圖1 滲濾柱示意圖
1.2 供試雨水
氮、磷和有機污染物是城市雨水徑流中的主要污染指標(biāo)，其中氮、磷是造成水體富營養(yǎng)化的主要物質(zhì)。采用人工配制徑流雨水，模擬自然徑流雨水中的銨態(tài)氮(NH4+-N)、總磷(TP)、化學(xué)需氧量(COD)。
人工徑流雨水不僅易得、無時間和天氣限制，還可以掌控進水濃度，具體成分和配比如下： NH4Cl為(10±2)mg˙L?1，KH2PO4為(3.5±0.5)mg˙L?1，C6H12O6為(270±10)mg˙L?1，用自來水溶解并混合均勻，使用當(dāng)天配置。
1.3 裝置運行
裝置運行分為3個階段。
1)測量滲濾柱的持水量。模擬自然環(huán)境，忽略地表蒸發(fā)前提下測定裝置內(nèi)基質(zhì)持水量。裝置開始運行后，根據(jù)進水實際下滲狀況逐漸調(diào)節(jié)蠕動泵進水流量，保證滲濾柱表層不干涸且溢水口無水溢出。當(dāng)蠕動泵進水流量為11.2 mL˙min?1左右時，裝置達到穩(wěn)定狀態(tài)，記錄自進水到第1次出水滲濾柱所容納的水量。
2)測量滲濾柱的滲透速度。采用定水頭法測定滲濾柱基質(zhì)滲透速度。實驗自08:00開始布水，持續(xù)運行12 h，保持蠕動泵以14 mL˙min?1的速度進水，使超出水頭的水量從溢水口流出，在滲濾柱末端出水口安裝玻璃轉(zhuǎn)子流量計測定出水速度，每隔0.5 h讀數(shù)。經(jīng)實驗測得各滲濾柱出水速度在90 min以后逐漸穩(wěn)定，對90 min以后的讀數(shù)取平均值，即為滲濾柱滲透速度。
3)測定滲濾柱對污染物的削減能力。待進出水穩(wěn)定、出水口出水無泥沙流出后進行第3階段取樣，每隔2 h用聚乙烯瓶采集各出水口出水，并放入4 ℃下保存，聚乙烯瓶需用蒸餾水沖洗干凈。每天08:00開始布水，16:00停止進水，連續(xù)共取3 d。
1.4 水質(zhì)分析方法
根據(jù)海綿城市對城市徑流雨水的排放要求和城市徑流雨水主要污染特征，進出水水質(zhì)指標(biāo)選取及分析方法如下：NH4+-N采用納氏試劑分光光度法;TP采用鉬酸銨分光光度法;COD采用微回流比色法(美國哈希DR890水質(zhì)分析儀)。
2 結(jié)果與討論
2.1 滲濾柱持水能力和滲透速度
4根滲濾柱持水量和滲透速度見表2。由表2可知，3#柱混合基質(zhì)(沸石+蛭石+陶粒)分層填充持水量最大，即在不滲透或溢出的情況下，3#柱所容納的水量最大。3#和4#柱填充物質(zhì)相同，填充方式不同，混合填裝時，基質(zhì)之間相互填充空隙，基質(zhì)層密度更大，儲水及滲透速度小于分層填裝。
表2 各滲濾柱最大持水量和平均滲透速度
各滲濾柱平均滲透速度，其中3#和4#柱滲透速度高于1#和2#柱，即沸石+蛭石+陶粒填充方式高于沸石+蛭石+煤渣滲濾柱的滲透速度。
根據(jù)中國氣象局降雨量等級劃分，大暴雨降雨量為100~249.9 mm˙d?1。結(jié)合實驗數(shù)據(jù)計算，理論上在大暴雨天氣下，3#滲濾柱能承擔(dān)自身面積11~29倍區(qū)域的雨水滲透。
2.2 滲濾柱對污染物的去除效果
2.2.1 滲濾柱對NH4+-N的去除效果
4根滲濾柱中NH4+-N濃度變化如圖2所示。進水初期水流沖刷基質(zhì)，攜帶出部分填充物質(zhì)，所以出水效果差且不穩(wěn)定，出水在8~12 h之間達到穩(wěn)定;出水穩(wěn)定后出水口1、出水口2出水濃度明顯大于出水口3、出水口4出水濃度，出水口1出水濃度總體大于出水口2出水濃度，出水口3、出水口4出水NH4+-N濃度相差不大，無明顯差距，滲濾柱在出水口3位置即基質(zhì)層深90 cm時，對NH4+-N的處理已達到最佳狀態(tài)。
取10 h后滲濾柱最終出水觀察(圖3)，4#滲濾柱出水相對較差，平均出水濃度為3.2 mg˙L?1，1#、2#和3#滲濾柱出水效果相近，平均出水濃度分別為2.7、2.6和2.7 mg˙L?1。此時各滲濾柱出水NH4+-N濃度均小于5 mg˙L?1，符合《城市污水再生利用 城市雜用水水質(zhì)指標(biāo)》(GB/T 18920-2002)中道路清掃、消防等各項用水標(biāo)準(zhǔn)和《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放指標(biāo)》(GB 18918-2002)中一級A類要求。各滲濾柱對NH4+-N的去除率均在80%以上，1#、2#、3#和4#柱的去除率分別為86.68%、84.65%、86.27%和80.13%。
圖2 各滲濾柱不同出水口NH4+-N濃度隨時間的變化
圖3 各滲濾柱最終出水NH4+-N濃度
2.2.2 滲濾柱對TP的去除效果
4根滲濾柱中TP濃度隨時間變化如圖4所示，除2#柱在6 h左右有較大波動外，各滲濾柱出水中TP濃度穩(wěn)定。由出水口1可看出滲濾柱上層吸附層對TP有明顯作用，相同填充基質(zhì)中分層填充的吸附效果好于混合填充，不同填充基質(zhì)中沸石+蛭石+陶粒的組合略好于沸石+蛭石+煤渣組合;從上到下各出水口TP逐漸降低，各滲濾柱在出水口3的平均濃度均小于1 mg˙L?1，到最終出水口4即基質(zhì)層深120 cm處達到最佳去除效果。出水口4在各個時間出水如圖5所示，除第1次出水時4#滲濾柱磷濃度較高，其余時間各滲濾柱出水均小于0.3 mg˙L?1，各滲濾柱出水平均濃度均小于0.2 mg˙L?1，符合《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)中一級A類標(biāo)準(zhǔn)。對比進水與出水濃度，得出各滲濾柱對TP的平均去除率，如表3所示，均在95%以上;其中4#滲濾柱去除率最低，為95.63%，其余3個滲濾柱對TP的去除率相差不大，均大于98%;2#滲濾柱去除率最高，為98.59%。各滲濾柱TP的平均出水濃度及去除率如表3所示。
圖4 各滲濾柱不同出水口TP濃度隨時間的變化
圖5 各滲濾柱最終出水TP濃度
表3 各滲濾柱出水TP平均濃度及去除率
2.2.3 滲濾柱對COD的去除效果
滲濾柱吸附層混合填充與分層填充對COD去除效果無明顯區(qū)別，選取2#和3#滲濾柱進行分析。如圖6所示，開始COD隨著SS被表層吸附劑截留，在前3 h中出水COD濃度有所下降，但隨著進水量逐漸增多，填料內(nèi)部分不穩(wěn)定基質(zhì)隨水流流出，導(dǎo)致出水COD濃度上升;2#柱在12 h左右、3#柱在7 h左右出水中COD濃度再次逐漸下降，此時基質(zhì)中微生物開始生長，降解進水中COD，30 h左右吸附層基質(zhì)出現(xiàn)掛膜，微生物對COD降解作用開始穩(wěn)定，出水中COD也逐漸降低并趨于穩(wěn)定;50 h以后最終出水中COD濃度降到30 mg˙L?1以下，并逐漸穩(wěn)定;52 h以后2#柱和3#柱出水COD平均濃度分別為25.4 mg˙L?1和25.6 mg˙L?1，滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)中一級A類標(biāo)準(zhǔn)和《建筑與小區(qū)雨水控制及利用工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50400-2016)中除娛樂性水景用水標(biāo)準(zhǔn)以外的其他各項用水標(biāo)準(zhǔn)。
由圖6可看出，前期出水口2出水效果穩(wěn)定且COD濃度相對較低，但因為滲濾層基質(zhì)有機物含量高、顆粒小，前期出水中攜帶出填充基質(zhì)中有機物，導(dǎo)致出水口3和出水口4出水濃度較高;后期隨著微生物的生長，滲濾層基質(zhì)穩(wěn)定性增加，對COD處理效果逐漸提高，出水口3和出水口4出水COD濃度逐漸降低且趨于平穩(wěn)。
對裝置運行的72 h中進水及最終出水口4水質(zhì)COD濃度取平均值，以此計算各滲濾柱對進水中COD的平均去除率，結(jié)果如圖7所示，均在50%以上，其中3#柱去除率最高可達88.75%。
圖6 2#和3#滲濾柱各出水口COD濃度隨時間的變化
圖7 各滲濾柱對COD的去除率
3 結(jié)論
1)通過在吸附層引入沸石、蛭石、煤渣和陶粒4種新基質(zhì)，比較基質(zhì)填充方式，改良滲濾層基質(zhì)配比，有效增強了土壤的滲透速度和持水量，提高了對污染物的降解能力。
2)沸石+蛭石+陶粒分層填裝的3#滲濾柱效果最好，持水量為39.73%，平均滲透速度為2 992 mm˙d?1，理論上在大暴雨天氣下最大能承擔(dān)自身面積11~29倍區(qū)域的雨水滲透，出水中NH4+-N濃度小于5 mg˙L?1，TP濃度小于0.2 mg˙L?1，50 h后COD濃度小于30 mg˙L?1，均符合《城市污水再生利用 城市雜用水水質(zhì)指標(biāo)》(GB/T 18920-2002)中道路清掃、消防用水標(biāo)準(zhǔn)等各項標(biāo)準(zhǔn)，《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918-2002)中一級A標(biāo)準(zhǔn)和《建筑與小區(qū)雨水控制及利用工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50400-2016)中除觀賞性水景用水標(biāo)準(zhǔn)外其他各項用水標(biāo)準(zhǔn)。
3)通過對城市非硬化路面下墊面的優(yōu)化，不僅增大了基質(zhì)滲透速度和持水量，也提高了氮、磷和COD的去除率。在連續(xù)進水的72 h內(nèi)填充柱表面最大積水高度不超過5 cm，且對NH4+-N、TP和COD去除效果較好。證明該種填充方式可適應(yīng)模擬條件下大于72 h的連續(xù)大暴雨，能夠很好地控制徑流總量、削減徑流峰值和徑流污染物，符合海綿城市建設(shè)需求。
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