅和梅耶指出,泥沙增加了河道的濁度,是吸附在其表面污染物質(如重金屬)的載體,從而提高了雨水中的營養(yǎng)物水平,而這些營養(yǎng)物質則會導致受納水體的富營養(yǎng)化,且重金屬對人類、陸生生物和水生物均有害。

該分析過程根據(jù)美國公共衛(wèi)生協(xié)會、美國自來水廠協(xié)會和水污染控制聯(lián)合會出臺的質量控制和保證程序標準方法進行,而泥沙粒徑分布則采用英國馬爾文的MS系列激光衍射粒度分析儀加以測量。

2.2 數(shù)據(jù)分析

水質樣本沿圓柱體(由砂礫石和細砂填充而成,見圖1)布置的各取樣點被同時取出。但由于存在時滯效應,在某一給定時刻測量得到的出流濃度與流入圓柱體的雨水濃度并無直接關系。因此,雨水進、出過濾裝置的時滯問題應采用內插法得以解決。時滯根據(jù)采樣時刻的流量進行計算:

式中t為延遲時間,L為砂礫過濾裝置長度,υ為達西定律中的水流速度,Q為流量,A為過濾裝置的橫截面積。利用各數(shù)據(jù)點間的線性插值可計算出相應的出、入流濃度。通過該法,可建立每個取樣點污染物濃度的時間序列。

2.2.1 濃度因素分析模型

為了測試過濾系統(tǒng)深度對污染物去除效果的影響,在每次實驗中,都需計算每個取樣點污染物濃度的算術平均值?？茽柲炅_夫-斯米爾諾夫檢驗(p＞0.01)先檢驗數(shù)據(jù)分布,得出數(shù)據(jù)接近正態(tài)分布,再用單向方差分析來檢驗污染物濃度隨深度的顯著變化(顯著性水平在p＜0.05內為可接受)。

利用濃度時間序列,采用多元線性回歸,評估流出雨水的污染物濃度與下列可能的解釋變量之間的關系。這些解釋變量包括:水力負荷、流入雨水的污染物濃度,以及時間(如從實驗開始所經歷的時間)。對R2值進行分級劃分,用以確定每個自變量獨立或聯(lián)合地描述因變量的權重。分級劃分法比其他更常用的多變量統(tǒng)計算法(如多元回歸法)更有優(yōu)勢,因為該法明確了獨立預測變量的相對重要性,即可以對相關性較強的獨立變量進行識別,剔除非獨立變量因素,由于這些變量與其他獨立變量聯(lián)合相關,因此與非獨立變量有著較高的相關性。通過利用獨立變量的觀測值算出因變量,與從數(shù)據(jù)矩陣中提取的500個隨機生成的因變量集合比較,識別出能夠獨立解釋大部分因變量的自變量。在上限95%的置信區(qū)間為顯著性可接受(Z統(tǒng)計量≥1 ∶65)。

2.2.2 污染物負荷及其空間分布

利用在取樣點測量到的流量和污染物濃度估算每個取樣點及流入、流出圓柱體的雨水在整個實驗過程的污染物負荷。

式中l(wèi)為負荷,Qi和Ci為在時刻i時測得的各取樣點的流量和濃度,Δ t為2次測量段的時間間隔,N為每次實驗的取樣總次數(shù)。

計算圓柱體內各取樣點的污染物負荷以確定污染物沿深度的分布情況。利用測量值將結果加以檢驗,該測量值是在每次實驗結束后測得的積累在圓柱體內的泥沙沉積量。如果泥沙沉積物分布的測量值與計算值相差在10%以內,則可以推論,計算得到的污染物分布數(shù)據(jù)可以放心使用。

2.2.3 實驗結果在等效處理年降雨量中的應用

為了了解實驗結果運用于真實砂礫過濾系統(tǒng)在整個壽命期的情況,系統(tǒng)在被堵塞前所處理的雨水量被折算成等量的年降雨量。計算假設集水面積與過濾裝置面積比值在0.2%,2%和5%(即砂礫過濾系統(tǒng)的表面尺寸是不透水匯水面積的0.2%,2%和5%)。2005年,阿爾戈和佩扎尼緹指出,這些比值涵蓋了實際運用的常見范圍。分析采用了墨爾本的典型降雨,多年平均雨量為653 mm/a,該數(shù)據(jù)是由澳大利亞氣象局提供,通過分析1950～1999年(50 a)的6 min降雨量數(shù)據(jù)得來的。

3 研究結果

3.1 水質濃度的因素分析模型

每次實驗均可得出,沿過濾器的平均污染濃度呈現(xiàn)極其相似的形態(tài)。

3.1.1 水力負荷

在每次實驗里,最大水力負荷都出現(xiàn)在實驗第1天,并隨著過濾系統(tǒng)逐漸堵塞而穩(wěn)步下降,最后趨近最低值。然而,水力負荷的降低,使得雨水在過濾系統(tǒng)中的滯留時間也相應增加,這對流出雨水的污染物濃度并無明顯的影響,也沒有因時間推移而反映這些趨勢。

3.1.2 時間因素

盡管一直使用空氣循環(huán)裝置混合雨水,流入雨水的污染物濃度卻因雨水配制池內混合情況的變化而變化。然而,即使入流的濃度隨時間變化,但出流的TSS卻并非如此。在常水位下,出流的重金屬離子濃度隨時間保持恒定,意味著濃度達到穩(wěn)定狀態(tài),但在水位發(fā)生變化的條件下,出流的濃度隨時間推移而增加(見實驗4～6)。在實驗7中,總氮(TN)和硝酸鹽/亞硝酸鹽氮(NOx)的出流濃度隨時間推移而增加,但在其他幾個實驗里,TN和NOx在很大程度上隨入流濃度變化而變化。除實驗7外,其他實驗中的銨(NH+4)濃度隨時間變化而明顯增加,通常都超過了入流濃度。

3.1.3 深 度

TSS、TP、TN和重金屬離子濃度在過濾裝置上部均呈現(xiàn)迅速降低狀況。方差分析結果顯示,污染物濃度在入口與在深30 cm處有明顯不同,但在超過30 cm的各深度間隔之間濃度差別不大,這意味著污染物的去除大多發(fā)生在濾層上部的30 cm內。

污染物濃度和濾層深度高度相關性顯示,截留與機械篩濾是污染物被去除的主要過程。這與德謝森(Dechesne)等人2002年的發(fā)現(xiàn)是一致的,盡管在他們的研究里,過濾裝置頂部有一個土壤“蓋”,該土壤蓋可能會影響到金屬離子的吸收情況。

3.1.4 入流濃度、時間及水力負荷的相對重要性

當保持常水位時,水力負荷和入流濃度對泥沙沉積物的去除無影響。然而,分級劃分結果顯示,時間因素是與出流 TSS相關的顯著獨立變量。泥沙沉積物的去除量隨時間推移而增加,這就意味著出現(xiàn)了泥沙累積(從而減少了泥沙運動和再懸浮狀態(tài))和(或)增加了沉淀/粘附在濾料表面的量(由于早先沉積的泥沙顆粒提供的黏性表層為該過程提供了便利)。這與飲用水處理中的砂濾池成熟后(其表層形成濾餅)所觀察到的微粒去除效率得以提高相一致。當水位發(fā)生變化時,時間并無明顯變化,極有可能是因水位變化減小了“栓塞效果”,因此減小了上述“黏性濾料效果”。

美國環(huán)保署稱,過濾裝置能更有效地去除泥沙沉積物,而非TP,原因可能是磷受到其他因素,如溫度、氧化還原條件和酸堿度(pH)的影響。在保持常水位時,可識別出所有的預測變量對出流TP濃度有明顯影響,但在變化的水位條件下,無明顯預測變量。在該例中,入流濃度的顯著性可能是由去除率的數(shù)學本質造成的,因為出流濃度一定時,去除效率將隨著入流濃度的增加而增加。

氮的總體去除率相對比較低,且無預測變量被一致識別出是總氮或某一類型氮的顯著獨立相關變量?？扇苄缘獫舛仍谟晁肟诤统隹陂g變化,然而總氮的濃度并無明顯變化,證明過濾系統(tǒng)內產生氮循環(huán)(氮在不同形式間轉化),而非經過反硝化作用或長期生物攝取被有效去除。

時間和水力負荷有明顯的相互關聯(lián)性,因為隨著實驗時間增長,水力負荷會因堵塞而出現(xiàn)較大幅度地下降。然而,為了說明不由水力負荷控制的時間相關進程,如有機物的衰減,已采用分級劃分法以檢驗各變量的獨立影響。

3.2 污染物的空間分布

2007年,錫瑞瓦爾登等人指出,泥沙及其附著污染物的累積取決于水位條件。當保持常水位時,泥沙積聚在水位線附近,形成上述的“栓塞”。當允許水位在過濾裝置頂部和底部變化時,泥沙在整個濾層中的分布更為均勻,然而泥沙和重金屬元素仍在裝置頂部分布較多。同一實驗的微粒粒徑分布結果顯示,較大顆粒分布在過濾裝置上部30 cm的范圍內,較小微粒則在截留前在濾層中已移動較遠距離。但需注意的是,將最低取樣點設置在85 cm處,故計算的泥沙累積量并未計入砂礫過濾器底部5 cm的量。研究表明,過濾裝置底部也是泥沙累積量較高的位置。

輸入的重金屬元素中,至少50%被滯留在砂礫層頂部30 cm的范圍內,同時,輸入的磷和氮,分別有40%和50%滯留在過濾裝置上部50 cm的范圍內。可溶性營養(yǎng)物質的空間分析顯示,隨時間推移,磷和氮被截留的狀態(tài)會被破壞,以溶解形式從濾層中脫離,然而濾層整體效果仍是去除營養(yǎng)物質的“過濾網”。

3.3 污染物處理效率

污染物處理效率是指一次實驗中整個砂礫濾層平均污染物負荷的去除百分比,即流入和流出的污染負荷差值除以流入的污染負荷。系統(tǒng)對TSS和TN的處理效率不隨水位條件的變化而變化(表2)。但當過濾裝置保持常水位時,可觀測到TP和重金屬的平均負荷削減量比在變化水位條件下的削減量更大,這是因為泥沙沉積主要集中在常水位附近,而TP和重金屬則大都附著在泥沙微粒上。在波動水位條件下,較細的微粒與常見附著污染物一同向下移動,至少部分地解釋了變化水位條件下截留效率較低的原因。在不同的實驗中,流出雨水的溶解性營養(yǎng)物質負荷變化較大,但顯然與水位條件或時間因素無關,可能是由于水力負荷和入流濃度均為相對同等重要的解釋變量,而沒有一直作為顯著獨立的相關變量引起的(同上所述)。

表2 各水位條件下的處理效率(相同水位條件下測得結果的平均值)

3.4 等量處理的年降雨量

每個過濾裝置在被堵塞前(或實驗中途終止)所處理的相等體積的年降雨量如表3所示。最大處理水量(實驗2,假設集水面積內有5%的滲透面積)相當于6.5 a的降雨,最小處理水量(實驗1,假設集水面積內有0.2%的滲透面積)僅為年平均降雨量的1%。這意味著濾層面積與集水面積之比小于5%的砂礫過濾系統(tǒng)作用不大。而在現(xiàn)實中,通常建立相當于5%不透水集水面積的過濾系統(tǒng)是不可能的,尤其是在已建成的城市區(qū)域。因此,養(yǎng)護計劃應根據(jù)滲透系統(tǒng)的尺寸制定(表3)。由此推斷,更小的系統(tǒng)建設成本較低,日常運行費用較高,在整個壽命期內總費用可能較低一些。此外,(在較大的滲透系統(tǒng)前使用草坪過濾帶、洼地或沉淀池)對雨水進行預處理可能是最實用的選擇。

表3 等量處理的年降雨量(在典型的墨爾本氣候下)(實驗1～7)

3.5 過濾系統(tǒng)設計與運用的意義

雖然實驗室規(guī)模的圓柱體過濾裝置有助于理解砂礫過濾系統(tǒng)中發(fā)生變化的過程,但它仍不能完全代表真實環(huán)境下的滲透系統(tǒng)。通過實驗裝置中的雨水量和轉移方式與滲透系統(tǒng)在真實環(huán)境中遇到的情況不同,如維持水位恒定就沒有如實反映真實條件。這些處理方式有助于理解影響水力和水質變化的過程,卻不可能通過實地監(jiān)測到。

當重點考慮去除泥沙沉積物和重金屬時,砂礫過濾系統(tǒng)是一種有效的處理措施,但在去除營養(yǎng)物質更為重要時,系統(tǒng)則不那么有效了,尤其是在去除含氮營養(yǎng)物質時。實驗結果表明,當過濾器在最不利條件下(通過加大水流注入的速度),污染物的去除效果保持相對穩(wěn)定,即使濾層介質開始堵塞而增加了水處理的滯留時間及接觸時間。

2005年,研究人員發(fā)現(xiàn),砂礫過濾系統(tǒng)在地面以下的最大深度建議值是1.5 m(含0.3 m厚的回填土覆蓋層),雖然常見的深度范圍為0.3～0.5 m?；谠搶嶒灲Y果,一個深0.5 m的砂礫過濾系統(tǒng)就足以去除泥沙沉積物和重金屬元素,而即使系統(tǒng)深度達0.9 m,也不可能得到適度的營養(yǎng)物質去除率,尤其是含氮營養(yǎng)物質。同時,結果還顯示,在設計雨水滲透系統(tǒng)時無需對流量進行控制(除非是需要記錄雨量,則也需要記錄滲透系統(tǒng)的尺寸及能夠記錄的年平均徑流量)。砂礫過濾系統(tǒng)承擔的水力負荷很大程度上是由系統(tǒng)周圍和底部土壤的水力傳導特性(滲透性)決定的,因此砂礫介質的水力負荷變化范圍非常有限,這阻礙了砂濾介質中泥沙沉積物的再次運動,但對粒徑非常細的泥沙則并非如此。而另一方面,物理堵塞決定了砂礫過濾系統(tǒng)的使用壽命,并非水處理中出現(xiàn)的問題(如污染物質穿透濾層)。因此,有必要對這些系統(tǒng)的運行進行雨水預處理。

2007年,錫瑞瓦爾登等人指出,如果過濾后的雨水徑流可以滲入周圍土壤,那些沒有被濾層去除或被截留后又再次運動的污染物有可能對周圍土壤及其地下水造成污染。假如周圍土壤粒徑的分布與從系統(tǒng)流出的泥沙粒徑相匹配,則可推斷出沒有被截留在砂礫濾料中的微粒將在砂礫濾層的底部累積(即砂礫與土壤的交界面)。假如磷和重金屬元素與微粒有很強的親和力,則很容易被緊鄰濾層的土壤所固定。相反,雖然可溶性氮可能會因生物化學反應而轉化成移動性較小的形式,但其移動性很強,很容易在土壤中移至較遠的地方。

4 結 論

在需去除泥沙沉積物和重金屬元素時,砂礫過濾系統(tǒng)是雨水徑流的有效處理方式。雖然用于促進生物化學過程的改造系統(tǒng)可能有助于營養(yǎng)物質的去除,但在營養(yǎng)物質是主要污染物的情況下,滲透系統(tǒng)并非合適的選擇。就系統(tǒng)深度而言,0.5 m足以去除泥沙沉積物和重金屬。砂礫過濾系統(tǒng)的去除效果不受水力負荷和堵塞的影響。假如主要的污染物去除過程是物理過程,且水力負荷率受系統(tǒng)下部土壤的滲透率限制保持在較低水平,則可推斷,截留在系統(tǒng)中的泥沙沉積物,伴隨著因化學作用被吸附在泥沙表面的污染物,重新流動回到水中的可能性較低。由于細小微粒被緩慢的沖刷通過過濾系統(tǒng),且(或者)隨著濾層的堵塞,酸堿度與含氧量發(fā)生改變導致解吸附作用,流出雨水的重金屬元素和磷的濃度可能隨時間推移而增加。然而,在污染物突破濾層出現(xiàn)之前,物理堵塞會先發(fā)生,因此在砂礫過濾系統(tǒng)的整個壽命期內,泥沙沉積物和重金屬的去除率會保持較高水平。