北京市典型雨水工程污染物去除效果監(jiān)測分析
近年來，在海綿城市建設(shè)的大背景下，北京市新建了大量的雨水利用、控制工程（簡稱雨水工程），如蓄水池、植草溝、透水鋪裝、生物滯留池等，工程數(shù)量和綜合利用能力逐年增加。據(jù)統(tǒng)計，2019年北京市共有雨水工程2 850處，當年雨水的綜合利用量為5 024萬m3[1]。
大量的雨水工程不僅可以削減降雨徑流量、防止城市內(nèi)澇問題，而且對非點源污染也有積極的控制作用[2-3]。雖然采用人工模擬法和模型法對雨水工程進行研究發(fā)展已久，但是雨水工程的實際監(jiān)測情況仍然是評價其環(huán)境效益的重要基礎(chǔ)，特別是對環(huán)境清單編制和流域水質(zhì)目標管理有重要的支撐意義。目前已有學(xué)者對雨水工程的徑流量和污染物控制進行了監(jiān)測評價[4-6]。筆者選取北京市典型的3類雨水工程，包括生物滯留池、植草溝和透水鋪裝，進行雨水污染物濃度監(jiān)測，對比不同工程的污染物去除率，以期為雨水工程的選擇、非點源污染控制和水質(zhì)目標管理提供科學(xué)依據(jù)。
1. 典型雨水工程概況
生物滯留池位于亦莊經(jīng)濟開發(fā)區(qū)博大大廈西側(cè)停車場內(nèi)，建設(shè)面積為1 500 m2。匯水范圍為停車場，瀝青地面，面積約為15 000 m2，場內(nèi)車流量較大。滯留池內(nèi)種植有馬藺和千屈菜等，以馬藺為主，均長勢良好。雨水通過池體預(yù)留豁口進入，通過溢流方式進入雨水井后排走。
植草溝位于亦莊經(jīng)濟開發(fā)區(qū)科創(chuàng)十七街南側(cè)路邊，建設(shè)面積為1 200 m2，匯水范圍為科創(chuàng)十七街路面，瀝青道路，面積約為5 000 m2，該街道車流量較少。植草溝內(nèi)主要種植千屈菜，搭配有少量馬藺，部分地面尚未被植物覆蓋。雨水匯集后通過豁口進入植草溝，雨水下滲或溢流進入雨水井后排走。
透水鋪裝位于昌平區(qū)未來科技城濱河大道南側(cè)的一處停車場，場內(nèi)車流量較少，工作日時間停車場內(nèi)幾乎無車輛停放。透水鋪裝包括透水混凝土、透水磚和植被磚，建設(shè)面積均為30 m2。鋪裝地面自西向東傾斜，東側(cè)設(shè)有雨水收集渠，最后匯入取樣井。
2. 雨水樣品采集與分析
雨水樣品采集自2018年7月20日的降水，前期晴天日為3 d。降水形成徑流后，按照間隔10 min依次收集雨水工程的進水及出水樣品。
監(jiān)測的水質(zhì)指標包括COD及懸浮固體（SS）、氨氮、總磷、鉛和銅濃度。COD采用HJ 828—2017《水質(zhì) 化學(xué)需氧量的測定 重鉻酸鹽法》測定，SS濃度采用GB 11901—1989《水質(zhì) 懸浮物的測定 重量法》測定，氨氮濃度采用HJ 535—2009《水質(zhì) 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》測定，總磷濃度采用GB 11893—1989《水質(zhì) 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》測定，鉛和銅濃度采用HJ 776—2015《水質(zhì) 32種元素的測定 電感耦合等離子體發(fā)射光譜法》測定。
3. 不同雨水工程的污染物去除效果
3.1 生物滯留池
生物滯留池進出水水質(zhì)與污染物去除率見表1。從表1可以看出，生物滯留池進水水質(zhì)相當于GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》劣Ⅴ類，特別是COD較高，為72~86 mg/L，進水水質(zhì)差主要是由工程匯水范圍內(nèi)車流量較大引起的。
生物滯留池對COD、SS、氨氮和總磷均有明顯的去除作用，特別是對COD和SS去除效果較好，平均去除率分別達到82.1%和70.7%，最高去除率分別達到86%和79%，出水水質(zhì)達到地表水Ⅲ類標準。生物滯留池主要依靠填料吸附、生物降解和植物吸收作用去除雨水中有機物，其中填料吸附是最主要的作用[4]。SS主要通過沉淀和填料過濾作用去除，據(jù)報道生物滯留池對SS的去除有較好的效果，穩(wěn)定運行后去除率在80%以上，甚至可以達到95%[7-9]。本研究中生物滯留池植物生長茂盛、設(shè)施完善，因此對COD、SS有較好的去除效果，其中SS平均去除率較文獻中偏低，主要原因是進水SS濃度偏低，出水低于檢測限所致。
與COD、SS相比，生物滯留池對氨氮、總磷的平均去除率低，分別為62.3%和48.2%。氨氮由微生物硝化作用轉(zhuǎn)化為硝酸鹽氮，繼而通過填料吸附、植物吸收去除。相對于總氮，氨氮去除效果較好。Li等[10]研究表明，傳統(tǒng)生物滯留池對氨氮的去除率可以達到89%，但對總氮的去除率僅為41%。楊銀川等[11]研究表明，生物滯留池對總氮和氨氮的去除率分別為78%和93%，差異顯著。磷是通過過濾吸附、離子交換、植物吸收等作用去除的，本研究中，總磷的去除率不穩(wěn)定，為6%~75%。國內(nèi)外學(xué)者對生物滯留池去除總磷效果的研究結(jié)果差異較大，如美國北卡羅來納州和納什維爾的生物滯留池對總磷去除率分別為?240%和19%，澳大利亞無植物的生物滯留池對總磷的去除率最高可達94%[12-14]，毛月鵬等[9]研究表明，生物滯留池對屋面徑流中總磷的去除率為72.7%。生物滯留池的結(jié)構(gòu)、填料及植物種類是總磷去除的重要影響因素。本研究中生物滯留池的主要種植植物為馬藺，Yang等[15]對30種植物進行對比，發(fā)現(xiàn)種植馬藺的生物滯留池對總磷的去除率僅為25%左右，同等條件下種植馬唐對總磷的去除率則達到85%。
生物滯留池對重金屬有良好的去除效果，出水中鉛的濃度在檢測限以下，去除率最高為46%，銅的平均去除率達到90.6%。重金屬在雨水中的形式包括顆粒態(tài)和溶解態(tài)，顆粒態(tài)主要通過沉淀、過濾去除，溶解態(tài)則以吸附和植物吸收去除為主。根據(jù)已有研究結(jié)果，對于維護良好、運行正常的生物滯留池來說，重金屬均有較為理想的去除效果[16]。但是雨水中重金屬大多以顆粒態(tài)形式存在，主要通過填料的物理截留作用去除，重金屬會在填料表層沉積，并在植物根部富集，影響填料和植物正常功能的發(fā)揮，甚至造成二次污染[17]。
3.2 植草溝
植草溝的進出水水質(zhì)與污染物去除率見表2。從表2可以看出，進水徑流中COD、氨氮濃度分別為21~38和1.32~1.90 mg/L。進水污染物濃度相對較低，推測原因是匯水范圍內(nèi)道路車輛較少，且前期晴天日較短。對比COD、氨氮、總磷和SS 4種污染物，植草溝對氨氮的去除效果最好，平均去除率達到91.3%，平均出水濃度為0.12 mg/L。但是文獻報道的植草溝對氨氮的去除率相差較大，如楊銀川等[11]發(fā)現(xiàn)植草溝對氨氮的去除率達93%，而章茹等[18]研究表明，植草溝對氨氮的去除率僅為19%。與氨氮相似，SS和COD的去除效果在不同研究中也相差較大。本研究植草溝對SS和COD的平均去除率分別為51.9%和40.3%。荊武等[19]研究表明，植草溝對COD的去除率僅為4.3%，而付恒陽等[20]研究結(jié)果為76.5%。不同研究中植草溝的污染物去除效果差別較大，主要是因為植草溝結(jié)構(gòu)相對簡單，抗沖擊能力較弱，降水強度、植物種類、進出水方式等都會對其污染物去除效果產(chǎn)生影響。如下滲徑流與溢流徑流對污染物去除存在影響，研究表明下滲徑流相對于表面溢流徑流在污染物去除方面更有優(yōu)勢，主要是因為植物根系和土壤對下滲徑流的過濾截留作用更明顯[21]。另有研究表明，降水強度越大，徑流污染的控制效果越差。如李海燕等[22]實地監(jiān)測并分析了植草溝在暴雨事件中的凈化效果，結(jié)果表明，SS、氨氮、COD的平均去除率僅有10%~35%。
值得注意的是，雨水中總磷經(jīng)過植草溝后濃度不降反增，出水最高濃度達到0.56 mg/L，相當于地表水劣Ⅴ類水質(zhì)。推測原因有2個：1）顆粒態(tài)總磷主要依靠土壤和植物根系進行過濾截留，植物的密度和生長情況對其影響較大，而本研究植草溝缺乏維護管理，植物生長狀況不良，表面植被覆蓋率低，植物根系未充分發(fā)揮作用；2）總磷進水平均濃度為0.15 mg/L，在低進水濃度下植草溝容易發(fā)生總磷的釋放。黃俊杰等[23]研究發(fā)現(xiàn)，在總磷進水濃度小于0.2 mg/L時，植草溝發(fā)生了磷的釋放，導(dǎo)致其出水濃度高于進水。
3.3 透水鋪裝
不同鋪裝類型的進出水水質(zhì)和污染物去除率見表3。從表3可以看出，透水混凝土、透水磚和植被磚3種鋪裝的進水COD明顯低于瀝青路面，是因為瀝青路面溶出有機物導(dǎo)致其雨水徑流中COD偏高[24]。植被磚的SS和氨氮進水濃度明顯高于透水混凝土、透水磚和瀝青路面，相當于地表水劣Ⅴ類水質(zhì)，推測原因是植被磚孔隙中植被稀疏，導(dǎo)致土壤顆粒被雨水沖刷進入徑流。
從污染物去除率看，透水混凝土對COD、氨氮、總磷和SS的去除率均為最佳，平均去除率分別為57.0%、72.7%、79.4%和82.2%；透水磚和植被磚對COD、總磷和SS的去除率較為接近，平均去除率分別為33.2%~33.3%、46%~48%和49.7%~56.1%。從出水水質(zhì)看，透水混凝土的出水水質(zhì)最好，達到地表水Ⅱ類水質(zhì)標準；透水磚和植被磚稍差，為地表水 Ⅴ類水質(zhì)標準。其中，透水磚和植被磚出水水質(zhì)較差的指標為氨氮，如植被磚氨氮出水濃度最高達到1.94 mg/L，接近地表水Ⅴ類水質(zhì)限值。另外在透水磚鋪裝中，出現(xiàn)氨氮出水濃度高于進水的現(xiàn)象，氨氮平均去除率為?37.9%。秦余朝[25]研究表明，透水磚鋪裝對氨氮的去除率為?21.2%，單獨的透水磚會引起出水中氨氮濃度升高。氨氮的去除主要發(fā)生在透水鋪裝面層以下的結(jié)構(gòu)，因此推測本研究中出水氨氮濃度升高是由透水磚材料釋放造成的。
本研究中透水鋪裝建成2年，使用年限較短，對污染物的去除效果明顯。有研究證明，隨著使用年限的增長，透水鋪裝去除污染物的效果會逐步下降[25]，但是通過清洗，可使透水鋪裝材料中污染物（特別是COD和氨氮）溶出，使其對污染物的去除效果有所恢復(fù)。因此，透水鋪裝工程應(yīng)及時清洗維護，以保持其污染物去除效能[26]。
4. 不同雨水工程污染物去除效果對比
根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，結(jié)合文獻報道，對生物滯留池、植草溝、透水混凝土鋪裝、透水磚鋪裝和植被磚鋪裝5種措施的污染物去除效果進行比較，結(jié)果如圖1所示。從圖1可以看出，COD去除率為生物滯留池>透水混凝土>植草溝>植被磚>透水磚，氨氮去除率為植草溝>透水混凝土>生物滯留池>植被磚>透水磚，總磷去除率為透水混凝土≈生物滯留池>透水磚>植被磚>植草溝，SS去除率為透水混凝土≈生物滯留池>植草溝>植被磚>透水磚。生物滯留池和透水混凝土對各污染物均有較好的去除效果。但是二者的建設(shè)維護成本相差較大，生物滯留池的成本為734.8元/m2，而透水鋪裝僅為183.6元/m2，具有明顯的經(jīng)濟優(yōu)勢[27]。
與生物滯留池和透水混凝土相比，植草溝在去除COD、SS和總磷方面不具優(yōu)勢，特別是總磷。但是植草溝在去除氨氮方面有明顯優(yōu)勢，平均去除率為84.4%。此外，植草溝的建設(shè)維護成本僅為116.3元/m2，經(jīng)濟優(yōu)勢顯著[27]。
綜合考慮幾種措施的污染物去除效果和經(jīng)濟因素，推薦經(jīng)濟條件允許的城鎮(zhèn)地區(qū)使用生物滯留池和透水混凝土鋪裝。對于農(nóng)村地區(qū)，特別是用于控制農(nóng)業(yè)面源污染時，可以選擇成本較低，但具有污染物去除優(yōu)勢的植草溝。
5. 結(jié)論與展望
根據(jù)生物滯留池、植草溝、透水混凝土鋪裝、透水磚鋪裝和植被磚鋪裝5種雨水工程的實際監(jiān)測結(jié)果，并綜合文獻報道，發(fā)現(xiàn)生物滯留池和透水混凝土具有較好的污染物去除效果，植草溝對于氨氮的去除具有獨特的優(yōu)勢。植草溝的工程維護，特別是植被的生長情況，對于污染物的去除率有重要影響。若植被維護不善，不僅會影響其污染物去除效果，甚至?xí)蔀橛晁廴镜脑搭^。
本研究主要監(jiān)測下滲雨水中的污染物去除效果，而表面溢流雨水同樣需要關(guān)注。特別是在降水強度較大時，溢流占比相對較高，且溢流雨水中污染物去除易受外界因素影響，如降水強度、歷時、污染物初始濃度等。因此在后續(xù)研究中，應(yīng)結(jié)合雨水徑流量，開展雨水工程污染物去除的定量監(jiān)測，綜合評價各種措施的效益-成本曲線，為實際雨水工程的選擇提供依據(jù)。
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