０前言

非點源污染在我國城市水體環(huán)境保護中正在成為越來越突出的問題。非點源污染控制技術(shù)是改善水環(huán)境質(zhì)量的重要研究內(nèi)容，其中源頭污染減量研究被認(rèn)為是城市非點源污染控制的首要環(huán)節(jié)［１］。生態(tài)淺層蓄滲技術(shù)因其高效快速、成本低、占地少、操作簡便等優(yōu)點而受到人們越來越多的關(guān)注［２］。作為最佳管理措施（ＢＭＰ）的一種，淺層滲濾技術(shù)在一些發(fā)達國家得到了很大的發(fā)展，目前已取得不少成果，也有許多實際工程運行［３，４］。本研究根據(jù)上海地區(qū)下墊層土壤結(jié)構(gòu)特點，通過以上海市典型的褐黃色粉狀粘土為主配比的人工土作為滲濾層，建立與其下墊層結(jié)構(gòu)相應(yīng)的生態(tài)淺層滲濾中試裝置。并以上海市公路雨水徑流為處理對象，考察滲濾系統(tǒng)對雨水徑流長期的凈化效果，分析各參數(shù)和運行條件對城市非點源污染物降解的強化效果和影響機制，并就雨水徑流污染物在滲濾系統(tǒng)中的環(huán)境行為及凈化機制進行探討，為城市非點源污染的生態(tài)治理技術(shù)提供可借鑒的參考。

１材料與方法

本試驗構(gòu)建不同結(jié)構(gòu)的淺層滲濾系統(tǒng)開展平行試驗，進行路面徑流污染的凈化效果研究。裝置均由ＰＶＣ塑料板制成，周邊以加強筋固定，有效尺寸為：長×寬×高＝１．０ｍ×０．５ｍ×１．０ｍ。各處理單元從上至下每隔１０ｃｍ分別設(shè)置一個取土口和出水口。底部設(shè)置接收端口收集濾液、徑流液進行水質(zhì)分析。

１．１模擬滲濾系統(tǒng)的設(shè)計思路與方法

在模擬滲濾系統(tǒng)設(shè)計中，充分考慮以下問題：①根據(jù)國外已建成的生態(tài)淺層蓄滲系統(tǒng)的特點，上層為植物種植層，下部為排水性較好的混合土壤滲濾層；②根據(jù)南方地區(qū)地下水位高以及土層構(gòu)成的特點，設(shè)置兩套典型的不同結(jié)構(gòu)的滲濾系統(tǒng)。

１．２滲濾系統(tǒng)的構(gòu)成與試驗

設(shè)置根據(jù)淺層滲濾的特點，對滲濾裝置采用以下兩種方法進行填充（分別記作結(jié)構(gòu)１和結(jié)構(gòu)２），滲濾系統(tǒng)土壤層結(jié)構(gòu)組成如圖１和圖２所示。結(jié)構(gòu)１：從上至下依次為種植層、土壤滲濾層和承托層（儲滲）。最上部約２０ｃｍ厚的表層土是植物生長的土壤，種植具有較好脫氮效果的高羊茅（ｆｅｓ－ｔｕｃａａｒｕｎｄｉｎａｃｅａ），稱之為“種植層”。“滲濾層”是雨水凈化的主要作用層，由厚度約為０．３ｍ的人工混合土壤構(gòu)成，底部鋪設(shè)０．２ｍ厚、粒徑０．２～４ｍｍ的經(jīng)破碎篩分的建筑廢棄物，同時起到儲滲層的作用。該形式的滲濾系統(tǒng)底部由較厚的建筑廢棄物構(gòu)成，沒有滲濾限制層，雨水滲濾速度較快，代表地下水平均水位大于１ｍ的區(qū)域，底部設(shè)有儲滲層且滲透性能較好的淺層地下滲濾系統(tǒng)。根據(jù)滲濾介質(zhì)的不同，該結(jié)構(gòu)的滲濾系統(tǒng)設(shè)置３組模擬裝置，分別為：①裝置１：原土＋石英砂（５∶１）；②裝置２：原土＋木屑（５∶１）③裝置３：原土＋煤灰渣（５∶１）。填充好的三套模擬滲濾裝置依次簡稱Ｓ１、Ｓ２、Ｓ３。結(jié)構(gòu)２：從上至下依次為種植層、土壤滲濾層、原狀土層以及排水層。和結(jié)構(gòu)１相比，最大的區(qū)別是在滲濾層的底部增加了原狀土層，為了便于試驗設(shè)施的排水，底部設(shè)置了排水層（礫石層），主要作用是便于排水取樣。從上至下礫石的粒徑從小到大，粒徑范圍從２～４ｍｍ增加至１６～３２ｍｍ，空隙率約為３５％。該形式的滲濾系統(tǒng)底部存在著滲透性能較差的原狀土滲濾限制層，其特點是雨水滲濾系統(tǒng)下層滲透性減弱，在整個滲濾過程中滲濾速度較慢，容易在底部的滲濾層形成飽水層，利于污染物的反硝化。其代表滲透性能相對較差的淺層滲濾系統(tǒng)，符合上海的實際情況，較為常見。模擬裝置設(shè)置同結(jié)構(gòu)１。填充好的３套模擬滲濾裝置分別簡稱Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３。

１．３試驗設(shè)計

試驗分三階段進行：（１）試驗準(zhǔn)備階段。試驗裝置裝填完畢，向內(nèi)投加清水，連續(xù)滲流２周，使土樣充分飽水，以改善土層的孔隙結(jié)構(gòu)，同時淋洗混合土壤本底氨氮、重金屬等，至滲流速度和污染物出流穩(wěn)定。（２）試驗啟動階段。本試驗采用了降雨－落干交替的運行方式，維持土壤干濕交替環(huán)境的自然啟動方式。（３）試驗正式運行階段。為了模擬自然條件下雨水徑流在土壤中的下滲凈化過程，在整個試驗過程中，進水均采用間歇布水方式，降雨采用模擬降雨器均勻布水，計時器控制每天進水１ｈ，落干３ｄ。降雨強度是根據(jù)上海多年的降雨統(tǒng)計資料，選擇多年年平均場降雨量１０．７２ｍｍ為一次試驗的降雨量參考，同時考慮到不透水面匯入滲濾系統(tǒng)的雨水徑流量，所以實際每次的進水強度為３５．７３ｍｍ。每次試驗過程中間隔１～２ｈ取一次下滲的路面徑流樣品并測定其中的污染物濃度，最終出水濃度數(shù)據(jù)取幾次出水的平均值，試驗運行周期約為１ｄ。

１．４進水水質(zhì)試驗

用水取自中山北二路路面雨水口的實際雨水，該路段為水泥瀝青路面，雙向四車道，取樣點處于道路轉(zhuǎn)彎處，路面雨水徑流經(jīng)道路一側(cè)的落水管排入地面雨水管接口，對應(yīng)匯水面積約３００ｍ２，日均交通量約３００００輛。試驗水質(zhì)如表１所示。

２結(jié)果與分析

２．１ＣＯＤ的去除效果

滲濾系統(tǒng)對有機污染物的去除主要通過過濾截留、吸附和生物降解作用共同完成。圖３為不同模擬滲濾系統(tǒng)按照１次進水落干３ｄ的水力負(fù)荷周期長期運行（約為１ａ）時ＣＯＤ的出水濃度和去除率。結(jié)果表明，各類型滲濾系統(tǒng)對公路雨水徑流中ＣＯＤ具有較好的處理效果，出水濃度大都在１００ｍｇ／Ｌ以下，去除率基本在６０％～８０％。總的來說，進水在一定范圍內(nèi)波動，滲濾系統(tǒng)出水水質(zhì)相對穩(wěn)定，說明系統(tǒng)具有較強的抗負(fù)荷沖擊能力，即便是對降雨產(chǎn)生的高污染初期雨水仍有很好的去除效果。其中結(jié)構(gòu)２各模擬滲濾試驗裝置對ＣＯＤ的去除效果要明顯好于結(jié)構(gòu)１，添加煤渣的試驗裝置出水效果則要明顯好于其他試驗裝置。滲濾系統(tǒng)對有機物的去除，首先與滲濾系統(tǒng)中土壤的組成和性質(zhì)有關(guān)。由于粘土的顆粒細(xì)小、比表面積大、比表面能大，因此具有較強的吸附力［５］。它們通過對有機物質(zhì)的物理、化學(xué)作用的截留吸附，使得大部分的有機物質(zhì)被固定于滲濾系統(tǒng)的濾層中。以模擬滲濾裝置Ｗ１為例，圖４給出了試驗期間滲濾裝置上層土壤和下層土壤性質(zhì)的變化情況。由圖４可知，上層土壤有機質(zhì)含量明顯高于下層土壤。第一次進水前上層土壤有機質(zhì)含量平均為１６．６ｍｇ／ｇ，經(jīng)過數(shù)月的運行之后，升至２４．１ｍｇ／ｇ。下層土壤有機質(zhì)變化相對較小，降雨結(jié)束之后僅比第一次降雨前增加了１．６７ｍｇ／ｇ。這進一步說明土壤截留是去除雨水徑流中有機物的重要機制。當(dāng)自然土壤中添加煤灰渣后，煤渣巨大的比表面積使濾床對污染物的吸附和截留作用有所加強，而且為微生物提供了更好的生存空間，一方面，土壤中的微生物利用其吸附的有機污染物和Ｎ、Ｐ物質(zhì)作為自身的碳源完成生長代謝需求，進一步提高了系統(tǒng)對有機物的處理效果；另一方面，由于煤渣中含有一定比例的鐵和碳，它們產(chǎn)生的微電解作用可能對有機污染物質(zhì)去除也會起到一定的貢獻。此外，滲濾系統(tǒng)的下層土壤結(jié)構(gòu)對ＣＯＤ的去除也會產(chǎn)生較大的影響。結(jié)構(gòu)１各模擬滲濾試驗裝置由于土壤質(zhì)地沒有明顯分層，整個滲濾層人工土壤滲透性能好，沒有滲濾限制，雨水在系統(tǒng)中的停留時間較短，出水水質(zhì)相對較差；相反，結(jié)構(gòu)２各模擬試驗裝置由于底部設(shè)有一層原狀土層，土壤滲透系數(shù)小，延長了有機物吸附和生化反應(yīng)時間，提高了ＣＯＤ的去除效果。