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(wú)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(kāi)，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(guò)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(guò)篩塵土。

HJ-001電子天平；HJ-031紫外可見(jiàn)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(jiàn)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(guò)篩，石英砂用1～2 mm篩網(wǎng)過(guò)篩)、沸石層(厚度50 mm，粒徑8～16 mm)。經(jīng)過(guò)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(lèi)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(jiàn)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(lèi)污染指標(biāo)去除效果實(shí)驗(yàn)。

通過(guò)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(kāi)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(jiàn)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(jiàn)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(shuō)明系統(tǒng)對(duì)SS有較好的去除效果且全程處于較好的過(guò)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(jiàn)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(shuō)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(lèi)污染指標(biāo)的去除效果見(jiàn)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(kāi)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(guò)短，污染物來(lái)不及被植物吸收就被排出系統(tǒng)；經(jīng)過(guò)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(shuō)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(jiàn)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(guò)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(guò)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(guò)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(jiàn)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(lèi)似。但對(duì)四類(lèi)重金屬的去除率均超過(guò)50%，平均去除率最低的Cd達(dá)到82.50%，說(shuō)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(lèi)金屬的去除效果占比見(jiàn)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(guò)植物滲濾吸收、土壤顆粒吸附等過(guò)程進(jìn)行重金屬降解，因此對(duì)四類(lèi)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(shuō)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(lèi)去除效果分析

石油類(lèi)污染物在系統(tǒng)中的去除效果見(jiàn)圖8。

圖8 系統(tǒng)對(duì)石油類(lèi)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(lèi)污染物的去除主要是通過(guò)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(lèi)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(lèi)污染物在前池中的去除效果見(jiàn)圖9。

圖9 前池對(duì)石油類(lèi)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(lèi)污染物去除率逐漸升高，均值約為50.39%，說(shuō)明前池可以有效的分擔(dān)雨水花園對(duì)石油類(lèi)污染物的去除壓力。前池在39 min時(shí)剛開(kāi)始出水，對(duì)石油類(lèi)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(lèi)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(shuō)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(guò)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(guò)植物滲濾吸收、土壤顆粒吸附等過(guò)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(lèi)的去除率變化范圍為77.73%～89.33%，其中前池對(duì)石油類(lèi)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。