城市景觀濕地系統(tǒng)去除初期雨水污染物效果研究*

張鴻濤，于寶國，鄧方園，張弘弢，楊遠坤，諶 書

(1.中國水利水電第七工程局有限公司，四川 成都 610213； 2.西南科技大學土木工程與建筑學院，四川 綿陽 621010)

0 引言

近年來，初期雨水污染問題在國內(nèi)外引起廣泛關注[1-3]。隨著我國經(jīng)濟、社會的不斷發(fā)展，城市硬化下墊面逐漸擴張，地面面源污染情況加劇[4-6]，包括汽車尾氣、大氣降塵、建筑材料腐蝕物等在內(nèi)的城市面源污染物基本匯集在10mm厚初期雨水中，其污染負荷遠大于中后期雨水，使初期雨水含有大量高濃度污染物，包括氮、磷和重金屬等[7-9]。初期雨水多排放至就近河湖中，加重了地表水環(huán)境污染程度，嚴重時將導致區(qū)域性水體富營養(yǎng)化和黑臭化，影響水資源循環(huán)利用，最終威脅人類健康[10]。因此，采取有針對性的措施對城市初期雨水進行凈化處理尤為重要。

國外對初期雨水及凈化措施的研究較成熟，已頒布了相應的政策、法規(guī)，建成了較完整的雨水處理和利用系統(tǒng)[11-13]，如澳大利亞建成了水敏感城市設計系統(tǒng)，英國建成了可持續(xù)城市排水系統(tǒng)，新西蘭建成了低影響城市設計和開發(fā)系統(tǒng)，美國建成了低影響開發(fā)和最佳管理措施系統(tǒng)。我國對初期雨水管控和綜合利用的研究始于20世紀90年代，主要關注城市面源污染，直至2014年，提出了海綿城市建設理念，采用“滲、滯、蓄、凈、用、排”方針管理和利用雨水，低影響開發(fā)是海綿城市建設的重要組成部分[14-16]。

海綿城市是對我國城市水系統(tǒng)的綜合治理，也是對城市人居環(huán)境的重構(gòu)[17]，其核心是通過生態(tài)工程與人工設施的有機結(jié)合，建立以河湖水系為核心，實現(xiàn)城市雨水自然積存、滲透和凈化，形成城市水系統(tǒng)良好循環(huán)的資源節(jié)約型、環(huán)境友好型和可持續(xù)發(fā)展綠色宜居城市[18-19]。由于城市雨水和徑流的產(chǎn)生具有隨機性和間歇性，且城市面源污染來源分布廣泛，污染物濃度變化大、瞬時流量大[20]，需充分利用城市非硬化下墊面，通過建立人工濕地自然生態(tài)系統(tǒng)，進行城市面源污染治理，通過土壤、植物、微生物的協(xié)同作用，促進雨水儲存、滲透、凈化，利用城市景觀濕地系統(tǒng)就地削減城市雨水徑流污染。本文以初期雨水為處理對象，對城市景觀濕地系統(tǒng)進行中試研究，以期為后續(xù)試驗研究及類似地區(qū)城市景觀濕地系統(tǒng)工程建設提供參考。

1 試驗概況

1.1 中試系統(tǒng)構(gòu)建

城市景觀濕地系統(tǒng)裝置位于玻璃大棚內(nèi)，試驗進水采用初期雨水，試驗裝置由1個前端沉淀池和3個折流式潛流人工濕地單元組成。城市景觀濕地系統(tǒng)裝置設計尺寸為長300cm、寬100cm、高100cm，分成3個處理單元，設置不同填料高度，材質(zhì)為玻璃鋼，各單元采用串聯(lián)方式連接，跌水高度0.1m，處理單元內(nèi)部設有3塊隔板，并在頂部和底部間插開孔，水流在處理單元內(nèi)部垂直流動。

第1單元凈長1m，凈寬1m，主要起快速過濾作用，填料全部由φ100mm聚乙烯懸浮球組成，內(nèi)部填充聚氨酯泡沫和碎石，雨水可快速通過，并在其中種植美人蕉，平均株距為20cm×20cm。第2單元分前、后段，前、后段凈長均為0.5m，凈寬均為1m，前段自下而上依次為集水層、吸附層和滲濾層，前段底層鋪設20cm厚碎石(直徑20～30mm)、中層鋪設20cm厚煤矸石(直徑10～20mm)、表層鋪設20cm厚陶粒(直徑10～20mm)并種植吉祥草；后段底層鋪設20cm厚碎石(直徑20～30mm)，表層鋪設20cm厚陶粒(直徑10～20mm)，中層鋪設20cm厚沸石并種植鳶尾，平均株距為15cm×15cm。第3單元凈長1m，凈寬1m，自下而上依次為集水層和滲濾層，底層鋪設20cm厚碎石(直徑20～30mm)，表層鋪設20cm厚陶粒(直徑10～20mm)并種植再力花，平均株距為15cm×15cm。所選植物在保持水質(zhì)凈化的同時，兼具園林景觀植物作用。

1.2 初期雨水

氮、磷和有機污染物是城市初期雨水中的主要污染物，使用某污水處理廠出水配制初期雨水，進水水質(zhì)指標為：化學需氧量濃度283.22～401.66mg/L，氨氮濃度17.17～28.79mg/L，總磷濃度2.81～4.32mg/L，pH值6.5～7.5。

1.3 試驗方法

城市景觀濕地系統(tǒng)啟動時通入好氧生活污水自然掛膜，首先將生活污水曝氣24h，控制溶解氧為3～5mg/L，然后將混合液排到城市景觀濕地系統(tǒng)中，每隔24h進水1次，進水量為0.5t，重復運行15d，當城市景觀濕地系統(tǒng)對生活污水化學需氧量和氨氮去除率穩(wěn)定在75%以上時，表示啟動成功，此時接入初期雨水，試驗正式開始。穩(wěn)定運行期間，城市景觀濕地系統(tǒng)水力停留時間為3h，環(huán)境溫度為25～30℃，主要考察各單元進出水化學需氧量、氨氮、總磷變化情況。水處理規(guī)模為100L/h，模擬間歇式降雨天氣，進水5h，試驗期間和停止進水后沿程取樣，考察進水、第1單元出水、第2單元出水、第3單元出水中污染物去除效果。

2 試驗結(jié)果與分析

對于各項污染物指標(化學需氧量、氨氮、總磷)去除率情況，以化學需氧量平均去除率為例，按式(1)計算：

(1)

式中：η化學需氧量為化學需氧量平均去除率；C進為進水化學需氧量濃度(mg/L)；C出為出水化學需氧量濃度(mg/L)。

2.1 化學需氧量去除效果

城市景觀濕地系統(tǒng)對化學需氧量去除效果如圖1所示。由圖1可知，進水化學需氧量濃度為245.30～401.66mg/L；第1單元出水化學需氧量濃度為93.30～241.66mg/L，平均去除率為51.19%；第2單元出水化學需氧量濃度為58.62～124.71mg/L，平均去除率為46.02%；第3單元出水化學需氧量濃度為31.48～73.24mg/L，平均去除率為42.67%。城市景觀濕地系統(tǒng)對化學需氧量總?cè)コ示S持在84.38%左右，出水平均化學需氧量濃度為51.22mg/L，滿足GB 18918—2002《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級B標準。總的來看，出水化學需氧量濃度始終保持在較低水平，證明本系統(tǒng)不僅具有較強的抗沖擊負荷能力，且對污染物具有持續(xù)穩(wěn)定的處理效果。

圖1 城市景觀濕地系統(tǒng)對化學需氧量去除效果

城市景觀濕地系統(tǒng)對化學需氧量的去除主要依靠濕地填料吸附作用和微生物生化氧化作用，當填料滲濾性變差時，可考慮通過反沖洗措施或定時更換填料的方式解決[21]。陶粒、煤矸石、碎石等填料的多孔特性不僅對有機物具有一定吸附作用[22-23]，且有利于填料和植物根系上的微生物附著生長，城市景觀濕地系統(tǒng)得以持續(xù)保持較高的化學需氧量去除效果。

2.2 氨氮去除效果

城市景觀濕地系統(tǒng)對氨氮去除效果如圖2所示。由圖2可知，進水氨氮濃度為17.17～28.79mg/L；第1單元出水氨氮濃度為14.27～24.90mg/L，平均去除率僅為13.77%；第2單元出水氨氮濃度為6.05～17.40mg/L，平均去除率為41.19%；第3單元出水氨氮濃度為3.71～12.21mg/L，平均去除率為33.05%。城市景觀濕地系統(tǒng)對氨氮總?cè)コ示S持在65.58%左右，出水平均氨氮濃度為7.67mg/L，滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級B標準。

圖2 城市景觀濕地系統(tǒng)對氨氮去除效果

綜上所述，在系統(tǒng)穩(wěn)定運行期間，第1單元對氨氮的去除效果較差，第2，3單元對氨氮的去除效果明顯增強，主要原因為：①填料物理吸附和離子交換作用 第2，3單元中填充了大量煤矸石、陶粒和沸石，多孔介質(zhì)表面會形成靜電力和毛細力等，將水中氨氮吸附在填料結(jié)構(gòu)表面，但此狀態(tài)易受外界環(huán)境影響而解析，而離子交換發(fā)生在填料結(jié)構(gòu)內(nèi)部，填料上析出的陽離子與銨離子發(fā)生化學反應，將水中銨離子穩(wěn)定在結(jié)構(gòu)內(nèi)部，不易解析[24-25]；②跌水復氧作用 各處理單元之間以自然跌水串聯(lián)，使第2，3單元表層水體中溶解氧濃度達3mg/L左右，跌水復氧有利于好氧微生物的大量生長，促進了微生物對氨氮的氨化作用和同化作用，從而去除水中的氨氮[26]。

2.3 總磷去除效果

城市景觀濕地系統(tǒng)對總磷去除效果如圖3所示。由圖3可知，進水總磷濃度為2.81～4.33mg/L；第1單元出水總磷濃度為1.26～2.38mg/L，平均去除率為43.68%；第2單元出水總磷濃度為0.60～1.97mg/L，平均去除率為48.42%；第3單元出水總磷濃度為0.45～1.37mg/L，平均去除率僅為12.77%。城市景觀濕地系統(tǒng)對總磷總?cè)コ示S持在74.67%左右，出水平均總磷濃度為0.87mg/L，滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級B標準。

圖3 城市景觀濕地系統(tǒng)對總磷去除效果

第1單元對總磷去除率最高可達57.32%，對初期雨水中磷的去除效果較好，隨著試驗啟動過程的結(jié)束，填料表面形成較厚的深褐色生物膜，但微生物同化和沉淀作用對總磷的去除效果不穩(wěn)定，已被吸收的磷在厭氧條件下可能被釋放到水體中，造成出水總磷濃度升高，這是系統(tǒng)運行過程不可避免的。

第2單元中添加的陶粒和煤矸石具有大量孔道、空洞，對初期雨水中磷具有良好的吸附作用，而沸石不僅具有上述優(yōu)勢，由于其內(nèi)部和表面含有大量金屬陽離子，可與磷酸根形成穩(wěn)定的沉淀，這是城市景觀濕地系統(tǒng)去除初期雨水中磷的主要途徑[27]。同時，城市景觀濕地系統(tǒng)中的植物會吸收分子態(tài)污染物供自身生長，但已有研究表明[28-29]，植物已不再是人工濕地去除總磷的主要手段。

第3單元對總磷的平均去除率僅為12.77%，說明除磷不是該單元的主要功能。

2.4 去除效果時空變化規(guī)律

城市景觀濕地系統(tǒng)在不同運行時間段(1～5h)及不同處理單元(進水、第1單元、第2單元前段、第2單元后段、第3單元和出水)對氨氮、總磷去除效果時空變化曲線分別如圖4，5所示。由圖4可知，運行1，2h時，出水氨氮濃度分別為5.71，8.22mg/L，此時城市景觀濕地系統(tǒng)對氨氮的去除率分別為79.89%，71.03%，出水平均氨氮濃度6.96mg/L，略低于《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級A標準；運行3h時，出水氨氮濃度升高，達15.15mg/L，處理效果較差，說明前3h對氨氮的去除主要依賴于不同填料的吸附作用，且物理吸附作用已趨于飽和，達吸附與解析動態(tài)平衡狀態(tài)，離子交換作用吸附氨氮速率減小，使出水氨氮濃度升高。但在較高氨氮負荷條件下運行3h后，城市景觀濕地系統(tǒng)中氨化細菌活性增強，氨氮去除率在4h恢復至55.17%，在5h恢復至77.34%，此時占主導作用的是氨化細菌和植物根系。當取樣深度為0～50cm時，不同運行時間氨氮去除率基本沿程增加；城市景觀濕地系統(tǒng)對氨氮的去除效果主要集中于第2單元前、后段，說明第2單元填料級配可高效去除氨氮。

圖4 城市景觀濕地系統(tǒng)對氨氮去除效果時空變化曲線

由圖5可知，不同運行時間下城市景觀濕地系統(tǒng)對總磷的去除效果差別較小，1～4h去除率分別為86.84%，78.83%，78.83%，73.72%，僅在5h時去除率略下降，為68.07%，此時出水平均總磷濃度為1.15mg/L，滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標準》一級B標準。總磷去除主要集中在第1，2單元，當取樣深度為0～50cm時，第1，2單元總磷濃度基本沿程下降，這表明隨著取樣深度的增加及氧濃度的降低，聚磷菌向水中釋放一定量的磷，使城市景觀濕地系統(tǒng)形成局部較高磷濃度微環(huán)境，但填料表面及內(nèi)部孔道結(jié)晶除磷作用增強，在填料表面形成穩(wěn)定的沉淀[30]，從而保證城市景觀濕地系統(tǒng)出水總磷濃度保持在較低水平。

圖5 城市景觀濕地系統(tǒng)對總磷去除效果時空變化曲線

3 結(jié)語

1)本試驗使用某污水處理廠出水配制初期雨水，測得其化學需氧量、氨氮、總磷濃度范圍分別為245.30～401.66，17.17～28.79，2.81～4.33mg/L。

2)通過在城市景觀濕地系統(tǒng)中加入懸浮球、沸石、陶粒、煤矸石和碎石，有效改善了系統(tǒng)滲透性，使系統(tǒng)對初期雨水化學需氧量、氨氮、總磷具有較好的去除效果。

3)城市景觀濕地系統(tǒng)對初期雨水污染物的去除，主要依靠填料的物理攔截和化學吸附作用，其次是微生物生化氧化作用和植物吸附吸收作用。如果高污染負荷初期雨水需滿足GB 50400—2016《建筑與小區(qū)雨水控制及利用工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定的雨水多途徑回收利用要求，應進一步改善城市景觀濕地系統(tǒng)運行條件或探索更優(yōu)的填料級配和植物搭配比例，這為今后的研究提供了方向。

4)基于海綿城市理念搭建的城市景觀濕地系統(tǒng)，搭配多種廉價易得的填料，可與河流、湖泊堤岸相融合，具有不占用新的土地、無動力設計、便于運行維護等優(yōu)點。因此，城市景觀濕地系統(tǒng)可作為經(jīng)濟高效的初期雨水凈化技術(shù)，有效削減初期雨水徑流高濃度污染負荷。