0前言 非点源污染在我国城市水体环境保护中正在成为越来越突出的问题。非点源污染控制技术是改善水环境质量的重要研究内容，其中源头污染减量研究被认为是城市非点源污染控制的首要环节［1］。生态浅层蓄渗技术因其高效快速、成本低、占地少、操作简便等优点而受到人们越来越多的关注［2］。作为最佳管理措施（BMP）的一种，浅层渗滤技术在一些发达国家得到了很大的发展，目前已取得不少成果，也有许多实际工程运行［3，4］。本研究根据上海地区下垫层土壤结构特点，通过以上海市典型的褐黄色粉状粘土为主配比的人工土作为渗滤层，建立与其下垫层结构相应的生态浅层渗滤中试装置。并以上海市公路雨水径流为处理对象，考察渗滤系统对雨水径流长期的净化效果，分析各参数和运行条件对城市非点源污染物降解的强化效果和影响机制，并就雨水径流污染物在渗滤系统中的环境行为及净化机制进行探讨，为城市非点源污染的生态治理技术提供可借鉴的参考。 1材料与方法 本试验构建不同结构的浅层渗滤系统开展平行试验，进行路面径流污染的净化效果研究。装置均由PVC塑料板制成，周边以加强筋固定，有效尺寸为：长×宽×高＝1．0m×0．5m×1．0m。各处理单元从上至下每隔10cm分别设置一个取土口和出水口。底部设置接收端口收集滤液、径流液进行水质分析。 1．1模拟渗滤系统的设计思路与方法 在模拟渗滤系统设计中，充分考虑以下问题：①根据国外已建成的生态浅层蓄渗系统的特点，上层为植物种植层，下部为排水性较好的混合土壤渗滤层；②根据南方地区地下水位高以及土层构成的特点，设置两套典型的不同结构的渗滤系统。 1．2渗滤系统的构成与试验 设置根据浅层渗滤的特点，对渗滤装置采用以下两种方法进行填充（分别记作结构1和结构2），渗滤系统土壤层结构组成如图1和图2所示。结构1：从上至下依次为种植层、土壤渗滤层和承托层（储渗）。最上部约20cm厚的表层土是植物生长的土壤，种植具有较好脱氮效果的高羊茅（fes－tucaarundinacea），称之为“种植层”。“渗滤层”是雨水净化的主要作用层，由厚度约为0．3m的人工混合土壤构成，底部铺设0．2m厚、粒径0．2～4mm的经破碎筛分的建筑废弃物，同时起到储渗层的作用。该形式的渗滤系统底部由较厚的建筑废弃物构成，没有渗滤限制层，雨水渗滤速度较快，代表地下水平均水位大于1m的区域，底部设有储渗层且渗透性能较好的浅层地下渗滤系统。根据渗滤介质的不同，该结构的渗滤系统设置3组模拟装置，分别为：①装置1：原土＋石英砂（5∶1）；②装置2：原土＋木屑（5∶1）③装置3：原土＋煤灰渣（5∶1）。填充好的三套模拟渗滤装置依次简称S1、S2、S3。结构2：从上至下依次为种植层、土壤渗滤层、原状土层以及排水层。和结构1相比，最大的区别是在渗滤层的底部增加了原状土层，为了便于试验设施的排水，底部设置了排水层（砾石层），主要作用是便于排水取样。从上至下砾石的粒径从小到大，粒径范围从2～4mm增加至16～32mm，空隙率约为35％。该形式的渗滤系统底部存在着渗透性能较差的原状土渗滤限制层，其特点是雨水渗滤系统下层渗透性减弱，在整个渗滤过程中渗滤速度较慢，容易在底部的渗滤层形成饱水层，利于污染物的反硝化。其代表渗透性能相对较差的浅层渗滤系统，符合上海的实际情况，较为常见。模拟装置设置同结构1。填充好的3套模拟渗滤装置分别简称W1、W2、W3。 1．3试验设计 试验分三阶段进行：（1）试验准备阶段。试验装置装填完毕，向内投加清水，连续渗流2周，使土样充分饱水，以改善土层的孔隙结构，同时淋洗混合土壤本底氨氮、重金属等，至渗流速度和污染物出流稳定。（2）试验启动阶段。本试验采用了降雨－落干交替的运行方式，维持土壤干湿交替环境的自然启动方式。（3）试验正式运行阶段。为了模拟自然条件下雨水径流在土壤中的下渗净化过程，在整个试验过程中，进水均采用间歇布水方式，降雨采用模拟降雨器均匀布水，计时器控制每天进水1h，落干3d。降雨强度是根据上海多年的降雨统计资料，选择多年年平均场降雨量10．72mm为一次试验的降雨量参考，同时考虑到不透水面汇入渗滤系统的雨水径流量，所以实际每次的进水强度为35．73mm。每次试验过程中间隔1～2h取一次下渗的路面径流样品并测定其中的污染物浓度，最终出水浓度数据取几次出水的平均值，试验运行周期约为1d。 1．4进水水质试验 用水取自中山北二路路面雨水口的实际雨水，该路段为水泥沥青路面，双向四车道，取样点处于道路转弯处，路面雨水径流经道路一侧的落水管排入地面雨水管接口，对应汇水面积约300m2，日均交通量约30000辆。试验水质如表1所示。 2结果与分析 2．1COD的去除效果 渗滤系统对有机污染物的去除主要通过过滤截留、吸附和生物降解作用共同完成。图3为不同模拟渗滤系统按照1次进水落干3d的水力负荷周期长期运行（约为1a）时COD的出水浓度和去除率。结果表明，各类型渗滤系统对公路雨水径流中COD具有较好的处理效果，出水浓度大都在100mg／L以下，去除率基本在60％～80％。总的来说，进水在一定范围内波动，渗滤系统出水水质相对稳定，说明系统具有较强的抗负荷冲击能力，即便是对降雨产生的高污染初期雨水仍有很好的去除效果。其中结构2各模拟渗滤试验装置对COD的去除效果要明显好于结构1，添加煤渣的试验装置出水效果则要明显好于其他试验装置。渗滤系统对有机物的去除，首先与渗滤系统中土壤的组成和性质有关。由于粘土的颗粒细小、比表面积大、比表面能大，因此具有较强的吸附力［5］。它们通过对有机物质的物理、化学作用的截留吸附，使得大部分的有机物质被固定于渗滤系统的滤层中。以模拟渗滤装置W1为例，图4给出了试验期间渗滤装置上层土壤和下层土壤性质的变化情况。由图4可知，上层土壤有机质含量明显高于下层土壤。第一次进水前上层土壤有机质含量平均为16．6mg／g，经过数月的运行之后，升至24．1mg／g。下层土壤有机质变化相对较小，降雨结束之后仅比第一次降雨前增加了1．67mg／g。这进一步说明土壤截留是去除雨水径流中有机物的重要机制。当自然土壤中添加煤灰渣后，煤渣巨大的比表面积使滤床对污染物的吸附和截留作用有所加强，而且为微生物提供了更好的生存空间，一方面，土壤中的微生物利用其吸附的有机污染物和N、P物质作为自身的碳源完成生长代谢需求，进一步提高了系统对有机物的处理效果；另一方面，由于煤渣中含有一定比例的铁和碳，它们产生的微电解作用可能对有机污染物质去除也会起到一定的贡献。此外，渗滤系统的下层土壤结构对COD的去除也会产生较大的影响。结构1各模拟渗滤试验装置由于土壤质地没有明显分层，整个渗滤层人工土壤渗透性能好，没有渗滤限制，雨水在系统中的停留时间较短，出水水质相对较差；相反，结构2各模拟试验装置由于底部设有一层原状土层，土壤渗透系数小，延长了有机物吸附和生化反应时间，提高了COD的去除效果。#p#分页标题#e# 2．2NH3—N的去除效果 雨水径流中的NH3—N进入土壤后经基质的吸附、氮挥发、硝化以及最后的反硝化作用被去除；其中，硝化、反硝化作用是主要途径［6］。模拟渗滤试验装置对雨水径流中氨氮的去除作用见图5。试验结果表明，不同模拟装置对路面径流中的NH3—N均具有明显的去除效果，各试验装置出水浓度多低于1．3mg／L，略高于上海市浅层地下水的背景值（见表2），说明雨水径流经渗滤之后不会进一步加剧浅层地下水的污染。结构1各试验装置的去除率主要集中在50％～70％，变幅较大。其中添加木屑的试验装置S2和添加煤灰渣的试验装置S3的处理效果要好于添加石英砂的试验装置S1。结构2各渗滤试验装置去除率的变化范围较小，去除率大多都在70％～78％。即使对同一类型的渗滤系统来说，不同进水浓度下污染物的去除率也存在着一定的差异，变化不显著。由图5可以看出，在进水NH3—N突然升高的情况下，出水浓度并没有相应地跟随突增，而是保持在相对稳定的水平，这说明系统具有一定的抗冲击负荷能力。在径流渗滤过程中，NH3—N一般先通过土壤介质吸附，再在硝化细菌的作用下被氧化成硝态氮而得到去除。混合土壤介质表面和微生物表面带有负电荷，NH＋4在渗滤系统的渗滤过程中，很容易被吸附。土壤微生物再通过硝化作用将吸附的氨态氮转化为硝态氮，渗滤介质又可恢复对NH＋4的吸附功能。因此，各渗滤系统对NH3—N均取得较好的去除效果。根据吴敦敖等［8］的研究，粘性土壤对NH3—N有很强的吸附作用，而且表土层中还有微生物进行强烈的氨化和硝化作用，因此NH3—N很难穿过非饱和土层而污染地下水。这和本研究的结果基本一致。如图6所示，试验测定了渗滤系统基质吸附的NH3—N量。与试验启动时相比，在整个试验结束之后，各土壤层的NH3—N含量都有所增加，其中表层土壤NH3—N吸附量在0．013～0．027mg／g，明显低于下层土壤的0．041～0．097mg／g；添加煤渣的试验装置NH3—N吸附量也明显高于其他试验装置。这一方面说明煤渣的加入增强了土壤的NH3—N吸附性能；另一方面由于土壤对NH3—N的吸附量受填充位置的影响，在土壤表层，微生物较为丰富，DO浓度较高，植物的吸收作用以及NH＋4的硝化作用，利于NH3—N的去除。此外，渗滤系统下垫层结构也是决定渗滤系统运行效果的另一个重要因素。从图5中可以看出，NH3—N去除率关系为结构2各模拟渗滤装置＞结构1各模拟渗滤装置。造成这种差别的原因主要是由于土壤垫层的结构不同。雨水在下设原状土层结构的渗滤系统中的迁移速度慢，缓慢的流动提供了更多的溶质与颗粒表面的接触机会，因而吸附量更大，也有利于微生物在短期内繁殖，因而雨水径流中的NH3—N可以得到较为充分的去除。 2．3NO－2—N和NO－3—N的去除效果 NO－2是硝化、反硝化作用的中间产物，在渗滤系统中很不稳定，一定条件下容易转变成NO－3或N2。NO－3一般不被带负电的土壤胶体所吸附，在渗滤系统中迁移能力很强。随着NO－3—N向下淋渗，伴有一定量的NO－3—N向地下水迁移。吴敦敖等［8］的研究结果表明，土样的酸碱度和有机质含量，对氮在迁移过程中的转化有重要影响作用。含有机质较低的碱性土样，硝化速率大，反硝化容量小，有利于NO－3—N向地下水迁移。因此，造成浅层地下水污染的氮主要是NO－3—N，需要特别关注。模拟试验装置对雨水径流中NO－2—N和NO－3—N的去除效果见图7、图8。如图7所示，渗滤系统对NO－2—N表现出了极好的去除效果，去除率基本在80％～90％，出水浓度基本上都在0．1mg／L以下。这可能是因为NO－2—N不稳定，在系统内发生了转化。从图8可以看出，结构1各渗滤系统的NO－3—N出水浓度较高，除了添加木屑的试验装置S2外，S1和S3的去除率多为负值，这说明上一次布水时人工土壤介质吸附的氨氮在好氧条件下部分转化成了硝态氮。由于渗滤系统采用了进水和落干相交替的运行方式，一次进水和落干3d组成一个水力负荷周期，在落干期系统可能会发生复氧。落干期间，滤层表面和滤层内的水向下渗流，当滤层内的水排空后，滤层内的一部分孔隙被腾空，且形成负压，空气便扩散（或对流）进入被腾空的空隙，渗滤系统实现自然复氧。同时该结构的渗滤系统本身滤层比较单一，雨水在系统中渗滤流速大，增强了系统的复氧效果。这样不利于属于厌氧菌的反硝化菌发挥作用，硝态氮出水浓度偏高。有研究表明［4］，快速渗滤系统中滤层表面以下1m深度内，Eh变化明显，落干期最大可达＋400mV。也就是说，采用淹水－落干的运行方式，甚至可以使空气中的氧扩散至渗滤层表面以下1m深度内。因此，该形式的渗滤系统具有较强的硝化能力，缺点是反硝化效果不理想。相比较而言，下设原状土层的模拟渗滤系统对NO－3—N去除效果明显较好。其中添加木屑的装置处理去除效果最好，去除率大多都在65％以上，有的甚至高达72．4％。这是因为NO－3在厌氧、存在易降解有机碳（OC）的环境中，较容易通过微生物反硝化作用而被去除。其中溶解氧是影响反硝化作用的重要因素。许多研究结果己经表明，溶解氧＜0．2mg／L时，反硝化作用才能发生。有机质除了作为电子供体外，它还是微生物的一种呼吸基质，是微生物细胞的合成物质并获得维持微生物生长所需的能量。因此对于生长在缺氧环境中的反硝化细菌，有机质含量是限制其活性的主要因素之一。一般认为C／N＝（6～7）∶1较适合微生物的反硝化过程，低的有机质浓度不利于反硝化作用的进行。当渗滤系统底部增设一层原状土层后，减缓了雨水的出流速率，相当于在渗滤层下部增设了饱水层，这样处于长时间淹水状态的厌氧条件为反硝化菌提供了发育环境。由于径流雨水中可被微生物利用的碳源较少，自然土壤中有机质含量较低，反硝化过程受到限制，因此，尽管采用了该结构的渗滤系统，由于缺少有机质作为反硝化的碳源，添加石英砂的模拟渗滤装置W1和添加煤渣的渗滤装置W3对硝态氮的去除率仍偏低。在土壤中均匀混入一定比例的木屑之后，由于增加了土壤有机质的含量，系统对硝态氮的去除效果则显著提高。Michael等［9］研究也发现，雨水花园土壤渗滤层中添加了碎木条之后，氮的去除效果显著增加。由此可知，在增设饱水层（或原状土层）的渗滤系统中，通过添加木屑等有机改良材料，可以使主要通过扩散机理迁移的硝态氮迅速减少，阻碍了硝态氮向深层土壤中迁移，有效地避免地下水的污染。#p#分页标题#e# 2．4重金属的去除效果 雨水径流中的铅来源于汽车燃料的防爆剂；锌是由于汽车轮胎摩擦路面产生的；铜主要来自汽车刹车片的磨损。对渗滤系统进出水中重金属的浓度进行了测试，测试结果如表3所示。从表3可以看出，进入渗滤装置中的重金属元素大部分都能被去除，两种结构的渗滤系统出水效果都较好。除添加煤渣的装置外，重金属Zn的出水浓度远远低于上海地区浅层地下水的背景值；Pb的出水浓度和浅层地下水的背景值相近；Cu的出水浓度则要高于背景值。总体上来说，不同结构的渗滤系统对径流中的重金属均取得了较好的去除效果，浅层蓄渗不至于明显加重浅层地下水重金属的污染。这主要是因为金属元素在土壤层中发生了复杂的物理化学反应，例如，胶体微粒的物理吸附、离子交换或发生化学反应生成螯合物等，从而导致大量金属被截留在渗滤系统的土壤层中。 3结论 （1）不同结构的模拟渗滤系统对路面径流污染物均具有较好的净化效果，并表现出良好的耐冲击负荷能力。试验结果表明，模拟渗滤装置出水COD浓度大都在100mg／L以下，相应的去除率大多都在60％～80％；出水NH3—N多数在1．3mg／L以下，去除率基本在50％～70％，变幅较大；NO－2—N去除率大多都在80％～90％，出水浓度基本上都在0．1mg／L以下。（2）通过渗滤，径流中污染物的含量显著减少。总的来说，下设原状土层的渗滤系统由于在渗滤层的底部形成了饱水层，NO－3—N出水效果明显好于其他结构的渗滤系统。在下设有原状土层的渗滤装置中，添加木屑等有机改良材料的装置，可以使主要通过扩散迁移的硝态氮迅速减少，阻碍硝态氮向深层土壤中迁移，有效地减轻或者避免对地下水的污染。因此，在地下水位非常高的区域（小于1m），由于雨水径流渗滤路径较短，为了减小氮对地下水的威胁，建议直接在原状土层上建浅层渗滤系统，同时添加有机材料作为土壤的改良材料，这样可以显著提高对污染物（特别是氮）的去除效果，这也是控制浅层地下水免受地表径流污染的有效措施。
