海綿城市水體污染負荷頻譜分析與污染生態修復方法研究

徐潔　宋祥

關鍵詞：海綿城市；水體污染；負荷頻譜；污染生態修復方法；修復效果

中圖分類號：X32 文獻標志碼：B

前言

工業垃圾和生活垃圾的產生和排放對城市環境造成了很大的污染，水體污染就是其中之一。海綿城市是新一代城市雨洪管理概念，旨在實現對城市水體滲、滯、蓄、凈、用等一體化管理。海綿城市可以通過水性鋪裝截留攜帶污染物的雨水，再通過引水溝引至附近的蓄水設施中，凈化處理后，再回收利用。整個過程中，凈化是關鍵環節，起到了承上啟下的作用。

在上述背景下，關于城市水體污染修復的研究有很多。例如李亞等人提出了一種基于多孔碳材料的修復技術。該研究中以碳源材料為基礎，通過多種方法制備了多孔碳材料，將其應用到工業廢物處理當中，用于吸附水體中重金屬離子，實現水污染修復。李軍等人提出基于微生物的修復方法，利用微生物自身代謝功能來對水體中的污染物進行分解，包括無機氮、有機物和金屬元素3類。趙青等人研究了四種水生植物的修復效果，采用挺水植物、沉水植物、漂浮植物和浮葉植物作為修復手段，將其移植到污染水體中，用于凈化水體中的污染物，最后通過對比DO和ORP，分析污染凈化效果。

上述修復方法單一，修復效果不佳。因此提出海綿城市水體污染負荷頻譜分析與污染生態修復方法研究，以期為修復的最佳方案設計提供參考。

1海綿城市水體污染負荷頻譜分析

1.1水樣采集

海綿城市為了實現蓄水，一般都會建立蓄水設施，以截留地表徑流，以某海綿城市設置的5處蓄水池為例，每星期采集3次水樣，采集2021年1月—2022年12月為其兩年的水樣，共采集288個水樣。將采集到水樣冷藏保存，在2h內運輸到實驗室，進行水污染濃度檢測。

1.2水污染濃度檢測

針對采集到的水樣，對水污染中的污染物含量進行檢測。檢測方法如下：采用稱重法檢測懸浮性固體含量，堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法檢測總氮含量，水楊酸分光光度法檢測氨氮含量，差減法檢測有機物含量，分光分度法檢測總磷含量，紫外可見分光光度法檢測重金屬含量。

步驟4：將水污染負荷指數（等級）—累積頻率關系繪制成散點圖，即得到海綿城市水體污染負荷頻譜，結果見圖1。

從圖1中可以看出，蓄水池1在水污染負荷指數35～55區間等級內的累積頻率最高，說明在這兩年間該等級水污染更容易發生；蓄水池2、蓄水池5在水污染負荷指數55～75區間等級內的累積頻率最高，說明在這兩年間該等級水污染更容易發生；蓄水池3在水污染負荷指數20～35區間等級內的累積頻率最高，說明在這兩年間該等級水污染更容易發生；蓄水池4在水污染負荷指數≥75區間等級內的累積頻率最高說明在這兩年間，該等級水污染更容易發生。

2水體污染生態修復方法研究

2.1生態修復所需設備與材料

水體污染生態修復過程所用到的設備和材料如下：

設備：QCX-H2B型稱重器、ZY-JB型攪拌機、HY0122型振搗器、JY-HBY-30型養護箱、BHZX-LAC型光催化反應器、AVW-5037型沉水曝氣裝置。

材料：P.042.5級水泥、天然河砂，中砂、粒徑5～16.5 mm天然碎石、普通自來水、ZS-2型外加劑、碳酸根型鎂鋁水滑石、TiO₂催化劑、聚乙烯泡沫板、椰殼纖維填料、水生植物（菖蒲、水芹菜、燈心草等）、水中動物（劍水潘、大型潘、螺獅等）、純度98%硫酸亞鐵銨標準溶液。

2.2生態修復措施

研究中為了達到更好的修復效果，提出一種綜合生態修復方法，通過多重處理以凈化水中的污染物質。

2.2.1生態混凝土修復措施

生態混凝土是一種具有特殊孔結構的裝置，具備良好的吸附和過濾性能，對水體中污染物具有良好的吸附作用，對水體中微生物也具有富集作用，雙重作用下，能夠有效改善水質。該修復裝置的制備過程如下：首先設計生態混凝土配合比，見表1。

按照表1配合比稱重各種組成材料，然后按照攪拌→裝模→振搗→抹平→壓實→靜置→脫模→養護→質檢等一系列過程，完成生態混凝土的制備。

在水性鋪裝收集攜帶污染物的地表水之后，會通過引水溝導人蓄水池中，在進入蓄水池之前，在引水溝出水口處樹立一道生態混凝土墻，用于初步過濾和吸附城市污水中的污染物質。

2.2.2光催化+沉水曝氣修復措施

在生態混凝土完成初步的過濾和吸附之后，水中一些污染物質很大程度上得到降低，但是并不徹底，還需要進一步處理。針對水中的有機物，一方面利用紫外催化法加速有機物的降解，該方法原理是通過在蓄水池中投放催化劑粉末，在光催化反應器的作用下水中催化劑吸收紫外光之后，產生羥基，最后羥基通過強氧化作用來分解水體中的有機污染物，將其轉換為二氧化碳和水。通過光催化的作用并不是長久之計，在光催化降解有機污染物的同時，增設沉水曝氣裝置，將氧氣溶解到水中形成溶解氧，強化水體自凈能力。沉水曝氣裝置實景見圖2。

2.2.3生態浮島修復措施

對于水中的氮、磷、重金屬等污染物質，需要通過生態浮島的方法來處理，與此同時也能豐富景觀，增強物種多樣性，以盡快恢復水中生態。生態浮島是以輕質漂浮高分子材料（如聚乙烯泡沫板、PVC管、竹子等）作為床體，在床體種植籃中放置顆粒填料（如椰殼纖維、沸石等），用來固定植物的根系以及相關生態群落，將其推入水體中并固定在指定位置處，吸附水體中的污染物質。生態浮島示意圖見圖3。

與其它修復處理方法不同的是生態浮島能夠實現物理作用、化學作用、生物作用的三重原理降解，修復效果更強。此外，還可以在水中投放一些水生動物、浮游生物等，來抑制富營養化，強化生態系統多樣性。

3生態修復效果分析

修復系數以及COD的測定結果見圖4和圖5。

從圖4中可以看出，修復后，海綿城市5個蓄水池的修復系數均達到了0.8以上，由此說明經過修復后，水體中污染物大量減少，修復效果非常好。

從圖5中可以看出，修復后較修復前，海綿城市5個蓄水池COD數值均大幅度下降，由此說明5個蓄水池中水質得到了明顯改善，達到了修復目的。

4結束語

海綿城市建造的任務之一就是在收集地表徑流水體之后對其進行修復凈化處理。研究針對其中的凈化環節進行研究，提出海綿城市水體污染負荷頻譜分析和污染生態修復方法研究。首先檢測水體中各種污染物含量，計算水體污染負荷指數和對應的累積頻率，繪制水污染負荷指數一累積頻率關系圖，得到海綿城市水體污染負荷頻譜。通過負荷頻譜分析確定水污染等級的發生頻率，采用生態混凝土、光催化+沉水曝氣、生態浮島組成的綜合生態修復方法進行污染生態修復。實驗結果表明：修復后，修復系數均達到了0.8以上，COD數值大幅度下降，水體中污染物大量減少，水質得到了明顯改善，證明了該方法的有效性。該研究具有實際應用性，為修復的最佳方案提供了參考。