城市初期雨水污染處理技術(shù)研究

張 銀

（淞際環(huán)境規(guī)劃設(shè)計（上海）有限公司，上海 200233）

初期雨水是指在降雨初始時期的雨水，雨水通過淋洗大氣，沖刷城市道路、各類建筑物、廢棄物等，通過降雨徑流沖刷攜帶各種污染物質(zhì)進(jìn)入河流、湖泊等受納水體，加劇水體污染［1］。在降雨徑流產(chǎn)生的污染中，初期雨水徑流產(chǎn)生的污染物所占比例較大，污染物濃度較高，污染指數(shù)甚至?xí)龅湫托猿鞘形鬯?-3］。因此，如何將城市初期雨水徑流充分收集并適當(dāng)處理利用，成為了一項很有前景和意義的課題。

國外對初期雨水的研究較早，提出并建立了比較完善的初期雨水處理和利用系統(tǒng)。美國和英國等一些國家相繼提出“低影響開發(fā)”（LID）、“最佳管理措施”（BMPs）及“可持續(xù)城市排水系統(tǒng)”（SUDS），加強(qiáng)對城市初期雨水的治理［4-5］。我國初期雨水研究起步相對較晚，始于20世紀(jì)90年代對城市非點源污染的研究，隨后在一些城市相繼開展了相關(guān)研究。近年來，越來越多的學(xué)者結(jié)合海綿城市建設(shè)處理初期雨水。

1 初期雨水污染物的來源及特點

對雨水徑流污染的影響因素較多，主要包括降雨時間、降雨強(qiáng)度、下墊面情況及降雨前期干燥時間等因素。降雨對城市下墊面累積污染物的沖刷作用形成大量污染物，城市地表徑流主要是以透水和不透水地面徑流為主。透水地面徑流主要包括綠地、公園、透水鋪裝經(jīng)過下滲飽和之后產(chǎn)生的地面徑流，透水地面經(jīng)過一定程度的下滲可以消減污染物濃度；而不透水地面徑流主要以城市道路、廠區(qū)、建筑屋面等產(chǎn)生的地表徑流為主，不透水地面經(jīng)降雨徑流產(chǎn)生的污染物是城市非點源污染的主要來源，其中屋面和道路初期雨水污染物濃度較高，污染較嚴(yán)重。

1.1 屋面雨水屋面初期雨水徑流中污染物來源主要來源于2個方面，一方面為大氣中的污染物，降雨前期屋面累積大氣中的污染物，大氣受到雨水的淋洗作用，大氣中的溶解性物質(zhì)會隨雨水落到屋頂，另外，顆粒沉降物被雨水沖刷溶解到屋面徑流中而對雨水造成污染。另一方面為建筑屋面本身材料帶來的污染，不同的屋面材料產(chǎn)生的污染有所差異，在常見的屋面材料中，污染物濃度最高的為瀝青屋面，其次是混凝土屋面，最后是瓦屋面［6］。Tsakovski［7］等對波蘭港口鋅屋面和瓦屋面的6種多環(huán)芳烴（PAHs）的總量進(jìn)行了研究，結(jié)果顯示，鋅屋面PAHs總量為232.6ng∕L，瓦屋面為197ng∕L，徑流污染物的濃度受屋面材料的影響。Athanasiadis［8］等研究結(jié)果表明，初期沖刷效果與屋面坡度有關(guān)，而與降雨量、降雨強(qiáng)度、前期干燥時間等降雨特征則無相關(guān)性。屋面徑流中TN、TP濃度較低，但濁度、SS、COD濃度相對較高［9］。

1.2 道路雨水道路在城市建設(shè)中所占比例較大，路面產(chǎn)生的降雨徑流污染物也較多，Darren研究發(fā)現(xiàn)［10］，道路產(chǎn)生最多的污染物是SS，其主要來自車輛輪胎的磨損、運輸物的泄漏等，污染成分主要包括N、P、金屬、有機(jī)和無機(jī)污染物等。ELLIS［11］等研究發(fā)現(xiàn)，道路對河流、湖泊等水體的污染貢獻(xiàn)較大，其中35%～75%的重金屬來自道路徑流。陳瑩［12］對西安主干道的道路降雨徑流進(jìn)行研究，研究發(fā)現(xiàn)地表徑流沖刷的主要污染物有SS、COD，且濃度比一般生活污水要高，污染物濃度SS：421～7380mg∕L、COD：240～1640mg∕L。李立青［3］等對武漢漢陽地區(qū)集水區(qū)進(jìn)行了水量水質(zhì)的研究，結(jié)果表明，前30%的徑流中含有的污染物濃度占整個降雨過程污染物濃度比例為TSS：52.2%～72.1%、COD：53%～65.3%、TP：45.8%～63.2%、TN：40.4%～50.6%。從表1也可見，COD、TSS等污染物是城市路面雨水中主要的污染物。

表1 不同城市道路雨水徑流水質(zhì)

2 初期雨水的處理技術(shù)與方法

2.1 源頭減排

2.1.1 綠色屋頂 綠色屋頂是一種有效的屋面初期雨水污染處理措施，主要依靠土壤層和植物實現(xiàn)對屋面初期雨水的處理，有效去除大部分污染物，但去除營養(yǎng)物時效果不穩(wěn)定。Beck［13］等在綠色屋頂?shù)耐寥乐刑砑由锾孔鳛楦牧紕瑏砀纳仆寥乐袪I養(yǎng)物的持留能力。研究顯示，相比較一般土壤增加改良劑的土壤NO3-N、TP、TN的去除率高達(dá)79%～97%。李田［14］通過構(gòu)建5個綠色屋面中試設(shè)施，考察不同介質(zhì)組成的設(shè)施在實際降雨條件下出水水質(zhì)狀況并與降雨、瀝青屋面徑流、空白對照設(shè)施出水水質(zhì)進(jìn)行對比。

2.1.2 初期雨水棄流 初期雨水棄流是指通過一定方法或裝置將存在初期沖刷效應(yīng)、污染物濃度較高的初雨予以棄除，以降低雨水的后續(xù)處理難度。Kim［15］等通過研究韓國降雨水質(zhì)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)雨水棄流量為5mm時，污染物的去除率高達(dá)80%。孟瑩瑩［16］等研究探討了北京市屋面不同初期雨水棄流量對徑流污染負(fù)荷的削減效果，通過對比選擇2mm為屋面的初期雨水，其可以攜帶20%～45%的污染負(fù)荷。Yaziz［17］把0.33mm雨水量定義為屋面初期雨水棄流量。

2.1.3 路面清掃 路面清掃是城市路面維護(hù)的日常工作，可以有效減少路面樹葉、垃圾等。但是許多學(xué)者研究證明，路面清掃在降低路面徑流污染負(fù)荷方面作用有限。Sartor［18］等研究結(jié)果顯示，一般的清掃工作對路面累積污染物的去除率最大為30%，雖然對小粒徑的顆粒去除效果不佳，但對粒徑大于246μm的顆粒物的去除效果顯著。Helmreich［19］對德國道路產(chǎn)生的徑流研究發(fā)現(xiàn)，道路清掃對路面徑流中SS的消減有一定作用，清掃頻次影響SS濃度，清掃頻次較高情況下，SS等污染物不會隨著降雨前期干燥時間的增加而明顯增加。

2.1.4 透水鋪裝 滲透鋪裝是一種典型的LID措施，可有效降低城市不透水面積，增加雨水的滲透量，透水鋪裝應(yīng)用范圍廣、施工方便，有一定的削減峰值流量和凈化雨水的作用。BEAN［20］等研究發(fā)現(xiàn)，在有透水鋪裝的情況下，降雨徑流出水水質(zhì)TP、TN、SS的濃度較低，但NO3-N的濃度較高。金建榮［21］建造了3種不同透水鋪裝，考察其對徑流中污染物的去除效果，結(jié)果顯示，3中透水鋪裝對徑流中TSS、COD起到很好的截留、過濾作用；對重金屬及石油類的去除產(chǎn)生一定效果，其中Mn、Cu、Zn及石油類的平均去除率分別達(dá)到84%、62%、59%、65%；而對Cr與Pb的去除效果較差，平均去除率僅為43%、42%。

2.2 過程控制

2.2.1 植草溝 植草溝是景觀性地表溝渠排水系統(tǒng)，通過植草溝的滯留、過濾和滲透作用，可以去除初期雨水中的顆粒和部分溶解態(tài)污染物。水力停留時間主要影響顆粒污染物的去除，YU［22］等研究發(fā)現(xiàn)，水力停留時間越長，污染物去除效果越明顯，停留10、18min的SS去除率分別為74.4%、97.2%。在實際運用中，標(biāo)準(zhǔn)傳輸植草溝和干植草溝的水力停留時間一般分別為6～8min和24h。有研究表明，60m長的植草溝對SS、碳?xì)浠衔锖椭亟饘俚娜コ史謩e為80%、75%、46%～67%［23］。植草溝長度越長，污染物的去除能力越好，但也會增加建設(shè)成本。為了保證污物的去除效率，植草溝的最小長度為30m。段進(jìn)凱［24］等利用基質(zhì)層厚度30cm的干植草溝模擬柱，通過在基質(zhì)層添加較多發(fā)酵木屑同時設(shè)置飽水層，對TN去除效果較好，去除率達(dá)到67%～78%，去除過程主要發(fā)生在進(jìn)水期。

2.2.2 植被緩沖帶 植被緩沖帶對污染物去除效果良好，對污染物的去除機(jī)理包括植被過濾、可溶物入摻和SS沉積等。Peterjohn［25］等研究發(fā)現(xiàn)，初期雨水在經(jīng)過19m長的植被緩沖帶后，可以去除74%的TP、60%的TN、58%的可溶性P。與沒有種植植被的緩沖帶相比，植被緩沖帶對N、P和其他污染物去除效果更好［26］。植被密度增加，可以減緩水流速率，增加污染物的滯留時間，能更好地降解污染物濃度。Jin［27］等研究發(fā)現(xiàn)，緩沖帶植被的密度從2500束∕m2增加到10000束∕m2時，SS的去除率提高了45%。植被緩沖帶坡度越低，接觸時間越長，污染物的去除效果越好，適宜的坡度為2°～6°，污染物的去除效果最好，寬度不宜小于2m，部分研究認(rèn)為20m寬度的植被緩沖帶初期雨水截流效果最好。Bhattarai［28］等將植被緩沖帶與排水系統(tǒng)相結(jié)合，在地下1.2m構(gòu)建厭氧環(huán)境，可去除85%的磷酸鹽。

2.2.3 下凹式綠地 下凹式綠地作為暴雨最佳管理措施（BMPs）的一種，在雨水利用和生態(tài)雨水排放系統(tǒng)方面作用顯著。葉水根［29］等對下凹式綠地在1倍匯水面積的情況下，對10、50和100年一遇的暴雨的研究表明，下凹式綠地的蓄滲、減洪效果極為明顯。朱永杰［30］等通過研究北京地區(qū)不同匯水面積周邊外來雨水徑流，計算綠地產(chǎn)流過程的動態(tài)徑流系數(shù)及對徑流的削減率。通過采用人工模擬的下凹式綠地，模擬不同暴雨強(qiáng)度下下凹式綠地對徑流的消減，綠地產(chǎn)流后動態(tài)徑流系數(shù)先呈遞增趨勢，然后趨于穩(wěn)定，綠地的產(chǎn)流速率變化過程曲線呈“幾”字形。張光義［31］等通過研究上海市下凹式綠地的蓄滲效率與下凹深度關(guān)系時發(fā)現(xiàn)，上海地區(qū)綠地下凹深度在80～160mm可達(dá)到最佳效果。

2.3 末端治理

2.3.1 生物滯留池 生物滯留池有利于削減徑流量、降低污染物濃度，去除初期雨水中的大多數(shù)污染物。Com?ings［32］等研究發(fā)現(xiàn)，滯留水塘對徑流中的TSS、P、Pb、Zn去除率分別為82%、47%、73%、71%，去除效果明顯。劉雨童［33］等通過研究利用生物滯留設(shè)施去除上海市城市道路的徑流污染物，結(jié)果表明，生物滯留池主要通過濾作用，起到對TSS的去除效果，大部分TSS被截留在介質(zhì)表面及0～10cm處［34］。

2.3.2 雨水調(diào)蓄池 雨水調(diào)蓄池是指具有雨水儲存功能的集蓄利用設(shè)施，同時也具有削減峰值流量作用，主要包括鋼筋混凝土蓄水池，磚、石砌筑蓄水池及塑料蓄水模塊拼裝式蓄水池，用地緊張的城市大多采用地下封閉式蓄水池。對于城市化雨水排水系統(tǒng)地區(qū)，建設(shè)雨水調(diào)蓄池是治理初期雨水的重要舉措，通常采用雨水系統(tǒng)集中排放。雨水調(diào)蓄池一般結(jié)合道路廣場、停車場、綠地、公園、城市水系等公共區(qū)域修建［35］。

3 結(jié)語

雨水是珍貴的非常規(guī)水源，加強(qiáng)對初期雨水的綜合處理和利用，能夠降低徑流污染、改善水環(huán)境，且能夠在一定程度上減緩城市水資源短缺的問題。隨著海綿城市的建設(shè)，越來越多的學(xué)者關(guān)注和研究初期雨水的處理技術(shù)措施。經(jīng)過發(fā)展與改進(jìn)，初雨治理技術(shù)在改善水質(zhì)方面起到了一定的效果。但總的來說，初期雨水污染處理技術(shù)的應(yīng)用還不是很廣泛，研究還有待深入，提高其處理效率和增加在工程中的應(yīng)用是今后研究的重點。因此，今后應(yīng)充分發(fā)揮區(qū)域綠色基礎(chǔ)設(shè)施作用，結(jié)合海綿城市建設(shè)，通過“蓄、滲、滯、凈、用、排”等措施，以有效降低徑流污染。