海绵城市水体污染负荷频谱分析与污染生态修复方法研究

徐洁　宋祥

关键词：海绵城市；水体污染；负荷频谱；污染生态修复方法；修复效果

中图分类号：X32 文献标志码：B

前言

工业垃圾和生活垃圾的产生和排放对城市环境造成了很大的污染，水体污染就是其中之一。海绵城市是新一代城市雨洪管理概念，旨在实现对城市水体渗、滞、蓄、净、用等一体化管理。海绵城市可以通过水性铺装截留携带污染物的雨水，再通过引水沟引至附近的蓄水设施中，净化处理后，再回收利用。整个过程中，净化是关键环节，起到了承上启下的作用。

在上述背景下，关于城市水体污染修复的研究有很多。例如李亚等人提出了一种基于多孔碳材料的修复技术。该研究中以碳源材料为基础，通过多种方法制备了多孔碳材料，将其应用到工业废物处理当中，用于吸附水体中重金属离子，实现水污染修复。李军等人提出基于微生物的修复方法，利用微生物自身代谢功能来对水体中的污染物进行分解，包括无机氮、有机物和金属元素3类。赵青等人研究了四种水生植物的修复效果，采用挺水植物、沉水植物、漂浮植物和浮叶植物作为修复手段，将其移植到污染水体中，用于净化水体中的污染物，最后通过对比DO和ORP，分析污染净化效果。

上述修复方法单一，修复效果不佳。因此提出海绵城市水体污染负荷频谱分析与污染生态修复方法研究，以期为修复的最佳方案设计提供参考。

1海绵城市水体污染负荷频谱分析

1.1水样采集

海綿城市为了实现蓄水，一般都会建立蓄水设施，以截留地表径流，以某海绵城市设置的5处蓄水池为例，每星期采集3次水样，采集2021年1月—2022年12月为其两年的水样，共采集288个水样。将采集到水样冷藏保存，在2h内运输到实验室，进行水污染浓度检测。

1.2水污染浓度检测

针对采集到的水样，对水污染中的污染物含量进行检测。检测方法如下：采用称重法检测悬浮性固体含量，碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法检测总氮含量，水杨酸分光光度法检测氨氮含量，差减法检测有机物含量，分光分度法检测总磷含量，紫外可见分光光度法检测重金属含量。

步骤4：将水污染负荷指数（等级）—累积频率关系绘制成散点图，即得到海绵城市水体污染负荷频谱，结果见图1。

从图1中可以看出，蓄水池1在水污染负荷指数35～55区间等级内的累积频率最高，说明在这两年间该等级水污染更容易发生；蓄水池2、蓄水池5在水污染负荷指数55～75区间等级内的累积频率最高，说明在这两年间该等级水污染更容易发生；蓄水池3在水污染负荷指数20～35区间等级内的累积频率最高，说明在这两年间该等级水污染更容易发生；蓄水池4在水污染负荷指数≥75区间等级内的累积频率最高说明在这两年间，该等级水污染更容易发生。

2水体污染生态修复方法研究

2.1生态修复所需设备与材料

水体污染生态修复过程所用到的设备和材料如下：

设备：QCX-H2B型称重器、ZY-JB型搅拌机、HY0122型振捣器、JY-HBY-30型养护箱、BHZX-LAC型光催化反应器、AVW-5037型沉水曝气装置。

材料：P.042.5级水泥、天然河砂，中砂、粒径5～16.5 mm天然碎石、普通自来水、ZS-2型外加剂、碳酸根型镁铝水滑石、TiO₂催化剂、聚乙烯泡沫板、椰壳纤维填料、水生植物（菖蒲、水芹菜、灯心草等）、水中动物（剑水潘、大型潘、螺狮等）、纯度98%硫酸亚铁铵标准溶液。

2.2生态修复措施

研究中为了达到更好的修复效果，提出一种综合生态修复方法，通过多重处理以净化水中的污染物质。

2.2.1生态混凝土修复措施

生态混凝土是一种具有特殊孔结构的装置，具备良好的吸附和过滤性能，对水体中污染物具有良好的吸附作用，对水体中微生物也具有富集作用，双重作用下，能够有效改善水质。该修复装置的制备过程如下：首先设计生态混凝土配合比，见表1。

按照表1配合比称重各种组成材料，然后按照搅拌→装模→振捣→抹平→压实→静置→脱模→养护→质检等一系列过程，完成生态混凝土的制备。

在水性铺装收集携带污染物的地表水之后，会通过引水沟导人蓄水池中，在进入蓄水池之前，在引水沟出水口处树立一道生态混凝土墙，用于初步过滤和吸附城市污水中的污染物质。

2.2.2光催化+沉水曝气修复措施

在生态混凝土完成初步的过滤和吸附之后，水中一些污染物质很大程度上得到降低，但是并不彻底，还需要进一步处理。针对水中的有机物，一方面利用紫外催化法加速有机物的降解，该方法原理是通过在蓄水池中投放催化剂粉末，在光催化反应器的作用下水中催化剂吸收紫外光之后，产生羟基，最后羟基通过强氧化作用来分解水体中的有机污染物，将其转换为二氧化碳和水。通过光催化的作用并不是长久之计，在光催化降解有机污染物的同时，增设沉水曝气装置，将氧气溶解到水中形成溶解氧，强化水体自净能力。沉水曝气装置实景见图2。

2.2.3生态浮岛修复措施

对于水中的氮、磷、重金属等污染物质，需要通过生态浮岛的方法来处理，与此同时也能丰富景观，增强物种多样性，以尽快恢复水中生态。生态浮岛是以轻质漂浮高分子材料（如聚乙烯泡沫板、PVC管、竹子等）作为床体，在床体种植篮中放置颗粒填料（如椰壳纤维、沸石等），用来固定植物的根系以及相关生态群落，将其推入水体中并固定在指定位置处，吸附水体中的污染物质。生态浮岛示意图见图3。

与其它修复处理方法不同的是生态浮岛能够实现物理作用、化学作用、生物作用的三重原理降解，修复效果更强。此外，还可以在水中投放一些水生动物、浮游生物等，来抑制富营养化，强化生态系统多样性。

3生态修复效果分析

修复系数以及COD的测定结果见图4和图5。

从图4中可以看出，修复后，海绵城市5个蓄水池的修复系数均达到了0.8以上，由此说明经过修复后，水体中污染物大量减少，修复效果非常好。

从图5中可以看出，修复后较修复前，海绵城市5个蓄水池COD数值均大幅度下降，由此说明5个蓄水池中水质得到了明显改善，达到了修复目的。

4结束语

海绵城市建造的任务之一就是在收集地表径流水体之后对其进行修复净化处理。研究针对其中的净化环节进行研究，提出海绵城市水体污染负荷频谱分析和污染生态修复方法研究。首先检测水体中各种污染物含量，计算水体污染负荷指数和对应的累积频率，绘制水污染负荷指数一累积频率关系图，得到海绵城市水体污染负荷频谱。通过负荷频谱分析确定水污染等级的发生频率，采用生态混凝土、光催化+沉水曝气、生态浮岛组成的综合生态修复方法进行污染生态修复。实验结果表明：修复后，修复系数均达到了0.8以上，COD数值大幅度下降，水体中污染物大量减少，水质得到了明显改善，证明了该方法的有效性。该研究具有实际应用性，为修复的最佳方案提供了参考。