随着城市化进程的加快，城市内涝、水资源短缺和径流污染加重等问题凸显。据美国国家环保署信息，雨水径流已被列为导致水体污染的第3大污染源。自2014年10月发布《海绵城市建设技术指南》以来，城市径流削减与收集、雨水净化与合理利用，成为我国新时期城市建设的重点，也是水环境研究的焦点之一。
海绵城市建设的要义是通过人工设施和自然途径的结合，实现雨水自然积存、自然渗透和自然净化，并能够在缺水时“释放”雨水，形成良好的自然循环，促进雨水资源的利用和生态环境保护。城市雨水径流的发生具有随机性和间歇性，污染源具有分布广泛、不集中且污染物浓度变化大等特点。如何有效收集、净化、储存城市径流雨水是解决问题的关键之一。充分利用城市非硬化下垫面，在保持其原有生活和生态功能基础上，通过土壤-植物-微生物系统联合作用促进雨水就地渗透、净化、储存是解决问题的有效途径。近年来，利用土壤渗滤原理削减地表水污染及城市降雨径流污染的研究受到广泛关注，20世纪70年代，国外已开始利用各种类型绿地储蓄地表径流和削减径流污染，其中，优化非硬化区下垫面填充基质是提高系统雨水处理性能的有效途径，目前关于城市下垫面研究仅停留在传统的沙土基质配比优化和分层填装方面，雨水渗透速度提升空间有限且污染物削减量难以满足回用标准。
为此，针对城市雨水径流中的氮、磷和有机污染物，构建4套平行装置，模拟城市径流雨水渗滤过程，评估雨水在装置内的渗透速度、持水量和去污性能，并确定装置的最佳出水高度，从而优化不同基质填充模式对雨水的作用效果，寻求渗透速度快、持水量高和污染物去除效果好的城市下垫面填充方式，为海绵城市建设提供技术支撑。
1 材料和方法
1.1 模拟装置构建
构建4套模拟装置，包括蠕动泵、进水桶、渗滤柱等，其中渗滤柱是主体。渗滤柱尺寸：内径Ф10 cm，高h135 cm;材质为有机玻璃，由上、下两部分组成，中间以法兰连接，上部是渗滤柱主体，包括基质层(高125 cm)和溢流段(高5 cm)，柱体顶部设溢水口，溢水口下5 cm处设进水口，从进水口开始每隔30 cm设1个出水口，共计4个;下部为蓄水层，高5 cm，连接出水管，与上部之间用布满0.5 cm小孔的有机玻璃隔开。由于磷在渗滤过程中易被介质的物理化学吸附截留，可以认为磷在土壤中是几乎不移动的，渗滤过程中部分氮可被介质吸附，其余的可以通过硝化、反硝化作用去除。基于上述理论，基质层从上往下依次分为吸附层、渗滤层和集水层，具体填充方式如表1所示，其中吸附层填充基质在课题组前期研究的基础上进行配比，装置如图1所示。
表1 渗滤柱基质层填充方式
图1 渗滤柱示意图
1.2 供试雨水
氮、磷和有机污染物是城市雨水径流中的主要污染指标，其中氮、磷是造成水体富营养化的主要物质。采用人工配制径流雨水，模拟自然径流雨水中的铵态氮(NH4+-N)、总磷(TP)、化学需氧量(COD)。
人工径流雨水不仅易得、无时间和天气限制，还可以掌控进水浓度，具体成分和配比如下： NH4Cl为(10±2)mg˙L−1，KH2PO4为(3.5±0.5)mg˙L−1，C6H12O6为(270±10)mg˙L−1，用自来水溶解并混合均匀，使用当天配置。
1.3 装置运行
装置运行分为3个阶段。
1)测量渗滤柱的持水量。模拟自然环境，忽略地表蒸发前提下测定装置内基质持水量。装置开始运行后，根据进水实际下渗状况逐渐调节蠕动泵进水流量，保证渗滤柱表层不干涸且溢水口无水溢出。当蠕动泵进水流量为11.2 mL˙min−1左右时，装置达到稳定状态，记录自进水到第1次出水渗滤柱所容纳的水量。
2)测量渗滤柱的渗透速度。采用定水头法测定渗滤柱基质渗透速度。实验自08:00开始布水，持续运行12 h，保持蠕动泵以14 mL˙min−1的速度进水，使超出水头的水量从溢水口流出，在渗滤柱末端出水口安装玻璃转子流量计测定出水速度，每隔0.5 h读数。经实验测得各渗滤柱出水速度在90 min以后逐渐稳定，对90 min以后的读数取平均值，即为渗滤柱渗透速度。
3)测定渗滤柱对污染物的削减能力。待进出水稳定、出水口出水无泥沙流出后进行第3阶段取样，每隔2 h用聚乙烯瓶采集各出水口出水，并放入4 ℃下保存，聚乙烯瓶需用蒸馏水冲洗干净。每天08:00开始布水，16:00停止进水，连续共取3 d。
1.4 水质分析方法
根据海绵城市对城市径流雨水的排放要求和城市径流雨水主要污染特征，进出水水质指标选取及分析方法如下：NH4+-N采用纳氏试剂分光光度法;TP采用钼酸铵分光光度法;COD采用微回流比色法(美国哈希DR890水质分析仪)。
2 结果与讨论
2.1 渗滤柱持水能力和渗透速度
4根渗滤柱持水量和渗透速度见表2。由表2可知，3#柱混合基质(沸石+蛭石+陶粒)分层填充持水量最大，即在不渗透或溢出的情况下，3#柱所容纳的水量最大。3#和4#柱填充物质相同，填充方式不同，混合填装时，基质之间相互填充空隙，基质层密度更大，储水及渗透速度小于分层填装。
表2 各渗滤柱最大持水量和平均渗透速度
各渗滤柱平均渗透速度，其中3#和4#柱渗透速度高于1#和2#柱，即沸石+蛭石+陶粒填充方式高于沸石+蛭石+煤渣渗滤柱的渗透速度。
根据中国气象局降雨量等级划分，大暴雨降雨量为100~249.9 mm˙d−1。结合实验数据计算，理论上在大暴雨天气下，3#渗滤柱能承担自身面积11~29倍区域的雨水渗透。
2.2 渗滤柱对污染物的去除效果
2.2.1 渗滤柱对NH4+-N的去除效果
4根渗滤柱中NH4+-N浓度变化如图2所示。进水初期水流冲刷基质，携带出部分填充物质，所以出水效果差且不稳定，出水在8~12 h之间达到稳定;出水稳定后出水口1、出水口2出水浓度明显大于出水口3、出水口4出水浓度，出水口1出水浓度总体大于出水口2出水浓度，出水口3、出水口4出水NH4+-N浓度相差不大，无明显差距，渗滤柱在出水口3位置即基质层深90 cm时，对NH4+-N的处理已达到最佳状态。
取10 h后渗滤柱最终出水观察(图3)，4#渗滤柱出水相对较差，平均出水浓度为3.2 mg˙L−1，1#、2#和3#渗滤柱出水效果相近，平均出水浓度分别为2.7、2.6和2.7 mg˙L−1。此时各渗滤柱出水NH4+-N浓度均小于5 mg˙L−1，符合《城市污水再生利用 城市杂用水水质指标》(GB/T 18920-2002)中道路清扫、消防等各项用水标准和《城镇污水处理厂污染物排放指标》(GB 18918-2002)中一级A类要求。各渗滤柱对NH4+-N的去除率均在80%以上，1#、2#、3#和4#柱的去除率分别为86.68%、84.65%、86.27%和80.13%。
图2 各渗滤柱不同出水口NH4+-N浓度随时间的变化
图3 各渗滤柱最终出水NH4+-N浓度
2.2.2 渗滤柱对TP的去除效果
4根渗滤柱中TP浓度随时间变化如图4所示，除2#柱在6 h左右有较大波动外，各渗滤柱出水中TP浓度稳定。由出水口1可看出渗滤柱上层吸附层对TP有明显作用，相同填充基质中分层填充的吸附效果好于混合填充，不同填充基质中沸石+蛭石+陶粒的组合略好于沸石+蛭石+煤渣组合;从上到下各出水口TP逐渐降低，各渗滤柱在出水口3的平均浓度均小于1 mg˙L−1，到最终出水口4即基质层深120 cm处达到最佳去除效果。出水口4在各个时间出水如图5所示，除第1次出水时4#渗滤柱磷浓度较高，其余时间各渗滤柱出水均小于0.3 mg˙L−1，各渗滤柱出水平均浓度均小于0.2 mg˙L−1，符合《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)中一级A类标准。对比进水与出水浓度，得出各渗滤柱对TP的平均去除率，如表3所示，均在95%以上;其中4#渗滤柱去除率最低，为95.63%，其余3个渗滤柱对TP的去除率相差不大，均大于98%;2#渗滤柱去除率最高，为98.59%。各渗滤柱TP的平均出水浓度及去除率如表3所示。
图4 各渗滤柱不同出水口TP浓度随时间的变化
图5 各渗滤柱最终出水TP浓度
表3 各渗滤柱出水TP平均浓度及去除率
2.2.3 渗滤柱对COD的去除效果
渗滤柱吸附层混合填充与分层填充对COD去除效果无明显区别，选取2#和3#渗滤柱进行分析。如图6所示，开始COD随着SS被表层吸附剂截留，在前3 h中出水COD浓度有所下降，但随着进水量逐渐增多，填料内部分不稳定基质随水流流出，导致出水COD浓度上升;2#柱在12 h左右、3#柱在7 h左右出水中COD浓度再次逐渐下降，此时基质中微生物开始生长，降解进水中COD，30 h左右吸附层基质出现挂膜，微生物对COD降解作用开始稳定，出水中COD也逐渐降低并趋于稳定;50 h以后最终出水中COD浓度降到30 mg˙L−1以下，并逐渐稳定;52 h以后2#柱和3#柱出水COD平均浓度分别为25.4 mg˙L−1和25.6 mg˙L−1，满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)中一级A类标准和《建筑与小区雨水控制及利用工程技术规范》(GB 50400-2016)中除娱乐性水景用水标准以外的其他各项用水标准。
由图6可看出，前期出水口2出水效果稳定且COD浓度相对较低，但因为渗滤层基质有机物含量高、颗粒小，前期出水中携带出填充基质中有机物，导致出水口3和出水口4出水浓度较高;后期随着微生物的生长，渗滤层基质稳定性增加，对COD处理效果逐渐提高，出水口3和出水口4出水COD浓度逐渐降低且趋于平稳。
对装置运行的72 h中进水及最终出水口4水质COD浓度取平均值，以此计算各渗滤柱对进水中COD的平均去除率，结果如图7所示，均在50%以上，其中3#柱去除率最高可达88.75%。
图6 2#和3#渗滤柱各出水口COD浓度随时间的变化
图7 各渗滤柱对COD的去除率
3 结论
1)通过在吸附层引入沸石、蛭石、煤渣和陶粒4种新基质，比较基质填充方式，改良渗滤层基质配比，有效增强了土壤的渗透速度和持水量，提高了对污染物的降解能力。
2)沸石+蛭石+陶粒分层填装的3#渗滤柱效果最好，持水量为39.73%，平均渗透速度为2 992 mm˙d−1，理论上在大暴雨天气下最大能承担自身面积11~29倍区域的雨水渗透，出水中NH4+-N浓度小于5 mg˙L−1，TP浓度小于0.2 mg˙L−1，50 h后COD浓度小于30 mg˙L−1，均符合《城市污水再生利用 城市杂用水水质指标》(GB/T 18920-2002)中道路清扫、消防用水标准等各项标准，《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)中一级A标准和《建筑与小区雨水控制及利用工程技术规范》(GB 50400-2016)中除观赏性水景用水标准外其他各项用水标准。
3)通过对城市非硬化路面下垫面的优化，不仅增大了基质渗透速度和持水量，也提高了氮、磷和COD的去除率。在连续进水的72 h内填充柱表面最大积水高度不超过5 cm，且对NH4+-N、TP和COD去除效果较好。证明该种填充方式可适应模拟条件下大于72 h的连续大暴雨，能够很好地控制径流总量、削减径流峰值和径流污染物，符合海绵城市建设需求。
原标题：海绵城市雨水径流污染问题研究
