綠地系統(tǒng)處理屋面雨水中污染物的性能研究

劉 茵，張 龍，張 琪，李 洋，王旭冕，張建鋒

(1.西安建筑科技大學(xué)設(shè)計研究總院，陜西 西安 710055；2.西安建筑科技大學(xué) 總務(wù)處，陜西 西安 710055；3.濟(jì)南市市政工程設(shè)計研究院(集團(tuán))有限責(zé)任公司 青島分院，山東 青島 266000；4.西安建筑科技大學(xué) 環(huán)境與市政工程學(xué)院，陜西 西安 710055)

近年來，伴隨我國城鎮(zhèn)化進(jìn)程的加速，城市下墊面的特性發(fā)生了巨大改變，不透水地面不斷增大、降雨形成的徑流量增加，導(dǎo)致城市雨洪災(zāi)害頻發(fā)，城市中自然水文循環(huán)也遭到破壞[1].同時，在我國西北地區(qū)，城市發(fā)展過程中普遍面臨著水資源總量不足、降水年際分布不均勻等發(fā)展瓶頸問題[2].因此，在缺水地區(qū)構(gòu)建基于低影響開發(fā)理念下的城鎮(zhèn)雨水系統(tǒng)，對于城鎮(zhèn)雨洪徑流控制、涵養(yǎng)雨水資源、改善城市水生態(tài)功能具有重要作用[3-5].城市生態(tài)系統(tǒng)中重要組成部分的綠地，在維持生態(tài)系統(tǒng)的平衡和穩(wěn)定、促進(jìn)城市水循環(huán)、削減水體中污染物等方面作用顯著.因此，結(jié)合城市綠地開展雨水徑流污染消減具有現(xiàn)實的迫切性.

在以往研究中，Reeves等人監(jiān)測發(fā)現(xiàn)：草溝長度對雨水徑流中污染物的去除效果影響顯著，且污染物去除率與植草溝長度呈正相關(guān)[6].Barrett等人報道了在美國得州奧斯汀地區(qū)，道路中央的植被分隔帶對雨洪徑流中重金屬污染物的削減作用明顯[7].肖海文發(fā)現(xiàn)：植草溝對徑流中的SS、氮、磷和有機(jī)物等污染物消減明顯[8].張曉菊等人通過在實驗室中搭建下凹式綠地裝置，研究發(fā)現(xiàn)下凹式綠地對徑流污染物有較好的控制效果[9].李建平等人研究發(fā)現(xiàn)：水平高滲透、垂直高滲透、組合高滲透等3種高滲透下凹綠地中徑流流量顯著降低、截污能力突出[10].

在這些研究基礎(chǔ)上，本文提出了采用強化綠地截留的技術(shù)來削減屋面初雨中的高負(fù)荷污染物的技術(shù)路線，利用樓宇落水管中的水流重力勢能完成混凝劑投加，在綠地的流動過程中完成絮凝體的沉淀和截留，從而實現(xiàn)屋面降雨初期徑流中高負(fù)荷污染物的原位控制.研究成果可為目前開展的城市綠地系統(tǒng)建設(shè)提供技術(shù)參考.

1 材料與方法

1.1 實驗裝置

實驗所用裝置如圖所示(圖1)，種植土壤取自校區(qū)綠地表0.30 m以上.裝置可調(diào)節(jié)傾角為5°、10°、15°，對應(yīng)坡度為8.7%、17.6%和26.8%.設(shè)雨水收集罐及加藥泵，置于模擬綠地裝置上方1.5 m處，通過管道完成混凝劑PAC與雨水的充分混合.

種植土壤的性質(zhì)：水淋出液pH值7.3，土壤比表面積8.01 m2/g，滲透系數(shù)5.7×10-7m/s，土壤容重1.31 g/cm3.用摻和細(xì)沙調(diào)節(jié)土壤結(jié)構(gòu)以調(diào)整滲透系數(shù)，在模擬綠地系統(tǒng)裝置內(nèi)種植土層采用7∶3的土砂混合比、層厚為100 mm.根據(jù)實際情況選擇本土典型綠化植物早熟禾和高羊茅，初始種植密度為(3.5 g早熟禾+10.0 g高羊茅)/m2混種.

1.2 種植土層及植草的選擇1.3 降雨徑流采樣及水質(zhì)監(jiān)測方法

采樣點為西建大環(huán)工樓南側(cè)的落水管，徑流水質(zhì)監(jiān)測時采用1.0 L雨水收集罐；在水處理實驗時，采用1.0 m3雨水存儲罐收集屋面雨水.水樣采集之后立即帶回實驗室檢測，指標(biāo)包括SS、CODCr(以下簡寫為COD)、TN、TP、NH3-N共5個指標(biāo)，將水樣反復(fù)震蕩搖勻，直接測量濁度并換算為SS值；水樣用0.45 μm醋酸纖維濾膜過濾后按照《水和廢水監(jiān)測分析方法(第四版)》進(jìn)行其他指標(biāo)檢測.

1.4 實驗步驟

采用加藥泵向雨水存儲罐出水管中加入不同劑量的混凝劑，經(jīng)過1.5 m長管道混合后流入實驗草地，在模擬草地裝置末端采集表層徑流水，分析污染物濃度.綠地系統(tǒng)中可變實驗因素包括綠地長度、坡度以及植被覆蓋率.

2 研究結(jié)果與分析

2.1 屋面雨水的水質(zhì)特征

2018-2019年五場降雨過程中屋面雨水的監(jiān)測結(jié)果見圖1.結(jié)果表明：徑流中的污染物隨著時間的延長呈下降趨勢并逐漸趨于平緩，終值接近于空中落雨的污染物濃度.從幾種主要污染指標(biāo)的變化來看，徑流形成后30 min內(nèi)的污染負(fù)荷大致占總污染負(fù)荷的34.3%～67.6%.因此，在文中屋面初期雨水指降雨歷時30 min以內(nèi)的屋面徑流.

圖2 屋面徑流中(a)NH3-N、(b)SS、(c)TN、(d)TP、(e)COD濃度隨降雨歷時的變化Fig.2 The concentration of (a)NH3-N, (b)SS, (c)TN, (d)TP and (e) COD with runoff process

鑒于目前沒有雨水排放的國家標(biāo)準(zhǔn)，從受納水體的角度可參照《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)中的一級A標(biāo)準(zhǔn)(以下簡稱“一級A標(biāo)”)，對于NH3-N、SS、TN、TP、COD的限值分別為5.0、10、15、0.5、50 mg/L.從降水的水質(zhì)情況來看，屋面初期雨水中的濁度(為SS替換指標(biāo))、TP和COD超標(biāo)嚴(yán)重.應(yīng)用實踐表明，混凝處理技術(shù)可以有效降低污水中的濁度、TP及COD.多組混凝實驗表明：與硫酸鋁、聚合硫酸鐵、明礬而言，聚合氯化鋁(PAC)的混凝效果為最佳；多組混凝實驗表明，PAC的最佳投藥量為25～35 mg/L.在后續(xù)實驗中均采用PAC混凝劑.

2.2 草地長度對屋面徑流雨水污染物的去除

收集初期雨水經(jīng)混合均勻后，水質(zhì)指標(biāo)：NH3-N、TP、SS、TN、COD濃度分別為4.35、0.83、91、4.35、82 mg/L，其中TP、SS和COD均超一級A標(biāo)準(zhǔn).調(diào)整草地裝置坡度為8.7%，覆蓋率為100%，分別在草地長度為1 m和2 m處取樣.結(jié)果見圖3.

圖3 草地長度對屋面徑流雨水污染物的去除效果Fig.3 Effect of flow distance on the removal of contaminants in roof runoff

由圖3可以看出，草地出水徑流中NH3-N、TP、濁度、TN、COD污染物濃度經(jīng)過混凝以及草地的截留及凈化作用都有所降低.草地長度為1.0 m條件下，NH3-N、TP、SS、TN、COD污染物濃度分別為2.58～3.65、0.30～0.41、4.57～9.70、2.59～3.58、32.00～48.90 mg/L，均滿足一級A標(biāo)；草地長度2 m處出水的NH3-N、TP、濁度、TN、COD污染物濃度分別為1.69～2.46、0.21～0.31、2.12～4.12、2.11～3.25、22.30～40.50 mg/L，五項指標(biāo)進(jìn)一步得到消減.因此草地中流程的增加可以提升對水中污染物的消減效果.考慮到城鎮(zhèn)社區(qū)中綠化布置的特征，樓宇周邊小面積綠地系統(tǒng)的原位處理效果顯著.另外，混凝劑存在最佳投加量的優(yōu)化可能，因此在實踐應(yīng)用中應(yīng)配合處理效果確定混凝劑的投量.

2.3 草地坡度對屋面徑流雨水污染物的去除

在目前的城鎮(zhèn)社區(qū)低影響雨水系統(tǒng)構(gòu)建過程中，結(jié)合樓宇周邊散水銜接綠地的特征，綠地系統(tǒng)微地形調(diào)整，在保證雨水散排效果的同時，也具有一定的景觀效果.實驗原水水質(zhì)監(jiān)測結(jié)果表明，水質(zhì)TP、SS、COD為超標(biāo)項.草地裝置長度為2 m，覆蓋率為100%，分別通過坡度為8.7%、17.6%和26.8%的草地，實驗結(jié)果見表1.

表1 不同坡度條件下草地系統(tǒng)處理效果Tab.1 The removal of typical contaminants with slopedegree ofgreen lawn

結(jié)果表明，3種不同坡度草地出水徑流中五項污染物濃度經(jīng)過混凝以及草地的截留及凈化作用都有所降低，流經(jīng)草地坡度為8.7%時的出水濃度最低，可以達(dá)到處理目標(biāo).隨著坡度越大草地截留效果越差，在17.6%條件下，COD超標(biāo)；在26.8%條件下，TP、SS和COD均無法保證可靠的處理效果.因此,草地坡度變化對草地削減地表徑流污染物效果具有較大的影響.在現(xiàn)行的《綠地設(shè)計規(guī)范》( DG T J08-15-2009)，城鎮(zhèn)社區(qū)內(nèi)景觀綠地的設(shè)計坡度為3%～30%；在《城市綠地設(shè)計規(guī)范》GB 50420-2007提出：“城市綠地的豎向設(shè)計應(yīng)以總體設(shè)計布局及控制高程為依據(jù)，營造有利于雨水就地消納的地形并應(yīng)與相鄰用地標(biāo)高相協(xié)調(diào)，有利于相鄰其他用地的排水.”從屋面初期雨水污染物原位控制的角度，建議在雨水落水管出口附近的綠地，在設(shè)計和建設(shè)過程中盡量考慮采用小的坡度，以提升污染物截留效果.

2.4 草地覆蓋率對屋面徑流雨水污染物的去除

調(diào)整草地裝置長度為2 m，坡度為8.7%，收集初期雨水經(jīng)混合均勻，加藥混凝后分別通過草地覆蓋率為100%、60%和30%的草地.表2說明，對于所測徑流各污染物指標(biāo)，流經(jīng)草地覆蓋率為100%時的濃度最低，草地覆蓋率越小出水濃度越大.因此，在構(gòu)造綠地系統(tǒng)時，植草密度的確定在滿足景觀效果的前提下，盡量密植可以有效提升草地對雨水徑流中污染物的截留效果.

表2 不同覆蓋率條件下草地系統(tǒng)處理效果Tab.2 The removal efficiency of several contaminants withcoverage ratio of grass to soil

2.5 土壤中鋁含量變化情況

土壤中的鋁通常以難溶性硅酸鹽或氧化鋁的形式存在，對植物沒有毒害.但在pH<5的酸性土壤條件下，難溶性鋁易轉(zhuǎn)變?yōu)橛卸镜碾x子態(tài)鋁(如Al3+)，對植物產(chǎn)生毒害.

圖4表明，實驗期間由于徑流雨水?dāng)y帶混凝劑PAC后流經(jīng)草地，使得草地土壤溶液中交換態(tài)Al3+含量從0.03增加至0.36 mg/L，但在實驗結(jié)束后的80 d內(nèi)，連續(xù)取樣測量發(fā)現(xiàn)土壤溶液中Al3+含量已降低至0.05 mg/L，基本已恢復(fù)至本底值.

研究表明：在低pH、高鋁土壤中通過植草、施用綠肥可降低土壤中活性鋁的濃度，原因在于草和綠肥有利于土壤中腐殖質(zhì)大量積累，土壤中腐殖質(zhì)、特別是胡敏酸的形成與富集是土壤中鋁毒迅速降低的關(guān)鍵因素.胡敏酸分子量大、聚合度高，與鋁絡(luò)合成的鹽類溶解度低，使得鋁活性含量降低[13].

圖4 土壤溶液中交換性鋁(Al3+)的濃度變化Fig.4 The concentration of exchangeable Aluminum (Al3+) in soil with time

3 結(jié)論

本文利用模擬裝置研究了綠地系統(tǒng)中草地長度、坡度及草覆蓋率對COD、TN、SS、TP、NH3-N等典型徑流污染物去除率的影響，結(jié)果表明：

(1)屋面徑流的“初期雨水”特征明顯，徑流形成的最初30 min以內(nèi)污染負(fù)荷占整個降雨歷時總污染負(fù)荷的34.3%～67.6%%.初雨污染負(fù)荷的消減是開展面源控制的重點，PAC混凝劑的投加可以有效改善初期雨水中污染物在草地中的截留效果；

(2)以《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB18918-2002)中的一級A標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)，實驗研究揭示：1)草地長度對草地削減屋面雨水徑流污染物效果具有較大的影響，長度與污染物去除效率正相關(guān)，實驗條件下僅1.0 m的草地即可實現(xiàn)處理目標(biāo)；2)草地坡度與污染物截留效率成反比，在滿足景觀要求的前提下，在城鎮(zhèn)社區(qū)綠地建設(shè)中盡量采用小坡度；3)應(yīng)及時維護(hù)草地，維持一定的植草密度，以提升草地系統(tǒng)對屋面初雨中污染物的截留效率；

(3)植草和綠肥可以降低土壤中的交換態(tài)Al3+的含量，從而降低由于鋁基PAC的投加產(chǎn)生的對植物及土壤的潛在毒害.

采用混凝配合綠地系統(tǒng)實現(xiàn)對城鎮(zhèn)社區(qū)中樓宇屋面初期雨水高負(fù)荷污染物的截留，后期清潔雨水直接溢流進(jìn)入雨水口，這一系統(tǒng)對于控制城區(qū)面源徑流污染具有顯著效果，應(yīng)該是未來城鎮(zhèn)社區(qū)構(gòu)建低影響雨水系統(tǒng)的可行技術(shù)之一.