综合透水地面系统去除城市径流污染物试验与探索

■ 李蒙正 Li Mengzheng 吕伟娅 Lu Wenya孙研研 Sun Yan

0 引言

目前，城市的下垫面多以混凝土、沥青等材料铺设的硬地面为主。在降雨初期，雨水径流中裹挟了大量的污染物，最终通过管网排放至受纳水体，引起城市地表水体污染。美国环保署EPA明确表示了城市地表径流是继生活污水、工业废水和农业面源污染之后，导致城市河流和湖泊污染的第三大污染源[1]。

雨水管理是解决城市径流污染问题的较好途径。城市大规模的基础设施和空间/成本的限制，使多数可用的雨水管理措施难以实施。美国就此提出了低冲击开发模式(Low Impactment Development)，从源头进行降雨径流污染的控制和管理，通过分散的，小规模的源头控制机制来达到对暴雨所产生的径流和污染物的控制，并综合采用入渗、过滤、蒸发和蓄流等多种方式，使开发后城市的水文功能尽可能地接近开发之前的状况[2]。透水地面是低冲击开发理念中的一个重要技术手段，易于应用在新城建设和旧城改造中，可结合不透水地表，覆盖一定比例的透水路面，在提高路面结构性能的同时，降低了成本。

透水地面系统共分为三个部分：透水面层、找平层和透水基层。综合透水地面系统是利用缝隙透水材料和自透水材料的综合透水效果，将地表降水渗入基层，来达到消减洪峰和减少径流量的目的。其消减洪峰的效率在许多研究中已经得到证实[3]。近年来，渗滤介质的研究和应用在国内日益受到重视，广泛应用到污水处理、城市雨水径流净化等诸多领域。谭凌智[4]等以33厘米厚的蓄水陶土层作为吸附介质，研究其对武汉城市主干道雨水面源污染物的吸附、截留及净化雨水的效果，得出蓄水陶土对TP和TN的去除效果显著的结论。姜凌和秦耀民[5]利用人工土壤层处理雨水径流、补给地下水进行研究，采用土砂比参数 5∶1、渗透厚度为 1m的人工土壤层能去除雨水径流中大部分污染物。但是，由于缺乏对多层渗滤介质在透水路面系统的综合应用研究，导致国内对透水地面系统去除径流污染物的研究较少。国外在研究透水地面系统净化径流水质时，主要侧重于径流中重金属离子的迁移变化，虽然做了大量此类研究，但由于其地表径流水质较好[6]，较少关注对多种径流污染物截留过程及去除效果。

本文根据南京市雨水地表径流污染的特点，以TSS、TP、TN、NH3+-N和CODcr为评价指标，比较了自透水性能较好的砂基透水砖路面系统在不同厚度结构层下的去除效果和规律；测定了污染物在结构层的分布规律，以期为透水地面系统在去除雨水地表径流污染的实际应用提供依据。

1 材料与方法

1.1 试验装置与处理

试验装置如图 1所示，采用3个塑料圆形试验柱，每个试验柱直径 0.5m，高度分别为 0.25m、0.35m、0.45m。在每个试验柱内壁附一层土工布，防止壁效应的产生(即渗透开始后，一部分雨水较快地沿壁下渗，导致出水水质下降)。底部装0.05m厚的开孔承托板，以便于排水，上面铺装基层、找平层和透水砖。找平层和基层间及底部承托板上铺一层土工布，防止砂砾流失。沿试验柱垂直剖面设置取样孔(透水面层底部、找平层底部和底部砾石层处)，每层同一水平高度取样口设置3个，以保证取样的均匀性。通过自制盲管采集器，定时采集系统水样和砂砾样品。供给试验柱雨水径流水样的设施为内置搅拌器的70L水箱，存放配制的道路地表径流，供水系统由水泵、软管、LZB-4型转子流量计、直径0.45m 的圆形喷头组成。

按照经验对路基厚度变化范围划分为：较繁忙人行道100～150mm，自行车、摩托车等轻型车道150～200mm，轻量轿车车行道及停车场等厚为230～300mm[7、8]。所以将试验设成 3个模式(表 1)。

1次模拟降雨和 1次落干所构成的循环称为系统的水力负荷周期，降雨期从水泵开启模拟降雨开始至水泵关闭系统底部无出水为止；落干期指从本次降雨期结束至下次降雨到来时。根据江苏气象信息平台多年南京夏季降雨资料，将试验柱水力负荷周期设为降雨期3h、落干期4d。

1.2 试验材料

试验选用环保总局中国环境标志(Ⅱ型)产品认证的节能省地型生泰砂基透水砖，产品满足2005年中华人民共和国建材行业标准；铺装方法参照透水砖路面施工与验收规程[9]。试验砂砾料来自南京某市政施工现场，砂和级配碎石符合如下级配，如表2、表3所示。

表1 各试验柱结构层形式

表2 找平层用砂级配表

表3 级配碎石颗粒组成表

1.3 试验水样

供试水样取自南京市浦珠路机动车路面和南京工业大学校内停车场雨水口。径流采样时间间隔为: 0～5 min～10 min～20 min～30 min，对 2011年3月至9月的降雨进行了取样，雨水径流污染物平均浓度EMC(event mean concentration)表示污染程度。径流中主要污染物及其浓度如表4所示，其中，TSS采用重量法，TP采用钼锑抗分光光度法，TN采用过硫酸钾氧化、紫外分光光度法，氨氮采用纳氏试剂光度法，化学需氧量采用重铬酸钾法(GB11914-89)，实测雨水径流基本为Ⅴ～劣Ⅴ类水质(GB38382-2002)。实验用水均以本标准配置，其中表征有机污染物的物质为糖类、淀粉和尿素。

1.4 试验过程

在试验准备阶段，用清洁自来水代替试验雨水径流样，开启供水系统，模拟南京夏季平均降雨强度，保证喷头水流量4.2mm/h，降雨均匀；进行一系列的水力系数和理化参数[10]测试，系统稳定后，砂样和级配碎石的部分理化参数如表5所示。

试验开始时，将配制水样放入水箱，开启水箱内置搅拌机，不断的低速搅拌使水样处于扰动状态，以稳定水质；降雨期开始后，每间隔一段时间，分别从各取样口取水样，测定TSS、CODcr、TN、TP、氨氮值；降雨期结束时和下个降雨期开始时，从各层取样口均匀取砂砾样，测定其理化性质。

2 结果与讨论

2.1 污染物总体去除效果随时间的变化规律

常温条件下，三个试验柱采用相同水质同时模拟降雨，运行了7个水力负荷周期。结果表明，同一周期，不同模式对同一种污染物的去除率随时间的变化规律相似。选取第3周期不同模式对污染物去除率的时间变化曲线(图 2)。同一模式对不同种污染物去除率的周期变化趋势大致相同(以模式2对污染物去除率的周期变化曲线为例，见图3)。

表4 试验期间雨水径流水质状况

表5 砂样、级配碎石样的部分理化参数

TSS：同一周期3种处理模式的TSS平均出水浓度恒定，去除率接近100%。经过7个周期的模拟，各处理模式均表现出去除率的小幅上升。降雨期结束时，观察到透水面层填缝有较多的颗粒。说明粒径较大的悬浮颗粒首先被截留在表层滤料的空隙中，悬浮物可能没有“穿透”找平层。

TP：同一周期中3种处理模式出水TP浓度大致保持平稳0.1mg/L。在开始的3个周期，平均去除率约为91%，3个周期后系统的去除率降幅在15% 左右。从水样水质分析得出，可溶性无机磷占无机磷总量的30%，说明大多呈胶体和颗粒状的磷被系统截留。小部分可溶性无机磷可能与沙砾中的Ca2+，Fe3

+等离子生成难溶性沉淀物沉积在系统内部，从而使前期磷的去除率较高，沉淀后磷化合物通过水流的稀释或者当可溶性磷大大超过水体中的磷的浓度时，重新释放到水体中，从而导致系统后期出水磷浓度有所增高。

TN和氨氮：TN的去除率随基层深度的增加，其衰减速率减缓。在同一周期的开始阶段，氨氮去除率较高；TN的去除率较低(第一周期除外)，但前10min上升迅速；随着时间的延续，两者均表现出下降趋势。在不同的周期中，氨氮的去除率稳定在78%左右，出水达到地表水环境质量Ⅳ类标准。因为砂砾带有负电荷，NH4+很容易被吸附，在开始阶段以快速吸附为主，随着吸附过程的持续，快速吸附点位逐渐被氨氮占满，进入慢速吸附阶段；落干期氨氮发生硝化反应转化为硝态氮，系统反硝化能力较弱，在下一个降雨期硝态氮随水排出[11]。TN在前4个周期的去除率均值为81.5%，后3个周期，有不稳定的增减趋势。这与Hatt[12]等在研究砂石过滤器时的现象相似，初期滤料有稳定的吸附结构，能有效的吸附颗粒结合氮，会随着时间的推移出现氮素浸出现象。

CODcr：第3周期中，模式1、模式2、模式3对 CODcr的平均去除率分别为 58.5%、 64.6%、 67.0%；从7个周期看，系统中CODcr的去除率在62%左右，尤其是后3个周期，去除速率逐渐增大。说明系统对有机物具有一定的截留和降解能力，降雨期截留的有机质在落干期可能被微生物氧化降解，从而使系统纳污能力得以恢复，生物膜的出现使去除率有上升的趋势。

2.2 结构层对污染物的去除效果

在同一周期中，不同模式同一结构层对氨氮、TP、CODcr去除率的时间变化趋势大致相同。以第3周期模式2各结构层对污染物去除率的时间变化趋势(图4)为例，讨论结构层对污染物去除率的变化规律。从图中可以看出，氨氮、TP、CODcr的出水浓度从上至下依次减小；污染物在通过25cm 透水基层过程中也得到了一定程度的去除，但随着时间的延续，透水基层的去除性能减弱速率逐渐大于找平层，甚至在后期出现基层出水TP和CODcr值基本等于找平层。这是由于砾石比表面积较小，表面的截留能力较弱，随着截留过程的持续，逐渐达到饱和状态，吸附速率趋近于零。

2.3 污染物在结构层的分布和降解

截留效果用截留量来表示，指本周期降雨期结束时刻和开始时刻同一深度污染物含量的差值。以第3和第4周期模式2为例，讨论试验柱中氨氮、TP、TOC截留量的垂向分布和落干期去除效果(图5)。

可以看出，试验柱对有机物、总磷和氨氮的截留量随深度逐渐降低，污染物主要截留在10cm 以上的结构层中；砾石层截留能力较弱，对同一污染物的截留量基本保持不变，氨氮截留量约2mg/kg砾石样、TOC和TP约20mg/kg砾石样。结合污染物总体去除率随时间的变化规律，分析有三方面的原因：①众多的砂砾表面提供了巨大的沉降面积；②滤料粒径愈小，沉降面积愈大；③进入找平层的细小颗粒刚好被砂滤料间的细小空隙拦截，逐渐形成一层主要由被截留的固体颗粒构成的滤膜，并由它起主要的过滤作用。

对同一周期落干期开始和结束时砂砾样的理化参数比较得出，TP的降解程度较低，导致3个周期后系统对TP的去除率有所降低的现象；TOC平均降低率为61%、氨氮为90%，表明在降雨期截留下来的有机物和氨氮在较长的时间内被微生物分解和吸收利用，证实了对氨氮转化过程的推测。落干期使系统的纳污能力得以恢复，保证系统的正常运行。

3 总结

(1)透水地面系统对路面雨水径流污染物有明显的去除效果，在模拟南京夏季降雨的条件下，通过7个水力负荷周期的运行，不同厚度的基层表现出相似的去除规律，其中TSS、TP的平均去除率受基层厚度影响不大，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层砂缝和找平层0～10cm砂层，污染物的截留量随深度逐渐降低，级配碎石截留性能相对较弱。

(3)试验反映出落干期在污染物的降解中发挥了重要作用。在落干期，截留在渗滤介质上的有机物和氨氮作用显著，使系统恢复了对污染物的截留能力。

[1]夏远芬, 万玉秋, 王伟. 城市地面停车场透水铺装使用分析[J]. 环境科学与管理,2006, 31(5): 17-20.

[2]Introduction to LID[Z]. http://www.lids t o r m w a t e r.n e t/b a c k g r o u n d.htm#What_is_LID, 2011-5-12.

[3]C J Pratt. Use of permeable, reservoir pavement constructions for stormwater treatment and storage for reuse [J]. 1999,Water Science and Technology, 39(5):145-155.

[4]谭凌智, 安黛宗, 萧劲东. 蓄水陶土对雨水面源污染物的吸附性能研究[J]. 中国给水排水,2008(24)5: 98-101.

[5]姜凌, 秦耀民. 利用土壤层净化雨水补给地下水的试验研究[J].水土保持学报,2005,19 (6): 94-96,105.

[6]车武, 刘燕, 李俊奇. 国内外城市雨水水质及污染控制[J]. 给水排水,2003,29(10):38-42.

[7]王武祥. 透水性路面与透水性混凝土路面砖[J]. 建筑砌块与砌块建筑, 2005(2):35-38.

[8]秦健. 透水性人行道铺装结构设计和适用范围[J]. 中国市政工程, 2010(5):11-13.[9]DB 11/T 686—2009, 透水砖路面施工与验收规程[S]. 北京: 北京市质量技术监督局, 2009.

[10]中国科学院南京土壤研究所. 土壤理化分析[M]. 上海: 上海科学技术出版社,1978.81-84.

[11]王禄,喻志平,赵智杰. 人工快速渗滤系统氨氮去除机理[J]. 中国环境科学,2006,26(4):500-504.

[12]Hatt B.E. Fletcher T.D. and Deletic A.Hydraulic and pollutant removal performance of stormwater filters under variable wetting and drying regimes. Wat.Sci.Tech, 2007, 56(12): 11-19.