梯級生態(tài)緩沖系統(tǒng)對城市初期雨水的凈化作用

蔡 飛，李杰松，谷 杰，梅峰群

(誠邦生態(tài)環(huán)境股份有限公司，浙江 杭州 330000)

1 引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市原有的透水良好的自然生態(tài)環(huán)境逐漸被不透水的硬質(zhì)鋪裝代替，導(dǎo)致城市雨水被浪費。同時由于雨水在下落和徑流過程中，溶解了空氣及地表中的污染物，導(dǎo)致初期雨水的污染物含量較高，其直接排入水體會造成水體水質(zhì)的大幅下降[1～4]。

雨水生態(tài)處理技術(shù)在徑流量削減、徑流污染控制、地下水回補及景觀方面具有顯著的生態(tài)效應(yīng)[5～7]。顏錕等[5]利用碎石、碎木片為填料主體的人工強化生態(tài)緩沖系統(tǒng)處理城市初期雨水，研究表明該系統(tǒng)對城市初期雨水中的污染物含量有較好的削減效果。王超維等[8]利用多級人工濕地系統(tǒng)處理初期雨水，試驗表明初期雨水經(jīng)人工濕地系統(tǒng)處理后，主要污染物的出水指標(biāo)均達(dá)到了地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)Ⅲ類或以上。

本研究針對初期雨水的水質(zhì)特點，結(jié)合生物滯留池、植被過濾帶的處理機理，研究了由卵石、礫石及沸石形成的組合填料對初期雨水的生態(tài)處理效果，探討在不同處理時間下該梯級生態(tài)系統(tǒng)對初期雨水水質(zhì)的凈化效果，旨在探索雨水徑流污染控制的技術(shù)措施。

2 實驗設(shè)置與方法

2.1 實驗設(shè)置

該梯級生態(tài)緩沖凈化系統(tǒng)由多個生態(tài)處理單元組成，生態(tài)處理單元內(nèi)布設(shè)有3層填料和土壤層，從下往上依次為50 mm厚的粒徑30～50 mm的卵石、200 mm厚的粒徑10～30 mm的礫石、300 mm厚的粒徑5～10 mm的沸石和50 mm厚的土壤層，土壤層種植鳶尾、菖蒲等水生植物。

將該梯級生態(tài)緩沖凈化系統(tǒng)在我司內(nèi)部工程進(jìn)行工程示范與應(yīng)用，工程地點護(hù)岸坡面坡度約為35°，高度約為5 m，試驗長度為300 m。試驗設(shè)計見圖1。

圖1 試驗設(shè)計示意

2.2 實驗方法

本研究以工程示范地2021年3月12日的降雨，持續(xù)時間為3 h，累計降雨量為12 mm為實驗對象。樣品采集分為兩個階段。第一個階段為下雨引起地表徑流且進(jìn)入該系統(tǒng)的初始進(jìn)水濃度，第二個階段為出水濃度，按照降雨期間每隔半小時采集一次水樣，降雨結(jié)束后每天在出水口采集出水水樣，一共采集3 d。每次采集水樣取5個重復(fù)樣，檢測出的數(shù)據(jù)取均值后得出進(jìn)水、出水濃度值。為了保證水質(zhì)的準(zhǔn)確性以及方便數(shù)據(jù)分析，實驗所采集的進(jìn)水水樣在4 ℃下冷藏。測定水質(zhì)的CODCr、NH3-N和TP。水質(zhì)分析方法見文獻(xiàn)[9]。

3 結(jié)果與分析

3.1 雨水徑流中污染物的總?cè)コЧ?/h3>

表1數(shù)據(jù)表明，該梯級生態(tài)緩沖系統(tǒng)對初期雨水有很好的去除效果，該系統(tǒng)對CODCr、NH3-N和TP的去除率都在50%以上。

表1 試驗期間該系統(tǒng)的進(jìn)水濃度、出水濃度及去除率

3.2 城市雨水徑流中CODCr的去除效果

從圖2可以看出，在下雨期間隨著時間變化(0～3 h)，該梯級生態(tài)緩沖系統(tǒng)對有機物的去除效果有增加趨勢，有機污染物的去除率達(dá)到了50.55%。下雨結(jié)束后，雨水中的有機物含量經(jīng)該系統(tǒng)處理后明顯降低，從117.54 mg/L降到67.38 mg/L，CODCr的去除率達(dá)到了42.67%。

這說明當(dāng)初期雨水進(jìn)入該梯級生態(tài)緩沖系統(tǒng)后，該系統(tǒng)可以減緩初期雨水的徑流速度，增加填料與污染物的接觸時間，填料通過過濾和吸附作用截留了大量的顆粒性有機污染物，同時填料上含有大量氨化細(xì)菌、硝化細(xì)菌等微生物群落，有利于水體污染物的分解與轉(zhuǎn)化[10]。整個系統(tǒng)從下雨地表徑流到下雨結(jié)束的3 d內(nèi)，該系統(tǒng)對初期雨水中CODCr的去除率達(dá)到了71.7%，效果非常顯著。

3.3 城市雨水徑流中NH3-N的去除效果

由圖2可以看出，在下雨期間，0～0.5 h內(nèi)NH3-N的濃度下降最為顯著，直到下雨結(jié)束，NH3-N的濃度維持在6.50 mg/L左右，并沒有下降趨勢，這是由于該系統(tǒng)中由沸石、卵石及礫石組成的組合填料層能夠為氨化細(xì)菌提供大量的附著位點，氨化細(xì)菌和對雨水中有機氮的氨化作用較強。

3.4 城市雨水徑流中總磷的去除效果

由圖2可知，初期雨水中的TP含量迅速被該系統(tǒng)過濾和吸附，在下雨期間隨著時間變化(0～3 h)，該梯級生態(tài)緩沖系統(tǒng)對TP的去除去除率達(dá)到了44.35%。下雨結(jié)束后，TP含量的下降速度明顯趨緩。整個系統(tǒng)從下雨地表徑流到下雨結(jié)束的3 d內(nèi)，該系統(tǒng)對初期雨水中TP的去除率達(dá)到了52.7%，效果比較顯著。

圖2 初期雨水徑流中CODCr、NH3-N和TP的濃度變化

4 結(jié)論

(1)本試驗條件下，梯級生態(tài)緩沖系統(tǒng)處理城區(qū)初期雨水，對COD、NH3-N、TP均有一定的處理效果，3 d的去除率分別為71.7%、66.0%和52.7%。

(2)該梯級生態(tài)緩沖系統(tǒng)是在生態(tài)型護(hù)岸的基礎(chǔ)上提出來的，在滿足如何使河岸水-土-生物之間形成良性循環(huán)，增加了生物棲息地的多樣性，實現(xiàn)了河道生態(tài)功能，提高了河道水體自凈能力。