典型雨水工程污染物去除效果监测分析.doc

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1、典型雨水工程污染物去除效果监测分析近年来，在海绵城市建设的大背景下，北京市新建了大量的雨水利用、控制工程（简称雨水工程），如蓄水池、植草沟、透水铺装、生物滞留池等，工程数量和综合利用能力逐年增加。据统计，2019年北京市共有雨水工程2 850处，当年雨水的综合利用量为5024万m31。大量的雨水工程不仅可以削减降雨径流量、防止城市内涝问题，而且对非点源污染也有积极的控制作用2-3。虽然采用人工模拟法和模型法对雨水工程进行研究发展已久，但是雨水工程的实际监测情况仍然是评价其环境效益的重要基础，特别是对环境清单编制和流域水质目标管理有重要的支撑意义。目前已有学者对雨水工程的径流量和污染物控制进行了

2、监测评价4-6。笔者选取北京市典型的3类雨水工程，包括生物滞留池、植草沟和透水铺装，进行雨水污染物浓度监测，对比不同工程的污染物去除率，以期为雨水工程的选择、非点源污染控制和水质目标管理提供科学依据。1. 典型雨水工程概况生物滞留池位于亦庄经济开发区博大大厦西侧停车场内，建设面积为1 500 m2。汇水范围为停车场，沥青地面，面积约为15 000 m2，场内车流量较大。滞留池内种植有马蔺和千屈菜等，以马蔺为主，均长势良好。雨水通过池体预留豁口进入，通过溢流方式进入雨水井后排走。植草沟位于亦庄经济开发区科创十七街南侧路边，建设面积为1 200 m2，汇水范围为科创十七街路面，沥青道路，面积约为5

3、 000 m2，该街道车流量较少。植草沟内主要种植千屈菜，搭配有少量马蔺，部分地面尚未被植物覆盖。雨水汇集后通过豁口进入植草沟，雨水下渗或溢流进入雨水井后排走。透水铺装位于昌平区未来科技城滨河大道南侧的一处停车场，场内车流量较少，工作日时间停车场内几乎无车辆停放。透水铺装包括透水混凝土、透水砖和植被砖，建设面积均为30 m2。铺装地面自西向东倾斜，东侧设有雨水收集渠，最后汇入取样井。2. 雨水样品采集与分析雨水样品采集自2018年7月20日的降水，前期晴天日为3 d。降水形成径流后，按照间隔10 min依次收集雨水工程的进水及出水样品。监测的水质指标包括COD及悬浮固体（SS）、氨氮、总磷、铅

4、和铜浓度。COD采用HJ 8282017水质 化学需氧量的测定 重铬酸盐法测定，SS浓度采用GB 119011989水质 悬浮物的测定 重量法测定，氨氮浓度采用HJ 5352009水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法测定，总磷浓度采用GB 118931989水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法测定，铅和铜浓度采用HJ 7762015水质 32种元素的测定 电感耦合等离子体发射光谱法测定。3. 不同雨水工程的污染物去除效果3.1 生物滞留池生物滞留池进出水水质与污染物去除率见表1。从表1可以看出，生物滞留池进水水质相当于GB 38382002地表水环境质量标准劣类，特别是COD较高，为7286 m

5、g/L，进水水质差主要是由工程汇水范围内车流量较大引起的。生物滞留池对COD、SS、氨氮和总磷均有明显的去除作用，特别是对COD和SS去除效果较好，平均去除率分别达到82.1%和70.7%，最高去除率分别达到86%和79%，出水水质达到地表水类标准。生物滞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机物，其中填料吸附是最主要的作用4。SS主要通过沉淀和填料过滤作用去除，据报道生物滞留池对SS的去除有较好的效果，稳定运行后去除率在80%以上，甚至可以达到95%7-9。本研究中生物滞留池植物生长茂盛、设施完善，因此对COD、SS有较好的去除效果，其中SS平均去除率较文献中偏低，主要原因

6、是进水SS浓度偏低，出水低于检测限所致。与COD、SS相比，生物滞留池对氨氮、总磷的平均去除率低，分别为62.3%和48.2%。氨氮由微生物硝化作用转化为硝酸盐氮，继而通过填料吸附、植物吸收去除。相对于总氮，氨氮去除效果较好。Li等10研究表明，传统生物滞留池对氨氮的去除率可以达到89%，但对总氮的去除率仅为41%。杨银川等11研究表明，生物滞留池对总氮和氨氮的去除率分别为78%和93%，差异显著。磷是通过过滤吸附、离子交换、植物吸收等作用去除的，本研究中，总磷的去除率不稳定，为6%75%。国内外学者对生物滞留池去除总磷效果的研究结果差异较大，如美国北卡罗来纳州和纳什维尔的生物滞留池对总磷去除

7、率分别为240%和19%，澳大利亚无植物的生物滞留池对总磷的去除率最高可达94%12-14，毛月鹏等9研究表明，生物滞留池对屋面径流中总磷的去除率为72.7%。生物滞留池的结构、填料及植物种类是总磷去除的重要影响因素。本研究中生物滞留池的主要种植植物为马蔺，Yang等15对30种植物进行对比，发现种植马蔺的生物滞留池对总磷的去除率仅为25%左右，同等条件下种植马唐对总磷的去除率则达到85%。生物滞留池对重金属有良好的去除效果，出水中铅的浓度在检测限以下，去除率最高为46%，铜的平均去除率达到90.6%。重金属在雨水中的形式包括颗粒态和溶解态，颗粒态主要通过沉淀、过滤去除，溶解态则以吸附和植物吸

8、收去除为主。根据已有研究结果，对于维护良好、运行正常的生物滞留池来说，重金属均有较为理想的去除效果16。但是雨水中重金属大多以颗粒态形式存在，主要通过填料的物理截留作用去除，重金属会在填料表层沉积，并在植物根部富集，影响填料和植物正常功能的发挥，甚至造成二次污染17。3.2 植草沟植草沟的进出水水质与污染物去除率见表2。从表2可以看出，进水径流中COD、氨氮浓度分别为2138和1.321.90 mg/L。进水污染物浓度相对较低，推测原因是汇水范围内道路车辆较少，且前期晴天日较短。对比COD、氨氮、总磷和SS 4种污染物，植草沟对氨氮的去除效果最好，平均去除率达到91.3%，平均出水浓度为0.1

9、2 mg/L。但是文献报道的植草沟对氨氮的去除率相差较大，如杨银川等11发现植草沟对氨氮的去除率达93%，而章茹等18研究表明，植草沟对氨氮的去除率仅为19%。与氨氮相似，SS和COD的去除效果在不同研究中也相差较大。本研究植草沟对SS和COD的平均去除率分别为51.9%和40.3%。荆武等19研究表明，植草沟对COD的去除率仅为4.3%，而付恒阳等20研究结果为76.5%。不同研究中植草沟的污染物去除效果差别较大，主要是因为植草沟结构相对简单，抗冲击能力较弱，降水强度、植物种类、进出水方式等都会对其污染物去除效果产生影响。如下渗径流与溢流径流对污染物去除存在影响，研究表明下渗径流相对于表面溢

10、流径流在污染物去除方面更有优势，主要是因为植物根系和土壤对下渗径流的过滤截留作用更明显21。另有研究表明，降水强度越大，径流污染的控制效果越差。如李海燕等22实地监测并分析了植草沟在暴雨事件中的净化效果，结果表明，SS、氨氮、COD的平均去除率仅有10%35%。值得注意的是，雨水中总磷经过植草沟后浓度不降反增，出水最高浓度达到0.56 mg/L，相当于地表水劣类水质。推测原因有2个：1）颗粒态总磷主要依靠土壤和植物根系进行过滤截留，植物的密度和生长情况对其影响较大，而本研究植草沟缺乏维护管理，植物生长状况不良，表面植被覆盖率低，植物根系未充分发挥作用；2）总磷进水平均浓度为0.15 mg/L，

11、在低进水浓度下植草沟容易发生总磷的释放。黄俊杰等23研究发现，在总磷进水浓度小于0.2 mg/L时，植草沟发生了磷的释放，导致其出水浓度高于进水。3.3 透水铺装不同铺装类型的进出水水质和污染物去除率见表3。从表3可以看出，透水混凝土、透水砖和植被砖3种铺装的进水COD明显低于沥青路面，是因为沥青路面溶出有机物导致其雨水径流中COD偏高24。植被砖的SS和氨氮进水浓度明显高于透水混凝土、透水砖和沥青路面，相当于地表水劣类水质，推测原因是植被砖孔隙中植被稀疏，导致土壤颗粒被雨水冲刷进入径流。从污染物去除率看，透水混凝土对COD、氨氮、总磷和SS的去除率均为最佳，平均去除率分别为57.0%、72.

12、7%、79.4%和82.2%；透水砖和植被砖对COD、总磷和SS的去除率较为接近，平均去除率分别为33.2%33.3%、46%48%和49.7%56.1%。从出水水质看，透水混凝土的出水水质最好，达到地表水类水质标准；透水砖和植被砖稍差，为地表水 类水质标准。其中，透水砖和植被砖出水水质较差的指标为氨氮，如植被砖氨氮出水浓度最高达到1.94 mg/L，接近地表水类水质限值。另外在透水砖铺装中，出现氨氮出水浓度高于进水的现象，氨氮平均去除率为37.9%。秦余朝25研究表明，透水砖铺装对氨氮的去除率为21.2%，单独的透水砖会引起出水中氨氮浓度升高。氨氮的去除主要发生在透水铺装面层以下的结构，因此

13、推测本研究中出水氨氮浓度升高是由透水砖材料释放造成的。本研究中透水铺装建成2年，使用年限较短，对污染物的去除效果明显。有研究证明，随着使用年限的增长，透水铺装去除污染物的效果会逐步下降25，但是通过清洗，可使透水铺装材料中污染物（特别是COD和氨氮）溶出，使其对污染物的去除效果有所恢复。因此，透水铺装工程应及时清洗维护，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对比根据监测结果，结合文献报道，对生物滞留池、植草沟、透水混凝土铺装、透水砖铺装和植被砖铺装5种措施的污染物去除效果进行比较，结果如图1所示。从图1可以看出，COD去除率为生物滞留池透水混凝土植草沟植被砖透水砖，氨氮去

14、除率为植草沟透水混凝土生物滞留池植被砖透水砖，总磷去除率为透水混凝土生物滞留池透水砖植被砖植草沟，SS去除率为透水混凝土生物滞留池植草沟植被砖透水砖。生物滞留池和透水混凝土对各污染物均有较好的去除效果。但是二者的建设维护成本相差较大，生物滞留池的成本为734.8元/m2，而透水铺装仅为183.6元/m2，具有明显的经济优势27。与生物滞留池和透水混凝土相比，植草沟在去除COD、SS和总磷方面不具优势，特别是总磷。但是植草沟在去除氨氮方面有明显优势，平均去除率为84.4%。此外，植草沟的建设维护成本仅为116.3元/m2，经济优势显著27。综合考虑几种措施的污染物去除效果和经济因素，推荐经济条件

15、允许的城镇地区使用生物滞留池和透水混凝土铺装。对于农村地区，特别是用于控制农业面源污染时，可以选择成本较低，但具有污染物去除优势的植草沟。5. 结论与展望根据生物滞留池、植草沟、透水混凝土铺装、透水砖铺装和植被砖铺装5种雨水工程的实际监测结果，并综合文献报道，发现生物滞留池和透水混凝土具有较好的污染物去除效果，植草沟对于氨氮的去除具有独特的优势。植草沟的工程维护，特别是植被的生长情况，对于污染物的去除率有重要影响。若植被维护不善，不仅会影响其污染物去除效果，甚至会成为雨水污染的源头。本研究主要监测下渗雨水中的污染物去除效果，而表面溢流雨水同样需要关注。特别是在降水强度较大时，溢流占比相对较高，且溢流雨水中污染物去除易受外界因素影响，如降水强度、历时、污染物初始浓度等。因此在后续研究中，应结合雨水径流量，开展雨水工程污染物去除的定量监测，综合评价各种措施的效益-成本曲线，为实际雨水工程的选择提供依据。7