人工強化生態緩沖裝置對城市初期雨水污染負荷的削減作用

顏錕　崔康平　許為義　汪翠萍　張國臣

摘要：為削減城市初期雨水的污染負荷，設計了以碎石和碎木片為填料主體的人工強化生態緩沖裝置，研究了該系統在較短淹水時間（15、30、60 min）內對城市初期雨水水質的改善效果，分析了生態緩沖帶對COD、NH3-N、TN、TP等4種污染物的去除過程和機理。結果表明，15 min淹水時間下對COD、NH3-N、TN、TP的平均去除率分別為37.32%、53.36%、19.04%、31.26%；60 min淹水時間的平均去除率分別為63.72%、71.64%、32.83%、49.35%，平均出水濃度為74.00、3.46、12.13、1.46 mg/L，均達到了城鎮污水處理廠污染物排放標準（GB18918-2002）的一級或二級標準。

關鍵詞：人工強化生態緩沖帶；初期雨水；淹水時間；削減

中圖分類號：X703.1 文獻標識碼：A 文章編號：0439-8114（2016）08-1964-04

DOI：10.14088/j.cnki.issn0439-8114.2016.08.014

Abstract： An artificially intensified ecological buffer was designed for the reduction of pollution load of initial rainwater. Gravel and chips was the main body of carrier for buffer. The improved effects for the initial rainwater of the system in a short submerge time （15，30，60 min） were considered. The removal mechanism and process of COD，NH3-N，TN and TP were emphatically analyzed in the test. The results showed that at the submerge time of 15 min，the average removal rates of COD、NH3-N，TN and TP were 37.32%，53.36%，19.04% and 31.26%； At the time of 60 min，the average removal rates were 63.72%，71.64%，32.83%，49.35%， the average concentrations in effluent were 74.00，3.46，12.13，1.46 mg/L. The concentrations of pollutions were meet the first or second grade discharge standard of pollutants for municipal wastewater treatment plant （GB18918-2002）.

Key words： artificially intensified ecological buffer； initial rainwater； submerge time； removal

隨著城鄉一體化的迅速發展和居民生活水平的提高，水資源短缺已成為制約中國經濟和社會發展的重要因素，而不斷推進的工業化進程，也使得水體污染日益嚴重。在發達國家，點源污染已基本得到有效控制，雨水徑流帶來的非點源污染成為水體污染的主要因素[1，2]。城市地表徑流含有相當數量的懸浮顆粒物、營養鹽、重金屬和有機污染物，如果未經處理排入城市受納水體，易引發水體富營養化和水生生態系統破壞等[3-5]。研究表明，雨水徑流具有明顯的初期沖刷效應，即在多數情況下，污染物集中在初期的數毫米雨量中[2，5]。因此，控制初期雨水成為雨水利用系統和城市徑流污染控制的一項主要舉措[6，7]。

雨水生態處理技術作為低影響開發（Low impact development，LID）體系[8]的重要組成部分，在徑流量削減、徑流污染控制、地下水回補及景觀方面具有顯著的生態效應[9]。國外典型的雨水生態技術主要有暴雨濕地、雨水花園、植被過濾帶、生物滯留池等[9-12]。Davis[11]利用沙和碎報紙組成厭氧層處理徑流雨水，試驗表明該填料具有較好的滯留能力，能促進反硝化作用，提高TN的去除效率；胡愛兵等[13]利用土壤、碎石填料模擬生物滯留池，達到凈化道路雨水徑流和削減硬化路面洪峰流量的目的。

本研究針對初期雨水的水質特點，結合植被過濾帶、生物滯留池的處理機理，研究了由碎石、碎木片等自然界中非改性物質組成的滲濾系數較大的土壤-碎石-碎木片組合填料對初期雨水進行的緩沖效果，探討了在不同淹水時間（15、30、60 min）內對初期雨水水質的凈化效果和機理，以期為中國的雨水徑流污染防治及雨水綜合利用提供參考和借鑒。

1 材料與方法

1.1 材料

試驗用土為校園草坪沙壤土；碎石、鵝卵石為建筑工地的篩選河沙；碎木片為破碎的速生楊木材；試驗階段用水以文獻[14]中合肥市老城區雨污合流段路面初期徑流雨水污染物濃度平均值為依據，用上海國藥集團生產的分析純（AR）藥品C6H12O6、KH2PO4、KNO3、NH4Cl以及道路塵土加自來水配置而成，同時在降雨期間收集道路雨水口及集水井處前10～20 min雨水。主要水質指標見表1。

1.2 試驗裝置

試驗裝置為長100 cm、寬30 cm、高70 cm的有機玻璃材料制成的模擬槽（圖1），基本構造如下：下部為10 cm的鵝卵石層（粒徑0.5～1.0 cm），中間主體部分為40 cm的粗礫石+5%碎木片層（粒徑0.5～1.0 cm），上部為5 cm的細礫石層（粒徑0.25～0.5 cm），最上層為10 cm的種植土壤，并種植有本地常見的邊坡草。裝置底端設有出水口，以收集出水。

1.3 試驗方法

試驗開始前3周，取合肥工業大學斛兵塘水，每天恒流進水30 min，水力負荷0.1 m/d，淹水8 h后排出，對系統中的微生物進行接種培養，每天檢測進出水水質，25 d后出水水質穩定，啟動完成。自2014年4月27日起，按照試驗階段用水水質補水，水力負荷0.15 m/d，分別在淹水15、30、60 min時收集滲濾出水，測定進出水水質。運行過程中，監測進水和滲濾出水的化學需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、總氮（TN）、總磷（TP）、懸浮物（SS）。分析方法參考文獻[15]中的規定和要求。

2 結果與分析

自2014年4月27日至7月20日共計模擬初期雨水試驗25次，實際采集降雨期間10～20 min道路徑流雨水4次。不同淹水時間下各項目的出水濃度和去除率變化范圍如表2所示。

2.1 不同淹水時間COD的去除效果

在試驗運行階段，系統進水至淹水15、30、60 min COD的濃度變化和去除率變化如圖2所示。

由表2、圖2可知，系統試驗階段COD進水濃度為174～276 mg/L，淹水15 min的出水平均濃度為135 mg/L，平均去除率為37.32%。隨著淹水時間的增加，淹水30 min的平均出水濃度降低至111 mg/L，淹水60 min的平均出水濃度降低至74 mg/L，達到了城鎮污水處理廠污染物排放標準（GB18918-2002）的一級A標準，COD的去除率最高達到81.96%，去除率與進水濃度呈現一定的相關關系。采用實際雨水試驗，進水COD濃度為148～305 mg/L時，淹水60 min的出水COD濃度為65～96 mg/L。同時，模擬雨水和實際雨水試驗的進水COD變化較大時，淹水60 min出水COD濃度維持在39～96 mg/L之間，表明該系統具有一定的抗沖擊負荷能力。

由于合肥典型區域道路初期雨水中的COD多為懸浮態[16]，懸浮態COD的去除主要靠填充基質的過濾、吸附以及生物氧化作用。有機物進入系統后，首先經基質過濾、吸附作用截留下來，然后通過微生物的接觸氧化作用被降解，在污水與基質的接觸過程中，污水中的有機污染物被大量的微生物氧化分解而得以去除。本研究中，在試驗后期有3次采樣的落干時間為5 d，淹水15 min的去除率降低至14.21%，淹水60 min去除率降低至37.89%。5 d落干期的去除率較落干期2 d的去除率有較大的下降，可能的原因在于隨著落干時間的增長，土壤填料內部孔隙率增大，機械過濾性能降低，同時雨水在試驗前期的入滲過程中可能將碎木片中的部分有機物（纖維素、木質素等）淋洗出來，導致COD的出水濃度升高。

2.2 不同淹水時間NH3-N的去除效果

試驗運行階段，25次模擬試驗中NH3-N的濃度變化和去除率變化如圖3所示。

由表2、圖3可知，出水水質隨著進水NH3-N濃度的變化而變化，在2 d落干期，系統在淹水15 min的出水水質穩定在5.67 mg/L，去除率平均為53.36%，隨著淹水時間的增長，去除率逐漸增加，淹水60 min的最低去除率為56.89%，最高去除率為87.61%，平均出水濃度為3.46 mg/L。單場降雨試驗中，NH3-N的平均進水濃度為10.44 mg/L，平均出水濃度為3.57 mg/L，達到了城鎮污水處理廠污染物排放標準（GB18918-2002）的一級A標準，起到了較好的緩沖效果。

初期雨水中的氮主要以有機氮和NH3-N的形式存在，滲入土壤后，有機氮和NH3-N被吸附和截留，隨后在微生物的作用下被降解，部分被植物吸收。在布水期，系統溶解氧量減少，好氧硝化作用受到一定的抑制，此時去除NH3-N的主要途徑是填料的吸附作用。落干期，系統恢復了良好的透氣性、氧化性以及較好的水力傳導能力，硝化作用得到加強，吸附在填料上的NH3-N被硝化細菌同化而分解。本試驗中，填料采用滲透性能較好的碎石，采用試驗前接種、縮短水力負荷周期、加快干濕交替頻率的運行方式，使系統具備了發生硝化作用的有力條件，維持較好的NH3-N去除效果。另有研究表明[17]，植物對氮的吸收主要發生在系統表層的土壤中，NO3--N和NH3-N是能被植物利用的最主要的氮源。本試驗前期由于在移栽中植物的根系受到一定程度的破壞，植物的生長情況較差，NH3-N的去除效果不顯著，隨著試驗的進行，植物根系逐漸恢復生長，提高了對系統中NH3-N的去除。

2.3 不同淹水時間TN的去除效果

在試驗運行階段，TN的濃度變化和去除率變化如圖4所示。

隨著系統的運行，TN的出水濃度隨著淹水時間的增長而降低，不同的淹水時間，TN的去除率波動較大，淹水15 min的去除率為5.21%～33.05%，淹水60 min間的去除率為14.19%～55.10%。從去除情況看，進水與出水TN濃度呈現一定的相關性，進水TN濃度在14.32～26.76 mg/L時，平均出水濃度由淹水15 min的15.71 mg/L降低至淹水60 min的12.13 mg/L。實際雨水試驗中，TN平均進水濃度為22.15 mg/L，淹水60 min平均出水濃度為15.63 mg/L，平均去除率為29.46%，達到了城鎮污水處理廠污染物排放標準（GB18918-2002）的一級標準。

TN的去除主要是以微生物為主導的硝化和反硝化作用，而決定最終出水濃度的是反硝化作用。反硝化作用是經硝化作用生成的NO2--N和NO3--N在無氧或缺氧的條件下被反硝化細菌還原轉化為N2的過程。在反硝化過程中，碳源是重要的影響因素[18]。Lucas等[19]發現，由于沒有足夠的反硝化反應發生，在持續干旱后NO3--N的淋洗現象更強，而添加碳源的設計對于抵抗這種不利影響非常有效，但可能造成填料中的氮營養物本底值過高而使出流水質惡化。本研究在碎石中添加5%的碎木片，在歷次試驗中存在5次淹水15 min的出水TN濃度大于進水TN濃度，即發生氮的淋洗現象。因此控制有機質的添加量，避免淋洗現象的發生，研究有機質含量與TN去除率的關系，是后續研究中的重點。

2.4 不同淹水時間的TP去除效果

常溫條件下（試驗環境溫度25 ℃），人工強化生態緩沖帶中TP的進出水濃度和去除率變化見表2、圖5。

隨著淹水時間的增長，TP的出水濃度逐漸減少，去除率逐漸增加。系統運行初期，TP的出水濃度和去除率存在一定波動，淹水60 min的出水濃度為0.67～2.33 mg/L，去除率為33.69%～72.53%。整個試驗階段的進水TP平均濃度為2.74 mg/L，淹水60 min的平均出水濃度為1.46 mg/L。單場降雨試驗中，TP的進水濃度為3.68、2.35、2.79、3.04 mg/L時，淹水60 min的出水濃度為2.03、1.57、1.90、2.13 mg/L。模擬試驗和收集初期雨水試驗的TP出水濃度均優于城鎮污水處理廠污染物排放標準（GB18918-2002）的二級標準，且進水濃度變化較大時，出水TP濃度波動不大，說明系統在穩定運行的情況下對進水水質具有一定的抗沖擊負荷能力。

道路雨水徑流中的磷主要以有機磷和無機磷兩種形態存在，其中以PO43-形態存在的磷占主要部分。人工強化生態緩沖帶對磷的去除主要依靠填料的吸附與固定、植物根系的吸收以及化學沉淀、微生物利用等。植生土壤對磷的吸附被認為是最有效的去除途徑[20]。系統運行初期，吸附作用占主導地位，本試驗中采用的土壤為草地沙壤土，土壤中含有一定量的Ca2+、Al3+、Fe3+等離子，與徑流中的磷發生絡合反應，生成各種難溶性磷酸鹽，去除率較高。隨著系統的運行，吸附容量達到飽和，去除率有所下降，淹水15 min對TP去除率降低至16.82%，但植物根系對磷的吸收利用有所增強，同時聚磷菌的生長繁殖加快，在基質-微生物-植物的共同作用下，對磷的去除率逐漸增加，最后實現磷的穩定去除。

3 結論

1）本試驗條件下，人工強化緩沖帶處理模擬合肥老城區初期雨水，對COD、NH3-N、TP、TN均有一定的緩沖效果。除TN外，運行初期，各指標均能達到較好的緩沖效果，后期運行過程中，進水濃度的變化對系統出水影響較小，能夠承受一定的污染負荷波動。

2）NH3-N的去除效果較好，淹水60 min的去除率為56.89%～87.61%，對于COD和TP，隨著淹水時間的增長，緩沖效果的增強較為明顯；對于TN，運行初期的緩沖效果隨進水水質波動較大，淹水60 min的最低去除率為14.19%，試驗后期，淹水60 min的平均出水濃度穩定在12.13 mg/L左右，達到了城鎮污水處理廠污染物排放標準（GB18918-2002）的一級A標準。

3）后續試驗應用系統填料中碎木片的添加量對反硝化作用的影響，探究最佳的碳源添加量。在應用過程中，根據場地規模和不同淹水時間下各指標的去除率設計不同過流時間和尺寸的人工生態緩沖帶濾槽。

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