2.1 屋面雨水的水质特征
2018-2019年五场降雨过程中屋面雨水的监测结果见图1.结果表明:径流中的污染物随着时间的延长呈下降趋势并逐渐趋于平缓,终值接近于空中落雨的污染物浓度.从几种主要污染指标的变化来看,径流形成后30 min内的污染负荷大致占总污染负荷的34.3%~67.6%.因此,在文中屋面初期雨水指降雨历时30 min以内的屋面径流.
图2 屋面径流中(a)NH3-N、(b)SS、(c)TN、(d)TP、(e)COD浓度随降雨历时的变化
Fig.2 The concentration of(a)NH3-N,(b)SS,(c)TN,(d)TP and(e)COD with runoff process
鉴于目前没有雨水排放的国家标准,从受纳水体的角度可参照《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918-2002)中的一级A标准(以下简称“一级A标”),对于NH3-N、SS、TN、TP、COD的限值分别为5.0、10、15、0.5、50 mg/L.从降水的水质情况来看,屋面初期雨水中的浊度(为SS替换指标)、TP和COD超标严重.应用实践表明,混凝处理技术可以有效降低污水中的浊度、TP及COD.多组混凝实验表明:与硫酸铝、聚合硫酸铁、明矾而言,聚合氯化铝(PAC)的混凝效果为最佳; 多组混凝实验表明,PAC的最佳投药量为25~35 mg/L.在后续实验中均采用PAC混凝剂.
2.2 草地长度对屋面径流雨水污染物的去除
收集初期雨水经混合均匀后,水质指标:NH3-N、TP、SS、TN、COD浓度分别为4.35、0.83、91、4.35、82 mg/L,其中TP、SS和COD均超一级A标准.调整草地装置坡度为8.7%,覆盖率为100%,分别在草地长度为1 m和2 m处取样.结果见图3.
图3 草地长度对屋面径流雨水污染物的去除效果
Fig.3 Effect of flow distance on the removal of contaminants in roof runoff
由图3可以看出,草地出水径流中NH3-N、TP、浊度、TN、COD污染物浓度经过混凝以及草地的截留及净化作用都有所降低.草地长度为1.0 m条件下,NH3-N、TP、SS、TN、COD污染物浓度分别为2.58~3.65、0.30~0.41、4.57~9.70、2.59~3.58、32.00~48.90 mg/L,均满足一级A标; 草地长度2 m处出水的NH3-N、TP、浊度、TN、COD污染物浓度分别为1.69~2.46、0.21~0.31、2.12~4.12、2.11~3.25、22.30~40.50 mg/L,五项指标进一步得到消减.因此草地中流程的增加可以提升对水中污染物的消减效果.考虑到城镇社区中绿化布置的特征,楼宇周边小面积绿地系统的原位处理效果显著.另外,混凝剂存在最佳投加量的优化可能,因此在实践应用中应配合处理效果确定混凝剂的投量.
2.3 草地坡度对屋面径流雨水污染物的去除
在目前的城镇社区低影响雨水系统构建过程中,结合楼宇周边散水衔接绿地的特征,绿地系统微地形调整,在保证雨水散排效果的同时,也具有一定的景观效果.实验原水水质监测结果表明,水质TP、SS、COD为超标项.草地装置长度为2 m,覆盖率为100%,分别通过坡度为8.7%、17.6%和26.8%的草地,实验结果见表1.
表1 不同坡度条件下草地系统处理效果
Tab.1 The removal of typical contaminants with slope degree ofgreen lawn
结果表明,3种不同坡度草地出水径流中五项污染物浓度经过混凝以及草地的截留及净化作用都有所降低,流经草地坡度为8.7%时的出水浓度最低,可以达到处理目标.随着坡度越大草地截留效果越差,在17.6%条件下,COD超标; 在26.8%条件下,TP、SS和COD均无法保证可靠的处理效果.因此,草地坡度变化对草地削减地表径流污染物效果具有较大的影响.在现行的《绿地设计规范》( DG T J08-15-2009),城镇社区内景观绿地的设计坡度为3%~30%; 在《城市绿地设计规范》GB 50420-2007提出:“城市绿地的竖向设计应以总体设计布局及控制高程为依据,营造有利于雨水就地消纳的地形并应与相邻用地标高相协调,有利于相邻其他用地的排水.”从屋面初期雨水污染物原位控制的角度,建议在雨水落水管出口附近的绿地,在设计和建设过程中尽量考虑采用小的坡度,以提升污染物截留效果.
2.4 草地覆盖率对屋面径流雨水污染物的去除
调整草地装置长度为2 m,坡度为8.7%,收集初期雨水经混合均匀,加药混凝后分别通过草地覆盖率为100%、60%和30%的草地.表2说明,对于所测径流各污染物指标,流经草地覆盖率为100%时的浓度最低,草地覆盖率越小出水浓度越大.因此,在构造绿地系统时,植草密度的确定在满足景观效果的前提下,尽量密植可以有效提升草地对雨水径流中污染物的截留效果.
表2 不同覆盖率条件下草地系统处理效果
Tab.2 The removal efficiency of several contaminants with coverage ratio of grass to soil
2.5 土壤中铝含量变化情况
土壤中的铝通常以难溶性硅酸盐或氧化铝的形式存在,对植物没有毒害.但在pH<5的酸性土壤条件下,难溶性铝易转变为有毒的离子态铝(如Al3+),对植物产生毒害.
图4表明,实验期间由于径流雨水携带混凝剂PAC后流经草地,使得草地土壤溶液中交换态Al3+含量从0.03增加至0.36 mg/L,但在实验结束后的80 d内,连续取样测量发现土壤溶液中Al3+含量已降低至0.05 mg/L,基本已恢复至本底值.
研究表明:在低pH、高铝土壤中通过植草、施用绿肥可降低土壤中活性铝的浓度,原因在于草和绿肥有利于土壤中腐殖质大量积累,土壤中腐殖质、特别是胡敏酸的形成与富集是土壤中铝毒迅速降低的关键因素.胡敏酸分子量大、聚合度高,与铝络合成的盐类溶解度低,使得铝活性含量降低[13].
图4 土壤溶液中交换性铝(Al3+)的浓度变化
Fig.4 The concentration of exchangeable Aluminum(Al3+)in soil with time