前池雨水花园系统对工业区雨水净化效果研究

王俊岭，梁慧，杨明霞，王华

(1.北京建筑大学 环境与能源工程学院，北京 100044；2.中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080； 3.中科院建筑设计研究院有限公司，北京 100190)

城市工业区的绿地面积占比普遍较小，无法对屋面雨水径流污染物进行及时的削减与净化[1-2]。因此，增设径流预处理设施，可有效地降低厂区内发生径流污染的风险。

如今海绵城市的建设如火如荼的展开，雨水花园系统在城市雨水的治理方面成效显著[3-5]。研究发现，通过对传统雨水花园系统的改造，可对径流中总氮和总磷的去除率大幅度提高[6-7]。

雨水花园净化水质的研究大多集中在填料改良上，而本身结构设计的研究较少。本文以深圳某工业区降雨条件为背景，在传统雨水花园系统的基础上增设前池，分析其对径流污染物的净化效果，以期为工业区屋面径流污染的治理提供参考。

1 实验部分

1.1 材料与仪器

葡萄糖、磷酸二氢钾、硝酸钾、氯化铵、醋酸铅、硫酸锌、氯化铜、氯化镉等均为分析纯；工业润滑油；过筛尘土。

HJ-001电子天平；HJ-031紫外可见分光光度计；HJ-262电感耦合等离子体发射光谱仪；HJ-245红外分光光度计。

1.2 实验装置

前池雨水花园系统主要分为前池和雨水花园两个部分。前池部分为底面边长0.602 m的正方形，雨水花园横断面为直径0.502 m的圆形，在雨水花园顶部设有溢流口，底部设有穿孔管和出水口。该系统由蠕动泵控制的流量模拟工业区屋面降雨径流，汇流面积比为50∶1，系统的实景图见图1。

图1 前池雨水花园系统Fig.1 Front pond rain garden system

1.3 植被与填料

麦冬作为一种喜湿耐涝的植物，在人工湿地和生物滞留设施中对水质的净化效果良好，尤其是对总氮的去除率高达70%以上。因此，本实验中雨水花园部分植被层选用麦冬作为栽种植物，且考虑到麦冬生长环境需要充足的水和光照，在雨水花园上部增设照度为4 000 lux的补光灯。

填料层参考相关文献[8]，填料层自下而上为砾石层(厚度250 mm，粒径50 mm)、砂石层(厚度150 mm，粒径10 mm)、土与石英砂混合层(厚度250 mm，配比为1∶1，土用0.02 mm筛网过筛，石英砂用1～2 mm筛网过筛)、沸石层(厚度50 mm，粒径8～16 mm)。经过计算，填料层的渗透系数为 K=4.73×10-5m/s。

1.4 模拟屋面雨水配制

参考深圳工业区的初期雨水径流的相关研究[9-11]，将COD、SS、TN、TP、Cu、Zn、Pb、Cd和石油类9项污染指标列入检测范围，实验配水中各污染物对应的药剂、浓度、检测方法、检测标准见表1。

表1 实验配水中各污染指标浓度Table 1 Concentration of each pollution index in the distribution water

1.5 实验方法

在降雨条件为重现期一年，降雨历时为60 min下，进行前池雨水花园系统对屋面降雨径流中COD、SS、TP、TN、Cu、Zn、Pb、Cd及石油类污染指标去除效果实验。

通过调节蠕动泵转速，模拟设定的降雨条件下的径流量，并在前池进水时，开始计时。在前池的出水口、雨水花园的溢流口和出水口按设定的时间点分别取样1 L，进行水质检测，计算各污染指标的削减率(见式1)，并分析污染指标随时间的变化规律及其污染物分别在系统中的去除效果。

(1)

式中R——去除率，%；

Cin——污染物进水浓度，mg/L；

Cout——污染物出水浓度，mg/L。

2 结果与讨论

2.1 COD、SS去除效果分析

前池雨水花园系统对于COD和SS的去除效果随时间的变化见图2。

图2 系统对COD和SS的去除效果Fig.2 Removal effects of COD and SS in the system

由图2可知，系统出水的COD的浓度变化呈现先上升后下降的趋势，去除率范围为57.20%～72.80%，均值为65.40%，与生物滞留设施有关研究中的COD去除率相比，减少了约30%[12]。这是因为本实验中进水COD浓度较高，且在雨水花园底部设置穿孔管，使污染物在系统中停留的时间较短，导致去除率偏低。系统出水SS浓度呈现逐渐降低的趋势，去除率均值高达93.09%，说明系统对SS有较好的去除效果且全程处于较好的过滤吸附阶段。这与殷利华等研究的雨水花园设施TSS的平均去除率90%的结果一致[13]。

前池对于COD和SS的去除效果随时间的变化见图3。

图3 前池对COD和SS的去除效果Fig.3 Removal effects of COD and SS in the front pood

由图3可知，前池出水COD浓度呈现先下降再上升趋势，去除率范围为3.60%～26.80%。在前池出水15 min内，去除率逐渐增大，在54 min时，去除率达到峰值26.80%，此后缓慢下降，这是因为前池对COD的初期沉降作用易达到饱和。去除率均值为13%，总体上前池对COD有一定的削减作用，但不稳定。前池出水中SS的浓度逐渐降低，去除率均值高达63.31%，说明前池的物理沉降作用能去除大部分的悬浮物固体，减轻了雨水花园的负担，从而提高了系统的水质净化能力。

2.2 TN、TP去除效果分析

前池雨水花园系统对TN、TP两类污染指标的去除效果见图4。

图4 系统对TN和TP的去除效果Fig.4 Removal effects of TN and TP in the system

由图4可知，系统出水中总氮浓度呈现先增高后降低的趋势，去除率变化范围为35.24%～75.85%，均值为56.20%。在系统开始出水TN的出水浓度较高，是因为出水携带了填料层中含氮物质，且雨水在系统中停留时间过短，污染物来不及被植物吸收就被排出系统；经过一段时间的冲刷后，系统的TN去除率上升，且直到系统出水结束,也未达到饱和状态，说明该系统对总氮的去除效果良好。系统出水中总磷的浓度呈逐渐升高的趋势，去除率范围为58.0%～90.91%，均值为72.55%，是因为填料层本身的磷不断释放，另外随着时间的推移，系统对磷的吸收也趋于饱和。

前池对总氮和总磷的去除效果见图5。

图5 前池对TN和TP的去除效果Fig.5 Removal effects of TN and TP in the front pood

由图5可知，前池出水中总氮的浓度均值为6.39 mg/L，去除率变化范围为18.54%～24.15%；总磷的浓度均值为2.29 mg/L，去除率变化范围为12.24%～28.32%。前池对总氮和总磷的削减作用均是通过沉降作用实现，受水力学参数的影响较大，因此，系统配水不均衡会导致前池对TN、TP的去除率不具有规律性。但从去除效果可知，增设前池可以去除约1/5的氮磷量。李芬芬等对生物渗透设施综述中提到[14]，饱和后采用最多的方法为更换填料和投加碳源，但实验过程中经常出现有机物淋出现象。因此，雨水花园增设前池，可延长填料层的使用寿命，为后续的雨水花园中植物渗滤吸收、土壤颗粒吸附等过程减负。

2.3 Pb、Zn、Cu、Cd去除效果分析

系统出水中Cd、Zn、Cu、Pb的去除率随时间变化的趋势见图6。

图6 系统对Pb、Zn、Cu、Cd的去除效果Fig.6 Removal effects of Pb,Zn,Cu and Cd in the system

由图6可知，Pb的去除最为稳定且去除效果最佳，去除率均值为98.03%。其次是Zn的去除效果，去除率范围在91.73%～94.36%。对Cu和Cd的去除效果不够稳定,这与较多的生物滞留设施的研究结果类似。但对四类重金属的去除率均超过50%，平均去除率最低的Cd达到82.50%，说明将此系统应用到工业区含重金属的雨水治理中能发挥出较大的净化作用。

系统中各部分对四类金属的去除效果占比见图7。

图7 系统各部分对Pb、Zn、Cu、Cd 的平均去除率占比Fig.7 The average removal rate of Pb,Zn,Cu and Cd in each part of the system

由图7可知，三者相比雨水花园作为系统的核心部分主要通过植物渗滤吸收、土壤颗粒吸附等过程进行重金属降解，因此对四类重金属的去除率占比最高。前池主要是利用重力沉降作用对重金属的进行去除，可减轻雨水花园净化水质的负担。尤其是常规雨水花园对Cu去除效果不稳定，利用前池的重力沉降作用可将去除率均值提高到86.05%。黄超群等对屋面径流的实验表明[15]，Cu的去除率为40%。进一步说明，增设前池可以有效地提高雨水花园系统的净水效果。

2.4 石油类去除效果分析

石油类污染物在系统中的去除效果见图8。

图8 系统对石油类污染物的去除效果Fig.8 Removal effects of petroleum pollutant in the system

由图8可知，石油类污染物的去除主要是通过前池沉降和雨水花园的吸附作用被滞留，之后被微生物和植物降解。系统对石油类污染物的去除率呈现逐渐增大趋势，变化范围为77.73%～89.33%，均值为83.24%，去除效果较好。

石油类污染物在前池中的去除效果见图9。

图9 前池对石油类的去除效果Fig.9 Removal effects of petroleum pollutant in the front pood

由图9可知，前池对石油类污染物去除率逐渐升高，均值约为50.39%，说明前池可以有效的分担雨水花园对石油类污染物的去除压力。前池在39 min时刚开始出水，对石油类污染物的去除率较高，可达到60.32%，随后下降，可能是受配水不均匀的影响。之后去除率升高但速率逐渐变缓，是因为随着时间的延长，前池对吸附石油类污染物的悬浮物重力去除逐渐变弱。

3 结论

(1)前池雨水花园系统对COD、SS指标的去除效果较好，去除率范围分别为57.20%～72.80%，87.80%～96.34%，其中前池对COD和SS的平均去除率分别为13%，63.31%，说明前池的物理沉降作用能去除大部分的悬浮物，减轻了雨水花园的负荷，从而提高了系统的水质净化能力。

(2)系统对TN、TP指标的平均去除率分别为56.20%，72.55%，且前池对TN、TP的去除率范围分别为18.54%～24.15%，12.24%～28.32%，因受水力学参数的影响较大，前池对TN、TP的去除率不具有规律性。从去除效果可知，增设前池可以去除约20%的氮磷量，这为后续的雨水花园中植物渗滤吸收、土壤颗粒吸附等过程减负不少。

(3)系统对重金属Pb、Zn、Cu、Cd的去除主要通过植物渗滤吸收、土壤颗粒吸附等过程，平均去除率分别为98.03%，92.83%，86.05%，82.50%，其中对Pb和Zn去除效果最为稳定。前池主要是重力沉降作用，尤其是对去除效果不稳定的Cu，可较大的提高其去除率。系统对石油类的去除率变化范围为77.73%～89.33%，其中前池对石油类的平均去除率较高为50.39%，但受前池配水不均匀的影响较大。