前池雨水花園系統對工業區雨水凈化效果研究

王俊嶺，梁慧，楊明霞，王華

(1.北京建筑大學 環境與能源工程學院，北京 100044；2.中國移動通信集團設計院有限公司，北京 100080； 3.中科院建筑設計研究院有限公司，北京 100190)

城市工業區的綠地面積占比普遍較小，無法對屋面雨水徑流污染物進行及時的削減與凈化[1-2]。因此，增設徑流預處理設施，可有效地降低廠區內發生徑流污染的風險。

如今海綿城市的建設如火如荼的展開，雨水花園系統在城市雨水的治理方面成效顯著[3-5]。研究發現，通過對傳統雨水花園系統的改造，可對徑流中總氮和總磷的去除率大幅度提高[6-7]。

雨水花園凈化水質的研究大多集中在填料改良上，而本身結構設計的研究較少。本文以深圳某工業區降雨條件為背景，在傳統雨水花園系統的基礎上增設前池，分析其對徑流污染物的凈化效果，以期為工業區屋面徑流污染的治理提供參考。

1 實驗部分

1.1 材料與儀器

葡萄糖、磷酸二氫鉀、硝酸鉀、氯化銨、醋酸鉛、硫酸鋅、氯化銅、氯化鎘等均為分析純；工業潤滑油；過篩塵土。

HJ-001電子天平；HJ-031紫外可見分光光度計；HJ-262電感耦合等離子體發射光譜儀；HJ-245紅外分光光度計。

1.2 實驗裝置

前池雨水花園系統主要分為前池和雨水花園兩個部分。前池部分為底面邊長0.602 m的正方形，雨水花園橫斷面為直徑0.502 m的圓形，在雨水花園頂部設有溢流口，底部設有穿孔管和出水口。該系統由蠕動泵控制的流量模擬工業區屋面降雨徑流，匯流面積比為50∶1，系統的實景圖見圖1。

圖1 前池雨水花園系統Fig.1 Front pond rain garden system

1.3 植被與填料

麥冬作為一種喜濕耐澇的植物，在人工濕地和生物滯留設施中對水質的凈化效果良好，尤其是對總氮的去除率高達70%以上。因此，本實驗中雨水花園部分植被層選用麥冬作為栽種植物，且考慮到麥冬生長環境需要充足的水和光照，在雨水花園上部增設照度為4 000 lux的補光燈。

填料層參考相關文獻[8]，填料層自下而上為礫石層(厚度250 mm，粒徑50 mm)、砂石層(厚度150 mm，粒徑10 mm)、土與石英砂混合層(厚度250 mm，配比為1∶1，土用0.02 mm篩網過篩，石英砂用1～2 mm篩網過篩)、沸石層(厚度50 mm，粒徑8～16 mm)。經過計算，填料層的滲透系數為 K=4.73×10-5m/s。

1.4 模擬屋面雨水配制

參考深圳工業區的初期雨水徑流的相關研究[9-11]，將COD、SS、TN、TP、Cu、Zn、Pb、Cd和石油類9項污染指標列入檢測范圍，實驗配水中各污染物對應的藥劑、濃度、檢測方法、檢測標準見表1。

表1 實驗配水中各污染指標濃度Table 1 Concentration of each pollution index in the distribution water

1.5 實驗方法

在降雨條件為重現期一年，降雨歷時為60 min下，進行前池雨水花園系統對屋面降雨徑流中COD、SS、TP、TN、Cu、Zn、Pb、Cd及石油類污染指標去除效果實驗。

通過調節蠕動泵轉速，模擬設定的降雨條件下的徑流量，并在前池進水時，開始計時。在前池的出水口、雨水花園的溢流口和出水口按設定的時間點分別取樣1 L，進行水質檢測，計算各污染指標的削減率(見式1)，并分析污染指標隨時間的變化規律及其污染物分別在系統中的去除效果。

(1)

式中R——去除率，%；

Cin——污染物進水濃度，mg/L；

Cout——污染物出水濃度，mg/L。

2 結果與討論

2.1 COD、SS去除效果分析

前池雨水花園系統對于COD和SS的去除效果隨時間的變化見圖2。

圖2 系統對COD和SS的去除效果Fig.2 Removal effects of COD and SS in the system

由圖2可知，系統出水的COD的濃度變化呈現先上升后下降的趨勢，去除率范圍為57.20%～72.80%，均值為65.40%，與生物滯留設施有關研究中的COD去除率相比，減少了約30%[12]。這是因為本實驗中進水COD濃度較高，且在雨水花園底部設置穿孔管，使污染物在系統中停留的時間較短，導致去除率偏低。系統出水SS濃度呈現逐漸降低的趨勢，去除率均值高達93.09%，說明系統對SS有較好的去除效果且全程處于較好的過濾吸附階段。這與殷利華等研究的雨水花園設施TSS的平均去除率90%的結果一致[13]。

前池對于COD和SS的去除效果隨時間的變化見圖3。

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

由圖3可知，前池出水COD濃度呈現先下降再上升趨勢，去除率范圍為3.60%～26.80%。在前池出水15 min內，去除率逐漸增大，在54 min時，去除率達到峰值26.80%，此后緩慢下降，這是因為前池對COD的初期沉降作用易達到飽和。去除率均值為13%，總體上前池對COD有一定的削減作用，但不穩定。前池出水中SS的濃度逐漸降低，去除率均值高達63.31%，說明前池的物理沉降作用能去除大部分的懸浮物固體，減輕了雨水花園的負擔，從而提高了系統的水質凈化能力。

2.2 TN、TP去除效果分析

前池雨水花園系統對TN、TP兩類污染指標的去除效果見圖4。

圖4 系統對TN和TP的去除效果Fig.4 Removal effects of TN and TP in the system

由圖4可知，系統出水中總氮濃度呈現先增高后降低的趨勢，去除率變化范圍為35.24%～75.85%，均值為56.20%。在系統開始出水TN的出水濃度較高，是因為出水攜帶了填料層中含氮物質，且雨水在系統中停留時間過短，污染物來不及被植物吸收就被排出系統；經過一段時間的沖刷后，系統的TN去除率上升，且直到系統出水結束,也未達到飽和狀態，說明該系統對總氮的去除效果良好。系統出水中總磷的濃度呈逐漸升高的趨勢，去除率范圍為58.0%～90.91%，均值為72.55%，是因為填料層本身的磷不斷釋放，另外隨著時間的推移，系統對磷的吸收也趨于飽和。

前池對總氮和總磷的去除效果見圖5。

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

由圖5可知，前池出水中總氮的濃度均值為6.39 mg/L，去除率變化范圍為18.54%～24.15%；總磷的濃度均值為2.29 mg/L，去除率變化范圍為12.24%～28.32%。前池對總氮和總磷的削減作用均是通過沉降作用實現，受水力學參數的影響較大，因此，系統配水不均衡會導致前池對TN、TP的去除率不具有規律性。但從去除效果可知，增設前池可以去除約1/5的氮磷量。李芬芬等對生物滲透設施綜述中提到[14]，飽和后采用最多的方法為更換填料和投加碳源，但實驗過程中經常出現有機物淋出現象。因此，雨水花園增設前池，可延長填料層的使用壽命，為后續的雨水花園中植物滲濾吸收、土壤顆粒吸附等過程減負。

2.3 Pb、Zn、Cu、Cd去除效果分析

系統出水中Cd、Zn、Cu、Pb的去除率隨時間變化的趨勢見圖6。

圖6 系統對Pb、Zn、Cu、Cd的去除效果Fig.6 Removal effects of Pb,Zn,Cu and Cd in the system

由圖6可知，Pb的去除最為穩定且去除效果最佳，去除率均值為98.03%。其次是Zn的去除效果，去除率范圍在91.73%～94.36%。對Cu和Cd的去除效果不夠穩定,這與較多的生物滯留設施的研究結果類似。但對四類重金屬的去除率均超過50%，平均去除率最低的Cd達到82.50%，說明將此系統應用到工業區含重金屬的雨水治理中能發揮出較大的凈化作用。

系統中各部分對四類金屬的去除效果占比見圖7。

圖7 系統各部分對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

由圖7可知，三者相比雨水花園作為系統的核心部分主要通過植物滲濾吸收、土壤顆粒吸附等過程進行重金屬降解，因此對四類重金屬的去除率占比最高。前池主要是利用重力沉降作用對重金屬的進行去除，可減輕雨水花園凈化水質的負擔。尤其是常規雨水花園對Cu去除效果不穩定，利用前池的重力沉降作用可將去除率均值提高到86.05%。黃超群等對屋面徑流的實驗表明[15]，Cu的去除率為40%。進一步說明，增設前池可以有效地提高雨水花園系統的凈水效果。

2.4 石油類去除效果分析

石油類污染物在系統中的去除效果見圖8。

圖8 系統對石油類污染物的去除效果Fig.8 Removal effects of petroleum pollutant in the system

由圖8可知，石油類污染物的去除主要是通過前池沉降和雨水花園的吸附作用被滯留，之后被微生物和植物降解。系統對石油類污染物的去除率呈現逐漸增大趨勢，變化范圍為77.73%～89.33%，均值為83.24%，去除效果較好。

石油類污染物在前池中的去除效果見圖9。

圖9 前池對石油類的去除效果Fig.9 Removal effects of petroleum pollutant in the front pood

由圖9可知，前池對石油類污染物去除率逐漸升高，均值約為50.39%，說明前池可以有效的分擔雨水花園對石油類污染物的去除壓力。前池在39 min時剛開始出水，對石油類污染物的去除率較高，可達到60.32%，隨后下降，可能是受配水不均勻的影響。之后去除率升高但速率逐漸變緩，是因為隨著時間的延長，前池對吸附石油類污染物的懸浮物重力去除逐漸變弱。

3 結論

(1)前池雨水花園系統對COD、SS指標的去除效果較好，去除率范圍分別為57.20%～72.80%，87.80%～96.34%，其中前池對COD和SS的平均去除率分別為13%，63.31%，說明前池的物理沉降作用能去除大部分的懸浮物，減輕了雨水花園的負荷，從而提高了系統的水質凈化能力。

(2)系統對TN、TP指標的平均去除率分別為56.20%，72.55%，且前池對TN、TP的去除率范圍分別為18.54%～24.15%，12.24%～28.32%，因受水力學參數的影響較大，前池對TN、TP的去除率不具有規律性。從去除效果可知，增設前池可以去除約20%的氮磷量，這為后續的雨水花園中植物滲濾吸收、土壤顆粒吸附等過程減負不少。

(3)系統對重金屬Pb、Zn、Cu、Cd的去除主要通過植物滲濾吸收、土壤顆粒吸附等過程，平均去除率分別為98.03%，92.83%，86.05%，82.50%，其中對Pb和Zn去除效果最為穩定。前池主要是重力沉降作用，尤其是對去除效果不穩定的Cu，可較大的提高其去除率。系統對石油類的去除率變化范圍為77.73%～89.33%，其中前池對石油類的平均去除率較高為50.39%，但受前池配水不均勻的影響較大。