李 田，劉 勇，張佳煒，段進凱，張庭秀

(同濟大學環(huán)境科學與工程學院，上海 200092)

太浦河金澤水源地水質(zhì)的安全保障要求深入研究金澤水源地保護區(qū)雨水徑流污染特征，提出具有針對性的源頭、過程、末端相結(jié)合的徑流污染控制策略與技術(shù)，研發(fā)適用于湖蕩水源地“三高一低”特點的雨水徑流污染強化調(diào)蓄凈化技術(shù)。本任務(wù)的目標是研究滿足金澤水源地地域特點的徑流源頭污染控制技術(shù)，為金澤水庫的水質(zhì)保護及我國南方城市水源保護區(qū)的雨水徑流污染防控提供技術(shù)支撐。

1 課題研究背景與目標

《金澤水源地徑流污染源頭控制技術(shù)應(yīng)用研究》(2017ZX07207001-03)屬于《金澤水源地雨水徑流污染防控關(guān)鍵技術(shù)研究與工程示范》(2017ZX07207001)的子課題，由同濟大學承擔。

金澤水源地水質(zhì)受面源污染的影響不能穩(wěn)定達標，超標項目以氮、磷為主，這對雨水徑流的處理提出了更高的要求。與此同時，金澤水源地的地下水位高、土壤滲透性差，徑流難以就地下滲，此外河網(wǎng)高水位對源頭控制設(shè)施的出水排放存在頂托作用。本任務(wù)研究適合高地下水位地區(qū)特點的不透型徑流源頭控制技術(shù)，包括強化除磷與蒸發(fā)的滲透鋪裝、強化脫氮與除磷的干植草溝技術(shù)，其成果對金澤水源地的徑流污染防治具有重要意義。

2 課題研究成果

2.1 強化除磷及蒸發(fā)的滲透鋪裝技術(shù)

2.1.1 水文控制與緩解熱島效應(yīng)的效果

研發(fā)適用于高地下水位地區(qū)、可以防止下滲徑流污染淺層地下水的不透型滲透鋪裝技術(shù)，用于人行道與輕載停車場。在設(shè)施底部設(shè)置防滲膜，排水管出口上彎，碎石蓄水層中設(shè)置具有結(jié)構(gòu)強度的毛細吸水柱構(gòu)建現(xiàn)場應(yīng)用設(shè)施，考察實際應(yīng)用條件下設(shè)施強化蒸發(fā)的效果、設(shè)施的年徑流總量控制率以及污染負荷控制率。在徑流不能下滲條件下，強化蒸發(fā)對提高年徑流總量控制率具有重要意義。經(jīng)過小試試驗，對包括硅藻土、陶土、沸石和陶粒的4種材料經(jīng)不同工藝制備的4種毛細柱對比各自的吸水性能、釋水性能和抗壓強度，確定了陶土毛細柱是新型滲透鋪裝較理想的水分提升材料。新型滲透鋪裝采用陶土毛細柱，在毛細柱面積比為1/8時可使為面層提供充足的可蒸發(fā)水分[1]。

圖1 不同降雨事件下3種設(shè)施的出流情況Fig.1 Outflow of Three Kinds of Devices under Different Rainfall Events

建造了平行的新型滲透鋪裝(IPP)和2個傳統(tǒng)的混凝土連鎖磚(PICP)鋪裝現(xiàn)場試驗設(shè)施，以普通混凝土鋪裝作為對照，比較3種滲透鋪裝在高地下水位地區(qū)的實際運行效果，并探討新型滲透鋪裝的運行機制，其中PICP1與PICP2分別采用水泥穩(wěn)定碎石和普通碎石作為基層結(jié)構(gòu)，IPP碎石基層的通過出水管上彎形成厚15 cm的飽水區(qū)[2]。通過對2018全年實際降雨條件下3種設(shè)施的水文出流過程、典型降雨事件的出流水質(zhì)控制效果以及不同季節(jié)各設(shè)施在降雨結(jié)束后設(shè)施表面的溫度的連續(xù)監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)在可產(chǎn)生明顯徑流的69場降雨事件里，新型滲透鋪裝蓄水區(qū)發(fā)生溢流的事件為5次，而PICP1與PICP2設(shè)施發(fā)生底部出流的事件分別為32次和30次。沒有強化蒸發(fā)措施的設(shè)施，降雨量超過10 mm時即產(chǎn)生明顯出流，而設(shè)置了毛細柱的新型滲透鋪裝在降雨量小于40 mm的降雨事件中不會發(fā)生溢流(圖1)，新型滲透鋪裝的水文控制效果顯著優(yōu)于傳統(tǒng)滲透鋪裝(p<0.01)；在不考慮設(shè)施的凈化、緩排作用的條件下，新型滲透鋪裝、傳統(tǒng)滲透鋪裝 PICP1和PICP2在徑流不能下滲情況下的年徑流總量控制率分別為90.6%、40.2%和41.9%。在實際應(yīng)用條件下新型滲透鋪裝在降雨發(fā)生后緩解城市熱島的效果可持續(xù)一周以上，而傳統(tǒng)滲透鋪裝由于表面滯留的水分很快蒸發(fā)，降溫效果只能維持雨停后最初的一兩天(圖2)；新型滲透鋪裝在夏季的表面溫度最高比不透水路面低15.3 ℃，比PICP1和PICP2分別低15.8 ℃和14.4 ℃[3]。

圖2 夏季一次降雨后7 d的設(shè)施表面溫度變化Fig.2 Surface Temperature Variation of Different Permeable Pavements during 7 Days after Rainfall

2.1.2 新型滲透鋪裝的水質(zhì)控制效果

圖3 不同類型滲透鋪裝的年污染負荷控制率Fig.3 Annual Pollution Load Control Rate of Different Kinds of Permeable Pavements

2.2 強化除磷及脫氮的淺基質(zhì)干式植草溝技術(shù)

上海及其周邊地區(qū)地面高程低、地下水位高，適合此地域特點的干植草溝宜選用淺基質(zhì)層不透型設(shè)計，同時將底部排水管上彎以減少汛期雨污水倒灌進入設(shè)施的風險。為強化設(shè)施脫氮除磷的效果，在植草溝基質(zhì)層添加有機質(zhì)和給水廠污泥，通過小試比較不同的基質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)對徑流脫氮除磷效果的影響。建造了應(yīng)用規(guī)模的干植草溝，并進行現(xiàn)場試驗考察淺層干植草溝對道路徑流在實際降雨條件下的水文及水質(zhì)控制能力，取得以下研究成果。

2.2.1 強化干植草溝脫氮效果的模擬柱

2.2.2 不透型淺基質(zhì)層干植草溝處理道路徑流現(xiàn)場

在內(nèi)環(huán)高架橋下建造底部設(shè)有防滲膜的不透型淺基質(zhì)層干植草溝設(shè)施，現(xiàn)場考察設(shè)施在實際降雨條件下對道路徑流的水文控制、水質(zhì)凈化及污染負荷控制能力，設(shè)施面積為20 m2，服務(wù)面積比為10%，基質(zhì)層厚度為30 cm，上彎的排水管在礫石排水層中形成厚為15 cm的飽水區(qū)?；|(zhì)組成成分為表層土∶砂∶給水廠污泥∶發(fā)酵木屑=25∶65∶7∶3(w/w)。

2019年汛期(4月—8月)降雨充沛，不透型淺基質(zhì)層干植草溝具有一定的水文控制效果。以進、出水第一個峰值為對象評價設(shè)施的峰值削減率與峰現(xiàn)延遲時間。設(shè)施的峰值流量比Rp位于0.2～0.8，隨初始雨強增大而上升；峰現(xiàn)延遲比Rt的均值為1.87，設(shè)施峰現(xiàn)延遲效果隨初始雨強增大而減小。在基質(zhì)厚度為30 cm、飽和滲透速率為10.5 cm/h、服務(wù)面積比為10%的設(shè)計條件下整個2019年設(shè)施未發(fā)生過溢流，可有效控制約9 mm降雨不產(chǎn)生出流。設(shè)施的水量削減效果隨進水深度增加而降低，不透型的底部設(shè)計阻礙了徑流就地的下滲消納，汛期(4月1日—8月31日)31場降雨事件的監(jiān)測結(jié)果表明其間徑流總量控制率為39.4%。

設(shè)施對重金屬Zn、Pb、Mn、Cu和Cd均有良好的去除效果，平均濃度去除率分別為79.9%、74.2%、74.0%、71.4%和68.6%，對應(yīng)出水濃度分別為380.4、101.3、120.7、85.8 μg/L和41.2 μg/L。淺基質(zhì)厚度小未對重金屬的去除效果產(chǎn)生大的影響，出水Cu、Zn以及Pb的濃度分別符合地表水V類水標準。

表1 干植草溝現(xiàn)場試驗的污染物進出水濃度與質(zhì)量負荷削減率[7]Tab.1 Influent and Effluent Concentration and Mass Load Removal Rate of Pilot Dry Grass Swale

上海地形平坦、地下水位高，對坡度要求較小的干植草溝適用性好，排水管上彎的淺層不透型設(shè)計可滿足設(shè)施在高地下水位地區(qū)的正常運行。通過改良基質(zhì)組成，添加發(fā)酵木屑和給水廠含鋁污泥有效強化了設(shè)施對氮、磷的凈化效果。道路徑流通過設(shè)施的凈化及緩排，水文與水質(zhì)性能均得到很好的改善，該型植草溝與市區(qū)河道的調(diào)蓄容積結(jié)合，可共同承擔起徑流總量控制與污染負荷削減的任務(wù)。

2.2.3 干植草溝對道路徑流中多環(huán)芳烴的去除效果

在上海地區(qū)實際降雨條件下，于2020年6月—8月監(jiān)測了上海市內(nèi)環(huán)高架路面徑流中多環(huán)芳烴PAHs的含量以及干植草溝對道路徑流中PAHs的控制效果，并探討影響PAHs去除的因素和機制，以期為控制城市徑流中PAHs對水源地的污染提供技術(shù)支撐。

監(jiān)測期間采集到完整的進、出水過程樣的降雨事件共有8場。根據(jù)8場降雨事件EMC均值，對設(shè)施監(jiān)測期內(nèi)PAHs污染負荷控制效果進行綜合評價。監(jiān)測結(jié)果，高架路面徑流16種多環(huán)芳烴的總和∑16PAHs的EMC均值為3 996 ng/L，4～6環(huán)的高分子質(zhì)量(HMW)PAHs是PAHs的主要成分，占總PAHs的78%以上，表明道路徑流中PAHs主要來自于高溫燃燒源；其中具有明確或潛在致癌性的6種PAHs,∑6PAHs平均質(zhì)量濃度高達1 702 ng/L，是國外主要城市道路徑流監(jiān)測結(jié)果的4～10倍。監(jiān)測降雨事件路面徑流以及設(shè)施進、出水PAHs的EMC濃度分布如圖4所示，其中進水指經(jīng)過前置沉淀池預處理后的徑流。經(jīng)干植草溝系統(tǒng)處理后，∑16PAHs和∑6PAHs的出水分別為172.40～365.05 ng/L和9.70～99.97 ng/L，兩者的平均質(zhì)量濃度去除率分別達到91.73%和96.67%，達到了滿意的去除效果。由于設(shè)施存在徑流水量削減作用，對∑16PAHs和∑6PAHs的質(zhì)量負荷去除率均高于質(zhì)量濃度去除率，分別為96.18%和98.31%，本文的干植草溝對PAHs污染具有顯著削減效果。苯并[a]芘(BaP)作為多環(huán)芳烴中毒性最大的一種強致癌物，對徑流PAHs污染負荷的貢獻率在8.37%～21.09%。我國《污水綜合排放標準》(GB 8978—1996)規(guī)定BaP的排放限值為30 ng/L，上海高架路面徑流中BaP的濃度已超過水環(huán)境標準的10倍。經(jīng)淺基質(zhì)層干植草溝處理后，各次降雨設(shè)施出水BaP濃度與標準限值之間的比值均小于1，達標率為100%，說明干植草溝可有效控制路面徑流PAHs排放。

注：☆表示徑流和出水之間存在顯著差異(p<0.05)；△表示進水與出水之間存在顯著差異(p<0.05)圖4 干植草溝系統(tǒng)不同類型水樣中PAHs的EMC分布Fig.4 EMC of PAHs in Road Runoff, Influent and Effluent Samples of Dry Grass Swale System

3 研究展望

新型不透型滲透鋪裝不僅有效地削減了徑流水量與污染負荷，還能很好地降低鋪裝表面在強日照時段的溫度，有利于降低城市熱島效應(yīng)。今后的研究方向，在于應(yīng)用規(guī)模下進一步考察在找平層中添加碳源對設(shè)施脫氮效果的影響，以及面層堵塞對設(shè)施的蒸發(fā)與降溫效果的影響。不透型干植草溝現(xiàn)場應(yīng)用研究的脫氮效果低于模擬柱試驗，除了現(xiàn)場應(yīng)用試驗中基質(zhì)的組分配比與裝填質(zhì)量不易控制之外，結(jié)構(gòu)較復雜的帶過渡層的構(gòu)造形式，建造要求與費用較高沒有能應(yīng)用是一個重要的原因。在對設(shè)施出水水質(zhì)要求高的場合，可以開展相關(guān)的強化脫氮的應(yīng)用試驗。