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北京市典型雨水工程污染物去除效果监测分析

发布时间:2022-06-14整理:成都科林环保有限公司

近年来,在海绵城市建设的背景下,北京建设了大量的雨水利用和控制项目(以下简称雨水项目),如水库、植草沟、透水路面、生物滞留池等,项目数量和综合利用能力逐年增加。据统计,2019年北京共有2 850个雨水项目,综合利用5 024万m3[1]。

大量雨水工程不仅可以减少雨径流量,防止城市内涝问题,还可以积极控制非点源污染[2-3]。虽然雨水工程采用人工模拟法和模型法已经研究和发展了很长一段时间,但雨水工程的实际监测仍然是评价其环境效益的重要基础,特别是对环境清单的编制和流域水质目标管理具有重要的支持意义。目前,学者对雨水工程的径流量和污染物控制进行了监测和评价[4-6]。作者选择北京典型的三种雨水工程,包括生物滞留池、植草沟、透水铺装、雨水污染物浓度监测,比较不同工程的污染物去除率,为雨水工程的选择、非点源污染控制和水质目标管理提供科学依据。

1. 典型雨水工程概况

生物滞留池位于亦庄经济开发区博大厦西侧停车场,建筑面积1 500 m2.汇水范围为停车场,沥青地面面积约15 000 m2.现场交通流量大。马林和千屈菜种植在滞留池中,主要是马林,生长良好。雨水通过池体预留的缝隙进入,溢流进入雨水井后排。

植草沟位于亦庄经济开发区科技创新十七街南侧,建设面积1 200 m2.汇水范围为科技创新十七街路面,沥青路面面积约5000 m2.街道交通流量较少。植草沟主要种植千屈蔬菜,有少量马林,有些地面尚未被植物覆盖。雨水收集后,通过开口进入植草沟,雨水渗漏或溢流进入雨水井后排。

透水路面位于昌平区未来科技城滨河大道南侧的停车场。现场交通流量较少,停车场几乎没有车辆停放。透水路面包括透水混凝土、透水砖和植被砖,建筑面积为30 m2.铺装地面从西向东倾斜,东侧有雨水收集渠,后汇入取样井。

2. 收集和分析雨水样品

雨水样品自2018年7月20日起采集降水,前期晴天为3 d。降水形成径流后,间隔为10 min雨水工程进出水样品依次收集。

监测水质指标包括COD及悬浮固体(SS)、氨氮、总磷、铅和铜浓度。COD采用HJ 828-2017《水质 化学需氧量测定 重铬酸盐法》测定,SS浓度采用GB 11901-1989《水质 悬浮物测定 重量法》HJ 535-2009《水质 氨氮测定 纳氏试剂分光光度法》GB 11893-1989《水质 总磷测定 钼酸铵分光光度法》HJ 776-2015《水质 32元素测定 电感耦合等离子体发射光谱法》测定。

3. 不同雨水工程污染物的去除效果

3.1 生物滞留池

生物滞留池的水质和污染物去除率见表1。从表1可以看出,生物滞留池的水质相当于GB 3838—2002《地表水环境质量标准》劣Ⅴ类,特别是COD较高,为72~86 mg/L,进水水质差主要是工程汇水范围内交通流量大造成的。

北京市典型雨水工程污染物去除效果监测分析

对生物滞留池COD、SS、氨氮和总磷具有明显的去除作用,特别是对COD和SS去除效果好,平均去除率分别达到82.1%和70.7%,去除率分别达到86%和79%,出水水质达到地表水Ⅲ类别标准。生物滞留池主要依靠填料吸附、生物降解和植物吸收来去除雨水中的有机物,其中填料吸附是重要的[4]。SS主要通过沉淀和填料过滤作用去除,据报道对生物滞留池SS去除效果好,稳定运行后去除率在80%以上,甚至达到95%[7-9]。本研究生物滞留池植物生长茂盛,设施完善COD、SS具有较好的去除效果,其中SS平均去除率低于文献,主要原因是进水SS浓度低,出水量低于检测限。

与COD、SS氨氮和总磷的平均去除率分别为62.3%和48.2%。氨氮由微生物硝化转化为硝酸盐氮,然后通过填料吸附和植物吸收去除。氨氮去除效果优于总氮。Li[10]研究表明,传统生物滞留池对氨氮的去除率可达89%,但总氮的去除率仅为41%。杨银川等[11]研究表明,生物滞留池对总氮和氨氮的去除率分别为78%和93%,差异明显。磷通过过滤吸附、离子交换和植物吸收去除。在本研究中,总磷的去除率不稳定,为6%~75%。国内外学者对生物滞留池去除总磷效果的研究结果存在很大差异。例如,美国北卡罗来纳州和纳什维尔的生物滞留池总磷去除率分别为240%和19%,澳大利亚无植物生物滞留池总磷去除率可达94%[12-14],毛月鹏等[9]研究表明,屋面径流中生物滞留池总磷去除率为72%.7%。生物滞留池的结构、填料和植物种类是总磷去除的重要因素。马林是本研究中生物滞留池的主要植物,Yang对比30种植物,发现种植马林的生物滞留池对总磷的去除率仅为25%左右,同等条件下种植马唐对总磷的去除率为85%。

生物滞留池对重金属有很好的去除效果。出水铅浓度低于检测限,去除率为46%,铜平均去除率为90%.6%。雨中重金属的形式包括颗粒状和溶解状。颗粒状主要通过沉淀和过滤去除,溶解状主要通过吸附和植物吸收去除。根据现有的研究结果,重金属对维护良好、运行正常的生物滞留池具有理想的去除效果[16]。然而,雨中的重金属大多以颗粒状的形式存在,主要通过填料的物理拦截去除。重金属会沉积在填料表面,并富集在植物根部,影响填料和植物的正常功能,甚至造成二次污染[17]。

3.2 植草沟

植草沟进出水质及污染物去除率见表2。从表2可以看出,进水径流COD、氨氮浓度分别为21~38和1.32~1.90 mg/L。进水污染物浓度相对较低,推测汇水范围内道路车辆较少,前期晴天较短。COD、氨氮,总磷和SS 植草沟对氨氮的去除效果,平均去除率达到91.平均出水浓度为0.12 mg/L。但文献报道的植草沟氨氮去除率差异较大,如杨银川等[11]发现植草沟氨氮去除率为93%,而张茹等[18]研究表明,植草沟氨氮去除率仅为19%。类似于氨氮,SS和COD在不同的研究中,去除效果也有很大的研究植草沟对SS和COD平均去除率分别为51.9%和40.3%。荆武等[19]研究表明,植草沟对COD去除率只有4.3%的研究结果是76.5%。由于植草沟结构相对简单,抗冲击性较弱,不同研究中植草沟污染物的去除效果差异较大,降水强度、植物类型、进出水模式等都会影响其污染物去除效果。下渗径流和溢流径流对污染物去除有影响。研究表明,下渗径流在去除污染物方面比表面溢流径流有更多的优势,主要是因为植物根系和土壤对下渗径流的过滤和拦截效果更明显[21]。另一项研究表明,降水强度越大,径流污染的控制效果就越差。李海燕等[22]在暴雨中对植草沟的净化效果进行了现场监测和分析,结果表明,SS、氨氮、COD平均去除率只有10%~35%。

北京市典型雨水工程污染物去除效果监测分析

值得注意的是,雨水中总磷的浓度不降反增,浓度为0.56 mg/L,相当于地表水差Ⅴ类水质。有两个原因:1)颗粒状总磷主要依靠土壤和植物根系进行过滤和截留,植物密度和生长对植物沟缺乏维护管理,植物生长不良,表面植被覆盖率低,植物根系作用不足;2)总磷进水平均浓度为0.15 mg/L,植草沟在低进水浓度下容易释放总磷。黄俊杰等[23]发现,总磷进水浓度小于0.2 mg/L当植草沟释放磷时,其出水浓度高于进水浓度。

3.3 透水铺装

不同铺装类型的进出水水质和污染物去除率见表3。从表3可以看出,透水混凝土、透水砖和植被砖的进水COD由于沥青路面溶解有机物,其雨水径流明显低于沥青路面COD偏高[24]。SS氨氮进水浓度明显高于透水混凝土、透水砖和沥青路面,相当于地表水较差Ⅴ推测植被砖孔隙中植被稀疏,导致土壤颗粒被雨水冲刷进径流。

北京市典型雨水工程污染物去除效果监测分析

从污染物去除率来看,透水混凝土对COD、氨氮,总磷和SS的去除率均为,平均去除率分别为57.0%、72.7%、79.4%和82.2%;透水砖和植被砖COD、总磷和SS去除率相对接近,平均去除率分别为33.2%~33.3%、46%~48%和49.7%~56.1%。从出水水质来看,透水混凝土的出水水质,达到地表水Ⅱ水质标准;透水砖和植被砖稍差,地表水 Ⅴ水质标准。其中,氨氮是透水砖和植被砖水质较差的指标,如植被砖氨氮的水浓度为1.94 mg/L,接近地表水Ⅴ水质限值。此外,在透水砖铺设中,氨氮出水浓度高于进水,氨氮平均去除率为37.9%。秦余朝[25]研究表明,透水砖铺装氨氮的去除率为21.2%,单独的透水砖会增加出水中氨氮的浓度。氨氮的去除主要发生在透水路面层以下的结构,因此推测本研究中出水氨氮浓度的增加是由透水砖材料的释放引起的。

在本研究中,透水路面建成2年,使用寿命短,去除污染物效果明显。研究证明,随着使用寿命的增长,透水路面去除污染物的效果将逐渐下降[25],但通过清洁,透水路面材料中的污染物(特别是COD与氨氮溶解,恢复污染物的去除效果。因此,透水铺装工程应及时清洗和维护,以保持其污染物去除效率[26]。

4. 对比不同雨水工程污染物的去除效果

根据监测结果和文献报告,比较了生物滞留池、植草沟、透水混凝土铺设、透水砖铺设和植被砖铺设五种措施的去污效果,如图1所示。从图1中可以看出,COD去除率为生物滞留池>透水混凝土>植草沟>植被砖>透水砖,氨氮去除率为植草沟>透水混凝土>生物滞留池>植被砖>透水砖,总磷去除率为透水混凝土≈生物滞留池>透水砖>植被砖>植草沟,SS去除率为透水混凝土≈生物滞留池>植草沟>植被砖>透水砖。生物滞留池和透水混凝土对去除污染物有很好的效果。但两者的施工维护成本差异较大,生物滞留池成本为734.8元/m2,而透水铺装仅为183.6元/m2.[27]经济优势明显。

北京市典型雨水工程污染物去除效果监测分析

与生物滞留池和透水混凝土相比,植草沟正在去除COD、SS总磷没有优势,尤其是总磷。但植草沟在去除氨氮方面具有明显优势,平均去除率为84.4%。此外,植草沟的建设和维护成本仅为116.3元/m2济优势显著[27]。

考虑到几种措施的污染物去除效果和经济因素,建议在经济条件允许的城市地区使用生物滞留池和透水混凝土铺装。对于农村地区,特别是在控制农业面源污染时,可以选择低成本但具有污染物去除优势的植草沟。

5. 结论与展望

根据生物滞留池、植草沟、透水混凝土铺装、透水砖铺装、植被砖铺装五种雨水工程的实际监测结果,综合文献报告发现,生物滞留池和透水混凝土具有良好的污染物去除效果,植草沟具有氨氮去除的独特优势。植草沟的工程维护,特别是植被的生长,对污染物的去除率有重要影响。如果植被维护不良,不仅会影响其去除污染物的效果,而且还会成为雨水污染的来源。

本研究主要监测下渗雨水中的污染物去除效果,而表面溢流雨水同样需要关注。特别是在降水强度较大时,溢流占比相对较高,且溢流雨水中污染物去除易受外界因素影响,如降水强度、历时、污染物初始浓度等。因此在后续研究中,应结合雨水径流量,开展雨水工程污染物去除的定量监测,综合评价各种措施的效益-成本曲线,为实际雨水工程的选择提供依据。

来源:环境工程技术学报

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