毛月鵬 汪志榮 史怡然 楊 巧 潘聲遠(yuǎn)

(天津理工大學(xué)環(huán)境科學(xué)與安全工程學(xué)院，天津 300384)

當(dāng)今社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速增長使得城市化進(jìn)程逐漸加快，建筑、路面等各種人工不透水構(gòu)筑物不斷增加，這不僅改變了原有下墊面屬性，還導(dǎo)致城市地表徑流量和徑流水質(zhì)發(fā)生巨大變化[1]。屋面作為承接大氣干濕沉降的主要載體，占城市不透水下墊面的50%～75%[2]。由于干濕沉降和屋面材料自身老化、腐蝕導(dǎo)致的屋面徑流污染日趨嚴(yán)重。眾多研究發(fā)現(xiàn)屋面徑流污染嚴(yán)重，屋面徑流中污染物濃度隨降雨時(shí)間增加而逐漸降低，并存在顯著的初期沖刷效應(yīng)[3-5]。由于屋面徑流量較大，因此一些城市將屋面徑流收集存儲(chǔ)，用于綠化灌溉或者直接入滲補(bǔ)充地下水，這對(duì)緩解城市缺水和減緩地下水位下降具有重要意義。

生物滯留池是低影響開發(fā)(LID)技術(shù)中應(yīng)用最為廣泛的城市地表徑流控制措施之一，其包括填料、植物、微生物3部分，具有良好的水質(zhì)控制能力。研究發(fā)現(xiàn)懸浮物(SS)和重金屬的去除主要依賴生物滯留池的過濾截留作用，SS和重金屬的去除較為穩(wěn)定，去除率高達(dá)90%[6-9]。然而生物滯留池對(duì)徑流中TN和TP的去除仍然存在去除率波動(dòng)大，易浸出等問題。研究發(fā)現(xiàn)，生物滯留池對(duì)徑流中TN的去除率為-123.0%～84.2%， TP的去除率為77.3%～97.1%[10-15]。同時(shí)部分研究發(fā)現(xiàn)TP存在易浸出，去除率為負(fù)值的現(xiàn)象[16]。

生物滯留池的土壤層一方面控制著整個(gè)生物滯留池的滲透速率，另一方面為植物和微生物提供了生存環(huán)境，在水量和水質(zhì)控制方面發(fā)揮著重要的作用。生物滯留池的進(jìn)水方式?jīng)Q定了使用場景，如在人行道、中間隔離帶可以設(shè)置成側(cè)向進(jìn)水，而在一些洼地則可以設(shè)置為表層進(jìn)水，充分發(fā)揮地理位置優(yōu)勢。目前的生物滯留池絕大多數(shù)高出地面，徑流難以自然流入，重新規(guī)劃建設(shè)費(fèi)時(shí)費(fèi)力，改進(jìn)生物滯留池的進(jìn)水方式最為經(jīng)濟(jì)。

本研究以屋面徑流作為生物滯留池的控制對(duì)象，研究不同土壤層厚度和不同進(jìn)水方式對(duì)生物滯留池出水水質(zhì)的影響。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)場地和裝置

1.1.1 實(shí)驗(yàn)場地

為了最大程度模擬實(shí)際生物滯留池的運(yùn)行環(huán)境，需要將生物滯留池置于土壤中，故在教學(xué)樓外選擇了一塊離雨落管較近的林地作為實(shí)驗(yàn)場地。首先根據(jù)實(shí)驗(yàn)需要，挖掘出長、寬、深分別為3.0、2.5、1.0 m的池子，用于放置生物滯留池。

1.1.2 生物滯留池的安裝

如圖1所示，實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了3個(gè)生物滯留池。生物滯留池的主體為長0.8 m、寬0.8 m、高0.8 m的防腐木箱，內(nèi)部鋪設(shè)防水膜(0.5 mm厚)，底部安裝穿孔排水管，排水管一直延伸到箱體外部，外部接球閥。在生物滯留池內(nèi)部排水和防水工作結(jié)束后，將其放置于室外挖掘好的池內(nèi)，然后開始裝填料。

1.1.3 生物滯留池植物的選擇

通過之前研究草、鳶尾(IristectorumMaxim.)和八寶景天(Hylotelephiumerythrostictum(Miq.) H.Ohba)對(duì)生物滯留池出水的影響發(fā)現(xiàn)，種植八寶景天的生物滯留池出水明顯好于其他幾組，因此本研究選擇種植八寶景天。

1.2 生物滯留池結(jié)構(gòu)

生物滯留池內(nèi)部介質(zhì)包括粗砂、土壤、礫石和土工布，表1為生物滯留池填料的理化性質(zhì)。按照?qǐng)D1的結(jié)構(gòu)填充生物滯留池，分別裝填1.44、1.40、1.35 g/cm3的粗砂、土壤、礫石，土工布厚度為0.6 mm。土壤層每裝填5 cm，層間打毛。在土壤層裝填完后種植八寶景天，種植密度為25棵/m2。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 生物滯留池的進(jìn)水與出水

選擇天津理工大學(xué)校園內(nèi)一屋面，并選擇一個(gè)雨落管，該雨落管控制的屋面面積大約為215 m2。降雨時(shí)收集雨落管流出的全部徑流，并將收集的徑流倒入聚乙烯桶中，降雨停止后一天開始生物滯留池實(shí)驗(yàn)。將存儲(chǔ)的屋面徑流攪勻，先采集1.5 L存儲(chǔ)后的水樣分析水質(zhì)指標(biāo)，然后將收集的屋面徑流平均分為3份，分別作為3個(gè)生物滯留池的進(jìn)水。通過此種方法收集屋面徑流，受到降雨量、徑流系數(shù)等的影響，每次生物滯留池的進(jìn)水量也有所變化。將均分后的徑流一次性分別加入3個(gè)生物滯留池中。

注：15 cm-表層表示生物滯留池內(nèi)部土壤層厚度為15 cm，進(jìn)水方式為表層進(jìn)水，其余類推。圖1 生物滯留池的結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure diagram of bioretention cells

表1 填料的理化性質(zhì)

在取樣口開始出水時(shí)，開始記錄時(shí)間并分別收集0～5、5～10、10～15、15～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～90 min的全部水樣，記錄體積，然后取1.5 L用于測定SS、pH、COD、TN、TP等水質(zhì)指標(biāo)。pH、SS、COD、TN、TP分析方法分別為玻璃電極法、重量法、重鉻酸鹽法、堿性過硫酸鉀紫外分光光度法、鉬酸銨分光光度法[17]。

1.3.2 生物滯留池對(duì)屋面徑流的控制效果

得到水質(zhì)數(shù)據(jù)、水量數(shù)據(jù)后，計(jì)算進(jìn)出生物滯留池的污染物總量和各污染物的總?cè)コ省?/p>

2 結(jié)果與討論

2.1 生物滯留池進(jìn)水

實(shí)驗(yàn)期間共采集4次屋面徑流，分別為2018年8月13日、8月19日、8月30日和9月19日。生物滯留池實(shí)驗(yàn)控制的屋面徑流水質(zhì)如表2所示。由表2可知，屋面徑流污染較嚴(yán)重。屋面徑流的pH較為穩(wěn)定，基本是中性。COD、TN為《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)劣Ⅴ類。屋面徑流中TP濃度較低，為GB 3838—2002 Ⅰ、Ⅱ類，因此下文中生物滯留池出水TP濃度不再分析，只分析TP的去除率。

2.2 生物滯留池出水

2.2.1 pH和SS

表3為生物滯留池出水SS和pH。在土壤的緩沖作用下，生物滯留池出水pH為7.20～7.71，出水SS為9.2～34.5 mg/L。

2.2.2 COD

如圖2所示，4次實(shí)驗(yàn)3個(gè)生物滯留池出水COD均大幅低于進(jìn)水。對(duì)于不同土壤層厚度的表層進(jìn)水生物滯留池而言，生物滯留池進(jìn)水COD質(zhì)量濃度為173、212 mg/L時(shí)(即圖2(c)和圖2(d))，裝填15 cm土壤的生物滯留池的出水COD質(zhì)量濃度約為裝填20 cm土壤的生物滯留池出水的1.4～3.5倍；生物滯留池進(jìn)水COD質(zhì)量濃度為142、125mg/L時(shí)(見圖2(a)和圖2 (b))，不同土壤層厚度的表層進(jìn)水生物滯留池前期出水COD質(zhì)量濃度接近，后期依然是裝填20 cm土壤的生物滯留池出水COD略低一些，由于裝填15 cm土壤的生物滯留池出水量更大，所以出水COD總質(zhì)量較大。這說明土壤層越厚越有利于降低進(jìn)水中的COD。

對(duì)于不同進(jìn)水方式而言，當(dāng)進(jìn)水COD質(zhì)量濃度較低時(shí)，側(cè)向進(jìn)水的生物滯留池出水COD質(zhì)量濃度略低；當(dāng)進(jìn)水COD質(zhì)量濃度較高時(shí)，側(cè)向進(jìn)水的生物滯留池在前期出水較高，后期兩種進(jìn)水方式的生物滯留池出水COD質(zhì)量濃度無顯著差異。

2.2.3 TN

如圖3所示，8月19日生物滯留池進(jìn)水TN較低，為2.91 mg/L，8月13日生物滯留池進(jìn)水TN質(zhì)量濃度為6.54 mg/L，而8月30日和9月19日生物滯留池進(jìn)水TN質(zhì)量濃度較高。4次實(shí)驗(yàn)生物滯留池的出水TN質(zhì)量濃度均大幅低于進(jìn)水，說明3個(gè)生物滯留池對(duì)TN的去除效果較好。

對(duì)不同土壤層厚度的表層進(jìn)水生物滯留池而言，裝填15 cm土壤的生物滯留池出水TN質(zhì)量濃度，無論進(jìn)水TN質(zhì)量濃度高低，均高于裝填20 cm土壤的生物滯留池出水TN質(zhì)量濃度，裝填15 cm土壤的生物滯留池出水TN是裝填20 cm土壤生物滯留池的1.3～5.7倍。

表2 生物滯留池進(jìn)水水質(zhì)

表3 生物滯留池出水pH和SS

圖2 生物滯留池出水COD變化Fig.2 Changes of COD in the effluent of bioretention cells

圖3 生物滯留池出水TN變化Fig.3 Changes of TN in the effluent of bioretention cells

對(duì)于不同進(jìn)水方式同樣土壤層厚度的生物滯留池而言，8月19日側(cè)向進(jìn)水的生物滯留池前期出水顯著高于表層進(jìn)水，后期出水TN幾乎一致。8月13日兩種進(jìn)水方式的生物滯留池出水TN相當(dāng)。8月30日和9月19日生物滯留池出水TN同時(shí)還受進(jìn)水量的影響。8月30日進(jìn)水量為42.5 L，側(cè)向進(jìn)水的生物滯留池前期出水TN質(zhì)量濃度遠(yuǎn)高于表層進(jìn)水的生物滯留池，后期則略高于表層進(jìn)水的生物滯留池。而9月19日進(jìn)水為75.0 L，側(cè)向進(jìn)水的生物滯留池出水TN是表層進(jìn)水生物滯留池的2.9～3.7倍。

2.3 生物滯留池的凈化效率

生物滯留池出水pH與SS隨時(shí)間基本無顯著變化，SS去除率為92.2%～98.7%。

圖4為3個(gè)生物滯留池分別對(duì)8月13日、8月19日、8月30日和9月19日屋面徑流中COD、TN和TP的總?cè)コ省?/p>

裝填15、20 cm土壤，表層進(jìn)水的生物滯留池對(duì)COD的去除率分別為71.1%、91.7%，對(duì)TN的去除率分別為65.6%、93.8%，對(duì)TP的去除率分別為15.2%、70.1%。裝填20 cm土壤的生物滯留池各污染物的去除率至少高20百分點(diǎn)，TP甚至高約55百分點(diǎn)。這說明生物滯留池內(nèi)部土壤層厚度對(duì)屋面徑流中污染物的去除發(fā)揮了重要作用。

裝填20 cm土壤表層進(jìn)水和側(cè)向進(jìn)水的生物滯留池對(duì)COD的去除率分別為91.7%、90.4%，對(duì)TN的去除率分別為93.8%、86.5%，對(duì)TP的去除率分別為70.1%和72.7%。側(cè)向進(jìn)水的生物滯留池除了TP去除率略高于表層進(jìn)水的生物滯留池外，其余均是表層進(jìn)水生物滯留池污染物去除率較高，高約1.3～7.3百分點(diǎn)?？傮w來看，兩種進(jìn)水方式的生物滯留池污染物去除能力相當(dāng)，表層進(jìn)水略優(yōu)于側(cè)向進(jìn)水。

3 結(jié) 論

(1) 實(shí)驗(yàn)采集的屋面徑流污染嚴(yán)重，屋面徑流的COD、TN為GB 3838—2002劣Ⅴ類，而TP質(zhì)量濃度較低，為GB 3838—2002 Ⅰ、Ⅱ類。

(2) 生物滯留池出水pH和SS無顯著變化，而對(duì)于不同土壤層厚度的表層進(jìn)水生物滯留池而言，土壤層為20 cm的生物滯留池出水污染物質(zhì)量濃度低于土壤層為15 cm的生物滯留池；對(duì)于不同進(jìn)水方式的生物滯留池而言，表層進(jìn)水的生物滯留池出水COD質(zhì)量濃度較高，TN較低。

圖4 生物滯留池對(duì)屋面徑流中污染物的去除率Fig.4 Removal efficiency of pollutants in roof runoff by bioretention cells

(3) 3個(gè)生物滯留池的SS去除率為92.2%～98.7%。土壤層為20 cm的表層進(jìn)水生物滯留池污染物去除率顯著高于土壤層為15 cm的表層進(jìn)水生物滯留池。土壤層為20 cm的表層進(jìn)水生物滯留池對(duì)COD、TN和TP平均去除率分別為91.7%、93.8%、70.1%。

(4) 表層進(jìn)水和側(cè)向進(jìn)水的生物滯留池對(duì)COD、TN和TP的去除能力總體相當(dāng)，裝填20 cm土壤，表層進(jìn)水和側(cè)向進(jìn)水的生物滯留池對(duì)COD的去除率分別為91.7%、90.4%，對(duì)TN的去除率分別為93.8%、86.5%，對(duì)TP的去除率分別為70.1%和72.7%。