城市初期雨水污染及處理措施的研究進展

周傳庭，王夢玉，幸韻欣，朱 峰，安 瑩,*，周 振

(1.上海市城市建設(shè)設(shè)計研究總院<集團>有限公司，上海 200125；2.同濟大學環(huán)境科學與工程學院，污染控制與資源化研究國家重點實驗室，上海 200092；3.上海電力大學環(huán)境與化學工程學院，上海 200090；4.上海城投污水處理有限公司， 上海201203)

在城市點源污染得到有效控制的同時，由于城市化進程加快、不可滲透表面增多，雨水徑流帶來的城市面源污染問題日益嚴重[1-2]。美國城市雨水徑流造成13.0%的河流和18.0%的湖泊污染；北京市城區(qū)雨水徑流污染約占水體污染負荷的12.0%以上，上海市占20.0%左右[3]。初期雨水是指雨水徑流初始階段的雨水，具有較強的沖擊性，在此階段，徑流污染物濃度明顯高于后期階段，存在污染物濃度峰值，是造成受納水體水環(huán)境質(zhì)量下降的主要原因[4-6]。因此，有效處理初期雨水能控制雨水徑流帶來的面源污染。

20世紀70年代的美國最先開始重視城市初期雨水徑流污染，隨后日本、歐洲、澳大利亞等發(fā)達國家或地區(qū)也根據(jù)自身雨水徑流特點制定了完善的政策法規(guī)和管理體系：美國先后提出“最佳管理措施”和“低影響開發(fā)”；日本提出“雨水滲透計劃”；英國提出“可持續(xù)城市排水系統(tǒng)”；澳大利亞提出“水敏感性城市設(shè)計”[7-11]。而我國對初期雨水徑流污染的研究起步較晚，相應(yīng)標準、評價指標與技術(shù)措施應(yīng)用等還需進一步完善[12]。“十二五”期間，我國對污染物排放和水環(huán)境治理提出了更為嚴格的要求，還提出“海綿城市”的建設(shè)理念并推行“海綿城市”試點城市。本文重點對城市初期雨水的處理措施進行梳理總結(jié)，以期為我國城市初期雨水的污染控制及措施應(yīng)用方面提供參考。

1 初期雨水水質(zhì)

降雨初期，雨水溶解空氣中的污染氣體及污染顆粒物，待降落后又沖刷屋面、道路、雨污管渠等，使初期雨水攜帶大量的懸浮固體(SS)、有機物、病原體、重金屬等污染物質(zhì)。因此，初期雨水具有較高的污染負荷。據(jù)統(tǒng)計，美國雨水徑流中SS的質(zhì)量濃度為0.41～370.00 mg/L，五日生化需氧量(BOD5)為0.50～4 800.00 mg/L[13]。Gromire-Mertz等[14]研究發(fā)現(xiàn)，法國初期雨水中SS、化學需氧量(CODCr)、Pb、Zn的濃度均高于污水處理廠的進水濃度。選取北京、上海、天津等幾個大、中城市的初期雨水與《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》Ⅴ類水質(zhì)相比較，結(jié)果如表1所示。由基本水質(zhì)指標可知，初期雨水徑流引發(fā)的面源污染會嚴重造成城市水生態(tài)環(huán)境破壞，引起水體富營養(yǎng)化，威脅人體健康。

表1 初期雨水污染物濃度與《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》 Ⅴ類水質(zhì)比較[15-16]Tab.1 Comparison of Pollutants Content between Initial Stormwater and Class Ⅴ Criteria of Environmental Quality Standards for Surface Water[15-16]

按照城市下墊面的不同，雨水徑流分為綠地雨水徑流、屋面雨水徑流、道路雨水徑流3種，初期雨水的污染程度因下墊面不同而差別較大。道路雨水徑流由于路面鋪砌材料、城市垃圾、車輛尾氣和輪胎磨損等原因，其污染程度高于其他下墊面的雨水徑流，屋面雨水徑流次之[16]。

2 初期雨水處理措施

雨水徑流污染控制技術(shù)很多，目前研究比較成熟的措施主要包括雨水調(diào)蓄、人工濕地、綠色屋頂、旋流分離、滲透鋪裝、截污雨水口和生物滯留池等。本文將處理措施的發(fā)展歷程做了匯總，如圖1所示。

圖1 雨水處理技術(shù)的發(fā)展歷程Fig.1 Development Process of Stormwater Treatment

總結(jié)國內(nèi)外經(jīng)驗，初期雨水治理可分為源頭減量、過程控制和末端治理3大類。源頭治理是改變徑流條件，增加降雨滲透量，使雨水進入管道系統(tǒng)之前得到處理。過程治理是指在雨水徑流傳輸過程中，實現(xiàn)雨水凈化。末端治理是在初期雨水排放到環(huán)境中之前，利用工藝對污染物質(zhì)進行有效去除以減輕對水環(huán)境的污染。

2.1 源頭治理

2.1.1 綠色屋頂

傳統(tǒng)的綠色屋頂如圖2所示[17]，其主要具有以下功能：(1)綠色屋頂?shù)木彌_機制可推遲屋頂徑流的形成時間，涵養(yǎng)部分降雨、減少徑流總量[18]；(2)綠色屋頂能夠去除雨水中部分污染物[19]；(3)綠色植物的光合作用將固定大氣中的二氧化碳，減緩溫室效應(yīng)和各種廢氣污染源造成的城市熱島效應(yīng)[20]；(4)綠色植物能有效吸收熱量、結(jié)合蒸發(fā)輻射和降低建筑溫度，可以減緩熱浪的影響[21]；(5)綠色植物可以美化城市，改善生態(tài)效果。

目前，國外已成熟應(yīng)用綠色屋頂技術(shù)，同時國內(nèi)也制定了相關(guān)政策推進綠色屋頂技術(shù)的實施，比如上海市要求新的住宅和商務(wù)樓在規(guī)劃設(shè)計時將綠色屋頂考慮在內(nèi)。但綠色屋頂對屋頂綠化荷載、坡度和防水性能的高要求使得建造成本較高。容器式屋頂綠化是一種新型屋頂綠化形式，解決了傳統(tǒng)綠色屋頂在建筑負重、防水方面的難題，具有可任意拆卸、節(jié)能降耗的特點，在上海市盧灣區(qū)南園規(guī)劃館、黃浦區(qū)政協(xié)人大等項目的建筑屋頂中均應(yīng)用了此綠化形式。

圖2 傳統(tǒng)綠色屋頂結(jié)構(gòu)組成[17]Fig.2 Composition of Traditional Green Roof[17]

2.1.2 透水鋪裝

透水鋪裝是一項重要的源頭控制技術(shù)，指應(yīng)用透水性能較好的材料進行地面鋪裝以實現(xiàn)雨水自然下滲、自然凈化，如圖3所示[22]。鋪裝基質(zhì)空隙率較高，雨水通過透水鋪裝直接下滲到土壤，既減輕了城市排水管網(wǎng)壓力，又能夠使地下水得到補充；且在雨水下滲過程中，土壤可以過濾掉部分污染物，緩解地表徑流污染。北京奧運會場、上海世博會場地中鋪設(shè)生態(tài)砂基透水磚提高滲透率。透水鋪裝后期維護十分必要，空隙率較高使結(jié)構(gòu)承載力下降、沉淀物堵塞孔隙結(jié)構(gòu)都是制約透水鋪裝長期穩(wěn)定運行的原因[23]。

圖3 透水鋪裝[22]Fig.3 Water-Permeable Pavement[22]

2.1.3 下凹式綠地

城市生態(tài)系統(tǒng)中的重要組成部分之一是城市綠地，下凹式綠地是其中的一部分，如圖4所示[27]。由于其高程比周邊地面或道路低20.0 cm左右，綠地中積蓄流動的雨水會分為兩個部分，一部分在重力作用下滲入地下，另一部分則在將綠地空間蓄滿后往雨水口流去。因此，其既可以削減洪峰流量，起防洪的作用，又可以攔截徑流雨水以補充地下水。Yang等[28]發(fā)現(xiàn)宜興市下凹式綠地能蓄積81.4%以上的降雨量。

圖4 下凹式綠地[27]Fig.4 Concave-Down Green Belt[27]

在積蓄流動過程中，雨水攜帶的污染物通過草地截留、土壤過濾、植物吸收作用得以去除。田文龍等[29]研究發(fā)現(xiàn)下凹式綠地對各種污染物都有一定的去除率，并且當水力負荷小于1.15 m3/(m2·d)時，其出水可以達到城市污水再生利用的標準。然而，降雨特征、綠地面積、下凹深度、植物類型和土壤基質(zhì)等都會影響出水水質(zhì)[30]。為方便日常管理，一般選擇當?shù)啬脱汀⒖购登揖坝^效應(yīng)良好的植物在下凹式綠地進行種植，且可以往其土壤中添加改良劑來提高蓄滲和截污效果。

2.1.4 截污雨水口

雨水口不僅是匯集地面雨水徑流的構(gòu)筑物，經(jīng)國內(nèi)外研究，優(yōu)化改造后的雨水口還具有截污凈化的作用。1990年左右，德國將截污掛籃裝在雨水口，攔截大尺寸顆粒雜物以減少徑流中的SS，如圖5所示[31]。美國對雨水口結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化設(shè)計，公開了眾多截污能力強、防護性能好的雨水口專利技術(shù)，如2011年公開的百葉窗雨水箅專利(圖6)[32]。在國內(nèi)，王宏杰等[33]設(shè)計的雨水口除污器應(yīng)用于深圳龍崗國際低碳城中，實現(xiàn)污染物年削減量分別為7 000 kg SS、2 100 kg CODCr、210 kg氨氮、210 kg總磷(TP)、3.50 kg Zn、1.40 kg Cu、2.10 kg Pb。姚偉華等[34]采用粗濾網(wǎng)、熔噴聚丙烯纖維濾料和細濾網(wǎng)組成雨水自流過濾器，并應(yīng)用于上海工程實踐中，現(xiàn)場試驗證明，進水SS質(zhì)量濃度在40.0 mg/L以上時，過濾器對SS的去除率在60.0%以上。但我國雨水口截污技術(shù)在產(chǎn)業(yè)化程度上與國外還存在一定差距，需加大推廣截污雨水口的應(yīng)用。

圖5 德國雨水口掛籃[31]Fig.5 German Rain Inlet Hanging Basket[31]

圖6 美國百葉窗雨水箅[32]Fig.6 American Rain Shutters Inlet[32]

2.2 過程治理

2.2.1 雨水調(diào)蓄池

對于污染負荷較大的初期雨水，可以采用雨水調(diào)蓄池。該池一般配置在雨水管渠尾端，能夠降低面源污染。雨季時，雨水調(diào)蓄池收集儲蓄初期雨水以削減最大雨水流量；降雨結(jié)束后，污水處理廠負荷降低，再將儲存的雨水送入進行處理。我國最先使用調(diào)蓄池治理河道的城市是上海，其在蘇州河二期工程中建設(shè)了5座調(diào)蓄池，使排入蘇州河的污染負荷減少，取得了良好的環(huán)境效益[35]。周鵬程等[36]利用SWMM軟件模擬研究了調(diào)蓄池的運行效果，模擬結(jié)果表明，調(diào)蓄容積為10 000 m3時，在小重現(xiàn)期降雨中，調(diào)蓄池能攔蓄50%以上的雨水徑流量，對TSS、CODCr、TP的削減率可達60.0%以上。有些雨水泵站不能直接建立獨立調(diào)蓄池，對此，王斌等[37]提出在地下進行雨水泵站調(diào)蓄改造，如板材組裝式調(diào)蓄池就更為便捷。周傳庭[38]在現(xiàn)有的合流制排水系統(tǒng)下修建雨水調(diào)蓄池，實現(xiàn)溢流頻率和溢流量的降低，一年多的運行證明了該工程的合理性和有效性。

2.2.2 植草溝

植草溝一般作為雨水徑流流入下一個雨水處理設(shè)施的過渡性設(shè)施[39]，其結(jié)構(gòu)如圖7所示[40]。根據(jù)傳輸徑流方式的不同，可以將植草溝分為標準傳輸型、干式滲透型和濕式植草溝[41]。植草溝對雨水的作用受到降雨強度的影響，降雨強度較大時以傳輸徑流作用為主，降雨強度較小時以下滲作用為主，其下滲作用可以減小徑流量[42]。

圖7 植草溝[40]Fig.7 Grass Ditch[40]

2.2.3 植被緩沖帶

植被緩沖帶是一個復合生態(tài)系統(tǒng)，由土壤、植物和微生物等組合而成[51]，其具體結(jié)構(gòu)如圖8所示[52]。其對污染物的去除機理與植草溝類似，主要受到植被類型、緩沖帶寬度、緩沖帶坡度和土壤理化性質(zhì)等因素的影響。比如李萍萍等[53]研究發(fā)現(xiàn),灌草類型的緩沖帶截留污染物的作用明顯高于其他類型。Collins等[54]發(fā)現(xiàn)較窄的緩沖帶也能改善部分水質(zhì)。

圖8 植被緩沖帶[52]Fig.8 Vegetation Buffer Strip[52]

在城市中，植被緩沖帶多建于河岸。程昌錦等[55]研究發(fā)現(xiàn),在丹江口庫區(qū)營造濱水植被緩沖帶時，增加濱水植被緩沖帶寬度并適度提高馬尾松栓皮櫟混交林的比例可提高其截留去污能力。閆鈺等[56]在不同植物配置中優(yōu)選出花苜蓿作為東新開河兩岸緩沖帶植物配置。張鴻齡等[57]在遼河兩岸構(gòu)建了4種植被緩沖帶，試驗發(fā)現(xiàn)紫穗槐+黑麥草(AL)組合帶對N的去除效果均最好。

2.3 末端治理

2.3.1 旋流分離器

圖9 高效旋流分離器示意圖[58]Fig.9 Schematic Diagram of Efficient Hydrocyclone Separation Device[58]

旋流分離器是依據(jù)離心沉降原理分離不同介質(zhì)的一種設(shè)備，包括無壓旋流和有壓旋流兩種。其主要處理對象是徑流中的SS，以及與SS相關(guān)性相對較高的CODCr、TP，而對于溶解態(tài)的氮類物質(zhì)去除效果有限，常作為徑流雨水的簡單處理裝置。為加強初期雨水的凈化效果，旋流器可作為組合工藝的預處理單元。劉楠楠等[58]將旋流分離與接觸氧化技術(shù)相結(jié)合，設(shè)計了高效旋流分離-生態(tài)礫間接觸氧化聯(lián)合裝置，其中第一部分結(jié)構(gòu)如圖9所示。中試研究發(fā)現(xiàn)，系統(tǒng)能去除91.80%的SS、84.6%的CODCr、59.6%的TN、79.9%的氨氮和67.4%的TP，可有效緩解初期雨水帶來的面源污染。此外，Motin等[59]研究發(fā)現(xiàn)旋流室的壁型結(jié)構(gòu)對分離效率影響很大,相比于其他壁型旋流器，截錐改進的雙曲渦流室制造更簡單、分離效果更好。

2.3.2 人工濕地

人工濕地是模仿天然濕地系統(tǒng)，人為搭建的濕地生態(tài)系統(tǒng)。按照水流方式的不同，人工濕地可分為表面流、水平潛流和垂直潛流3種類型，結(jié)構(gòu)形式如圖10所示[60]。3類濕地的區(qū)別在于進水和出水方式，這導致進水與濕地內(nèi)基質(zhì)的接觸方式有所不同，出水的污染物去除效果也有所不同。初期雨水中部分污染物主要通過基質(zhì)、植物和微生物的協(xié)同作用被去除。曹婷婷等[61]研究發(fā)現(xiàn)，就污染物尤其是重金屬的去除效果而言，復合流人工濕地系統(tǒng)更好。植物類型和徑流水質(zhì)狀況同樣影響人工濕地系統(tǒng)的處理效果，紀桂霞等[62]研究發(fā)現(xiàn)濕地植物的凈化性能因水質(zhì)而異。填料是植物和微生物的載體，且自身具有吸附、過濾作用，所以人工濕地中基質(zhì)的選擇尤為重要。高旺等[63]在深圳市中試研究中發(fā)現(xiàn)，礫石濕地系統(tǒng)對屋面雨水徑流的處理效果較好，出水基本可達到景觀用水水質(zhì)標準。

圖10 人工濕地類型[60]Fig.10 Types of Constructed Wetlands[60]

圖11 典型生物滯留池結(jié)構(gòu)示意圖[64]Fig.11 Schematic Diagram of a Typical Bioretention Pond[64]

2.3.3 生物滯留池

初期雨水處理措施各自優(yōu)缺點、適宜性及經(jīng)濟性如表2所示。根據(jù)主要功能不同，初期雨水處理措施又可分為輸送型措施、滯留滲透型措施和調(diào)蓄型措施。輸送型措施以植被淺溝、植被緩沖帶為代表，以徑流輸送功能為主；滯留滲透型措施包括綠色屋頂、滲透鋪裝、下凹綠地、人工濕地、生物滯留池等，截留一定設(shè)計目標的徑流量；調(diào)蓄型設(shè)施包括雨水調(diào)蓄池，以水量控制為主要目的。滯留滲透措施的規(guī)模受綠化率的影響，設(shè)計時采用容積法用于水質(zhì)控制即水質(zhì)控制容積。輸送型措施規(guī)模的計算可從水量和水質(zhì)兩個角度確定設(shè)施規(guī)模：以水量控制為目的的計算方法，是通過計算一定重現(xiàn)期的設(shè)計降雨事件的徑流峰值來確定設(shè)施規(guī)模；以水質(zhì)控制的計算方法，是計算控制出現(xiàn)頻率較高的小降雨事件產(chǎn)生的峰流量來確定規(guī)模。調(diào)蓄型設(shè)施規(guī)模確定常利用暴雨流量推理公式繪制出大致設(shè)計重現(xiàn)期下一場降雨的徑流過程曲線，利用曲線積分或圖解的方法計算雨洪控制技術(shù)中的調(diào)蓄或調(diào)節(jié)設(shè)施的容積。工程設(shè)計及應(yīng)用應(yīng)根據(jù)匯水區(qū)的特點、措施的適用性和經(jīng)濟性選擇相應(yīng)的處理措施或組合系統(tǒng)。

表2 初期雨水處理措施的優(yōu)缺點、適用性及經(jīng)濟性Tab.2 Advantages and Disadvantages, Applicability and Economy of Initial Rainwater Treatment Measures

3 結(jié)語

初期雨水中含有較高的污染負荷，加強初期雨水的綜合治理能有效緩解城市面源污染。隨著海綿城市建設(shè)的推廣，初期雨水處理措施受到越來越多的關(guān)注。雖然這些措施在改善初期雨水水質(zhì)方面發(fā)揮了重要作用，但我國對雨水治理的研究較晚，措施凈化效率的提高及工程化應(yīng)用仍需深入研究。為更好地建設(shè)海綿城市，現(xiàn)提出如下展望。

(1)國外具有完善的雨水管理體系，對初期雨水處理設(shè)施的研究比較成熟，而我國對初期雨水污染治理尚處于起步階段，相應(yīng)的法規(guī)、標準不夠全面。應(yīng)借鑒國外經(jīng)驗，結(jié)合自身水質(zhì)狀況，制定雨水排放標準，加強雨水處理技術(shù)研究。

(2)基質(zhì)填料、植被類型對治理措施的運行效果影響很大。傳統(tǒng)的基質(zhì)材料對徑流中污染物的去除效果有限，且常面臨堵塞問題。因此，需要對填料進行改進優(yōu)化，如填料合理配比、添加改良劑、挑選合適粒徑等。植物選擇不當，不僅達不到預想處理效果，還會造成植物死亡。城市徑流水質(zhì)不同，植物也需因地制宜。所以，應(yīng)選擇耐污能力強、景觀效果好、適合城市雨水徑流污染特點的植物。為保持長期有效的凈化效果，基質(zhì)與植物應(yīng)定期維護管理。

(3)未來應(yīng)側(cè)重于技術(shù)創(chuàng)新化、設(shè)計標準化。例如：提高滲透鋪裝的抗壓性和耐磨性；探究組合工藝的凈化效果等。處理措施應(yīng)根據(jù)實地運行效果，制定合理設(shè)計參數(shù)，形成一套完善的雨水管理體系。

(4)當前雨水快速處理工藝仍在開發(fā)階段，多為物化手段，未實現(xiàn)工程應(yīng)用。可以考慮結(jié)合多種工藝，考慮生物技術(shù)，實現(xiàn)雨水高效快速處理，并盡可能提高水質(zhì)，考慮其回用甚至作為飲用水的可能性。