改良綠地介質(zhì)對海綿城市污染物削減的影響因素

王晨光, 尚永澤, 李占斌, 張阿鳳, 陸思旭, 馬 波

(1.西北農(nóng)林科技大學(xué) 水土保持研究所 黃土高原土地侵蝕與旱地農(nóng)業(yè)國家重點實驗室,陜西 楊凌 712100; 2.西北農(nóng)林科技大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 陜西 楊陵 712100)

由于城市化的發(fā)展，城市雨水徑流污染愈發(fā)嚴(yán)重，嚴(yán)重威脅地下水和河流湖泊的水生態(tài)安全，有研究[1-3]表明道路徑流已經(jīng)成為城市面源污染的主要來源之一。2018年中國環(huán)境生態(tài)公報顯示，我國大量河流和湖泊處在不同程度的富營養(yǎng)化狀態(tài)中，在監(jiān)測的111個重要湖泊(水庫)中，富營養(yǎng)狀態(tài)的湖泊(水庫)有31個，占29%，較2014年向增長了4%。削減城市徑流污染對于緩解河流湖泊水污染，實現(xiàn)生態(tài)可持續(xù)發(fā)展具有重要的意義。傳統(tǒng)的雨水處理模式主要通過灰色設(shè)施進(jìn)行調(diào)節(jié)，但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，單純依靠灰色設(shè)施處理雨水污染的模式難以為繼[4-5]。并且隨著生態(tài)保護(hù)研究的深入，人們發(fā)現(xiàn)充分發(fā)揮綠色設(shè)施對于雨水的調(diào)控具有重要意義。目前國外主要形成了效仿自然排水方式的城市雨洪可持續(xù)發(fā)展的管理體系。例如，英國的“可持續(xù)城市排水系統(tǒng)”(SUDS)，澳大利亞的“水敏感城市設(shè)計”(WSUD)以及新西蘭的“低影響城市設(shè)計與開發(fā)”(LIUDD)體系[6-8]，并且取得了較好的效果。我國吸取國外先進(jìn)經(jīng)驗并結(jié)合我國實際，提出了海綿城市的建設(shè)。城市綠地具有削減道路徑流[9]，涵養(yǎng)水源的作用，是海綿城市建設(shè)中重要的天然海綿體，但由于人為活動的影響，致使綠地質(zhì)量遭到嚴(yán)重破壞，不能滿足海綿城市建設(shè)的要求，因此需要進(jìn)行改良[10]。并且綠地土壤對雨水污染的削減效果還會受到土壤成分、流量負(fù)荷、滲濾深度和降雨重現(xiàn)期等因素的影響[11-13]，因此對綠地介質(zhì)進(jìn)行改良并探究其在不同影響因素下的污染物削減規(guī)律，對于海綿城市綠地介質(zhì)的建設(shè)具有一定的意義。為此本試驗以綠地介質(zhì)改良中常用的椰糠、PAM為改良材料[14]對綠地土壤進(jìn)行改良并探究改良綠地土壤在不同降雨重現(xiàn)期、不同換填深度、不同淋溶時間下的污染物削減規(guī)律。以期能為海綿城市建設(shè)提供一定的理論依據(jù)。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

供試土壤采自陜西省西安市西咸新區(qū)(108°76′E，34°44′N)城市土壤(過2 mm篩)，砂子為過3 mm土篩的河砂，PAM為陰離子型，分子量為500萬，椰糠購于斯里蘭卡，材料部分理化性質(zhì)詳見表1。

表1 試驗材料基礎(chǔ)性質(zhì)

1.2 試驗設(shè)計與方法

1.2.1 動態(tài)淋溶試驗

(1) 淋溶水量的計算。根據(jù)西安市暴雨強(qiáng)度公式計算出2 a和5 a降雨重現(xiàn)期且降雨歷時為100 min時的暴雨強(qiáng)度，然后再根據(jù)匯流面積及徑流系數(shù)計算出需要加入的污水的量，并根據(jù)設(shè)定集水時間計算出進(jìn)水流速，具體結(jié)果詳見表2。

(2) 柱子裝填。將土、沙、椰糠和PAM按比例混合后(混合體積比為土∶砂∶椰糠(4∶4∶2)，PAM濃度為0.01 g/ml，PAM添加量為0.076 ml/cm3)裝進(jìn)柱子中，柱子內(nèi)徑10 cm，高度50 cm，在柱子底部鋪上5 cm厚的石英砂，然后裝填改良的綠地土壤，分層裝填，每5 cm裝層，壓實，刮毛，容重控制在1.4 g/cm3，一共裝填40 cm厚的土壤。

(3) 進(jìn)水和集水步驟。柱子填充完畢后，先用清水飽和，再根據(jù)表2信息用恒流泵加入配置的污水(表3)。由于柱子預(yù)留空間的限制，為模擬野外積水深度的差異，因此本試驗將污水分為6次加。在2 a降雨重現(xiàn)期下每次進(jìn)水300 ml，進(jìn)水高度為3.8 cm。5 a降雨重現(xiàn)期下每次進(jìn)水400 ml，進(jìn)水高度為5 cm。同時為探究污染物淋溶濃度隨深度變化的規(guī)律，試驗每隔10 cm設(shè)置集水口，共設(shè)置4個集水口。然后進(jìn)行分層收取。集水時間為進(jìn)水2，6，14，24，36，48和72 h，集水時4個集水口同時打開，上層收集較快，因此當(dāng)上層集齊15 ml后，關(guān)閉上層集水口，以后逐次關(guān)閉。將收集的濾液過0.45 um濾膜后，測定其淋出液中污染物的濃度。

表2 不同降雨重現(xiàn)期下進(jìn)水流速

表3 人工配置污水的濃度及所用試劑

1.2.2 試驗測定方法 淋溶液COD采用消解比色法，淋溶液總氮(TN)采用過硫酸鉀消解紫外分光光度法，淋溶液總磷(TP)采用過硫酸鉀消解法。

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

數(shù)據(jù)采用SPSS 20.0數(shù)據(jù)分析軟件分析，制圖用Excel 2010。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同影響因素對改良介質(zhì)削減氮、磷、COD的貢獻(xiàn)率分析

多因素方差分析表明(表4)，降雨重現(xiàn)期、時間、深度以及它們之間的交互作用對改良介質(zhì)削減氮、磷、COD的能力都有顯著影響。在對污染物氮、COD的削減中，深度因素對改良介質(zhì)污染物削減能力貢獻(xiàn)率較大，分別為30.50%和45.69%，其次是時間因素，其貢獻(xiàn)率分別為29.62%，27.17%。而在對磷污染物的削減中，不同影響因素貢獻(xiàn)率最大的為降雨重現(xiàn)期，其貢獻(xiàn)率比重為25.38%。可見改良介質(zhì)在對污染物的削減中，其主要影響因素會因為污染物種類的不同而不同。

表4 基于方差分析的各因子對改良綠地介質(zhì)削減污染物的影響顯著性及貢獻(xiàn)率分析

2.2 改良介質(zhì)對氮、磷、COD污染物隨時間延長的削減規(guī)律

改良介質(zhì)在不同降雨重現(xiàn)期下不同層次的氮污染物淋溶濃度均隨時間的延長而降低。在2 a降雨重現(xiàn)期下前3層氮污染物淋溶隨時間的延長呈冪函數(shù)變化趨勢，而第4層氮淋溶濃度變化較為劇烈，呈現(xiàn)指數(shù)變化趨勢。5 a降雨重現(xiàn)下氮污染淋溶濃度隨時間的變化均呈現(xiàn)指數(shù)函數(shù)變化趨勢。在淋溶前期，氮污染物淋溶濃度高于進(jìn)水濃度，但隨著時間的延長，其淋溶濃度開始低于進(jìn)水濃度，表現(xiàn)為對污染物的削減作用。在2 a降雨重現(xiàn)期下第1至第4層出水濃度小于等于進(jìn)水濃度的時間點分別為14，24，24和36 h；在5 a降雨重現(xiàn)期下第1至第4層出水濃度小于等于進(jìn)水濃度的時間點分別為2，14，24和48 h。隨著層次的加深，其氮淋溶濃度低于進(jìn)水濃度的時間呈現(xiàn)出延后的趨勢(圖1)。在不同降雨重現(xiàn)期下，改良介質(zhì)不同層次的磷淋溶濃度隨著時間的變化整體呈現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，部分磷淋溶規(guī)律符合二次函數(shù)變化規(guī)律。改良介質(zhì)對磷有較高的吸附率，在不同時間段改良介質(zhì)的磷淋溶濃度始終低于進(jìn)水濃度(圖2)。改良介質(zhì)在不同降雨重現(xiàn)期下不同層次的COD淋溶濃度隨時間的降低趨勢可以用指數(shù)函數(shù)來描述。除5 a降雨重現(xiàn)期下第4層COD隨時間的延長其出水濃度始終顯著高于進(jìn)水濃度外，其余處理的COD淋溶濃度均在48 h左右其進(jìn)水濃度與出水濃度相比較，出水濃度小于等于出水濃度，配比開始由析出轉(zhuǎn)為截留(圖3)。

圖2 綠地改良介質(zhì)磷污染物隨出水時間延長的淋溶規(guī)律

圖3 綠地改良介質(zhì)COD隨出水時間延長的淋溶規(guī)律

2.3 改良介質(zhì)對氮、磷、COD污染物隨降雨重現(xiàn)期變化的削減規(guī)律

在氮污染物淋溶中，第1層在2 a降雨重現(xiàn)期下的氮淋溶濃度高于5 a降雨重現(xiàn)期下的氮污染物淋溶濃度。隨著層次的加深，第2層、第3層、第4層在2 a降雨重現(xiàn)期下的氮淋溶濃度低于5 a降雨重現(xiàn)期下的氮淋溶濃度，但是未達(dá)到顯著水平。2 a和5 a降雨重現(xiàn)期下的氮淋溶濃度整體上差異不顯著。不同降雨重現(xiàn)期下的磷污染物在改良介質(zhì)不同層次的淋溶濃度均隨著降雨重現(xiàn)期的增加而增加，且5 a降雨重現(xiàn)期下改良介質(zhì)的磷污染物淋溶濃度高于2 a降雨重現(xiàn)期下的磷污染物淋溶濃度。第1層COD在2 a降雨重現(xiàn)期下的淋溶濃度高于5 a降雨重現(xiàn)期下的COD淋溶濃度，隨著層次的加深，在第2、第3層是不同層次隨降雨重現(xiàn)期的變化未表現(xiàn)出明顯差異。在第4層時COD在2 a降雨重現(xiàn)期下的淋溶濃度低于5 a降雨重現(xiàn)期下的COD淋溶濃度。整體來說，2 a降雨重現(xiàn)期COD在改良介質(zhì)中的淋溶濃度低于5 a降雨重現(xiàn)期下的COD淋溶濃度(表5)。

注：小寫字母表示同一降雨重現(xiàn)期下不同淋溶時間點差異，大寫字母表示出水濃度與進(jìn)水濃度的比較，A，B，C分別表示出水濃度高于、無差異和低于進(jìn)水濃度。斜體字母的為2 a降雨重現(xiàn)期差異性，其余為5 a降雨重現(xiàn)期差異。下同。

表5 不同降雨重現(xiàn)期下不同層次的改良介質(zhì)對氮、磷、COD污染物削減規(guī)律

2.4 改良介質(zhì)對氮、磷、COD污染物隨深度變化的削減規(guī)律

將不同降雨重現(xiàn)期下的污染物淋出濃度做整體分析時，氮、COD淋溶濃度隨著層次的加深而升高，而磷淋溶濃度隨著層次加深表現(xiàn)出降低的趨勢。在2 a降雨重現(xiàn)期下，氮在改良介質(zhì)中的淋溶濃度表現(xiàn)隨層次的加深表現(xiàn)出先降低后升高的的趨勢，在5 a降雨重現(xiàn)期下，氮在改良介質(zhì)中的淋溶濃度隨層次的加深其淋溶濃度升高。COD在不同降雨重現(xiàn)期下其在改良介質(zhì)中淋溶濃度均隨著層次的加深而增加。在2 a降雨重現(xiàn)期下，磷在改良介質(zhì)中的淋溶濃度隨層次的加深未表現(xiàn)出明顯差異，但是在5 a降雨重現(xiàn)期下，其淋溶濃度隨著層次的加深表現(xiàn)出降低的趨勢(表6)。

表6 不同污染物隨深度的淋溶變化規(guī)律 mg/L

3 討 論

在海綿城市建設(shè)中，氮、COD污染物在改良介質(zhì)中淋溶濃度隨著時間的延長而降低，在后期時部分處理的污染物淋溶濃度已經(jīng)低于進(jìn)水濃度，劉曉軍[15]和王志強(qiáng)等[16]也得到了相似的結(jié)果。這可能是因為在淋溶前期由于材料本身污染物本底值相對較高，致使在淋溶前期污染物濃度較高，但隨著時間的推移，材料的污染物本底值經(jīng)過淋溶開始降低，因此后期污染物的出水濃度開始降低[17-18]。磷污染物在在改良介質(zhì)中隨著時間的延長表現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，劉彬彬等[19]也得到了相似的結(jié)論。這可能是因為填料對污水中磷的去除主要是由于物理吸附和化學(xué)吸附的過程，在試驗前期其吸附位點比較充足，且一些帶負(fù)電荷物質(zhì)的淋溶也會增加磷的吸附點位，因此對污水中的磷有較好的去除效果。但是隨著時間的增加，材料表面的吸附位點逐漸減少，在后期的時候?qū)α椎娜コЧ行┰S降低[20-21]。

磷淋溶濃度受降雨重現(xiàn)期影響較大，這與趙瑞松[22]在典型LID設(shè)施填料優(yōu)化設(shè)計研究中得到的結(jié)論相似。這可能是因為隨著降雨重現(xiàn)期的增大，流量負(fù)荷相應(yīng)增加，高流量負(fù)荷能夠促進(jìn)物質(zhì)的向下遷移。而磷在土壤中遷移能力相對較弱，因此高降雨重現(xiàn)期的作用更加凸顯[11,23-24]。氮、磷、COD在5 a降雨重現(xiàn)期下的淋溶濃度高于2 a降雨重現(xiàn)期，這是因為高流量負(fù)荷下，水力停留時間減少，土壤滲濾負(fù)荷增大，導(dǎo)致土壤吸附時間減少，而且高流量也可能導(dǎo)致更多的污染物被淋洗，這可能是導(dǎo)致在高降雨重現(xiàn)期下改良介質(zhì)氮、磷、COD析出量較多的原因[12,25]。氮、COD隨降雨重現(xiàn)期的增加，在第1層時，2 a降雨重現(xiàn)期下氮、COD淋溶濃度高于5 a，這可能是由于高降雨重現(xiàn)期下，流量負(fù)荷增加，污染物峰值前移所致[26-27]。

在對污染物氮、COD的削減中，深度因素對改良介質(zhì)污染物削減能力貢獻(xiàn)率較大，且氮、COD污染物淋溶濃度高于上層，這與 Gong等[28]研究結(jié)論相似。這可能是因為氮、COD相對容易向下層移動而造成富集，因此深度因素對其淋溶濃度影響較大；且在本試驗中由于污染物背景值較高，因此在污染物淋溶時深度越深富集的污染物質(zhì)也就越多，使得下層的污染物濃度高于上層[29-31]。而磷淋溶濃度隨層次的加深而降低可能是因為材料對磷要表現(xiàn)為吸附的作用，隨著滲濾深度的增加，磷在介質(zhì)中停留時間加長，從而使得更多的磷被吸附，因此磷濃度逐層降低[25,32]。

4 結(jié) 論

(1) 改良介質(zhì)削減海綿城市污染物的主要影響因素會因污染物種類的不同而不同，深度因素對污染物氮、COD削減能力貢獻(xiàn)率較大，降雨重現(xiàn)期因素對磷污染物的削減的貢獻(xiàn)率較大。

(2) 氮、COD污染物淋溶濃度隨淋溶時間的延長整體表現(xiàn)出降低的趨勢，隨著降雨重現(xiàn)期和深度增加整體表現(xiàn)出增加的趨勢；而磷隨淋溶時間的延長整體表現(xiàn)出先減小后增大的趨勢，且磷淋溶濃度隨著降雨重現(xiàn)期的增加整體表現(xiàn)出增加的趨勢，而隨著深度增加整體表現(xiàn)出降低的趨勢。綜合以上研究，土∶砂∶椰糠(4∶4∶2)+1%PAM在不同降雨重現(xiàn)期下不同層次的不同時間點的磷出水濃度均低于進(jìn)水濃度，配比對磷較強(qiáng)有較強(qiáng)的吸附能力。本試驗結(jié)果能夠為海綿城市介質(zhì)的選填提供一定的依據(jù)。