北京市典型雨水工程污染物去除效果监测分析
近年来，在海绵城市建设的大背景下，北京市新建了大量的雨水利用、控制工程（简称雨水工程），如蓄水池、植草沟、透水铺装、生物滞留池等，工程数量和综合利用能力逐年增加。据统计，2019年北京市共有雨水工程2 850处，当年雨水的综合利用量为5 024万m3[1]。
大量的雨水工程不仅可以削减降雨径流量、防止城市内涝问题，而且对非点源污染也有积极的控制作用[2-3]。虽然采用人工模拟法和模型法对雨水工程进行研究发展已久，但是雨水工程的实际监测情况仍然是评价其环境效益的重要基础，特别是对环境清单编制和流域水质目标管理有重要的支撑意义。目前已有学者对雨水工程的径流量和污染物控制进行了监测评价[4-6]。笔者选取北京市典型的3类雨水工程，包括生物滞留池、植草沟和透水铺装，进行雨水污染物浓度监测，对比不同工程的污染物去除率，以期为雨水工程的选择、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大厦西侧停车场内，建设面积为1 500 m2。汇水范围为停车场，沥青地面，面积约为15 000 m2，场内车流量较大。滞留池内种植有马蔺和千屈菜等，以马蔺为主，均长势良好。雨水通过池体预留豁口进入，通过溢流方式进入雨水井后排走。
植草沟位于亦庄经济开发区科创十七街南侧路边，建设面积为1 200 m2，汇水范围为科创十七街路面，沥青道路，面积约为5 000 m2，该街道车流量较少。植草沟内主要种植千屈菜，搭配有少量马蔺，部分地面尚未被植物覆盖。雨水汇集后通过豁口进入植草沟，雨水下渗或溢流进入雨水井后排走。
透水铺装位于昌平区未来科技城滨河大道南侧的一处停车场，场内车流量较少，工作日时间停车场内几乎无车辆停放。透水铺装包括透水混凝土、透水砖和植被砖，建设面积均为30 m2。铺装地面自西向东倾斜，东侧设有雨水收集渠，最后汇入取样井。
2. 雨水样品采集与分析
雨水样品采集自2018年7月20日的降水，前期晴天日为3 d。降水形成径流后，按照间隔10 min依次收集雨水工程的进水及出水样品。
监测的水质指标包括COD及悬浮固体（SS）、氨氮、总磷、铅和铜浓度。COD采用HJ 828—2017《水质 化学需氧量的测定 重铬酸盐法》测定，SS浓度采用GB 11901—1989《水质 悬浮物的测定 重量法》测定，氨氮浓度采用HJ 535—2009《水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法》测定，总磷浓度采用GB 11893—1989《水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法》测定，铅和铜浓度采用HJ 776—2015《水质 32种元素的测定 电感耦合等离子体发射光谱法》测定。
3. 不同雨水工程的污染物去除效果
3.1 生物滞留池
生物滞留池进出水水质与污染物去除率见表1。从表1可以看出，生物滞留池进水水质相当于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，进水水质差主要是由工程汇水范围内车流量较大引起的。
生物滞留池对COD、SS、氨氮和总磷均有明显的去除作用，特别是对COD和SS去除效果较好，平均去除率分别达到82.1%和70.7%，最高去除率分别达到86%和79%，出水水质达到地表水Ⅲ类标准。生物滞留池主要依靠填料吸附、生物降解和植物吸收作用去除雨水中有机物，其中填料吸附是最主要的作用[4]。SS主要通过沉淀和填料过滤作用去除，据报道生物滞留池对SS的去除有较好的效果，稳定运行后去除率在80%以上，甚至可以达到95%[7-9]。本研究中生物滞留池植物生长茂盛、设施完善，因此对COD、SS有较好的去除效果，其中SS平均去除率较文献中偏低，主要原因是进水SS浓度偏低，出水低于检测限所致。
与COD、SS相比，生物滞留池对氨氮、总磷的平均去除率低，分别为62.3%和48.2%。氨氮由微生物硝化作用转化为硝酸盐氮，继而通过填料吸附、植物吸收去除。相对于总氮，氨氮去除效果较好。Li等[10]研究表明，传统生物滞留池对氨氮的去除率可以达到89%，但对总氮的去除率仅为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%，差异显著。磷是通过过滤吸附、离子交换、植物吸收等作用去除的，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差异较大，如美国北卡罗来纳州和纳什维尔的生物滞留池对总磷去除率分别为−240%和19%，澳大利亚无植物的生物滞留池对总磷的去除率最高可达94%[12-14]，毛月鹏等[9]研究表明，生物滞留池对屋面径流中总磷的去除率为72.7%。生物滞留池的结构、填料及植物种类是总磷去除的重要影响因素。本研究中生物滞留池的主要种植植物为马蔺，Yang等[15]对30种植物进行对比，发现种植马蔺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则达到85%。
生物滞留池对重金属有良好的去除效果，出水中铅的浓度在检测限以下，去除率最高为46%，铜的平均去除率达到90.6%。重金属在雨水中的形式包括颗粒态和溶解态，颗粒态主要通过沉淀、过滤去除，溶解态则以吸附和植物吸收去除为主。根据已有研究结果，对于维护良好、运行正常的生物滞留池来说，重金属均有较为理想的去除效果[16]。但是雨水中重金属大多以颗粒态形式存在，主要通过填料的物理截留作用去除，重金属会在填料表层沉积，并在植物根部富集，影响填料和植物正常功能的发挥，甚至造成二次污染[17]。
3.2 植草沟
植草沟的进出水水质与污染物去除率见表2。从表2可以看出，进水径流中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，推测原因是汇水范围内道路车辆较少，且前期晴天日较短。对比COD、氨氮、总磷和SS 4种污染物，植草沟对氨氮的去除效果最好，平均去除率达到91.3%，平均出水浓度为0.12 mg/L。但是文献报道的植草沟对氨氮的去除率相差较大，如杨银川等[11]发现植草沟对氨氮的去除率达93%，而章茹等[18]研究表明，植草沟对氨氮的去除率仅为19%。与氨氮相似，SS和COD的去除效果在不同研究中也相差较大。本研究植草沟对SS和COD的平均去除率分别为51.9%和40.3%。荆武等[19]研究表明，植草沟对COD的去除率仅为4.3%，而付恒阳等[20]研究结果为76.5%。不同研究中植草沟的污染物去除效果差别较大，主要是因为植草沟结构相对简单，抗冲击能力较弱，降水强度、植物种类、进出水方式等都会对其污染物去除效果产生影响。如下渗径流与溢流径流对污染物去除存在影响，研究表明下渗径流相对于表面溢流径流在污染物去除方面更有优势，主要是因为植物根系和土壤对下渗径流的过滤截留作用更明显[21]。另有研究表明，降水强度越大，径流污染的控制效果越差。如李海燕等[22]实地监测并分析了植草沟在暴雨事件中的净化效果，结果表明，SS、氨氮、COD的平均去除率仅有10%~35%。
值得注意的是，雨水中总磷经过植草沟后浓度不降反增，出水最高浓度达到0.56 mg/L，相当于地表水劣Ⅴ类水质。推测原因有2个：1）颗粒态总磷主要依靠土壤和植物根系进行过滤截留，植物的密度和生长情况对其影响较大，而本研究植草沟缺乏维护管理，植物生长状况不良，表面植被覆盖率低，植物根系未充分发挥作用；2）总磷进水平均浓度为0.15 mg/L，在低进水浓度下植草沟容易发生总磷的释放。黄俊杰等[23]研究发现，在总磷进水浓度小于0.2 mg/L时，植草沟发生了磷的释放，导致其出水浓度高于进水。
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3种铺装的进水COD明显低于沥青路面，是因为沥青路面溶出有机物导致其雨水径流中COD偏高[24]。植被砖的SS和氨氮进水浓度明显高于透水混凝土、透水砖和沥青路面，相当于地表水劣Ⅴ类水质，推测原因是植被砖孔隙中植被稀疏，导致土壤颗粒被雨水冲刷进入径流。
从污染物去除率看，透水混凝土对COD、氨氮、总磷和SS的去除率均为最佳，平均去除率分别为57.0%、72.7%、79.4%和82.2%；透水砖和植被砖对COD、总磷和SS的去除率较为接近，平均去除率分别为33.2%~33.3%、46%~48%和49.7%~56.1%。从出水水质看，透水混凝土的出水水质最好，达到地表水Ⅱ类水质标准；透水砖和植被砖稍差，为地表水 Ⅴ类水质标准。其中，透水砖和植被砖出水水质较差的指标为氨氮，如植被砖氨氮出水浓度最高达到1.94 mg/L，接近地表水Ⅴ类水质限值。另外在透水砖铺装中，出现氨氮出水浓度高于进水的现象，氨氮平均去除率为−37.9%。秦余朝[25]研究表明，透水砖铺装对氨氮的去除率为−21.2%，单独的透水砖会引起出水中氨氮浓度升高。氨氮的去除主要发生在透水铺装面层以下的结构，因此推测本研究中出水氨氮浓度升高是由透水砖材料释放造成的。
本研究中透水铺装建成2年，使用年限较短，对污染物的去除效果明显。有研究证明，随着使用年限的增长，透水铺装去除污染物的效果会逐步下降[25]，但是通过清洗，可使透水铺装材料中污染物（特别是COD和氨氮）溶出，使其对污染物的去除效果有所恢复。因此，透水铺装工程应及时清洗维护，以保持其污染物去除效能[26]。
4. 不同雨水工程污染物去除效果对比
根据监测结果，结合文献报道，对生物滞留池、植草沟、透水混凝土铺装、透水砖铺装和植被砖铺装5种措施的污染物去除效果进行比较，结果如图1所示。从图1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各污染物均有较好的去除效果。但是二者的建设维护成本相差较大，生物滞留池的成本为734.8元/m2，而透水铺装仅为183.6元/m2，具有明显的经济优势[27]。
与生物滞留池和透水混凝土相比，植草沟在去除COD、SS和总磷方面不具优势，特别是总磷。但是植草沟在去除氨氮方面有明显优势，平均去除率为84.4%。此外，植草沟的建设维护成本仅为116.3元/m2，经济优势显著[27]。
综合考虑几种措施的污染物去除效果和经济因素，推荐经济条件允许的城镇地区使用生物滞留池和透水混凝土铺装。对于农村地区，特别是用于控制农业面源污染时，可以选择成本较低，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、透水砖铺装和植被砖铺装5种雨水工程的实际监测结果，并综合文献报道，发现生物滞留池和透水混凝土具有较好的污染物去除效果，植草沟对于氨氮的去除具有独特的优势。植草沟的工程维护，特别是植被的生长情况，对于污染物的去除率有重要影响。若植被维护不善，不仅会影响其污染物去除效果，甚至会成为雨水污染的源头。
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。
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