改性木屑对初期雨水径流污染控制的性能研究

2018-12-06王旭冕张建锋

西安建筑科技大学学报（自然科学版） 2018年5期

刘茵，张挺，王旭冕，张建锋

(1.西安建筑科技大学建筑设计研究院，陕西西安；2.中国市政工程中南设计研究总院有限公司，湖北武汉 430010；3.西安建筑科技大学环境与市政工程学院，陕西西安 710055)

近年来极端天气条件下超强暴雨诱发的城市内涝危害频发，传统的城市雨洪快排模式已经无法从根本上解决这一难题.2013年以来，各大中城市积极开展以“海绵城市”理念为核心的雨水系统规划与建设，以期在调控城市径流量的同时实现面源污染的有效削减，实现雨水的资源化利用[1].实践证明，以绿色屋顶、下凹式绿地、雨水花园等为代表的低影响开发(LID，Low Impact Development)雨水设施，在实现城市景观功能的同时，可以有效实现雨水量的积蓄、调节和径流污染削减[2].这其中，结合城市降雨及径流污染特征，通过绿地表层土壤改良，强化高污染负荷初期雨水截留和污染物去除效果，是充分发挥绿地雨水系统功能的关键[3].

研究表明，城市绿地对径流污染物的去除机理主要包括绿地表层土壤和植物根系的过滤、截留、吸附等作用[4].径流中的氨氮类物质历经吸附和生物代谢得到降解，磷的去除主要是土壤吸附、植物吸收以及与钙、铁形成沉淀[5-7].另外，改良土壤渗滤介质可以实现径流中无机磷分层吸附，土壤中加入“砂砾料”和“无砂混凝土”的多层渗滤介质系统可提高对磷去除率[6-8].径流中SS主要通过土壤的过滤被截留，同时植物的根系作用也会增强过滤效果[9].相关研究也揭示了植物根系可以吸收和降解酚、氰、铬、锌等污染物[10]，植草对重金属、尤其是呈离子状态的重金属有很好的截留效果[11-12].作为综合性污染指标的COD主要依靠生物和非生物作用降解，其中生物分解作用使截留在土壤的90%的有机物得到去除[13].

目前，有关绿地系统中污染物处理的研究多集中于植物作用和表层以下土层重建，很少涉及到复合基质改良土壤的技术研究.本文在分析城市屋面及道路雨水径流污染特征的基础上，采用改性木屑与土壤混合组成复合基质的方式提高绿地系统的污染截留效果，在提高绿地系统持水能力的同时强化径流污染物截留效果，提升初期径流高污染负荷的原位控制效果，为目前开展的城市绿地系统建设提供技术参考.

1 材料与方法

1.1 降雨径流污染特征变化研究

雨水采样点为城市道路旁雨水井和建筑物落水管雨水出口，采样瓶为300 mL聚乙烯塑料瓶，在使用之前用自来水涮洗干净，然后再用10%(v/v)的HNO3震荡洗涤一次，再用自来水反复涮洗，最后用超纯水润洗，晾干后盖好备用.降雨时自产流开始采集第一个水样，每5分钟采集一个水样，直到采集到90 min的径流或者径流结束为止，期间如果5 min内无法采集满300 mL，则直到采集满300 mL为止，并做好相关记录.降雨量条件由自动雨量监测站记录，该雨量计每隔0.2 mm进行一次记录，可对降雨进行全程监测.

1.2 木屑土壤混合物蓄水性能研究

木屑改良处理.孔径分布分析表明，实验用木屑中微孔比例为97.7%.木屑经2 mm孔径筛去除细小颗粒，用稀盐酸浸泡2 h后，用水冲洗三遍，再用5%的三氯化铁(FeCl3)浸泡24 h，捞出晾干，密封储存.

持水性实验.将木屑、木屑混合物、土壤三种基质放置于对应的塑料培养皿中，用电子天平称量各自样本的质量，记录数据作为吸水前的质量.分别用水浸没12 h后用吸水纸吸培养皿中多余的水分直至吸干，用电子天平量称重，吸水前后两次质量之差则为材料的饱和蓄水量.设立 3 组平行样，样本1、2和3为木屑，样本4、5、6为木屑混合物(所采用的基质符合种植草坪土壤含量要求和复合材料蓄水功能要求[14]，木屑和土壤的体积比为95∶100)，样本7、8和9为土壤.除样本8外其它样本体积相等，样本8土壤质量和木屑样本质量基本相等，以确定土壤的体积和密度换算关系.

1.3 改良绿地实验装置对径流污染去除研究

实验装置平面尺寸30 cm×60 cm，高度50 cm，由上往下依次为10 cm超高、5 cm土壤、30 cm复合基质和3 cm石英砂层，其中复合基质为改性木屑和土壤按照95∶100体积比例混合物，种植植物为麦冬和果岭草两种常见草坪草.装置底部装有出水管、顶部设进水布水管和流量调节阀门.实验中根据不同降雨量折算装置进水量和取样时间设置.实验水样采用降雨期间收集的30 min初期径流，个别实验中采用人工配制水样，人工配置雨水的水质见表1.

表1 人工配制雨水水质Tab.1 The concentration of main pollutants in artificially prepared rainwater

水样监测指标包括SS、CODCr(文中均采用COD)、TN、TP、NH3-N、NO3-N、Pb等6个指标，方法采用国家标准方法.

1.4 复合基质中Fe的流失性能

复合基质中包含经FeCl3处理的改性木屑，在实验过程中通过监测装置出水中的总Fe浓度变化，评估复合基质中Fe的流失情况.Fe浓度采用邻菲罗啉法测定[17].

2 研究结果与分析

2.1 土壤木屑蓄水性能研究

持水量指的是单位质量土壤抵抗重力所能吸持的最大水量，一般用来表示土壤的蓄水性能.原状土壤、复合基质(土壤∶木屑体积=100∶95)的持水量分别为0.56 g/g、0.86 g/g(图1所示).与土壤对比，复合基质的持水量提高了约54%，这对于雨水径流量的滞纳削锋作用显著.从持水时间上看出，复合基质的持水时间可以达到70 h，而原状土壤的持水时间为58 h，持水时间的延长对于土壤保墒和植物生长具有积极作用.实验所用木屑的微孔比例高达97.7%，因此复合基质的持水性强于土壤.进一步的分析发现，两种材料在自然条件下的含水率下降速率基本相当，因此复合基质在实际中的使用不会明显改变地层的雨水入渗性能.

图1 不同基质的持水量随时间变化Fig.1 The water holding capacities of various basement materials with time

2.2 降雨径流污染特征

从楼宇落水管连接的第一个雨水口开始出现径流开始计时，屋面雨水多个样品的污染指标监测表明污染负荷在0～30 min较高(见图2)，前30 min内COD、SS、TN的衰减速度较大，随时间延长各污染指标趋于稳定.降雨初期由于屋面积累降尘物的溶解与分散，初期雨水中COD和SS的浓度分别达到403 mg/L、327 mg/L.随降雨时间延长，各项指标值持续下降，约50 min后各项指标值趋于稳定，雨水的COD、SS、TN和TP浓度分与屋面径流相比较，城市道道路径流雨水污染物浓度更高.监测数据表明，降雨初期道路雨水中COD、SS、TN、NO3-N和TP浓度分别为523.2 mg/L、389.4 mg/L、17.1 mg/L、32 mg/L和6.96 mg/L.从污染指标变化趋势来看，在前40 min路面雨水的COD、SS、TN、NO3-N和TP下降比较快，随后各污染指标趋于稳定，其中COD、SS、TN、NO3-N和TP稳定在71.38 mg/L、47.20 mg/L、3.01 mg/L、2.19 mg/L和1.91 mg/L，降雨前40 min雨水径流中各类污染物含量占整场降雨污染物总量的50%～80%.屋面及道路两种下垫面条件下径流污染均呈现出初期雨水污染负荷较大的特征，因此在西安地区开展雨水利用时，结合实际情况确定的“径流初期30 min内雨水污染控制”是城市面源污染负荷削减的关键.

图2 屋面和路面径流水质随时间变化Fig.2 Pollutants concentration of rainfall runoff from roof and road with time

别稳定在62.76 mg/L、51.53 mg/L、1.71 mg/L和1.61 mg/L，pH在整个降雨过程中基本不改变.

3 降雨径流中污染物的去除

3.1 降雨径流中常规污染物去除

(1)屋面降雨径流污染物去除

采用复合基质构建的模拟绿地系统对实际实际屋面径流污染削减效果见图3.监测显示，屋面径流污染物浓度变化过程中，“初期雨水高污染负荷”的特征明显，在前30 min，系统对COD、SS、NH3-N、TP、NO3-N、TN等指标的去除效果分别为60.7%、68.4%、70.9%、67.4%、66.8%、62.3%，系统出水对应的指标值分别为12.69 mg/L、9.6 mg/L、0.29 mg/L、0.12 mg/L、0.21 mg/L和0.36 mg/L；30～90 min时段内，系统对上述6个指标的去除率分别为48.3%、62.1%、75.0%、58.2%、70.7%、70.0%.在整个径流期间，对于确定的6个污染指标的去除率最小为48.3%(COD)、最大为70.9%(NH3-N).

图3 复合基质去除屋面径流雨水污染物效果Fig.3 Removal efficiency of composite materials basement for rainwater pollutants in roof rainwater runoff

收集实际降雨条件下的道路雨水口径流，研究模拟绿地系统对于道路雨水中污染物的去除效果(见图4).本场次降雨的历时较短、强度较大且整个过程中降雨强度变化较大，因此，径流雨水中污染物浓度较大，且受到降雨强度突然增强影响径流雨水污染物浓度出现突然升高现象；降雨历时前10 min污染物浓度呈现逐渐下降趋势，降雨历时10 min以后降雨强度增大，污染物浓度随后也出现上升趋势，但与初期雨水污染物相比则小很多.由于降雨径流中夹杂较多雪松针形落叶，SS浓度较高.

图4 复合基质去除道路径流雨水污染物效果Fig.4 Removal efficiency of composite materials basement for rainwater pollutants in road rainwater runoff

降雨径流初期污染物SS、COD、NO3-N、NH3-N、TP、TN浓度分别为409.5 mg/L、239.8 mg/L、13.7 mg/L、20.2 mg/L、7.21 mg/L、26.5 mg/L.从污染指标的去除效果来看，初期雨水SS的最高去除率达到64%，这应该与土壤及植物根系的协同截留作用有关；COD、NH3-N和NO3-N的去除率较低.10～15 min时刻随着降雨强度的突然变大，径流中SS和COD分别上升了40.7 mg/L、41.2 mg/L，尽管模拟系统出水污染物浓度略有升高，但上升幅度远小于进水浓度的变化，揭示复合基质材料具有一定的耐污染负荷冲击能力.路面径流历经15 min左右后污染物浓度逐渐下降.因降雨历时较短，径流雨水中污染浓度几乎一直呈现下降趋势，而在径流历时25 min以后从装置流出的雨水污染物浓度至稳定.

3.2 复合基质的重金属离子截留性能

根据国内外的研究，城市面源污染中重金属离子污染主要源于屋面材料、燃料以及工业排尘.在实验绿地装置进水中人工添加两种0.10和0.20 mg/L浓度的Pb2+，按照两年一遇30分钟短历时降雨条件运行，出水中Pb2+的浓度均低于0.05 mg/L(见图5).在绿地系统中，由于金属元素在土壤层中会发生一系列复杂的物理化学反应，包括胶体微粒的物理吸附、离子交换或发生化学反应生成螯合物等，因此绿地系统对重金属离子的截留效果良好[15].

图5 木屑对径流雨水Pb的去除Fig.5 Removal of Pb in runoff rainwate by modified sawdust

3.3 改良绿地实验装置对径流污染去除稳定性

改良绿地实验装置对6场次降雨径流污染物去除率(90 min时段)见图6.第1、2和3场次为屋面降雨径流，第4、5和6次为道路路面降雨径流，实验装置对各种污染物去除率基本维持稳定水平，未发现去除率随时间延长出现持续降低情况.由于路面径流污染物浓度较大，道路径流污染去除率略低于屋面径流污染的去除率.复合基质在重复使用过程中，第一次使用时铁的泄漏浓度峰值在2.0 mg/L，后续5次使用时出水中铁浓度均维持在1.0 mg/L以下.