随着城市硬化路面的增多和环境污染的加剧, 大量雨水径流携带污染物汇入地表水体和城市雨水管网, 造成地表水的污染, 同时加重了污水处理厂的负担。为了缓解雨洪和雨污带来的各种问题, 国内倡导“海绵城市”的建设^[1~3]。透水铺装是一种有效的“海绵措施”, 具有高透水性和一定的除污染能力, 目前广泛地应用于建筑与小区人行道^[4]。透水铺装一般由透水面层、找平层和垫层等部分构成, 具有多层次的内部结构, 可通过结构层的吸附、截留和过滤等作用实现对径流雨水中污染物的去除, 因此正在得到广泛的应用^[5~7]。由于铺装材料的种类众多, 其内部可能含有杂质污染物, 加至降雨过程的随机性, 透水铺装的除污染效能往往受到多种因素的影响。在一场降雨的不同时段, 各种污染物的去除效能也不同, 通常降雨初期时污染物去除率波动较大, 随着降雨过程的持续, 各种污染物的去除效能逐渐趋于稳定。

本研究采用硅砂混凝土透水砖为透水铺装面层, 依照设计规范中常用的透水铺装材料及厚度铺设, 研究了透水铺装对SS、COD、NH₃-N、TP和Zn等5种污染物的去除效能, 以及降雨强度对去除效能的影响, 最后采用去离子水对含中等浓度污染物径流雨水渗滤过的透水铺装进行清洗, 探究了清洗过程中渗滤出水中各种污染物浓度及pH的变化。

透水铺装材料均根据《建筑与小区雨水利用工程技术规范》 (GB 50400-2006) 规定进行设置。透水砖采用硅砂混凝土透水砖, 规格为300 mm×150mm×70mm, 其中上表层10mm为硅砂, 硅砂面层以下60mm为透水混凝土;采用砂砾石作为找平层, 厚度为50mm, 细度模数为3.47;单级配碎石垫层粒径约为8mm, 厚度为200mm。

模拟降雨强度分别采用北京市各重现期2h降雨强度作为试验降雨强度, 其中除污染效能试验采用北京市20年重现期的2h降雨强度作为试验降雨强度, 人工配制雨水中各种污染物浓度如表1所示。

试验采用人工模拟降雨方式, 透水铺装按照国家标准进行设置, 自上而下分别是硅砂混凝土透水砖层、砂砾石找平层和碎石垫层。铺装槽材质为304不锈钢, 尺寸为350 mm×150 mm×370 mm, 在铺装槽侧面底部设有取样口;人工降雨采用喷头均匀洒水。试验系统如图1所示。

根据污染物种类分别配制成相应浓度的配制雨水并存放入水桶中。将透水铺装层填入铺装槽内, 连接布水管和提升泵, 试验时启动提升泵, 将雨水输配到喷头处, 均匀地喷洒在透水铺装表面, 待铺装槽底部取样口有稳定出流时开始计时, 每间隔20min进行取样, 2h后每间隔1h进行取样, 共取样5h, 取出的水样及时进行水质检测。

在进行降雨强度影响试验时, 先按照中浓度的各污染物含量配制雨水, 试验方法同上, 分别在0min、60min和120min时进行取样, 在规定的时间内测量各污染物的含量并计算去除率, 每种污染物指标取上述3个时间的去除率平均值作为本降雨强度下该污染物的平均去除率。

最后采用超纯水对上述透水铺装进行清洗, 试验方法同上。

COD、NH₃-N、TP和Zn的浓度采用分光光度仪 (LH-3BA, 北京连华永兴科技发展有限公司, 中国) 进行检测;SS采用烘干法测定。

图2为透水铺装对径流雨水中不同浓度SS的去除效能。可知, 3种浓度下SS的去除效能非常高, 去除率均在90%以上。当透水铺装系统取样口刚出水时, 低、中和高浓度径流雨水出水的SS浓度分别为15.21 mg/L、12.02 mg/L和40.01 mg/L, 去除率分别为95.59%、94.37%和97.50%;在第80min时, 低、中和高浓度径流雨水出水的SS浓度分别为9.12mg/L、9.24mg/L和7.02mg/L, 去除率分别变为97.35%、99.01%和98.13%。可以看出, 在0~80min期间, 3种浓度下的SS去除率均呈现逐渐增大的趋势, 可能由于随着降雨过程的持续, 透水铺装内部空隙被悬浮颗粒阻塞, 空隙减小, 从而有利于截留更多悬浮颗粒^[8]。在80~300min期间, 低、中和高浓度的SS去除效果逐渐趋于稳定, 平均去除率分别为97.16%、98.49%和98.80%。

透水铺装对COD的去除效能如图3所示, 可知, 3种浓度COD的去除效果呈现相似的变化趋势。在0~60min期间, 3种浓度的COD去除效能均呈逐渐增大的趋势, 低、中、高浓度出水的COD浓度分别在239.4~245.51 mg/L、476.47~492.75mg/L和1 007.6~1 065.31mg/L范围, 去除率分别在5.68%~11.48%、4.51%~9.21%和3.33%~10.56%范围。在60~120 min期间, 3种浓度COD的去除效能逐渐减小, 并在第240min后呈趋于稳定的去除效能, 低、中、高浓度出水的COD平均浓度分别为253.76、497.33和1 053.10 mg/L, 平均去除率分别为2.51%、3.62%和4.44%。可以看出, 透水铺装系统对COD的去除效果不佳, 3种浓度的COD去除效果差异不大。在透水铺装系统中, COD的去除主要依靠铺装材料的吸附和结构层空隙的截留作用, 通常结构密实、空隙率低的结构层具有较好的COD去除效果^[9], 而透水铺装系统垫层采用均匀级配碎石, 不利于有机物的截留作用。此外, COD的吸附去除效能与吸附材料的表面活性吸附位数量有关^[10], 降雨初期, 透水铺装结构层材料内有大量活性吸附位, 随着径流雨水的入渗, 当大部分吸附位被占据时, 铺装材料的吸附能力逐渐下降。

透水铺装对NH₃-N的去除效能如图4所示。可知, 3种浓度的NH₃-N的去除效果存在一定差异。在0~100 min期间, 低浓度NH₃-N的去除效能存在一定波动, 出水NH₃-N的平均浓度和去除率非别为0.717 mg/L和35.5%, 中、高浓度NH₃-N的去除效能呈显著下降趋势, 出水NH₃-N的浓度分别在1.482~1.794 mg/L和2.606~3.247 mg/L范围, 去除率分别在23.14%~36.50%和3.76%~22.76%范围;在100~300min期间, 3种浓度NH₃-N的去除效果均呈趋于稳定的趋势, 低、中、高浓度出水的NH₃-N平均浓度分别为0.751mg/L、1.816 mg/L和3.211 mg/L, 平均去除率分别为35.57%、22.19%和4.84%。可以看出, 透水铺装系统对低浓度NH₃-N的去除效能更高, 降雨前期的去除效果优于降雨后期, 可能由于铺装材料吸附量有限, 降雨后期已截留和吸附的NH₃-N被雨水冲刷出^[8], 导致降雨后期去除率有所下降。

图5为透水铺装对TP去除效能随时间的变化。可知, 3种浓度的TP去除率均呈现先增大后趋于稳定的趋势。在0min时, 低、中和高浓度出水的TP浓度分别为0.054mg/L、0.075mg/L和0.169mg/L, 去除率分别为93.54%、95.63%和95.00%;随着降雨过程的持续, 3种浓度的TP去除率均呈现逐渐增大的趋势, 100min后均达到稳定去除效果, 低、中和高浓度出水的平均TP浓度分别为0.015mg/L、0.044mg/L和0.124 mg/L, 平均去除率分别为98.21%、97.43%和96.34%。可以看出, 透水铺装的TP去除效能非常高, 低浓度和中浓度出水的TP浓度均已达到《地表水环境质量标准》 (GB3838-2002) 中Ⅱ类水的TP浓度限制 (≤0.1mg/L) 。透水铺装对磷酸根离子的去除机理主要为物理吸附和化学吸附, 并易附着于水中悬浮颗粒, 并随SS的去除得以去除^[11]。由前文分析可知, 透水铺装的SS去除率较高, 大部分TP随SS的截留而得到去除, 这是TP去除率高的主要原因之一。

图6为透水铺装对Zn的去除效能。可知, 3种浓度Zn的去除效能存在一定差异。在0 min时, 低、中、高浓度出水的Zn浓度分别为0.061mg/L、0.071mg/L和0.056 mg/L。随着降雨过程的持续, 各浓度Zn的去效能均呈增大趋势, 低、中、高浓度的Zn去除效能分别在100 min、60 min和120min以后达到稳定, 出水的平均Zn浓度分别为0.032mg/L、0.033 mg/L和0.028 mg/L, 平均去除率分别为97.28%、97.19%和98.29%。可以看出, 透水铺装的Zn去除效能非常高, 可能由于铺装材料的Zn饱和吸附容量较大, 3种浓度出水的Zn浓度均已达到《地表水环境质量标准》 (GB 3838-2002) 中Ⅱ类水规定的Zn含量标准 (≤1.0mg/L) 。

透水铺装除污染效能受多种因素的影响。可以看出, 污染物的初始浓度不同时, 去除效能存在一定差异, 其中NH₃-N去除率的差异最明显, 低浓度时的去除率明显高于高浓度时的去除率。此外, 降雨强度的大小影响透水铺装内部雨水渗透速率, 对透水铺装除污染效能的影响较大, 因此有必要进行不同降雨强度下污染物去除效果对比试验。

图7为不同重现期降雨强度下各污染物的平均去除率变化。可以看出, 透水铺装对各种污染物平均去除率由大到小分别为:SS、TP、Zn、NH₃-N和COD。随着降雨强度的增大, 各种污染物去除效能呈现不同的变化趋势, 其中SS、NH₃-N和COD的去除率随降雨强度的增大而减小, 降雨重现期由1年增至100年时, 3种污染物的平均去除率分别降低了3.09%、18.68%和44.23%。NH₃-N主要依靠铺装材料的化学吸附作用得以去除, 可能由于降雨强度的增大导致雨水在透水铺装内渗流速度增大, 进而与铺装材料的接触时间减少, 导致部分未及时进行化学吸附的NH₄⁺随水流排出^[12]。COD的去除主要依靠透水铺装的吸附和截留作用^[9], 渗流速度过大同样会导致部分COD未及时吸附和截留而随水流排出。透水铺装系统对SS的去除机理主要为结构层内部空隙的截留作用^[13], 当渗流速度较大时, 会导致部分悬浮颗粒物穿过材料间空隙, 但当找平层厚度大于5cm时, 冲刷对悬浮物的影响并不明显^[8], 因此强降雨不会导致SS去除率的大幅下降。当降雨重现期为1年时, TP和Zn的去除率分别为96.21%和95.61%, 当采用100年重现期降雨强度时, 去除率分别为96.68%和94.99%。可以看出, 这两种污染物的去除率受降雨强度影响较小, 可能由于透水铺装对这两种污染物的平均去除效能较大, 雨水在铺装结构层内的渗流速度已经不再是制约其去除效能的主要因素。总体而言, 降雨强度对去除率较低的污染物的去除效能影响较大, 而对去除率较高的污染物的去除效能影响并不显著。

图8为采用超纯水对高浓度雨水渗滤过的透水铺装进行清洗时出水pH的变化。可知, 出水的pH呈先增大后趋于稳定的趋势。经测定进水pH值为7.2, 当出水口刚出水时, 出水pH为8.1;在0~100min期间, 出水的pH由8.1增至8.9;在100~300min期间, 出水pH稳定在8.8~8.9范围。可以看出, 经过透水铺装的出水水呈碱性, 由于垫层采用石灰石, 表面的少量氧化钙等化合物与水反应生成弱碱氢氧化钙, 造成出水雨水pH增大。

图9为清洗出水中各种污染物去除率的变化。可以看出, 清洗出水中各种污染物的浓度呈不同的变化趋势。在0~180 min期间, 随着清洗时间的持续, 清洗出水中COD、TN和NH₃-N的浓度逐渐减小, 清洗去除率分别在11.27%~98.3%、12.90%~81.86%和3.38%~57.80%范围, 表明被截留和残留于透水铺装结构层内部的这3种污染物易被水流冲出, 清洗前后SS、TP和Zn的浓度变化不明显, 清洗去除率分别在98.87%~99.43%、96.77%~98.84%和97.37%~99.63%范围, 可以看出, 吸附和截留的SS、TP和Zn不易随水流冲刷出;在180~300 min期间, 清洗出水中NH₃-N的去除率呈缓慢增大趋势, 出水平均去除率为63.49%, SS、TP、COD和Zn的去除率呈趋于稳定的趋势, 出水平均去除率分别为99.23%、98.80%、98.78%和99.57%, 可以看出, 240min以后清洗出水中SS、TP、COD和Zn的浓度非常低, 其中SS在整个清洗过程的出水去除率均保持较高水平, 表明不易被清洗出, 从而容易堵塞透水铺装内部空隙, 这可能是透水铺装在长期使用后透水能力下降的原因之一。

(1) 透水铺装的SS、TP和Zn去除效能非常高, 稳定后的平均去除率分别为98.15%、97.33%和97.58%;NH₃-N也有较显著的去除效果, 平均去除率为20.87%;而COD的去除效果不佳, 平均去除率仅为3.52%。

(2) 透水铺装对3种浓度NH₃-N的去除效能差异显著, 其中低浓度的NH₃-N具有更高的去除效能, 而其他污染物的去除效能与污染物浓度关系不大。

(3) 降雨强度对去除率较高的污染物的去除效能影响并不显著, 而对去除率较低的污染物的去除效能影响较大, 其中TP和Zn的去除率受降雨强度的影响较小;NH₃-N和COD的去除率随降雨强度的增大而减小, 降雨重现期由1年增至100年时, 平均去除率分别降低了8.68%和44.23%。

(4) 清洗时, 透水铺装的出水呈碱性, pH稳定在8.8~8.9;被截留和残留于透水铺装结构层内部的COD和NH₃-N易被水流冲出, 而吸附和截留的SS、TP和Zn不易随水流冲出, 从而容易堵塞内部孔隙。