人工强化生态缓冲装置对城市初期雨水污染负荷的削减作用

颜锟　崔康平　许为义　汪翠萍　张国臣

摘要：为削减城市初期雨水的污染负荷，设计了以碎石和碎木片为填料主体的人工强化生态缓冲装置，研究了该系统在较短淹水时间（15、30、60 min）内对城市初期雨水水质的改善效果，分析了生态缓冲带对COD、NH3-N、TN、TP等4种污染物的去除过程和机理。结果表明，15 min淹水时间下对COD、NH3-N、TN、TP的平均去除率分别为37.32%、53.36%、19.04%、31.26%；60 min淹水时间的平均去除率分别为63.72%、71.64%、32.83%、49.35%，平均出水浓度为74.00、3.46、12.13、1.46 mg/L，均达到了城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）的一级或二级标准。

关键词：人工强化生态缓冲带；初期雨水；淹水时间；削减

中图分类号：X703.1 文献标识码：A 文章编号：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

随着城乡一体化的迅速发展和居民生活水平的提高，水资源短缺已成为制约中国经济和社会发展的重要因素，而不断推进的工业化进程，也使得水体污染日益严重。在发达国家，点源污染已基本得到有效控制，雨水径流带来的非点源污染成为水体污染的主要因素[1，2]。城市地表径流含有相当数量的悬浮颗粒物、营养盐、重金属和有机污染物，如果未经处理排入城市受纳水体，易引发水体富营养化和水生生態系统破坏等[3-5]。研究表明，雨水径流具有明显的初期冲刷效应，即在多数情况下，污染物集中在初期的数毫米雨量中[2，5]。因此，控制初期雨水成为雨水利用系统和城市径流污染控制的一项主要举措[6，7]。

雨水生态处理技术作为低影响开发（Low impact development，LID）体系[8]的重要组成部分，在径流量削减、径流污染控制、地下水回补及景观方面具有显著的生态效应[9]。国外典型的雨水生态技术主要有暴雨湿地、雨水花园、植被过滤带、生物滞留池等[9-12]。Davis[11]利用沙和碎报纸组成厌氧层处理径流雨水，试验表明该填料具有较好的滞留能力，能促进反硝化作用，提高TN的去除效率；胡爱兵等[13]利用土壤、碎石填料模拟生物滞留池，达到净化道路雨水径流和削减硬化路面洪峰流量的目的。

本研究针对初期雨水的水质特点，结合植被过滤带、生物滞留池的处理机理，研究了由碎石、碎木片等自然界中非改性物质组成的渗滤系数较大的土壤-碎石-碎木片组合填料对初期雨水进行的缓冲效果，探讨了在不同淹水时间（15、30、60 min）内对初期雨水水质的净化效果和机理，以期为中国的雨水径流污染防治及雨水综合利用提供参考和借鉴。

1 材料与方法

1.1 材料

试验用土为校园草坪沙壤土；碎石、鹅卵石为建筑工地的筛选河沙；碎木片为破碎的速生杨木材；试验阶段用水以文献[14]中合肥市老城区雨污合流段路面初期径流雨水污染物浓度平均值为依据，用上海国药集团生产的分析纯（AR）药品C6H12O6、KH2PO4、KNO3、NH4Cl以及道路尘土加自来水配置而成，同时在降雨期间收集道路雨水口及集水井处前10～20 min雨水。主要水质指标见表1。

1.2 试验装置

试验装置为长100 cm、宽30 cm、高70 cm的有机玻璃材料制成的模拟槽（图1），基本构造如下：下部为10 cm的鹅卵石层（粒径0.5～1.0 cm），中间主体部分为40 cm的粗砾石+5%碎木片层（粒径0.5～1.0 cm），上部为5 cm的细砾石层（粒径0.25～0.5 cm），最上层为10 cm的种植土壤，并种植有本地常见的边坡草。装置底端设有出水口，以收集出水。

1.3 试验方法

试验开始前3周，取合肥工业大学斛兵塘水，每天恒流进水30 min，水力负荷0.1 m/d，淹水8 h后排出，对系统中的微生物进行接种培养，每天检测进出水水质，25 d后出水水质稳定，启动完成。自2014年4月27日起，按照试验阶段用水水质补水，水力负荷0.15 m/d，分别在淹水15、30、60 min时收集渗滤出水，测定进出水水质。运行过程中，监测进水和渗滤出水的化学需氧量（COD）、氨氮（NH3-N）、总氮（TN）、总磷（TP）、悬浮物（SS）。分析方法参考文献[15]中的规定和要求。

2 结果与分析

自2014年4月27日至7月20日共计模拟初期雨水试验25次，实际采集降雨期间10～20 min道路径流雨水4次。不同淹水时间下各项目的出水浓度和去除率变化范围如表2所示。

2.1 不同淹水时间COD的去除效果

在试验运行阶段，系统进水至淹水15、30、60 min COD的浓度变化和去除率变化如图2所示。

由表2、图2可知，系统试验阶段COD进水浓度为174～276 mg/L，淹水15 min的出水平均浓度为135 mg/L，平均去除率为37.32%。随着淹水时间的增加，淹水30 min的平均出水浓度降低至111 mg/L，淹水60 min的平均出水浓度降低至74 mg/L，达到了城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）的一级A标准，COD的去除率最高达到81.96%，去除率与进水浓度呈现一定的相关关系。采用实际雨水试验，进水COD浓度为148～305 mg/L时，淹水60 min的出水COD浓度为65～96 mg/L。同时，模拟雨水和实际雨水试验的进水COD变化较大时，淹水60 min出水COD浓度维持在39～96 mg/L之间，表明该系统具有一定的抗冲击负荷能力。

由于合肥典型区域道路初期雨水中的COD多为悬浮态[16]，悬浮态COD的去除主要靠填充基质的过滤、吸附以及生物氧化作用。有机物进入系统后，首先经基质过滤、吸附作用截留下来，然后通过微生物的接触氧化作用被降解，在污水与基质的接触过程中，污水中的有机污染物被大量的微生物氧化分解而得以去除。本研究中，在试验后期有3次采样的落干时间为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落干期的去除率较落干期2 d的去除率有较大的下降，可能的原因在于随着落干时间的增长，土壤填料内部孔隙率增大，机械过滤性能降低，同时雨水在试验前期的入渗过程中可能将碎木片中的部分有机物（纤维素、木质素等）淋洗出来，导致COD的出水浓度升高。

2.2 不同淹水时间NH3-N的去除效果

试验运行阶段，25次模拟试验中NH3-N的浓度变化和去除率变化如图3所示。

由表2、图3可知，出水水质随着进水NH3-N浓度的变化而变化，在2 d落干期，系统在淹水15 min的出水水质稳定在5.67 mg/L，去除率平均为53.36%，随着淹水时间的增长，去除率逐渐增加，淹水60 min的最低去除率为56.89%，最高去除率为87.61%，平均出水浓度为3.46 mg/L。单场降雨试验中，NH3-N的平均进水浓度为10.44 mg/L，平均出水浓度为3.57 mg/L，达到了城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）的一级A标准，起到了较好的缓冲效果。

初期雨水中的氮主要以有机氮和NH3-N的形式存在，渗入土壤后，有机氮和NH3-N被吸附和截留，随后在微生物的作用下被降解，部分被植物吸收。在布水期，系统溶解氧量减少，好氧硝化作用受到一定的抑制，此时去除NH3-N的主要途径是填料的吸附作用。落干期，系统恢复了良好的透气性、氧化性以及較好的水力传导能力，硝化作用得到加强，吸附在填料上的NH3-N被硝化细菌同化而分解。本试验中，填料采用渗透性能较好的碎石，采用试验前接种、缩短水力负荷周期、加快干湿交替频率的运行方式，使系统具备了发生硝化作用的有力条件，维持较好的NH3-N去除效果。另有研究表明[17]，植物对氮的吸收主要发生在系统表层的土壤中，NO3--N和NH3-N是能被植物利用的最主要的氮源。本试验前期由于在移栽中植物的根系受到一定程度的破坏，植物的生长情况较差，NH3-N的去除效果不显著，随着试验的进行，植物根系逐渐恢复生长，提高了对系统中NH3-N的去除。

2.3 不同淹水时间TN的去除效果

在试验运行阶段，TN的浓度变化和去除率变化如图4所示。

随着系统的运行，TN的出水浓度随着淹水时间的增长而降低，不同的淹水时间，TN的去除率波动较大，淹水15 min的去除率为5.21%～33.05%，淹水60 min间的去除率为14.19%～55.10%。从去除情况看，进水与出水TN浓度呈现一定的相关性，进水TN浓度在14.32～26.76 mg/L时，平均出水浓度由淹水15 min的15.71 mg/L降低至淹水60 min的12.13 mg/L。实际雨水试验中，TN平均进水浓度为22.15 mg/L，淹水60 min平均出水浓度为15.63 mg/L，平均去除率为29.46%，达到了城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）的一级标准。

TN的去除主要是以微生物为主导的硝化和反硝化作用，而决定最终出水浓度的是反硝化作用。反硝化作用是经硝化作用生成的NO2--N和NO3--N在无氧或缺氧的条件下被反硝化细菌还原转化为N2的过程。在反硝化过程中，碳源是重要的影响因素[18]。Lucas等[19]发现，由于没有足够的反硝化反应发生，在持续干旱后NO3--N的淋洗现象更强，而添加碳源的设计对于抵抗这种不利影响非常有效，但可能造成填料中的氮营养物本底值过高而使出流水质恶化。本研究在碎石中添加5%的碎木片，在历次试验中存在5次淹水15 min的出水TN浓度大于进水TN浓度，即发生氮的淋洗现象。因此控制有机质的添加量，避免淋洗现象的发生，研究有机质含量与TN去除率的关系，是后续研究中的重点。

2.4 不同淹水时间的TP去除效果

常温条件下（试验环境温度25 ℃），人工强化生态缓冲带中TP的进出水浓度和去除率变化见表2、图5。

随着淹水时间的增长，TP的出水浓度逐渐减少，去除率逐渐增加。系统运行初期，TP的出水浓度和去除率存在一定波动，淹水60 min的出水浓度为0.67～2.33 mg/L，去除率为33.69%～72.53%。整个试验阶段的进水TP平均浓度为2.74 mg/L，淹水60 min的平均出水浓度为1.46 mg/L。单场降雨试验中，TP的进水浓度为3.68、2.35、2.79、3.04 mg/L时，淹水60 min的出水浓度为2.03、1.57、1.90、2.13 mg/L。模拟试验和收集初期雨水试验的TP出水浓度均优于城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）的二级标准，且进水浓度变化较大时，出水TP浓度波动不大，说明系统在稳定运行的情况下对进水水质具有一定的抗冲击负荷能力。

道路雨水径流中的磷主要以有机磷和无机磷两种形态存在，其中以PO43-形态存在的磷占主要部分。人工强化生态缓冲带对磷的去除主要依靠填料的吸附与固定、植物根系的吸收以及化学沉淀、微生物利用等。植生土壤对磷的吸附被认为是最有效的去除途径[20]。系统运行初期，吸附作用占主导地位，本试验中采用的土壤为草地沙壤土，土壤中含有一定量的Ca2+、Al3+、Fe3+等离子，与径流中的磷发生络合反应，生成各种难溶性磷酸盐，去除率较高。随着系统的运行，吸附容量达到饱和，去除率有所下降，淹水15 min对TP去除率降低至16.82%，但植物根系对磷的吸收利用有所增强，同时聚磷菌的生长繁殖加快，在基质-微生物-植物的共同作用下，对磷的去除率逐渐增加，最后实现磷的稳定去除。

3 结论

1）本试验条件下，人工强化缓冲带处理模拟合肥老城区初期雨水，对COD、NH3-N、TP、TN均有一定的缓冲效果。除TN外，运行初期，各指标均能达到较好的缓冲效果，后期运行过程中，进水浓度的变化对系统出水影响较小，能够承受一定的污染负荷波动。

2）NH3-N的去除效果較好，淹水60 min的去除率为56.89%～87.61%，对于COD和TP，随着淹水时间的增长，缓冲效果的增强较为明显；对于TN，运行初期的缓冲效果随进水水质波动较大，淹水60 min的最低去除率为14.19%，试验后期，淹水60 min的平均出水浓度稳定在12.13 mg/L左右，达到了城镇污水处理厂污染物排放标准（GB18918-2002）的一级A标准。

3）后续试验应用系统填料中碎木片的添加量对反硝化作用的影响，探究最佳的碳源添加量。在应用过程中，根据场地规模和不同淹水时间下各指标的去除率设计不同过流时间和尺寸的人工生态缓冲带滤槽。

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