梯級生態緩沖系統對城市初期雨水的凈化作用

蔡 飛，李杰松，谷 杰，梅峰群

(誠邦生態環境股份有限公司，浙江 杭州 330000)

1 引言

隨著城市化進程的加快，城市原有的透水良好的自然生態環境逐漸被不透水的硬質鋪裝代替，導致城市雨水被浪費。同時由于雨水在下落和徑流過程中，溶解了空氣及地表中的污染物，導致初期雨水的污染物含量較高，其直接排入水體會造成水體水質的大幅下降[1～4]。

雨水生態處理技術在徑流量削減、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[5～7]。顏錕等[5]利用碎石、碎木片為填料主體的人工強化生態緩沖系統處理城市初期雨水，研究表明該系統對城市初期雨水中的污染物含量有較好的削減效果。王超維等[8]利用多級人工濕地系統處理初期雨水，試驗表明初期雨水經人工濕地系統處理后，主要污染物的出水指標均達到了地表水環境質量標準Ⅲ類或以上。

本研究針對初期雨水的水質特點，結合生物滯留池、植被過濾帶的處理機理，研究了由卵石、礫石及沸石形成的組合填料對初期雨水的生態處理效果，探討在不同處理時間下該梯級生態系統對初期雨水水質的凈化效果，旨在探索雨水徑流污染控制的技術措施。

2 實驗設置與方法

2.1 實驗設置

該梯級生態緩沖凈化系統由多個生態處理單元組成，生態處理單元內布設有3層填料和土壤層，從下往上依次為50 mm厚的粒徑30～50 mm的卵石、200 mm厚的粒徑10～30 mm的礫石、300 mm厚的粒徑5～10 mm的沸石和50 mm厚的土壤層，土壤層種植鳶尾、菖蒲等水生植物。

將該梯級生態緩沖凈化系統在我司內部工程進行工程示范與應用，工程地點護岸坡面坡度約為35°，高度約為5 m，試驗長度為300 m。試驗設計見圖1。

圖1 試驗設計示意

2.2 實驗方法

本研究以工程示范地2021年3月12日的降雨，持續時間為3 h，累計降雨量為12 mm為實驗對象。樣品采集分為兩個階段。第一個階段為下雨引起地表徑流且進入該系統的初始進水濃度，第二個階段為出水濃度，按照降雨期間每隔半小時采集一次水樣，降雨結束后每天在出水口采集出水水樣，一共采集3 d。每次采集水樣取5個重復樣，檢測出的數據取均值后得出進水、出水濃度值。為了保證水質的準確性以及方便數據分析，實驗所采集的進水水樣在4 ℃下冷藏。測定水質的CODCr、NH3-N和TP。水質分析方法見文獻[9]。

3 結果與分析

3.1 雨水徑流中污染物的總去除效果

表1數據表明，該梯級生態緩沖系統對初期雨水有很好的去除效果，該系統對CODCr、NH3-N和TP的去除率都在50%以上。

表1 試驗期間該系統的進水濃度、出水濃度及去除率

3.2 城市雨水徑流中CODCr的去除效果

從圖2可以看出，在下雨期間隨著時間變化(0～3 h)，該梯級生態緩沖系統對有機物的去除效果有增加趨勢，有機污染物的去除率達到了50.55%。下雨結束后，雨水中的有機物含量經該系統處理后明顯降低，從117.54 mg/L降到67.38 mg/L，CODCr的去除率達到了42.67%。

這說明當初期雨水進入該梯級生態緩沖系統后，該系統可以減緩初期雨水的徑流速度，增加填料與污染物的接觸時間，填料通過過濾和吸附作用截留了大量的顆粒性有機污染物，同時填料上含有大量氨化細菌、硝化細菌等微生物群落，有利于水體污染物的分解與轉化[10]。整個系統從下雨地表徑流到下雨結束的3 d內，該系統對初期雨水中CODCr的去除率達到了71.7%，效果非常顯著。

3.3 城市雨水徑流中NH3-N的去除效果

由圖2可以看出，在下雨期間，0～0.5 h內NH3-N的濃度下降最為顯著，直到下雨結束，NH3-N的濃度維持在6.50 mg/L左右，并沒有下降趨勢，這是由于該系統中由沸石、卵石及礫石組成的組合填料層能夠為氨化細菌提供大量的附著位點，氨化細菌和對雨水中有機氮的氨化作用較強。

3.4 城市雨水徑流中總磷的去除效果

由圖2可知，初期雨水中的TP含量迅速被該系統過濾和吸附，在下雨期間隨著時間變化(0～3 h)，該梯級生態緩沖系統對TP的去除去除率達到了44.35%。下雨結束后，TP含量的下降速度明顯趨緩。整個系統從下雨地表徑流到下雨結束的3 d內，該系統對初期雨水中TP的去除率達到了52.7%，效果比較顯著。

圖2 初期雨水徑流中CODCr、NH3-N和TP的濃度變化

4 結論

(1)本試驗條件下，梯級生態緩沖系統處理城區初期雨水，對COD、NH3-N、TP均有一定的處理效果，3 d的去除率分別為71.7%、66.0%和52.7%。

(2)該梯級生態緩沖系統是在生態型護岸的基礎上提出來的，在滿足如何使河岸水-土-生物之間形成良性循環，增加了生物棲息地的多樣性，實現了河道生態功能，提高了河道水體自凈能力。