5.4 海绵设施对径流污染的控制

伴随城市化的快速发展,城市下垫面属性发生巨大变化,影响了原有的水文循环,原来大面积透水性地表逐渐被建筑物、沥青等不透水材料覆盖,阻断了降雨径流入渗地下的通道,降雨径流的峰值流量变大、峰值出现时间提前和径流总量变大,造成城市内涝频繁发生;并且,降雨径流冲刷城市地表,携带大量地表污染物,汇入城市水体,造成城市水体污染加剧,加重了局部地区生态环境负荷。城市降雨径流污染已经成为城市水体水质恶化、河流生态系统退化的重要原因之一。研究表明,北京和上海城区降雨径流污染占水体污染负荷的10%~20%(中心城区超过50%);北京市路面、屋面降雨径流中TSS、COD、TN、TP、Pb(铅)和Zn(锌)等污染物的浓度均高于美国、法国、德国等国家。另有调查显示,我国90%以上的城市水体污染较为严重,很多城市水体存在黑臭或水华现象。美国国家环保署(USEPA)把城市降雨径流列为导致全美河流湖泊污染的第三大污染源(比例在18%以上),并认为城市水体中40%~80%的生物需氧量(BOD)与COD来自城市降雨径流污染。

由于城市降雨径流有径流量大、初期污染严重、污染负荷时间与空间的差异性和集中收集困难等特点,造成末端管理措施治理投入大,促使降雨径流生态净化利用的概念越来越受到重视。对城市降雨径流及其污染,海绵城市措施可以实现削减径流峰值流量、延迟峰值出现时间、削减径流总量、削减径流污染负荷等生态目标。海绵城市措施既适用于新城开发也适用于旧城改造,其主要措施包括雨水花园、绿色屋顶、透水铺装、植被浅沟和缓冲带等。目前,雨水花园较为普遍,应用较广,对降雨径流及其污染的削减效果在美国及其他发达国家已得到广泛认同与应用。

5.4.1　海绵设施对污染物去除机理

(1)固体悬浮物　雨水径流中的固体悬浮物本身的危害在于其浊化接纳水体,浊化速度远超过水体的自净能力,水体质量下降,各种污染物繁殖迅速,影响整个水体景观的透明度和观赏性;同时固体悬浮物还容易在城市排水管道沉积,导致城市排水系统堵塞。LID设施对雨水径流中总固体悬浮物的净化作用主要靠在表面的沉降、填充介质吸附作用和土壤介质的过滤,并没有其他复杂的生物化学反应过程。

(2)含氮污染物　LID设施对含氮污染物的去除主要通过沉淀以及土壤基质的吸附、过滤、微生物硝化和反硝化等作用。有机氮主要通过土壤的吸附、过滤等作用去除。

① 吸附作用:因土壤颗粒表面带负电,铵态氮表面带正电,所以铵态氮进入生物滞留系统后首先被土壤及其他填料吸附,进而被去除。土壤基质的阳离子交换能力直接决定了土壤对铵态氮离子的吸附量,同时土壤的温度、湿度等也影响土壤对铵态氮的吸附能力,其他种类阴离子的吸附去除量则取决于土壤颗粒表面的吸力大小和电子平衡。

② 硝化作用:该作用主要通过土壤内微生物进行。亚硝化菌将N转化为N获得能量,硝化菌再将N转化为N获得能量,从而将铵态氮最终转化为N,在形态上去除了铵态氮,增加了硝态氮。

③ 反硝化作用:反硝化细菌利用硝态氮和亚硝态氮作为电子受体,在厌氧环境下将其转化为气体的过程称作反硝化。在好氧环境下,微生物的呼吸作用所造成的局部厌氧,使得在好氧环境下土壤系统中也有可能发生反硝化作用。影响反硝化作用的主要因素有pH、温度、硝态氮含量以及是否为厌氧环境等。

土壤中的N积累到某一浓度,其会与系统中的有机物发生化学反应生成N₂、N₂O和NO₂等。植物对生物滞留系统的除氮有直接和间接作用。直接作用主要指氮素的同化作用和植物吸收,因降雨过程中径流在系统内的停留时间非常短,对进入系统内的氮素进行快速固定非常重要,植物根系对氮素的吸收和吸附作用十分重要,尤其是根系茂密发达的植物作用更加显著。间接作用主要指作物涵养水源、影响土壤pH,提高硝化和反硝化作用的速率等,相关研究也表明在炎热夏天的雨季湿地植物的反硝化作用明显强于旱季。

(3)含磷污染物　城市雨水径流中磷主要来自以下几方面:绿化肥料流失;各种汽车尾气排放;现存和腐烂的植物;动物粪便和残骸;生活洗涤剂等。尽管磷元素是植物生长必不可少的,但是过量的磷进入水体会导致水体富营养化,藻类泛滥,水功能退化,生物多样性减少。对于一般普通填料的生物滞留系统而言,其对总磷的去除是有限的,对于颗粒态总磷经过雨水花园表层沉淀和过滤作用,处理净化效果相对较好;而对于溶解态的总磷,主要靠介质吸附作用去除,而介质对溶解态总磷的吸附作用又分为永久性吸附和临时性吸附,永久性吸附一般是不可逆的,吸附量较小,这和介质本身特性有关,临时性吸附是可逆的,前一次降雨被临时吸附的溶解态磷可能在下次降雨被淋洗冲刷排出,具体的淋洗冲刷量与降雨强度和介质的实际吸附能力有关。土壤介质对磷的去除主要包括沉淀、吸附以及微生物的同化作用。

5.4.2　典型海绵设施(雨水花园)概述

海绵设施具有多种形式,此次以应用较多的雨水花园为例,研究海绵设施对径流污染的贡献。

雨水花园(rain gardens),又称生物滞留系统(bioretention system),根据其外观、大小、建造位置和适用范围可分为植生滞留槽(bioretention)、滞留带、滞留花坛和树池4种类型。雨水花园自上而下一般可分为蓄水层、覆盖层、种植土壤层、砂层和砾石层等。

雨水花园主要用于处理高频率的小降雨与低频率暴雨事件的初期降雨径流,超出处理能力的降雨径流,即可通过溢流汇入排水管网,也可通过底部管道输送至排水管网,避免溢流。雨水花园的优点:建造成本低、养护投入少,选用当地植物;与景观结合,美化环境;补充地下水、削减降雨径流总量和峰值流量作用突出。为了提高削减效果,应建造在可直接接收降雨径流的位置。雨水花园结构如图5⁃6,雨水花园应用实景如图5⁃7。

5.4.3　雨水花园对出流雨水污染物的影响

蒋沂孜等研究了在实验室条件下,不同的污染物负荷下雨水花园对各种污染物的削减作用。雨水花园层间构造如图5⁃8所示。植物选取雨水花园中常用的香菇草。香菇草属于伞形科天胡萎属,喜光,可栽于陆地和浅水区,其具有较强的适应能力和繁殖能力,能够适应从水到旱、从强光到荫蔽等多种生存环境,有着较好的耐受性,并且对污染物的综合吸收和富集能力较强。25mm的功能性填料选择石英砂。在不同污染负荷条件下处理道路雨水径流,每10min采集一个出水水样,实验时间安排为1h及3h,分析雨水花园对污染物的处理效果。由于实验中需要大量道路雨水径流,直接采集路面雨水径流困难且无法满足实验需求,所以进水采用人工配制的雨水径流。整理相关数据,得到雨水花园表面污染负荷(进水污染物浓度与雨水花园面积的比值)与污染物去除率的关系。由于实验条件是在实验室条件下,雨水径流采用人工配水,所以实验结果具有通用性。实验数据见表5⁃2。污染物去除率用于表征雨水花园的性能,污染物去除率的数学表达式为:

污染物去除率(%)=

本实验采用雨水花园面积为0.0784m2,可得到雨水花园表面污染负荷与污染物去除率的关系,见表5⁃3。

根据表5⁃3的数据进行曲线拟合,可分别得到各种污染物的表面污染负荷与污染物去除率的关系。

5.4.3.1　雨水花园表面污染负荷与SS去除率的关系

图5⁃9为SS表面污染负荷与去除率的关系,从图中可以看出随着表面负荷的增大,SS去除率也有增大的趋势,但增长速度逐渐减弱。雨水花园对SS的去除主要通过过滤截留作用。

通过曲线拟合得到表面污染负荷与SS去除率的关系为:

式中　y——SS去除率,%;

　　x——SS表面污染负荷,mg/(L·m2)。

5.4.3.2　雨水花园表面污染负荷与COD去除率的关系

图5⁃10为COD表面污染负荷与去除率的关系,从图中可以看出随着表面负荷的增大,COD的去除率逐渐减小,相同的雨水花园大小下,COD浓度越大,去除率越小。

通过曲线拟合得到表面污染负荷与COD去除率的关系为:

y=219.08x-0.289　　R2=0.8665

式中　y——COD去除率,%;

　　x——COD表面污染负荷,mg/(L·m2)。

5.4.3.3　雨水花园表面污染负荷与TP去除率的关系

图5⁃11为TP表面污染负荷与去除率的关系,从图中可以看出随着表面负荷的增大,TP的去除率逐渐减小,相同的雨水花园大小下,TP浓度越大,去除率越小。

通过曲线拟合得到表面污染负荷与TP去除率的关系为:

y=87.075e-0.025x　　R2=0.9948

式中　y——TP去除率,%;

　　x——TP表面污染负荷,mg/(L·m2)。

5.4.3.4　雨水花园表面污染负荷与TN去除率的关系

图5⁃12为TN表面污染负荷与去除率的关系,从图中可以看出随着表面负荷的增大,TN的去除率逐渐减小,相同的雨水花园大小下,TN浓度越大,去除率越小。

通过曲线拟合得到表面污染负荷与TN去除率的关系为:

y=112.95x-0.282　　R2=0.9552

式中　y——TN去除率,%;

　　x——TN表面污染负荷,mg/(L·m2)。