【技术前沿】生物滞留设施去除模拟道路径流中典型重金属的中试
小编导读
本文作者：同济大学环境科学与工程学院/钱佳欢。作者通过在上海市崇明县野外构建人工试验装置进行中试试验，探讨了生物滞留设施对模拟道路径流中Cu、Zn、Pb三种主要重金属的去除效果、去除规律及影响因素。结果表明，生物滞留设施对典型重金属具有较好的去除效果，Cu、Zn、Pb的去除率分别为70.9%～98.1%、77.6%～98.5%、71.7%～98.6%，且去除率受进水浓度影响不大；土壤层对Cu、Zn、Pb的平均去除率最高；沸石层的添加可以在增大渗透性能的同时有效去除重金属，单位时间重金属去除效率提高40%左右；而植物的种植对重金属的去除影响不大。因此，生物滞留设施可为我国道路径流污染控制提供一种优化途径的新思路。文章版权专有，转载请注明出处。
城市道路径流是城市地表径流的重要组成部分。由于频繁的交通活动，大量的悬浮固体、重金属等污染物在路面积累，并随着道路雨水径流进入水体，影响城市的水环境生态系统。发达国家早在20世纪70年代已开展相关研究，发现径流中含量最多的重金属是Pb和Zn 。姜月等对上海市某段城市快速干道的17场降雨径流进行采样分析，Cu和Zn是主要的重金属污染物。聂发辉[5]对上海市内环高架某段路面的5场降雨径流进行监测发现，颗粒态重金属是径流中污染物输出的主要形态，其中Pb含量最高，其次为Zn、Cu。这些重金属一旦进入到水体，都将会造成严重的水生态安全问题。
生物滞留设施不仅能有效去除径流中的污染物，还较容易与城市基础设施相结合，具有对建设、管理技术要求低、运行能耗小等优点，成为了最具潜力和成本效益的径流管理方法。近年来，生物滞留设施处理道路径流的技术在美国、加拿大等国家得到了广泛应用[10]。然而，由于道路径流具有水质变化大和特定区域性的特征，若直接引进国外的技术，在具体应用中可能存在问题。目前，国内对该技术的研究多集中在对营养盐、COD、BOD等处理效果上，对重金属的研究较少，并且对人工填料的配比等研究还不完善。因此，需要设计适合国内城市道路径流污染物控制的生物滞留设施，以达到应用优化的效果。
1.1试验装置设计
为了更加真实的模拟自然环境下生物滞留设施的运行情况，在上海市崇明县前卫村野外构建人工试验装置，如图1所示。
图1 装置实景图
为了考察设施中植物、填料对污染物去除的影响，试验设置了三套装置：装置1（左）为无植物的对照组、装置2（中）为试验组、装置3（右）为添加人工填料的对照组。装置均由PVC材料制作，规格为1.2×0.8×1.3 m，分别由蓄水层、填料层、砾石排水层组成。
为考察添加人工材料对生物滞留设施水力性能和去污效果的影响，对照组装置3将50 cm的人工土层换成20 cm的人工土和30 cm的沸石（粒径0.5~2 cm）。装置2与装置3内均种植美人蕉，种植密度为16株/m2。试验组与填料对照组装置的剖面图2所示。
图2 试验组（上）与填料对照组（下）装置剖面图
1.2试验方法
由于试验需要大量的雨水径流，而实际雨水径流收集比较困难，所以本研究主要结合课题组前期研究情况进行模拟雨水径流中典型总金属的配置（见表1），主要考察了生物滞留设施对Cu、Zn、Pb这三项指标的去除效果。试验过程中对生物滞留设施出水进行了连续四个月的监测和数据采集，共进行14次试验。
表1 合成雨水径流水质（金属含量）
试验装置建造在前卫村野外，实验首先将模拟径流所需药品放入配水箱（600 L）充分搅拌使配水均匀，随后经泵打入装置，为了防止进水对土壤和植物的冲刷、使进水水流呈散流状态，在入水口铺设砾石进行消能。每次试验用泵将模拟径流打入装置至蓄水层15 cm处即出现溢流时停止，处理水量约为300 L（相当于10倍汇水面积30 mm的降雨量）。自穿孔管出水开始，采用干净的聚乙烯瓶在取水口每30 min采集样品一次，至基本停止出水。样品在分析测试前全部在4 ℃条件下避光保存，各项指标的分析皆在样品采集后的36 h内完成。
1.3重金属测试方法
水样中重金属Cu、Zn、Pb的分析方法采用电感耦合等离子体发射光谱法；植物中重金属的测定方法：将植物样品按茎叶分开，洗净晾干后70 ℃烘干至恒重，磨碎，过100目尼龙筛，用浓硝酸加热消解；消解后的样品采用ICP-OES测定其中Cu、Zn、Pb的浓度。
2.1去除效果
生物滞留设施出水水质的试验结果如表2所示。
表2 试验进出水水质及去除率
由表可以看出，生物滞留设施对模拟径流中的重金属有着显著的去除效果。重金属Cu、Zn、Pb去除率分别为70.9%~98.1%、77.6%~98.5%、71.7%~98.6%，出水浓度平均值均优于《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅰ类标准。类似的，Turer等的类似研究表明，生物滞留设施对Cu、Zn、Pb三种金属的去除率都很高，均在60%以上，两者结论接近。
2.2进水浓度对去除率的影响
根据城市道路径流重金属污染特征，本试验模拟径流重金属为Cu、Zn、Pb，各自的去除率随运行时间变化规律类似，仅以Cu为例，如图3所示。
如图3可知，生物滞留设施对重金属Cu的去除率较为稳定，随进水浓度变化不大，稳定在90%以上。而在7月28日的试验中Cu的出水浓度有所异常，明显高于其他试验结果。这可能是由于重金属存在淋溶现象，从而导致浓度偏高，并且同一天Zn和Pb与存在类似现象。
2.3人工填料对去除率的影响
分别对有无沸石层的生物滞留设施水力性能进行研究，对径流在两装置15 cm蓄水层中完全下渗的时间进行记录，共进行6次试验。结果表明，径流在装置3中15 cm蓄水层完全下渗的平均时间比装置2减少了36 min，平均渗透率提高了40%。可见，添加的沸石具有较大的粒径使生物滞留设施的渗透性能得到很大的提高。另外，通过对比试验发现，沸石层的添加对Cu、Zn、Pb的去除率几乎没有影响，同样具有较高的去除率。
2.4土壤层对去除率的影响
试验对土壤层和填料层出水重金属进行了监测，结果如图4所示。
图4 土壤层和填料层出水中Cu、Zn、Pb的含量
由图4可知，土壤层对Cu、Zn、Pb的去除具有较大的作用，三次试验土壤层对Cu、Zn、Pb的平均去除率分别为73.3%、85.2%、61.2%，土壤层对重金属的去除作用大小依次是Zn>Cu>Pb。因此，在生物滞留设施系统中，重金属主要在覆盖层和土壤层得以去除。然而，由于重金属的难降解性，随着在土壤层的积累会导致土壤层中重金属浓度过高充满毒性，使植物无法生长，最终造成系统失效。因此，定期更换覆盖层和土壤层是很有必要的。
2.5植物对去除率的影响
试验中分别对种植植物和未种植植物两种生物滞留设施对重金属的去除效果进行研究分析，结果如图5所示，由于重金属Cu、Zn、Pb具有相似的结果，因此仅以Cu为例说明。
由图5可知，有植物与无植物两组生物滞留设施对Cu的去除率相差不大。因此，为进一步考察植物在设施中的作用，在试验结束后对美人蕉进行收割并对植物茎叶中污染物的含量进行了测定。收割植物中含有的Cu、Zn、Pb的总量分别为15.03、18.6、1.07 mg，分别占整个试验进水总量的1.2%、2.5%、0.1%。由此可见，生物滞留设施中植物对重金属的富集能力较差，通过植物的种植和收割来去除重金属效果不明显。
（1）分析14次试验结果表明，生物滞留设施对模拟径流中典型重金属具有良好的去除效果，Cu、Zn、Pb去除率分别为70.9%~98.1%、77.6%~98.5%、71.7%~98.6%。
（2）试验中，出水浓度随进水浓度的升高变化不明显，基本稳定在20 μg/L以下，说明生物滞留设施的抗冲击负荷性能较好。
（3）人工填料沸石层的添加可以在增大渗透性能的同时有效去除重金属，单位时间重金属去除效率可以提高40%左右。
（4）土壤层对重金属的去除率作用较大，而植物的种植对整个生物滞留设施去除重金属效果的影响不大。另外，由于重金属主要积累在土壤层难以降解，并且可能存在淋溶现象，所以需要定期更换土壤层。
（5）因此，在实际工程中建议应用生物滞留设施以在保证绿化美观的同时去除道路径流中的典型污染物，并且可以考虑适当添加人工填料提高污染物去除效率。
第二届微污染水源的膜法及其它深度处理综合技术论坛
第三届新形势下污泥处理处置及资源化循环利用技术论坛
论文集征文通知
为进一步改善饮用水水质，推动新形势下污泥处理处置技术与饮用水深度处理技术的发展与交流，促进相关规范编制和修订，上海市净水技术学会联合城市水资源开发利用（南方）国家工程研究中心、中国土木工程学会水工业分会给水深度处理专业委员会、同济大学环境学院、城市污染控制国家工程研究中心、上海饮用水安全保障产业技术创新战略联盟、国家污泥处理处置产业技术创新战略联盟等共同假座上海新国际博览中心于2016年5月5-6日与中国环博会同期举办两场专题技术论坛，并征文编制论文集。本论文集将作为中国科技核心期刊《净水技术》（国际期刊号：ISSN 1009-0177，国内期刊号：CN31-1513\TQ）杂志2016年s1刊，于5月初正式出版。本论文集拥有正式刊号，文章在本刊发表，可作为各级职称评定的依据。同时欢迎广大企业联系论文集广告赞助及会务赞助事宜。
一、论文征集范围
本论文集将紧密围绕本次论坛各主要议题展开选题，选题有以下方面可供参考：
1、微污染原水水源地保护、预处理工艺等的研究与探索；
2、自来水深度处理改造设计方案及项目运行情况分析；
3、膜法、臭氧-生物活性炭法等深度处理工艺的应用；
4、自来水运行管理优化和智慧水务理念的应用案例；
5、供水管网优化及降低产销差的方法与实践；
6、水质分析检测新方法；
7、污泥处理处置的新工艺、新方法、新技术和新产品；
8、污泥资源化利用的新思路与新方法。