城市景观湿地系统去除初期雨水污染物效果研究*

张鸿涛，于宝国，邓方园，张弘弢，杨远坤，谌 书

(1.中国水利水电第七工程局有限公司，四川 成都 610213； 2.西南科技大学土木工程与建筑学院，四川 绵阳 621010)

0 引言

近年来，初期雨水污染问题在国内外引起广泛关注[1-3]。随着我国经济、社会的不断发展，城市硬化下垫面逐渐扩张，地面面源污染情况加剧[4-6]，包括汽车尾气、大气降尘、建筑材料腐蚀物等在内的城市面源污染物基本汇集在10mm厚初期雨水中，其污染负荷远大于中后期雨水，使初期雨水含有大量高浓度污染物，包括氮、磷和重金属等[7-9]。初期雨水多排放至就近河湖中，加重了地表水环境污染程度，严重时将导致区域性水体富营养化和黑臭化，影响水资源循环利用，最终威胁人类健康[10]。因此，采取有针对性的措施对城市初期雨水进行净化处理尤为重要。

国外对初期雨水及净化措施的研究较成熟，已颁布了相应的政策、法规，建成了较完整的雨水处理和利用系统[11-13]，如澳大利亚建成了水敏感城市设计系统，英国建成了可持续城市排水系统，新西兰建成了低影响城市设计和开发系统，美国建成了低影响开发和最佳管理措施系统。我国对初期雨水管控和综合利用的研究始于20世纪90年代，主要关注城市面源污染，直至2014年，提出了海绵城市建设理念，采用“渗、滞、蓄、净、用、排”方针管理和利用雨水，低影响开发是海绵城市建设的重要组成部分[14-16]。

海绵城市是对我国城市水系统的综合治理，也是对城市人居环境的重构[17]，其核心是通过生态工程与人工设施的有机结合，建立以河湖水系为核心，实现城市雨水自然积存、渗透和净化，形成城市水系统良好循环的资源节约型、环境友好型和可持续发展绿色宜居城市[18-19]。由于城市雨水和径流的产生具有随机性和间歇性，且城市面源污染来源分布广泛，污染物浓度变化大、瞬时流量大[20]，需充分利用城市非硬化下垫面，通过建立人工湿地自然生态系统，进行城市面源污染治理，通过土壤、植物、微生物的协同作用，促进雨水储存、渗透、净化，利用城市景观湿地系统就地削减城市雨水径流污染。本文以初期雨水为处理对象，对城市景观湿地系统进行中试研究，以期为后续试验研究及类似地区城市景观湿地系统工程建设提供参考。

1 试验概况

1.1 中试系统构建

城市景观湿地系统装置位于玻璃大棚内，试验进水采用初期雨水，试验装置由1个前端沉淀池和3个折流式潜流人工湿地单元组成。城市景观湿地系统装置设计尺寸为长300cm、宽100cm、高100cm，分成3个处理单元，设置不同填料高度，材质为玻璃钢，各单元采用串联方式连接，跌水高度0.1m，处理单元内部设有3块隔板，并在顶部和底部间插开孔，水流在处理单元内部垂直流动。

第1单元净长1m，净宽1m，主要起快速过滤作用，填料全部由φ100mm聚乙烯悬浮球组成，内部填充聚氨酯泡沫和碎石，雨水可快速通过，并在其中种植美人蕉，平均株距为20cm×20cm。第2单元分前、后段，前、后段净长均为0.5m，净宽均为1m，前段自下而上依次为集水层、吸附层和渗滤层，前段底层铺设20cm厚碎石(直径20～30mm)、中层铺设20cm厚煤矸石(直径10～20mm)、表层铺设20cm厚陶粒(直径10～20mm)并种植吉祥草；后段底层铺设20cm厚碎石(直径20～30mm)，表层铺设20cm厚陶粒(直径10～20mm)，中层铺设20cm厚沸石并种植鸢尾，平均株距为15cm×15cm。第3单元净长1m，净宽1m，自下而上依次为集水层和渗滤层，底层铺设20cm厚碎石(直径20～30mm)，表层铺设20cm厚陶粒(直径10～20mm)并种植再力花，平均株距为15cm×15cm。所选植物在保持水质净化的同时，兼具园林景观植物作用。

1.2 初期雨水

氮、磷和有机污染物是城市初期雨水中的主要污染物，使用某污水处理厂出水配制初期雨水，进水水质指标为：化学需氧量浓度283.22～401.66mg/L，氨氮浓度17.17～28.79mg/L，总磷浓度2.81～4.32mg/L，pH值6.5～7.5。

1.3 试验方法

城市景观湿地系统启动时通入好氧生活污水自然挂膜，首先将生活污水曝气24h，控制溶解氧为3～5mg/L，然后将混合液排到城市景观湿地系统中，每隔24h进水1次，进水量为0.5t，重复运行15d，当城市景观湿地系统对生活污水化学需氧量和氨氮去除率稳定在75%以上时，表示启动成功，此时接入初期雨水，试验正式开始。稳定运行期间，城市景观湿地系统水力停留时间为3h，环境温度为25～30℃，主要考察各单元进出水化学需氧量、氨氮、总磷变化情况。水处理规模为100L/h，模拟间歇式降雨天气，进水5h，试验期间和停止进水后沿程取样，考察进水、第1单元出水、第2单元出水、第3单元出水中污染物去除效果。

2 试验结果与分析

对于各项污染物指标(化学需氧量、氨氮、总磷)去除率情况，以化学需氧量平均去除率为例，按式(1)计算：

(1)

式中：η化学需氧量为化学需氧量平均去除率；C进为进水化学需氧量浓度(mg/L)；C出为出水化学需氧量浓度(mg/L)。

2.1 化学需氧量去除效果

城市景观湿地系统对化学需氧量去除效果如图1所示。由图1可知，进水化学需氧量浓度为245.30～401.66mg/L；第1单元出水化学需氧量浓度为93.30～241.66mg/L，平均去除率为51.19%；第2单元出水化学需氧量浓度为58.62～124.71mg/L，平均去除率为46.02%；第3单元出水化学需氧量浓度为31.48～73.24mg/L，平均去除率为42.67%。城市景观湿地系统对化学需氧量总去除率维持在84.38%左右，出水平均化学需氧量浓度为51.22mg/L，满足GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准。总的来看，出水化学需氧量浓度始终保持在较低水平，证明本系统不仅具有较强的抗冲击负荷能力，且对污染物具有持续稳定的处理效果。

图1 城市景观湿地系统对化学需氧量去除效果

城市景观湿地系统对化学需氧量的去除主要依靠湿地填料吸附作用和微生物生化氧化作用，当填料渗滤性变差时，可考虑通过反冲洗措施或定时更换填料的方式解决[21]。陶粒、煤矸石、碎石等填料的多孔特性不仅对有机物具有一定吸附作用[22-23]，且有利于填料和植物根系上的微生物附着生长，城市景观湿地系统得以持续保持较高的化学需氧量去除效果。

2.2 氨氮去除效果

城市景观湿地系统对氨氮去除效果如图2所示。由图2可知，进水氨氮浓度为17.17～28.79mg/L；第1单元出水氨氮浓度为14.27～24.90mg/L，平均去除率仅为13.77%；第2单元出水氨氮浓度为6.05～17.40mg/L，平均去除率为41.19%；第3单元出水氨氮浓度为3.71～12.21mg/L，平均去除率为33.05%。城市景观湿地系统对氨氮总去除率维持在65.58%左右，出水平均氨氮浓度为7.67mg/L，满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准。

图2 城市景观湿地系统对氨氮去除效果

综上所述，在系统稳定运行期间，第1单元对氨氮的去除效果较差，第2，3单元对氨氮的去除效果明显增强，主要原因为：①填料物理吸附和离子交换作用 第2，3单元中填充了大量煤矸石、陶粒和沸石，多孔介质表面会形成静电力和毛细力等，将水中氨氮吸附在填料结构表面，但此状态易受外界环境影响而解析，而离子交换发生在填料结构内部，填料上析出的阳离子与铵离子发生化学反应，将水中铵离子稳定在结构内部，不易解析[24-25]；②跌水复氧作用 各处理单元之间以自然跌水串联，使第2，3单元表层水体中溶解氧浓度达3mg/L左右，跌水复氧有利于好氧微生物的大量生长，促进了微生物对氨氮的氨化作用和同化作用，从而去除水中的氨氮[26]。

2.3 总磷去除效果

城市景观湿地系统对总磷去除效果如图3所示。由图3可知，进水总磷浓度为2.81～4.33mg/L；第1单元出水总磷浓度为1.26～2.38mg/L，平均去除率为43.68%；第2单元出水总磷浓度为0.60～1.97mg/L，平均去除率为48.42%；第3单元出水总磷浓度为0.45～1.37mg/L，平均去除率仅为12.77%。城市景观湿地系统对总磷总去除率维持在74.67%左右，出水平均总磷浓度为0.87mg/L，满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准。

图3 城市景观湿地系统对总磷去除效果

第1单元对总磷去除率最高可达57.32%，对初期雨水中磷的去除效果较好，随着试验启动过程的结束，填料表面形成较厚的深褐色生物膜，但微生物同化和沉淀作用对总磷的去除效果不稳定，已被吸收的磷在厌氧条件下可能被释放到水体中，造成出水总磷浓度升高，这是系统运行过程不可避免的。

第2单元中添加的陶粒和煤矸石具有大量孔道、空洞，对初期雨水中磷具有良好的吸附作用，而沸石不仅具有上述优势，由于其内部和表面含有大量金属阳离子，可与磷酸根形成稳定的沉淀，这是城市景观湿地系统去除初期雨水中磷的主要途径[27]。同时，城市景观湿地系统中的植物会吸收分子态污染物供自身生长，但已有研究表明[28-29]，植物已不再是人工湿地去除总磷的主要手段。

第3单元对总磷的平均去除率仅为12.77%，说明除磷不是该单元的主要功能。

2.4 去除效果时空变化规律

城市景观湿地系统在不同运行时间段(1～5h)及不同处理单元(进水、第1单元、第2单元前段、第2单元后段、第3单元和出水)对氨氮、总磷去除效果时空变化曲线分别如图4，5所示。由图4可知，运行1，2h时，出水氨氮浓度分别为5.71，8.22mg/L，此时城市景观湿地系统对氨氮的去除率分别为79.89%，71.03%，出水平均氨氮浓度6.96mg/L，略低于《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准；运行3h时，出水氨氮浓度升高，达15.15mg/L，处理效果较差，说明前3h对氨氮的去除主要依赖于不同填料的吸附作用，且物理吸附作用已趋于饱和，达吸附与解析动态平衡状态，离子交换作用吸附氨氮速率减小，使出水氨氮浓度升高。但在较高氨氮负荷条件下运行3h后，城市景观湿地系统中氨化细菌活性增强，氨氮去除率在4h恢复至55.17%，在5h恢复至77.34%，此时占主导作用的是氨化细菌和植物根系。当取样深度为0～50cm时，不同运行时间氨氮去除率基本沿程增加；城市景观湿地系统对氨氮的去除效果主要集中于第2单元前、后段，说明第2单元填料级配可高效去除氨氮。

图4 城市景观湿地系统对氨氮去除效果时空变化曲线

由图5可知，不同运行时间下城市景观湿地系统对总磷的去除效果差别较小，1～4h去除率分别为86.84%，78.83%，78.83%，73.72%，仅在5h时去除率略下降，为68.07%，此时出水平均总磷浓度为1.15mg/L，满足《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级B标准。总磷去除主要集中在第1，2单元，当取样深度为0～50cm时，第1，2单元总磷浓度基本沿程下降，这表明随着取样深度的增加及氧浓度的降低，聚磷菌向水中释放一定量的磷，使城市景观湿地系统形成局部较高磷浓度微环境，但填料表面及内部孔道结晶除磷作用增强，在填料表面形成稳定的沉淀[30]，从而保证城市景观湿地系统出水总磷浓度保持在较低水平。

图5 城市景观湿地系统对总磷去除效果时空变化曲线

3 结语

1)本试验使用某污水处理厂出水配制初期雨水，测得其化学需氧量、氨氮、总磷浓度范围分别为245.30～401.66，17.17～28.79，2.81～4.33mg/L。

2)通过在城市景观湿地系统中加入悬浮球、沸石、陶粒、煤矸石和碎石，有效改善了系统渗透性，使系统对初期雨水化学需氧量、氨氮、总磷具有较好的去除效果。

3)城市景观湿地系统对初期雨水污染物的去除，主要依靠填料的物理拦截和化学吸附作用，其次是微生物生化氧化作用和植物吸附吸收作用。如果高污染负荷初期雨水需满足GB 50400—2016《建筑与小区雨水控制及利用工程技术规范》规定的雨水多途径回收利用要求，应进一步改善城市景观湿地系统运行条件或探索更优的填料级配和植物搭配比例，这为今后的研究提供了方向。

4)基于海绵城市理念搭建的城市景观湿地系统，搭配多种廉价易得的填料，可与河流、湖泊堤岸相融合，具有不占用新的土地、无动力设计、便于运行维护等优点。因此，城市景观湿地系统可作为经济高效的初期雨水净化技术，有效削减初期雨水径流高浓度污染负荷。