(西安工業(yè)大學(xué)建工學(xué)院　陜西　西安　710021)

引言

近年來，我國的城市化建設(shè)一直處在高速發(fā)展下，改變了城市原有的地表環(huán)境，從而使得城市地標(biāo)硬化率不斷增大，同時(shí)地表不透水比例增大，造成在雨天以及暴雨極端天氣下，產(chǎn)生的徑流不能通過城市地表有效地滲透到土壤中[1]。另一方面，在城市化建設(shè)過程中，水污染問題已經(jīng)嚴(yán)重干擾了人們的生產(chǎn)生活[2]。為了解決此類問題，我國開始大力推廣海綿城市建設(shè)。雨水花園作為海綿城市建設(shè)的重點(diǎn)項(xiàng)目，具有對建設(shè)、管理技術(shù)要求較低、運(yùn)行能耗小等優(yōu)點(diǎn)，其作為一種效果良好、成本低廉的城市徑流污染源頭分散控制措施正得到越來越多的應(yīng)用[3-5]。同時(shí)，所涉及設(shè)施中的填料作為雨水花園的重要組成部分，對雨水花園的污水處理效果有著重要的提升作用[6-7]。筆者總結(jié)了目前常見填料物理特征及其吸附、滲透性能，旨在為雨水花園填料的選擇應(yīng)用及進(jìn)一步提高雨水花園的污水處理能力提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和理論指導(dǎo)。

一、雨水花園常見填料理化性質(zhì)簡介

目前，有關(guān)雨水花園研究及應(yīng)用過程中常用的填料主要有：沸石、活性炭、蛭石、高爐渣、粉煤灰等。填料的基本特性從物理性質(zhì)和化學(xué)性質(zhì)兩方面討論。其基本特性與填料的吸附性能有直接的關(guān)聯(lián)，因此對填料基本特性的了解必不可少。

(一)沸石基本特性

天然沸石最早發(fā)現(xiàn)于1756年，一是種含有水架狀結(jié)構(gòu)的鋁硅酸鹽礦物，由于其具有獨(dú)特的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，因而使沸石廣泛應(yīng)用于水處理工藝中。不僅如此，沸石也具有離子交換性、吸附分離性、催化性、穩(wěn)定性、化學(xué)反應(yīng)性、可逆的脫水性、電導(dǎo)性等。國內(nèi)外許多學(xué)者認(rèn)為，通過對沸石進(jìn)行改性，其吸附效果更加突出。

(二)活性炭基本特性

活性炭材料是經(jīng)過加工處理所得的無定形碳，具有很大的比表面積，對氣體、溶液中的無機(jī)或有機(jī)物質(zhì)及膠體顆粒等都有良好的吸附能力。

活性炭的吸附特性是活性炭所具有的重要基本特性?；钚蕴课椒ㄊ抢枚嗫仔缘幕钚蕴浚顾幸环N或多種物質(zhì)被吸附在活性炭表面而去除的方法，去除對象包括溶解性的有機(jī)物質(zhì)，合成洗滌劑、微生物、病毒和一定量的重金屬，并能夠脫色、除臭、空氣凈化。

其次活性炭也具有化學(xué)吸附特性?；钚蕴康奈叫约热Q于孔隙結(jié)構(gòu)，又取決于化學(xué)組成。

(三)蛭石基本特性

蛭石是一種天然、無機(jī)，無毒的礦物質(zhì)，在高溫作用下會(huì)膨脹的礦物。由于蛭石有離子交換的能力，它可以使土壤中營養(yǎng)含量更高。

蛭石具有突出的膨脹性；陽離子交換性和吸附性；膨脹蛭石也具有良好的吸水性；隔音性；隔熱性和耐火性；耐凍性；膨脹蛭石的化學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定。蛭石有較高的層電荷數(shù)，故具有較高的陽離子交換容量和較強(qiáng)的陽離子交換吸附能力。其作為填料的優(yōu)勢是：質(zhì)輕，水肥吸附性能好，不腐爛，可使用3-5年，不像腐植土、椰子殼衣等容易腐爛。

(四)高爐渣

高爐渣作為一種工業(yè)固體廢物，是在高爐煉鐵過程中，由礦石中的脈石、燃料中的灰分和溶劑中的非揮發(fā)組分形成的固體廢物。主要含有鈣、硅、鋁、鎂、鐵的氧化物和少量硫化物，這就使溶解性磷酸根與鐵等金屬離子生成沉淀成為可能；另外，高爐渣的細(xì)小多孔性構(gòu)造又為吸附此類沉淀物創(chuàng)造了條件[8]。

(五)粉煤灰

粉煤灰作為一種廉價(jià)易得的工業(yè)伴生品，外觀類似水泥，來源于煤燃燒后的煙氣中。粉煤灰的具體化學(xué)成分因煤的產(chǎn)地、煤的燃燒方式和程度等不同而有所不同。粉煤灰作為燃煤的伴生物，全國每年要產(chǎn)生約3億噸。但當(dāng)中只有30%-40%的粉煤灰能夠得到利用。

粉煤灰顆粒呈多孔型蜂窩狀組織，比表面積較大，具有較高的吸附活性，孔隙率高達(dá)50%—80%，有很強(qiáng)的吸水性，國內(nèi)外學(xué)者認(rèn)為，粉煤灰較磷的吸附效果優(yōu)于本文所涉及的其他填料。

二、雨水花園常見填料吸附性能

(一)沸石吸附性能

天然沸石的成因是通過火山碎屑巖或火山熔巖水解脫玻化而成，而且天然沸石是硅酸鹽中最大一類礦物[9]。天然沸石作為填料的優(yōu)勢在于它是一種多孔性物質(zhì)，因而具有明顯的物理吸附性能，且其比表面積越大，吸附性能就越好[10]。從20世紀(jì)70年代起，開始有沸石吸附污水中氨氮的實(shí)驗(yàn)報(bào)道，此后利用沸石吸附特性處理污水的研究與應(yīng)用一直很活躍。在研究與應(yīng)用沸石時(shí)，吸附容量是一個(gè)關(guān)鍵的參數(shù)，它反映的是沸石對某一種物質(zhì)的最大吸附能力。許多研究者對沸石吸附容量進(jìn)行過實(shí)驗(yàn)測定與機(jī)理分析：

李瓊輝等[11]通過靜態(tài)搖床試驗(yàn)研究了沸石對氨氮的吸附效果，試驗(yàn)結(jié)果表明，在氨氮初始濃度為100 mg/L時(shí)，測得沸石對氨氮的最大吸附容量為3.76 mg/g，其所選的六種填料中沸石對氨氮的吸附容量最大，并且吸附過程符合Freundlich等溫吸附規(guī)律。

盧少勇等[12]為篩選出性能更好的人工濕地填料，采用等溫吸附—解吸試驗(yàn)，得出了沸石對NH3—N的最大吸附容量為1.3500mg/g,并且沸石通過離子交換作用吸附NH3—N穩(wěn)定性好，解析率小于20%。

許萍等[13]通過靜態(tài)吸附試驗(yàn)研究了沸石對磷的吸附特性。結(jié)果表明，當(dāng)溶液中磷的濃度為0.1～0.25g/L時(shí)，沸石對磷的去除率能保持在70%以上，但隨著磷濃度的上升，沸石對磷的去除能力逐漸下降。從吸附動(dòng)力學(xué)試驗(yàn)可知，沸石在0～0.5h時(shí)吸附能力較強(qiáng)，吸附速率很高；0.5～5h吸附效果趨于平衡，填料達(dá)到自身最大吸附能力；5～24h填料對磷的吸附效果基本趨于穩(wěn)定。

吳鵬等[14]將改性沸石作為填料層填料，探究其對生活污水中氮磷的去除效能，并探索其脫氮除磷機(jī)制。通過對天然沸石經(jīng)NaOH和AlCl3溶液改性后，脫氮量和除磷量較沸石分別增加1.8%和1倍多。對沸石進(jìn)行改性，也為研究沸石吸附特性提供了新的方向。

上述研究所用的實(shí)驗(yàn)方法不同，實(shí)驗(yàn)所采用的沸石材質(zhì)也不同，因而得到的結(jié)果也有較大差別；實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)擬合的數(shù)學(xué)方程也不同，有的按Langmuir吸附等溫式計(jì)算，有的則認(rèn)為吸附平衡更符合Freundlich等溫吸附式。雖然在實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理上有所不同，不過通過多位研究者的研究結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，沸石在對污水中的脫氮量上能表現(xiàn)出優(yōu)越的吸附性能，并且對總磷的去除也表現(xiàn)出很大優(yōu)勢。

(二)活性炭吸附性能

活性炭吸附工藝在近幾十年來并沒有多大改變，但目前活性炭特別是粒狀活性炭仍不失為去除水中有機(jī)物、嗅味物質(zhì)、特別是合成有機(jī)物的有效手段[15]。美國環(huán)保署污染物指標(biāo)中，粒狀活性炭被多項(xiàng)列為最有效技術(shù)[16]?；钚蕴烤哂泻艽蟮奈叫阅苤饕怯善涮厥獾谋砻娼Y(jié)構(gòu)特性和表面化學(xué)特性所決定,同時(shí),活性炭的電化學(xué)性質(zhì)對吸附性能也有很大的作用?；钚蕴康谋砻婊瘜W(xué)性質(zhì)和表面結(jié)構(gòu)特性決定其吸附性能[17]。

張小璇等[18]研究了活性炭對COD的去除率，對COD濃度在100～ 400mg/L的廢水進(jìn)行吸附試驗(yàn)，吸附后廢水的CODCr均小于50mg/L,達(dá)到國家一級排放標(biāo)準(zhǔn)，去除率也都在60%以上。

劉成，黃廷林等[19]針對不同分子量有機(jī)物的去除進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，得到的結(jié)論是粉末活性炭吸附主要去除分子量在500～1000和1000～3000的有機(jī)物，去除率分別達(dá)到21.52%和24.15%；但對分子量小于500的有機(jī)物沒有去除效果。而城市污水的有機(jī)物的分子量較大，因此粉末活性炭也適用于雨水花園填料。

趙鵬飛等[20]采用量子化學(xué)的密度泛函理論，對單質(zhì)汞在活性炭以及Cl改性活性炭表面的吸附進(jìn)行了研究，并詳細(xì)討論了中間態(tài)產(chǎn)物的成鍵特性以及可能存在的吸附路徑。結(jié)論顯示，含氯活性炭增加了活性炭對單質(zhì)汞的吸附能力。同時(shí)，李子龍等[22]也研究了活性炭吸附水中金屬離子的吸附模式和機(jī)理，認(rèn)為活性炭對污染物質(zhì)的吸附受吸附劑的性質(zhì)、吸附質(zhì)的性質(zhì)和溶液性質(zhì)等因素有關(guān)，并且活性炭是可以吸附水中眾多的金屬離子和有機(jī)物。

上述研究結(jié)果表明，活性炭作為雨水花園填料具有很光明的前景，活性炭作為吸附劑對廢水中的有機(jī)物以及金屬離子有突出的吸附能力。

(三)蛭石吸附性能

蛭石作為一種資源豐富的天然粘土礦物，被發(fā)現(xiàn)具有很強(qiáng)的吸附性能。在污水處理方面有著廣闊的應(yīng)用前景[22-23]。目前國內(nèi)研究方向多為蛭石的重金屬吸附性能及氨氮吸附性能。

聶發(fā)輝等[24]對人工濕地中蛭石填料凈化污水中氨氮能力進(jìn)行了試驗(yàn)，通過研究吸附容量及等溫吸附曲線，探討了在不同pH、溫度、濃度下氨氮的去除量以及飽和蛭石再生后效果。結(jié)果表明，蛭石的飽和吸附量為20.83mg/g，最佳pH為4.0～6.0。且溫度在15℃～35℃范圍內(nèi)，吸附量隨溫度升高而減小。

張佳萍[25]在對蛭石除氮技術(shù)中的應(yīng)用研究得出了具有指導(dǎo)性的結(jié)果：鈉改性蛭石的飽和吸附量達(dá)到20.33mg/g，超過了使用的沸石，且價(jià)格低廉。所得出的最佳溫度及最佳pH與聶發(fā)輝所研究結(jié)論基本一致。未改性蛭石的飽和吸附量僅為6.61mg/g，鈉改性蛭石對氨氮的飽和吸附量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于未改性蛭石對氨氮的吸附。

在除氮方面，蛭石已經(jīng)顯現(xiàn)出優(yōu)越的吸附性能。同時(shí)，也有許多學(xué)者進(jìn)行蛭石的重金屬去除研究。Maria等[26]研究了蛭石吸附液相重金屬離子Cu2+、Co2+、Ni2+、Pb2+后發(fā)現(xiàn)離子交換反應(yīng)與反應(yīng)平衡時(shí)間、pH值和陽離子濃度有關(guān)。吸附效果順序?yàn)镻b2+

天然蛭石與改性蛭石在吸附性能上有明顯的差距，改性蛭石在對氨氮、磷、重金屬等城市廢水污染物的吸附性能有較大優(yōu)勢，但改性蛭石在制作工藝和成本上卻相對復(fù)雜且昂貴。所以對于改性蛭石的普及和工藝優(yōu)化仍有很長路要走。

(四)高爐渣吸附性能

劉鳴達(dá)等[29]通過等溫吸附實(shí)驗(yàn)，研究了不同條件下高爐渣吸附水中無機(jī)磷的研究，認(rèn)為爐渣可以很好的吸附磷，且堿度越高，吸附能力越強(qiáng)。李莉等[30]用高爐渣吸附廢水中的Cu2+,結(jié)果表明高爐渣在指定條件下對Cu2+的去除率達(dá)95.18%，并且吸附過程符合偽二級動(dòng)力學(xué)方程和Langmuir吸附等溫模型。從而得到高爐渣對重金屬也有較好吸附性。劉金亮[31]等采用高爐渣對Zn(Ⅱ)進(jìn)行震蕩吸附實(shí)驗(yàn),研究了各因素對Zn(Ⅱ)吸附效果的影響。結(jié)果表明,在28℃下、高爐渣粒徑為100目、振蕩頻率為120 r/min、高爐渣吸附劑投加量為8 g/L、接觸時(shí)間為60 min、廢水初始pH =7和濃度為10 mg/L的條件下,Zn(Ⅱ)去除率可達(dá)到98.6%。不僅如此多名學(xué)者研究發(fā)現(xiàn)，高爐渣除了對磷吸附效果顯著外，對多種重金屬離子，如銅、汞、鋅、鉻、鎘等均有較好的吸附效果。

(五)粉煤灰吸附性能

喬波[32]針對粉煤灰吸附性能分別進(jìn)行了靜態(tài)吸附試驗(yàn)和動(dòng)態(tài)吸附試驗(yàn)，考察了粉煤灰投加量、pH值、溫度、粒徑等因素的影響，得出廢水的吸光度去除率均在90%以上，且使用成本低廉，操作簡單。苗文憑等[33]對粉煤灰吸附除磷的改性進(jìn)行研究，模擬出改性最佳條件，并得到經(jīng)過煅燒的粉煤灰及低火改性的粉煤灰對磷去除率達(dá)94%。劉曉偉[34]進(jìn)行了粉煤灰處理含氟廢水的試驗(yàn)研究，試驗(yàn)表明粉煤灰具有一定的除氟能力，能使含氟260mg/L的廢水除氟率達(dá)68.2%，且最佳反應(yīng)條件為：室溫下，水灰比20：1，pH值為3，攪拌時(shí)間為60min。魏麗丹等[35]通過粉煤灰來研究吸附降解水中COD的效能，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，粉煤灰用于苯酚為主的廢水處理可以使?jié)舛瓤焖俳档?，且粒徑越小吸附效果越好，對含酚類物質(zhì)第一步降解非常有利。

三、雨水花園常見填料經(jīng)濟(jì)性分析

(一)沸石作為雨水花園填料的經(jīng)濟(jì)性分析

目前國內(nèi)外已經(jīng)普遍認(rèn)可沸石在雨水花園中的貢獻(xiàn)。我國沸石礦產(chǎn)資源豐富、分布廣泛。其能夠應(yīng)用于各種廢水處理,且工藝簡單,處理后易再生,失效后的沸石可用濃鹽水逆流再生重復(fù)使用,處理成本也低。因此,利用沸石來處理污染水已經(jīng)成為水處理工作者的研究熱點(diǎn)之一。而且由于改性沸石制備方法簡單,有利于控制水處理中的成本；近年來沸石在水處理應(yīng)用研究中所取得的進(jìn)展,尤其是改性沸石在水處理中的各個(gè)領(lǐng)域都有涉及,可去除水中無機(jī)和有機(jī)污染物,而且處理較好,為改性沸石在水處理中的應(yīng)用推廣提供了有力的技術(shù)支持。雖然沸石對各類污染物都有較好的去除效果,但這些優(yōu)勢主要是集中在水處理工藝中，在雨水花園的實(shí)際應(yīng)用中仍存在一些缺陷：

(1)不同地區(qū)不同環(huán)境下，即使是利用相同的沸石或改性沸石作為填料也會(huì)有較大的吸附差異，并不能保證沸石填料具有相同的效果。

(2)改性沸石的再生技術(shù)不成熟,勢必導(dǎo)致水處理成本的增加。而對于雨水花園，雖然前期投入小，成本不高，但當(dāng)填料達(dá)到吸附飽和后，更換過程耗材耗力。若未及時(shí)處理，反而會(huì)造成二次污染。

隨著對沸石以及改性沸石研究的深入,可以相信,改性沸石在雨水花園的作用將會(huì)越來越大,而且對各種污染物的吸附性能也將趨于清晰穩(wěn)定。以改性沸石作為填料必將得到廣泛的應(yīng)用。

(二)活性炭作為雨水花園填料的經(jīng)濟(jì)性分析

活性炭技術(shù)在環(huán)境保護(hù)中應(yīng)用時(shí)，經(jīng)濟(jì)問題是必須考慮的問題之一。由于目前使用的多為粒狀炭，主要以煤及木屑為原料，加工工序較復(fù)雜，所以活性炭價(jià)格成本較高。目前國內(nèi)活性炭的制備還沒有有效降低成本的方法，技術(shù)手段尚沒有突破口，而對活性炭制備的原材料進(jìn)行試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，不同種類的原材料所制備的活性炭在水處理工藝中的表現(xiàn)有明顯差異，因此若要定性定量得出活性炭對單一污染物的吸附效果，仍需進(jìn)行大量試驗(yàn)。另一方面，當(dāng)活性炭吸附飽和后，對飽和活性炭的再生處理，也是目前國內(nèi)外所面臨的重大難題之一。對于活性炭的吸附性能研究發(fā)現(xiàn)，多種形式的活性炭均表現(xiàn)出對有機(jī)物的有效吸附性，不僅是對有機(jī)物，對某些重金屬也表現(xiàn)出顯著的吸附作用。因此可以看出，雖然活性炭的生產(chǎn)運(yùn)營成本較高，但是作為雨水花園填料，其吸附性能可以有效的控制雨水廢水中的污染物含量。

(三)蛭石作為雨水花園填料的經(jīng)濟(jì)性分析

中國有儲(chǔ)量豐富的蛭石礦資源,天然蛭石以其儲(chǔ)量豐富、價(jià)格低廉、吸附容量大,對環(huán)境無毒無害。不僅如此，改性蛭石對重金屬離子的吸附相較于文中其他所提填料更具有優(yōu)勢。通過改性，蛭石對Hg2+的吸附效果有大幅提升。將蛭石及改性蛭石作為填料的可行性是足夠的，但目前，對于蛭石的相關(guān)研究僅局限于水處理方面，在雨水花園領(lǐng)域卻鮮有研究。雖然其吸附性能和經(jīng)濟(jì)性具有優(yōu)勢，但滲透性能、與微生物、植物之間的影響仍沒有具體的參數(shù)可供參考。因此要大規(guī)模應(yīng)用于雨水花園的建設(shè)，需要對該種填料做更深入的了解。

除了上述的填料外，目前國內(nèi)關(guān)于雨水花園的填料還有很多種類，如珍珠巖、礫石等，其中也有許多具有創(chuàng)新性的填料，如椰糠、貝殼、水泥、生活垃圾焚燒爐渣、生物炭、給水廠污泥等。這些工業(yè)伴生物，越來越多的受到國內(nèi)外學(xué)者的重視，給雨水花園填料提供了新的路徑，使其做到變廢為寶，循環(huán)再生。只是目前這些新型填料的發(fā)展并不全面，仍有許多問題尚待解決。

天然沸石及天然蛭石自身體質(zhì)可以作為填料直接使用，但考慮到其在水處理中的效率及穩(wěn)定性，且在改性成本不高的條件下，我們主要采用改性后的沸石及蛭石作為研究對象。綜上所述，對所涉及填料進(jìn)行整理可以得出：改性沸石作為填料時(shí)，其吸附性能表現(xiàn)為：氨氮>磷>有機(jī)物、重金屬。改性沸石由于其孔隙率原因，在滲透性能表現(xiàn)上也優(yōu)于大部分填料，且改性沸石的原材料成本和改性成本也并不高，因此可以對改性沸石的吸附性能進(jìn)行更深入的研究；活性炭作為國內(nèi)外普遍認(rèn)可的吸附劑，其對有機(jī)物及重金屬的吸附可表現(xiàn)出顯著效果，但對氨氮和磷的吸附仍需進(jìn)一步探討。活性炭成本偏高，且對達(dá)到吸附飽和的活性炭目前仍沒有較好的技術(shù)手段能夠低成本高效的還原活性炭；改性蛭石擁有優(yōu)秀的重金屬吸附性能及較強(qiáng)的氨氮吸附性能，但在對有機(jī)物及磷的吸附方面并不突出。蛭石的材質(zhì)松軟，滲透性能良好，作為填料能夠有效的削減暴雨洪峰。改性蛭石技術(shù)要求不高，材料成本和改性成本比較廉價(jià)，可以作為雨水花園的重要填料。

表1　雨水花園填料相關(guān)性能對比參考

五、結(jié)論與展望

雨水花園是低影響開發(fā)的重要組成部分，填料的吸附性能對雨水控制率及污染物去除起著重要作用。不僅如此，雨水花園的系統(tǒng)規(guī)模、植物選擇、填料組成及配比、填料深度、滲濾水力性能、水文效應(yīng)等都影響著出水水質(zhì)。

本文所提到的填料是目前國內(nèi)雨水花園所普遍采用的，關(guān)于上述的填料，目前階段仍有許多方面的不足：

(1)綜合成本較高：雖然像蛭石、沸石和高爐渣等填料的價(jià)格具有優(yōu)勢，但在建設(shè)雨水花園過程中，工藝繁瑣、工期較長，增加了時(shí)間成本。當(dāng)填料達(dá)到吸附飽和后，對填料的換取也是所投成本的一部分。

(2)填料的吸附效果和滲透性能不穩(wěn)定：目前國內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究普遍集中于等溫吸附實(shí)驗(yàn)，所得數(shù)據(jù)在實(shí)際工程的應(yīng)用中會(huì)有偏差。主要原因是實(shí)際工程中影響因素太多，如下墊面、廢水水質(zhì)、植被種類、植被生長、微生物繁殖等等。

(3)當(dāng)所用填料達(dá)到吸附飽和后，若沒有正確合理的再生措施，廢棄填料的處理會(huì)造成對環(huán)境的二次污染。

雖然關(guān)于雨水花園的研究還有所欠缺，但填料對雨水花園的作用也是毋庸置疑的。對填料的研究需要從更多方面著手：填料的多種組合、組合方式、配比等，以達(dá)到既能提高吸附性能也能提高下滲速率，今后雨水花園勢必會(huì)成為海綿城市建設(shè)的重點(diǎn)，填料研究也會(huì)成為研究熱點(diǎn)之一，我們應(yīng)該抓住機(jī)遇迎難而上，開拓出更曠闊的未來。