０前言

非點源污染在我國城市水體環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是改善水環境質量的重要研究內容，其中源頭污染減量研究被認為是城市非點源污染控制的首要環節［１］。生態淺層蓄滲技術因其高效快速、成本低、占地少、操作簡便等優點而受到人們越來越多的關注［２］。作為最佳管理措施（ＢＭＰ）的一種，淺層滲濾技術在一些發達國家得到了很大的發展，目前已取得不少成果，也有許多實際工程運行［３，４］。本研究根據上海地區下墊層土壤結構特點，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，建立與其下墊層結構相應的生態淺層滲濾中試裝置。并以上海市公路雨水徑流為處理對象，考察滲濾系統對雨水徑流長期的凈化效果，分析各參數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中的環境行為及凈化機制進行探討，為城市非點源污染的生態治理技術提供可借鑒的參考。

１材料與方法

本試驗構建不同結構的淺層滲濾系統開展平行試驗，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分別設置一個取土口和出水口。底部設置接收端口收集濾液、徑流液進行水質分析。

１．１模擬滲濾系統的設計思路與方法

在模擬滲濾系統設計中，充分考慮以下問題：①根據國外已建成的生態淺層蓄滲系統的特點，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根據南方地區地下水位高以及土層構成的特點，設置兩套典型的不同結構的滲濾系統。

１．２滲濾系統的構成與試驗

設置根據淺層滲濾的特點，對滲濾裝置采用以下兩種方法進行填充（分別記作結構１和結構２），滲濾系統土壤層結構組成如圖１和圖２所示。結構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的人工混合土壤構成，底部鋪設０．２ｍ厚、粒徑０．２～４ｍｍ的經破碎篩分的建筑廢棄物，同時起到儲滲層的作用。該形式的滲濾系統底部由較厚的建筑廢棄物構成，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的區域，底部設有儲滲層且滲透性能較好的淺層地下滲濾系統。根據滲濾介質的不同，該結構的滲濾系統設置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。結構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。和結構１相比，最大的區別是在滲濾層的底部增加了原狀土層，為了便于試驗設施的排水，底部設置了排水層（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，符合上海的實際情況，較為常見。模擬裝置設置同結構１。填充好的３套模擬滲濾裝置分別簡稱Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３。

１．３試驗設計

試驗分三階段進行：（１）試驗準備階段。試驗裝置裝填完畢，向內投加清水，連續滲流２周，使土樣充分飽水，以改善土層的孔隙結構，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。降雨強度是根據上海多年的降雨統計資料，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，最終出水濃度數據取幾次出水的平均值，試驗運行周期約為１ｄ。

１．４進水水質試驗

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，取樣點處于道路轉彎處，路面雨水徑流經道路一側的落水管排入地面雨水管接口，對應匯水面積約３００ｍ２，日均交通量約３００００輛。試驗水質如表１所示。

２結果與分析

２．１ＣＯＤ的去除效果

滲濾系統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按照１次進水落干３ｄ的水力負荷周期長期運行（約為１ａ）時ＣＯＤ的出水濃度和去除率。結果表明，各類型滲濾系統對公路雨水徑流中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％?？偟膩碚f，進水在一定范圍內波動，滲濾系統出水水質相對穩定，說明系統具有較強的抗負荷沖擊能力，即便是對降雨產生的高污染初期雨水仍有很好的去除效果。其中結構２各模擬滲濾試驗裝置對ＣＯＤ的去除效果要明顯好于結構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。滲濾系統對有機物的去除，首先與滲濾系統中土壤的組成和性質有關。由于粘土的顆粒細小、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的物理、化學作用的截留吸附，使得大部分的有機物質被固定于滲濾系統的濾層中。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的變化情況。由圖４可知，上層土壤有機質含量明顯高于下層土壤。第一次進水前上層土壤有機質含量平均為１６．６ｍｇ／ｇ，經過數月的運行之后，升至２４．１ｍｇ／ｇ。下層土壤有機質變化相對較小，降雨結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物質作為自身的碳源完成生長代謝需求，進一步提高了系統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，它們產生的微電解作用可能對有機污染物質去除也會起到一定的貢獻。此外，滲濾系統的下層土壤結構對ＣＯＤ的去除也會產生較大的影響。結構１各模擬滲濾試驗裝置由于土壤質地沒有明顯分層，整個滲濾層人工土壤滲透性能好，沒有滲濾限制，雨水在系統中的停留時間較短，出水水質相對較差；相反，結構２各模擬試驗裝置由于底部設有一層原狀土層，土壤滲透系數小，延長了有機物吸附和生化反應時間，提高了ＣＯＤ的去除效果。