浅析生态型净水箱处理城市雨水径流措施▲

王文玉 冯传平

摘  要：在不同进水浓度、停留时间和生长季节条件下，由于植物生长过程中会释放有机碳，COD去除效果不佳。实验结果表明：在高浓度COD进水时，去除率可达48%。污水中NH-N和NO-N在各种运行条件下都有较好的去除效果，在行水期，NH-N的去除率在38%到87.5%之间，而NO-N的去除率在46%到71%之间，而在停水期，两个数值分别为95%和85%。证明生态型净水箱护岸系统对城市雨水初期径流起到有效净化作用。

关键词：非点源污染;雨水径流污染;生态型净水箱

中图分类号：TV121  文献标识码：A    文章编号：2096-6903（2019）03-0000-00

0引言

目前在城市水源污染控制中，除了城市管理和法规等非工程（技术）方法外，多种工程措施也有广泛应用。尹炜等提出了通过源处理、输移控制以及汇处理等程序来对地表径流污染进行控制。赵建伟等也进行过相关研究，他们将径流污染控制技术将进行系统分类，总结出植被过滤带、人工湿地、滞留/持留系统、过滤系统以及渗透系统等类型。

所谓净水型护岸就是以该理念为前提实施的，以净化径流污染为目的。具体来说，细分出了诸如生物浮床、人工湿地以及植物过滤带等易操作的生态系统方法，是目前正在普遍使用的几种主流措施。

在本次研究中，针对沿岸坡径流而下的面源雨水污染控制提出了生态型净水箱，将水中生长的植物作为主体，利用自然界生态系统的自净原理，对污水中的污染物进行去除。

1 实验材料与方法

1.1 生态型净水箱

在进行生态型净水箱制作时，使用混凝土预制而成的砌块，在中部用隔板进行分离，在正面的一侧面做出孔洞，用来溢流，然后内部填充上卵石等滤料，将棕纤维垫固定在滤料上，在棕垫上面种植植物。如图1所示。

通过图1可知，污水从净水箱上表面流过的同时，由于扩散供氧作用，可携带溶解氧渗透进入下层滤料，同时兼具表面流湿地和潜流湿地的功效。

1.2 实验方法

1.2.1 实验用水

本研究总结了车伍、仁玉芬、侯立柱等学者所进行过的针对北京市区降雨径流污染后，确定配制污水的污染物浓度基准值，如表1所示。

1.2.2 實验系统

如图2所示，本试验系统由四层生态型净水箱组合而成。净水箱中间设隔板，从而使污水在净水箱滤料内的渗滤行程最大化;在隔板靠近箱体后壁的地方，专门设置孔隙，隔板可以有效的分出两个格室，两格室的液面是存在高差，当污水从没有溢流口的一方流入净水箱的时候，通过水的压强原理，可通过空隙流入到另一侧的箱体中。

净水箱内的多孔陶粒粒径1～1.5cm，其厚度大约为12cm，而用于植物生长的层级厚度为10cm，棕纤维的填充密度为47 kg/m，溢流孔的直径大约为0.8cm，数量为三个，距离箱子底部的高度为20cm，也就是说箱子的承载水位最多为20cm;为了方便后期测量，我们在花斗的部位没有填充陶粒，以便于后期检测槽以及取样槽的使用。

1.2.3水力停留时间（HRT）的确定

高浓度污染物雨水发生于降雨初期，持续时间15分钟到30分钟，污染物的浓度会呈现出先升高后逐渐降低的趋势。一般人工湿地处理路面径流污水系统中，将HRT设为0.5h。常规人工湿地污水净化系统的HRT通常在数天以上，延长HRT可提高污水的处理效率，但会对湿地系统的处理能力造成损失。

为了研究生态型净水箱使用时的处理效果，每种浓度的实验用水设定三种不同的HRT，分别为0.5h 、3h和6h。

1.2.4 降雨间隔时间的确定

上海市的降雨周期大概为9天，为了检测该实验结构对于降水期较短时的污水处理能力，在实验中将周期设置为5天。

1.2.5 实验过程

本实验分为两个阶段：行水期与停水期。行水期设定为5个HRT，即整个降雨过程包括径流形成及径流汇入河流的时间，主要考察净水箱内水生植物对径流雨水的拦截作用。停水期则在行水期之后，相当于降雨的时间间期，时间为5d。此阶段主要考察净水箱内的生态系统对污染物的降解作用。

为使净水箱出水水质不受原存水的影响，在进行每批实验前，先注入300升的水，等到将净水箱内的所有存水排出后，再注入200升水用于实验。

行水期间连续走水5个HRT，每隔1个HRT取4层净水箱内的水样进行检测（5次/d）。在停水期，每天定时取4层净水箱内的水样（1次/d）。

本研究进行了进水浓度、HRT及植物生长期对生态型净化箱系统的人工径流雨水处理性能实验，其中植物生长期实验在中浓度进水、HRT=3h和四层组合净水箱条件下，在夏（8月6日-8月12日）、秋（11月12日-11月18日）两季进行。

1.3 检测指标

本研究的检测指标为T、DO、 pH、NH-N、NO-N和COD，其中T、pH和DO使用了多参数水质监测仪来进行测定，NH-N、NO-N和COD则使用了紫外可见分光光度计进行测定测定。

2.1  不同实验条件下COD的去除效果

本实验中，进水COD都是可溶性质的，如图3所示，总体上来讲，净水箱系统COD去除的效果不能让人满意，平均的去除率只有20%上下。从上图3a中我们可以看出，出水的COD值会伴随着进水COD浓度的增高而增加。在行水期间，低浓度、中浓度以及高浓度进水的COD去除率分别为-23%、6%、以及48%，呈现出随进水COD增加而提高的趋势。而在停水期的时候低浓度、中浓度、高浓度的COD去除率则分别为-112%、27%、28%，同样呈现出随进水浓度的增加提高的趋势。而且，在行水期和停水期的时候，低浓度进水的COD去除率均显示为负值。

从图3b中出水COD值会呈现出一定的波动，但总体上呈现出了正相关的关系。在本研究过程中可以发现，净水箱对COD的去除能力基本是非常稳定的，从上图3c当进水COD不变的前提下，行水期中COD的去除速率与棕纤维有机碳的释放速率维持不变，从而出水的COD值也不会改变。出水COD浓度会伴随时间的长短呈现出略微下降的现象，主要是因为进水对植物生长床内有机碳会造成冲刷而导致的。在停水期的时候，棕纤维释放的有机碳不会出水带出，所以箱内COD会迅速堆积，当COD值增加到与棕纤维有机碳释放相平衡的程度，净水箱内的COD值不再发生变化。

2.2  NH-N的去除效果

从图4a中我们可以看出在行水期时，低浓度、中浓度和高浓度进水中NH-N的去除率的数值为57%、52%和59%，从数值上看是比较有效的，而且数值接近，可以得出以下结论：以本次实验条件为前提，各种浓度中NH-N去除率并没有明显区别。通过DO曲线我们可以看出，行水期的时候，DO值大概维持在每升4.5毫克左右，而在停水期的时候，其数值大概为每升3.5毫克，也就是说溶解氧会比较有利于硝化细菌对于NH-N的转化功能。

通过图4b我们可以看出：HRT對NH-N去除效果的影响还是比较明显的，NH-N的去除率分别显示为38%、52%、以及60%，也就是说NH-N的去除率会随着HRT延长而增高，其原因主要是因为HRT的延长会使硝化作用发生增强而导致的。在停水5天后，NH-N的去除率则分别显示为95.3%、94.4%和94.1%，也就是说三种HRT下，停水期的NH-N去除率是没有区别的。

通过图4c以看出，行水期的NH-N去除率在夏秋两季分别为87.5%和88.1%，停水5天后的去除率分别为显示为夏季的87%和秋季的85%。而且不管在行水期或者停水期， 夏秋两季NH-N的去除效果并没有明显区别，而且效果较佳。

2.3  NO-N在不同条件下的去除效果

观察图5a可以发现，在行水期时，在低浓度、中浓度、高浓度三种进水中，NO-N的浓度会时间的推移而发生降低现象，大约为46%、60%和66%，且伴随进水浓度的增高而增高;在停水期的时候，低浓度、高进水浓的度NO-N会随着停水时间的延续而表现出下降趋势，中进水浓度则呈现下降趋势，究其原因，高浓度DO会加强硝化作用，减弱反硝化作用，反之亦然。当停水5天后，低浓度、中浓度、高浓度三种进水浓度NO-N去除率显示为28%、80%和56%，其中中浓度的NO-N去除效果数值显示最高。

通过图5b可以看出，HRT对NO-N去除效果造成的影响是比较明显的，当进水期的时候NO-N的平均去除率分别为71%、60%、以及53%，也就是说NO-N去除率会随着HRT延长而出现降低情况，这就与我们前面提到过的NH-N去除率会随着HRT延长而增大的结论一致。

从图5c可知，除停水期的第5d，在行水期和停水期，NO-N去除率都是秋季高于夏季。原因是净水箱内异养菌数量秋季比夏季少;而且低温和高DO会抑制反硝化作用。

在不同条件下，净水箱系统对以上三种物质都可以明显的进行去除，但是去除效果差异较大，在行水期时，NH-N的去除率大约为38%-60%，NO-N的去除率为53%-71%，而在静水期时，NH-N的去除率可达95%，NO-N去除率也会高达85%。出水COD由于受到棕纤维有机碳释放影响，其去除效果并不理想，在高浓度进水时，COD去除率可以达到48%。除COD外，对于NH-N和NO-N在夏季和秋季也会有明显不同。

参考文献

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收稿日期：2019-05-22

▲基金项目：国家高技术研究发展计划（863计划），编号：2007AA06Z351;“十一五”国家科技支撑计划，编号：2006BAJ08B04，2006BAD01B03。

作者簡介：王文玉（1984—），女，湖北武汉人，研究生，研究方向：污水处理技术。

WANG Wenyu，FENG Chuanping

（1.Beijing Taolin Environmental Engineering Co.， Ltd.， Beijing 100078;

2.School of water resources and environment， China University of Geosciences， Beijing 100083）

Abstract： This study with the condition of different inflow concentrations， HRTs and hydrophytes growth phases. The results indicated that the excellent effect for NO-N and NH-N removal， except organic contamination reasoning from the TOC release of palm fiber in hygrophyte planting bed， however removal efficiency with the high level concentration influent could reach 48%. The removal efficiencies to NH-N and NO-N were respectively 38%-87.5% and 46%-71% during the water passing phase. Furthermore， the removal efficiencies of water stored phase are more than 95% for NH-N and 85% for NO-N. It was demonstrated that the water purifying box revetment system can effectively clean initial runoff.

Keywords： non-point pollution; runoff pollution; ecotype water purifying box