淺析生態(tài)型凈水箱處理城市雨水徑流措施▲

王文玉 馮傳平

摘 ?要：在不同進(jìn)水濃度、停留時(shí)間和生長季節(jié)條件下，由于植物生長過程中會(huì)釋放有機(jī)碳，COD去除效果不佳。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在高濃度COD進(jìn)水時(shí)，去除率可達(dá)48%。污水中NH-N和NO-N在各種運(yùn)行條件下都有較好的去除效果，在行水期，NH-N的去除率在38%到87.5%之間，而NO-N的去除率在46%到71%之間，而在停水期，兩個(gè)數(shù)值分別為95%和85%。證明生態(tài)型凈水箱護(hù)岸系統(tǒng)對城市雨水初期徑流起到有效凈化作用。

關(guān)鍵詞：非點(diǎn)源污染;雨水徑流污染;生態(tài)型凈水箱

中圖分類號：TV121 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ???文章編號：2096-6903（2019）03-0000-00

0引言

目前在城市水源污染控制中，除了城市管理和法規(guī)等非工程（技術(shù)）方法外，多種工程措施也有廣泛應(yīng)用。尹煒等提出了通過源處理、輸移控制以及匯處理等程序來對地表徑流污染進(jìn)行控制。趙建偉等也進(jìn)行過相關(guān)研究，他們將徑流污染控制技術(shù)將進(jìn)行系統(tǒng)分類，總結(jié)出植被過濾帶、人工濕地、滯留/持留系統(tǒng)、過濾系統(tǒng)以及滲透系統(tǒng)等類型。

所謂凈水型護(hù)岸就是以該理念為前提實(shí)施的，以凈化徑流污染為目的。具體來說，細(xì)分出了諸如生物浮床、人工濕地以及植物過濾帶等易操作的生態(tài)系統(tǒng)方法，是目前正在普遍使用的幾種主流措施。

在本次研究中，針對沿岸坡徑流而下的面源雨水污染控制提出了生態(tài)型凈水箱，將水中生長的植物作為主體，利用自然界生態(tài)系統(tǒng)的自凈原理，對污水中的污染物進(jìn)行去除。

1 實(shí)驗(yàn)材料與方法

1.1 生態(tài)型凈水箱

在進(jìn)行生態(tài)型凈水箱制作時(shí)，使用混凝土預(yù)制而成的砌塊，在中部用隔板進(jìn)行分離，在正面的一側(cè)面做出孔洞，用來溢流，然后內(nèi)部填充上卵石等濾料，將棕纖維墊固定在濾料上，在棕墊上面種植植物。如圖1所示。

通過圖1可知，污水從凈水箱上表面流過的同時(shí)，由于擴(kuò)散供氧作用，可攜帶溶解氧滲透進(jìn)入下層濾料，同時(shí)兼具表面流濕地和潛流濕地的功效。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

1.2.1 實(shí)驗(yàn)用水

本研究總結(jié)了車伍、仁玉芬、侯立柱等學(xué)者所進(jìn)行過的針對北京市區(qū)降雨徑流污染后，確定配制污水的污染物濃度基準(zhǔn)值，如表1所示。

1.2.2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

如圖2所示，本試驗(yàn)系統(tǒng)由四層生態(tài)型凈水箱組合而成。凈水箱中間設(shè)隔板，從而使污水在凈水箱濾料內(nèi)的滲濾行程最大化;在隔板靠近箱體后壁的地方，專門設(shè)置孔隙，隔板可以有效的分出兩個(gè)格室，兩格室的液面是存在高差，當(dāng)污水從沒有溢流口的一方流入凈水箱的時(shí)候，通過水的壓強(qiáng)原理，可通過空隙流入到另一側(cè)的箱體中。

凈水箱內(nèi)的多孔陶粒粒徑1～1.5cm，其厚度大約為12cm，而用于植物生長的層級厚度為10cm，棕纖維的填充密度為47 kg/m，溢流孔的直徑大約為0.8cm，數(shù)量為三個(gè)，距離箱子底部的高度為20cm，也就是說箱子的承載水位最多為20cm;為了方便后期測量，我們在花斗的部位沒有填充陶粒，以便于后期檢測槽以及取樣槽的使用。

1.2.3水力停留時(shí)間（HRT）的確定

高濃度污染物雨水發(fā)生于降雨初期，持續(xù)時(shí)間15分鐘到30分鐘，污染物的濃度會(huì)呈現(xiàn)出先升高后逐漸降低的趨勢。一般人工濕地處理路面徑流污水系統(tǒng)中，將HRT設(shè)為0.5h。常規(guī)人工濕地污水凈化系統(tǒng)的HRT通常在數(shù)天以上，延長HRT可提高污水的處理效率，但會(huì)對濕地系統(tǒng)的處理能力造成損失。

為了研究生態(tài)型凈水箱使用時(shí)的處理效果，每種濃度的實(shí)驗(yàn)用水設(shè)定三種不同的HRT，分別為0.5h?、3h和6h。

1.2.4 降雨間隔時(shí)間的確定

上海市的降雨周期大概為9天，為了檢測該實(shí)驗(yàn)結(jié)構(gòu)對于降水期較短時(shí)的污水處理能力，在實(shí)驗(yàn)中將周期設(shè)置為5天。

1.2.5 實(shí)驗(yàn)過程

本實(shí)驗(yàn)分為兩個(gè)階段：行水期與停水期。行水期設(shè)定為5個(gè)HRT，即整個(gè)降雨過程包括徑流形成及徑流匯入河流的時(shí)間，主要考察凈水箱內(nèi)水生植物對徑流雨水的攔截作用。停水期則在行水期之后，相當(dāng)于降雨的時(shí)間間期，時(shí)間為5d。此階段主要考察凈水箱內(nèi)的生態(tài)系統(tǒng)對污染物的降解作用。

為使凈水箱出水水質(zhì)不受原存水的影響，在進(jìn)行每批實(shí)驗(yàn)前，先注入300升的水，等到將凈水箱內(nèi)的所有存水排出后，再注入200升水用于實(shí)驗(yàn)。

行水期間連續(xù)走水5個(gè)HRT，每隔1個(gè)HRT取4層凈水箱內(nèi)的水樣進(jìn)行檢測（5次/d）。在停水期，每天定時(shí)取4層凈水箱內(nèi)的水樣（1次/d）。

本研究進(jìn)行了進(jìn)水濃度、HRT及植物生長期對生態(tài)型凈化箱系統(tǒng)的人工徑流雨水處理性能實(shí)驗(yàn)，其中植物生長期實(shí)驗(yàn)在中濃度進(jìn)水、HRT=3h和四層組合凈水箱條件下，在夏（8月6日-8月12日）、秋（11月12日-11月18日）兩季進(jìn)行。

1.3 檢測指標(biāo)

本研究的檢測指標(biāo)為T、DO、 pH、NH-N、NO-N和COD，其中T、pH和DO使用了多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀來進(jìn)行測定，NH-N、NO-N和COD則使用了紫外可見分光光度計(jì)進(jìn)行測定測定。

2.1??不同實(shí)驗(yàn)條件下COD的去除效果

本實(shí)驗(yàn)中，進(jìn)水COD都是可溶性質(zhì)的，如圖3所示，總體上來講，凈水箱系統(tǒng)COD去除的效果不能讓人滿意，平均的去除率只有20%上下。從上圖3a中我們可以看出，出水的COD值會(huì)伴隨著進(jìn)水COD濃度的增高而增加。在行水期間，低濃度、中濃度以及高濃度進(jìn)水的COD去除率分別為-23%、6%、以及48%，呈現(xiàn)出隨進(jìn)水COD增加而提高的趨勢。而在停水期的時(shí)候低濃度、中濃度、高濃度的COD去除率則分別為-112%、27%、28%，同樣呈現(xiàn)出隨進(jìn)水濃度的增加提高的趨勢。而且，在行水期和停水期的時(shí)候，低濃度進(jìn)水的COD去除率均顯示為負(fù)值。

從圖3b中出水COD值會(huì)呈現(xiàn)出一定的波動(dòng)，但總體上呈現(xiàn)出了正相關(guān)的關(guān)系。在本研究過程中可以發(fā)現(xiàn)，凈水箱對COD的去除能力基本是非常穩(wěn)定的，從上圖3c當(dāng)進(jìn)水COD不變的前提下，行水期中COD的去除速率與棕纖維有機(jī)碳的釋放速率維持不變，從而出水的COD值也不會(huì)改變。出水COD濃度會(huì)伴隨時(shí)間的長短呈現(xiàn)出略微下降的現(xiàn)象，主要是因?yàn)檫M(jìn)水對植物生長床內(nèi)有機(jī)碳會(huì)造成沖刷而導(dǎo)致的。在停水期的時(shí)候，棕纖維釋放的有機(jī)碳不會(huì)出水帶出，所以箱內(nèi)COD會(huì)迅速堆積，當(dāng)COD值增加到與棕纖維有機(jī)碳釋放相平衡的程度，凈水箱內(nèi)的COD值不再發(fā)生變化。

2.2 ?NH-N的去除效果

從圖4a中我們可以看出在行水期時(shí)，低濃度、中濃度和高濃度進(jìn)水中NH-N的去除率的數(shù)值為57%、52%和59%，從數(shù)值上看是比較有效的，而且數(shù)值接近，可以得出以下結(jié)論：以本次實(shí)驗(yàn)條件為前提，各種濃度中NH-N去除率并沒有明顯區(qū)別。通過DO曲線我們可以看出，行水期的時(shí)候，DO值大概維持在每升4.5毫克左右，而在停水期的時(shí)候，其數(shù)值大概為每升3.5毫克，也就是說溶解氧會(huì)比較有利于硝化細(xì)菌對于NH-N的轉(zhuǎn)化功能。

通過圖4b我們可以看出：HRT對NH-N去除效果的影響還是比較明顯的，NH-N的去除率分別顯示為38%、52%、以及60%，也就是說NH-N的去除率會(huì)隨著HRT延長而增高，其原因主要是因?yàn)镠RT的延長會(huì)使硝化作用發(fā)生增強(qiáng)而導(dǎo)致的。在停水5天后，NH-N的去除率則分別顯示為95.3%、94.4%和94.1%，也就是說三種HRT下，停水期的NH-N去除率是沒有區(qū)別的。

通過圖4c以看出，行水期的NH-N去除率在夏秋兩季分別為87.5%和88.1%，停水5天后的去除率分別為顯示為夏季的87%和秋季的85%。而且不管在行水期或者停水期， 夏秋兩季NH-N的去除效果并沒有明顯區(qū)別，而且效果較佳。

2.3 ?NO-N在不同條件下的去除效果

觀察圖5a可以發(fā)現(xiàn)，在行水期時(shí)，在低濃度、中濃度、高濃度三種進(jìn)水中，NO-N的濃度會(huì)時(shí)間的推移而發(fā)生降低現(xiàn)象，大約為46%、60%和66%，且伴隨進(jìn)水濃度的增高而增高;在停水期的時(shí)候，低濃度、高進(jìn)水濃的度NO-N會(huì)隨著停水時(shí)間的延續(xù)而表現(xiàn)出下降趨勢，中進(jìn)水濃度則呈現(xiàn)下降趨勢，究其原因，高濃度DO會(huì)加強(qiáng)硝化作用，減弱反硝化作用，反之亦然。當(dāng)停水5天后，低濃度、中濃度、高濃度三種進(jìn)水濃度NO-N去除率顯示為28%、80%和56%，其中中濃度的NO-N去除效果數(shù)值顯示最高。

通過圖5b可以看出，HRT對NO-N去除效果造成的影響是比較明顯的，當(dāng)進(jìn)水期的時(shí)候NO-N的平均去除率分別為71%、60%、以及53%，也就是說NO-N去除率會(huì)隨著HRT延長而出現(xiàn)降低情況，這就與我們前面提到過的NH-N去除率會(huì)隨著HRT延長而增大的結(jié)論一致。

從圖5c可知，除停水期的第5d，在行水期和停水期，NO-N去除率都是秋季高于夏季。原因是凈水箱內(nèi)異養(yǎng)菌數(shù)量秋季比夏季少;而且低溫和高DO會(huì)抑制反硝化作用。

在不同條件下，凈水箱系統(tǒng)對以上三種物質(zhì)都可以明顯的進(jìn)行去除，但是去除效果差異較大，在行水期時(shí)，NH-N的去除率大約為38%-60%，NO-N的去除率為53%-71%，而在靜水期時(shí)，NH-N的去除率可達(dá)95%，NO-N去除率也會(huì)高達(dá)85%。出水COD由于受到棕纖維有機(jī)碳釋放影響，其去除效果并不理想，在高濃度進(jìn)水時(shí)，COD去除率可以達(dá)到48%。除COD外，對于NH-N和NO-N在夏季和秋季也會(huì)有明顯不同。

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收稿日期：2019-05-22

▲基金項(xiàng)目：國家高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃（863計(jì)劃），編號：2007AA06Z351;“十一五”國家科技支撐計(jì)劃，編號：2006BAJ08B04，2006BAD01B03。

作者簡介：王文玉（1984—），女，湖北武漢人，研究生，研究方向：污水處理技術(shù)。

WANG Wenyu，F(xiàn)ENG Chuanping

（1.Beijing Taolin Environmental Engineering Co.， Ltd.， Beijing 100078;

2.School of water resources and environment， China University of Geosciences， Beijing 100083）

Abstract： This study with the condition of different inflow concentrations， HRTs and hydrophytes growth phases. The results indicated that the excellent effect for NO-N and NH-N removal， except organic contamination reasoning from the TOC release of palm fiber in hygrophyte planting bed， however removal efficiency with the high level concentration influent could reach 48%. The removal efficiencies to NH-N and NO-N were respectively 38%-87.5% and 46%-71% during the water passing phase. Furthermore， the removal efficiencies of water stored phase are more than 95% for NH-N and 85% for NO-N. It was demonstrated that the water purifying box revetment system can effectively clean initial runoff.

Keywords： non-point pollution; runoff pollution; ecotype water purifying box