綜合透水地面系統去除城市徑流污染物試驗與探索

■ 李蒙正 Li Mengzheng 呂偉婭 Lu Wenya孫研研 Sun Yan

0 引言

目前，城市的下墊面多以混凝土、瀝青等材料鋪設的硬地面為主。在降雨初期，雨水徑流中裹挾了大量的污染物，最終通過管網排放至受納水體，引起城市地表水體污染。美國環保署EPA明確表示了城市地表徑流是繼生活污水、工業廢水和農業面源污染之后，導致城市河流和湖泊污染的第三大污染源[1]。

雨水管理是解決城市徑流污染問題的較好途徑。城市大規模的基礎設施和空間/成本的限制，使多數可用的雨水管理措施難以實施。美國就此提出了低沖擊開發模式(Low Impactment Development)，從源頭進行降雨徑流污染的控制和管理，通過分散的，小規模的源頭控制機制來達到對暴雨所產生的徑流和污染物的控制，并綜合采用入滲、過濾、蒸發和蓄流等多種方式，使開發后城市的水文功能盡可能地接近開發之前的狀況[2]。透水地面是低沖擊開發理念中的一個重要技術手段，易于應用在新城建設和舊城改造中，可結合不透水地表，覆蓋一定比例的透水路面，在提高路面結構性能的同時，降低了成本。

透水地面系統共分為三個部分：透水面層、找平層和透水基層。綜合透水地面系統是利用縫隙透水材料和自透水材料的綜合透水效果，將地表降水滲入基層，來達到消減洪峰和減少徑流量的目的。其消減洪峰的效率在許多研究中已經得到證實[3]。近年來，滲濾介質的研究和應用在國內日益受到重視，廣泛應用到污水處理、城市雨水徑流凈化等諸多領域。譚凌智[4]等以33厘米厚的蓄水陶土層作為吸附介質，研究其對武漢城市主干道雨水面源污染物的吸附、截留及凈化雨水的效果，得出蓄水陶土對TP和TN的去除效果顯著的結論。姜凌和秦耀民[5]利用人工土壤層處理雨水徑流、補給地下水進行研究，采用土砂比參數 5∶1、滲透厚度為 1m的人工土壤層能去除雨水徑流中大部分污染物。但是，由于缺乏對多層滲濾介質在透水路面系統的綜合應用研究，導致國內對透水地面系統去除徑流污染物的研究較少。國外在研究透水地面系統凈化徑流水質時，主要側重于徑流中重金屬離子的遷移變化，雖然做了大量此類研究，但由于其地表徑流水質較好[6]，較少關注對多種徑流污染物截留過程及去除效果。

本文根據南京市雨水地表徑流污染的特點，以TSS、TP、TN、NH3+-N和CODcr為評價指標，比較了自透水性能較好的砂基透水磚路面系統在不同厚度結構層下的去除效果和規律；測定了污染物在結構層的分布規律，以期為透水地面系統在去除雨水地表徑流污染的實際應用提供依據。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置與處理

試驗裝置如圖 1所示，采用3個塑料圓形試驗柱，每個試驗柱直徑 0.5m，高度分別為 0.25m、0.35m、0.45m。在每個試驗柱內壁附一層土工布，防止壁效應的產生(即滲透開始后，一部分雨水較快地沿壁下滲，導致出水水質下降)。底部裝0.05m厚的開孔承托板，以便于排水，上面鋪裝基層、找平層和透水磚。找平層和基層間及底部承托板上鋪一層土工布，防止砂礫流失。沿試驗柱垂直剖面設置取樣孔(透水面層底部、找平層底部和底部礫石層處)，每層同一水平高度取樣口設置3個，以保證取樣的均勻性。通過自制盲管采集器，定時采集系統水樣和砂礫樣品。供給試驗柱雨水徑流水樣的設施為內置攪拌器的70L水箱，存放配制的道路地表徑流，供水系統由水泵、軟管、LZB-4型轉子流量計、直徑0.45m 的圓形噴頭組成。

按照經驗對路基厚度變化范圍劃分為：較繁忙人行道100～150mm，自行車、摩托車等輕型車道150～200mm，輕量轎車車行道及停車場等厚為230～300mm[7、8]。所以將試驗設成 3個模式(表 1)。

1次模擬降雨和 1次落干所構成的循環稱為系統的水力負荷周期，降雨期從水泵開啟模擬降雨開始至水泵關閉系統底部無出水為止；落干期指從本次降雨期結束至下次降雨到來時。根據江蘇氣象信息平臺多年南京夏季降雨資料，將試驗柱水力負荷周期設為降雨期3h、落干期4d。

1.2 試驗材料

試驗選用環保總局中國環境標志(Ⅱ型)產品認證的節能省地型生泰砂基透水磚，產品滿足2005年中華人民共和國建材行業標準；鋪裝方法參照透水磚路面施工與驗收規程[9]。試驗砂礫料來自南京某市政施工現場，砂和級配碎石符合如下級配，如表2、表3所示。

表1 各試驗柱結構層形式

表2 找平層用砂級配表

表3 級配碎石顆粒組成表

1.3 試驗水樣

供試水樣取自南京市浦珠路機動車路面和南京工業大學校內停車場雨水口。徑流采樣時間間隔為: 0～5 min～10 min～20 min～30 min，對 2011年3月至9月的降雨進行了取樣，雨水徑流污染物平均濃度EMC(event mean concentration)表示污染程度。徑流中主要污染物及其濃度如表4所示，其中，TSS采用重量法，TP采用鉬銻抗分光光度法，TN采用過硫酸鉀氧化、紫外分光光度法，氨氮采用納氏試劑光度法，化學需氧量采用重鉻酸鉀法(GB11914-89)，實測雨水徑流基本為Ⅴ～劣Ⅴ類水質(GB38382-2002)。實驗用水均以本標準配置，其中表征有機污染物的物質為糖類、淀粉和尿素。

1.4 試驗過程

在試驗準備階段，用清潔自來水代替試驗雨水徑流樣，開啟供水系統，模擬南京夏季平均降雨強度，保證噴頭水流量4.2mm/h，降雨均勻；進行一系列的水力系數和理化參數[10]測試，系統穩定后，砂樣和級配碎石的部分理化參數如表5所示。

試驗開始時，將配制水樣放入水箱，開啟水箱內置攪拌機，不斷的低速攪拌使水樣處于擾動狀態，以穩定水質；降雨期開始后，每間隔一段時間，分別從各取樣口取水樣，測定TSS、CODcr、TN、TP、氨氮值；降雨期結束時和下個降雨期開始時，從各層取樣口均勻取砂礫樣，測定其理化性質。

2 結果與討論

2.1 污染物總體去除效果隨時間的變化規律

常溫條件下，三個試驗柱采用相同水質同時模擬降雨，運行了7個水力負荷周期。結果表明，同一周期，不同模式對同一種污染物的去除率隨時間的變化規律相似。選取第3周期不同模式對污染物去除率的時間變化曲線(圖 2)。同一模式對不同種污染物去除率的周期變化趨勢大致相同(以模式2對污染物去除率的周期變化曲線為例，見圖3)。

表4 試驗期間雨水徑流水質狀況

表5 砂樣、級配碎石樣的部分理化參數

TSS：同一周期3種處理模式的TSS平均出水濃度恒定，去除率接近100%。經過7個周期的模擬，各處理模式均表現出去除率的小幅上升。降雨期結束時，觀察到透水面層填縫有較多的顆粒。說明粒徑較大的懸浮顆粒首先被截留在表層濾料的空隙中，懸浮物可能沒有“穿透”找平層。

TP：同一周期中3種處理模式出水TP濃度大致保持平穩0.1mg/L。在開始的3個周期，平均去除率約為91%，3個周期后系統的去除率降幅在15% 左右。從水樣水質分析得出，可溶性無機磷占無機磷總量的30%，說明大多呈膠體和顆粒狀的磷被系統截留。小部分可溶性無機磷可能與沙礫中的Ca2+，Fe3

+等離子生成難溶性沉淀物沉積在系統內部，從而使前期磷的去除率較高，沉淀后磷化合物通過水流的稀釋或者當可溶性磷大大超過水體中的磷的濃度時，重新釋放到水體中，從而導致系統后期出水磷濃度有所增高。

TN和氨氮：TN的去除率隨基層深度的增加，其衰減速率減緩。在同一周期的開始階段，氨氮去除率較高；TN的去除率較低(第一周期除外)，但前10min上升迅速；隨著時間的延續，兩者均表現出下降趨勢。在不同的周期中，氨氮的去除率穩定在78%左右，出水達到地表水環境質量Ⅳ類標準。因為砂礫帶有負電荷，NH4+很容易被吸附，在開始階段以快速吸附為主，隨著吸附過程的持續，快速吸附點位逐漸被氨氮占滿，進入慢速吸附階段；落干期氨氮發生硝化反應轉化為硝態氮，系統反硝化能力較弱，在下一個降雨期硝態氮隨水排出[11]。TN在前4個周期的去除率均值為81.5%，后3個周期，有不穩定的增減趨勢。這與Hatt[12]等在研究砂石過濾器時的現象相似，初期濾料有穩定的吸附結構，能有效的吸附顆粒結合氮，會隨著時間的推移出現氮素浸出現象。

CODcr：第3周期中，模式1、模式2、模式3對 CODcr的平均去除率分別為 58.5%、 64.6%、 67.0%；從7個周期看，系統中CODcr的去除率在62%左右，尤其是后3個周期，去除速率逐漸增大。說明系統對有機物具有一定的截留和降解能力，降雨期截留的有機質在落干期可能被微生物氧化降解，從而使系統納污能力得以恢復，生物膜的出現使去除率有上升的趨勢。

2.2 結構層對污染物的去除效果

在同一周期中，不同模式同一結構層對氨氮、TP、CODcr去除率的時間變化趨勢大致相同。以第3周期模式2各結構層對污染物去除率的時間變化趨勢(圖4)為例，討論結構層對污染物去除率的變化規律。從圖中可以看出，氨氮、TP、CODcr的出水濃度從上至下依次減小；污染物在通過25cm 透水基層過程中也得到了一定程度的去除，但隨著時間的延續，透水基層的去除性能減弱速率逐漸大于找平層，甚至在后期出現基層出水TP和CODcr值基本等于找平層。這是由于礫石比表面積較小，表面的截留能力較弱，隨著截留過程的持續，逐漸達到飽和狀態，吸附速率趨近于零。

2.3 污染物在結構層的分布和降解

截留效果用截留量來表示，指本周期降雨期結束時刻和開始時刻同一深度污染物含量的差值。以第3和第4周期模式2為例，討論試驗柱中氨氮、TP、TOC截留量的垂向分布和落干期去除效果(圖5)。

可以看出，試驗柱對有機物、總磷和氨氮的截留量隨深度逐漸降低，污染物主要截留在10cm 以上的結構層中；礫石層截留能力較弱，對同一污染物的截留量基本保持不變，氨氮截留量約2mg/kg礫石樣、TOC和TP約20mg/kg礫石樣。結合污染物總體去除率隨時間的變化規律，分析有三方面的原因：①眾多的砂礫表面提供了巨大的沉降面積；②濾料粒徑愈小，沉降面積愈大；③進入找平層的細小顆粒剛好被砂濾料間的細小空隙攔截，逐漸形成一層主要由被截留的固體顆粒構成的濾膜，并由它起主要的過濾作用。

對同一周期落干期開始和結束時砂礫樣的理化參數比較得出，TP的降解程度較低，導致3個周期后系統對TP的去除率有所降低的現象；TOC平均降低率為61%、氨氮為90%，表明在降雨期截留下來的有機物和氨氮在較長的時間內被微生物分解和吸收利用，證實了對氨氮轉化過程的推測。落干期使系統的納污能力得以恢復，保證系統的正常運行。

3 總結

(1)透水地面系統對路面雨水徑流污染物有明顯的去除效果，在模擬南京夏季降雨的條件下，通過7個水力負荷周期的運行，不同厚度的基層表現出相似的去除規律，其中TSS、TP的平均去除率受基層厚度影響不大，TP的平均去除率70%，TSS接近100%。

(2)在降雨期，污染物主要是截留作用，污染物主要集中在透水面層砂縫和找平層0～10cm砂層，污染物的截留量隨深度逐漸降低，級配碎石截留性能相對較弱。

(3)試驗反映出落干期在污染物的降解中發揮了重要作用。在落干期，截留在滲濾介質上的有機物和氨氮作用顯著，使系統恢復了對污染物的截留能力。

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