屋面雨水土壤层渗透净化研究

车武 欧岚 　　　　　刘红 孟光辉
（北京建筑工程学院） （北京市城市节水办公室）

　　城市雨水是一种宝贵的资源，而屋面雨水因便于收集，水质相对较好，在我国广大的缺水城市和地区具有很大的开发利用潜力。与集中收集、贮存和处理后利用的工艺相比，屋面雨水通过绿地或其它人工渗透装置调贮、下渗、补充地下水源的技术方案，具有投资少、设备简单、见效快、便于管理和较高的生态环境效益等突出优点[1][2]。
　　由于城市环境因素和屋面材料的影响，城区屋面雨水也受到相当程度的污染，尤其沥青油毡屋面初期雨水径流污染非常严重，主要污染指标COD可高达上千mg/l[3]。因此，研究屋面雨水在土壤中的净化规律、确定需要采取的污染控制措施是采用渗透方案的前提条件和技术保障。

1　试验装置及材料

　　试验装置如图1所示。选择有一定代表性的表层（0.5～2m）天然沙性粘土和由沙性粘土加粒径为2.5～5 mm的炉渣拌和而成的人工土,比较它们对屋面雨水的净化规律和效果。两种渗透试验土质的性能汇于表1,可见人工土的渗透性能明显优于天然土。表中渗透系数是用室内定水头测定法测定计算[1]，因改变了土壤原有状态，一般比现场测定值偏小。

表1 土壤渗透试验材料 土样 组成 渗透性能 渗透系数K(m/s) 人工土 50%的天然沙性粘土加50%的炉渣 好 2.22×10^-4 天然土 100%的天然沙性粘土 差 1.14×10^-6

　　将两种土壤分别填入渗透装置（厚度依次为天然土2、1、0.5m和人工土1、 0.5m）后再在表层覆盖少量雨落管下的泥土，因为这些泥土常期与屋面雨水接触，土中的细菌适应屋面雨水中的有机物，有一定接种作用。最后在表层移植一些植被以改善表层土壤性能，增强渗透装置净化雨水的能力，模拟自然绿地条件下雨水在土壤中的下渗净化过程，为雨水渗透工程应用及污染控制技术措施提供依据。
　　因目前城区油毡屋面的比例很大、污染较重，属于不利条件。测定结果表明，它主要为有机污染，色度大，并含有一定量的SS，其它一些污染指标浓度很低。研究结果还表明[1]，污染物主要集中在初期径流中，雨水的利用宜舍弃这部分雨水，经初期弃流后的屋面雨水水质较稳定，SS浓度很小，COD浓度一般可维持在100mg/l左右。因此，用这种屋面雨水做试验用水，测定指标主要为COD。

2　试验结果分析

2.1两种土壤净化作用及比较
　　2000年雨季屋面雨水渗透净化试验结果表明，两种土壤对屋面雨水中的污染物均有明显的净化作用。经过一段土壤层渗透后，主要污染物COD有不同幅度的下降，下降幅度与运行条件有关。
　　油毡屋面雨水的BOD5/COD比值很小（0.1～0.2左右），且以溶解性有机物为主[3]。土壤层能较大幅度地去除COD，除了土壤中的微生物作用外，还有植物、土壤对污染物的吸收、过滤、吸附、分解等物理、化学和生物的综合作用，是一个很复杂的过程。
人工土的渗透性能好，能获得较大的渗透量。由于炉渣粒径较大，还带有较多的空隙，为土壤层构成很好的通透性，且增加吸附表面积，为土壤微生物群提供良好的栖息环境。因此，试验结果显示，它比天然土还具有更强的净化作用。
　　以10月20日试验结果为例（图2），当进水COD浓度保持在初期弃流后的浓度范围时，0.5m厚的两种土层COD去除率在30～40%左右，而1m土层的去除率提高到50～70%左右，净化作用明显。

　　对屋面雨水的色度也有很显著的去除效果，如11月2日的试验结果（图3），经过1m厚的土层，油毡屋面雨水的色度可从140度降低到40度左右。对其它几种污染成分的去除作用见表2。从这几种指标看，0.5m深人工土的净化作用与1m天然土的相当。图3 渗透装置对色度的去除效果

表2 几种污染成分的净化作用（mg/l） 成份 进水 出水 天然土0.5m 天然土1m 人工土0.5m 酚 0.013 0.007

0.002

石油类 2.8 1.4 <0.4 <0.4 阴离子合成洗涤剂 1.6 1.55 1.44 1.48

2.2负荷对渗透净化作用的影响
　　在5月至11月的试验期间，对两种土壤渗透装置进行不同负荷下的对比试验。结果汇总于图4。

　　由图可见，当负荷增加，0.5m渗透装置的去除率有下降趋势，人工土的下降趋势比天然土明显。因为人工土的渗透速率明显大于天然土，在0.5m较短距离上，雨水与土壤的接触时间也较短，当负荷增加，污染物比较容易穿透渗滤层。而负荷对1m 渗透装置的去除率没有明显影响，说明在试验的负荷范围，下部的0.5m厚土层有足够的保护作用。总的看，人工土渗透装置对COD的去除率高于天然土渗透装置。
2.3渗透深度与COD去除率的关系
　　垂直渗透试验清楚地表明COD去除率随渗透深度的增加而明显提高，如图5-1所示。8月5日的试验结果是一个典型的例子，一般在相同深度上，人工土的去除率在较大渗透容量的前提下仍大于天然土，有明显的优越性。

　　以每一渗透柱所有试验的COD平均去除率分析，可以得到同样的结论（图中1、2曲线），出水COD去除率与深度密切相关。清楚地表明污染物在1.5m左右的土壤层中已得到很大部分的去除。说明实际工程中深度至1.5m左右的表层土对污染物净化起重要作用。另一组水平渗透槽试验研究还表明，随着雨水与土壤接触长（深）度的增加，COD去除率可进一步提高，达到90%以上[1]。
2.4渗透装置中污染物的积累及土壤再生能力的分析
　　土壤中污染物的积累及土壤净化能力的恢复是关系到渗透设施发挥可持续功能的一个重要的安全和工程性问题。
　　由于降雨的随机性、非连续性及水质水量的波动很大，屋面雨水的渗透过程属非稳态，每一次试验条件或实际运行条件的不同，渗透装置的性能会有不同的表现。但总的看，从5月至11月，各渗透装置没有明显表现因污染物的累积而导致渗透净化能力的下降。如天然土0.5m的COD去除率在30～40%左右；到11月2日的去除率仍维持在32%的正常水平；人工土0.5m的去除率在40～50%左右；11月2日试验前50分钟内出水COD去除率保持在40～50%的正常水平，两个小时后维持到35%；人工土1m的去除率在60～80%左右，10月20日最后一次试验，前50分钟出水的去除率也保持70～80%正常水平，约3小时后维持在60%；同样，天然土1m装置到11月2日的去除率也能维持在63%的正常水平。
　　但就每一次试验而言，各装置也多表现出随运行时间的延长，去除率有下降趋势，如图5-2所示（以上一些曲线也可看出），但后续试验时，仍能恢复到正常水平。说明在连续运行过程中，土壤的净化容量在减小，而在降雨间歇期，土壤中继续存在降解作用，使其净化能力逐步恢复。

　　图5-2还清楚地表明，1m的天然土渗透装置具有最强的净化能力和最稳定的净化效果。因此，在工程应用时，可根据实际条件考虑在地表采用0.5～1m厚的人工土层，以获得较大的渗透能力和净化效果。
　　也考察了较高浓度的影响，当进水COD浓度为1135mg/l，人工土渗透装置试验结果见图6所示，因0.5m装置的负荷是1m装置的两倍，因此，其出水水质较差, 并逐渐接近进水浓度。但1m装置仍保持较高、较稳定的去除率。

　　10天后的下一场降雨渗透试验结果显示，人工土渗透装置包括上述接近穿透的0.5m装置仍然比天然土的效果好，没有表现受高浓度冲击后积累影响的迹象。
　　因此，土壤中尤其人工土壤中对油毡屋面难降解有机物有较强的生物净化和再生能力。

3　结论与讨论

　　（1）天然土和人工配制土对屋面雨水主要污染物有明显的去除净化作用。
　　（2）人工土的渗透系数为10-4m/s数量级，试验用的天然土渗透系数为10-6m/s数量级，因此人工土渗透装置比天然土渗透装置具有显著大的渗透通量。它还具有良好的通透性，改善了土壤的物化条件和微生物栖息条件，有更强的净化能力。
　　（3）土壤渗透对油毡屋面雨水中的难降解COD有较强的去除能力，并表现出具有耐冲击负荷能力和良好的再生功能。说明土壤中微生物群通过适应与驯化，对油毡屋面难降解COD有分解能力。
　　（4）渗透净化效果与渗透深度密切相关，人工土1m深COD去除率可达70～80%，天然土1 m深可达60%左右。即地表1～1.5m厚土壤层可去除大部分有机污染物，随深度的增加，净化作用可望进一步提高。
　　（5）由于土壤较强的净化与再生能力，经合理设计与控制，屋面雨水通过天然绿地或人工渗透装置的渗透，可达到较好的水质。改造污染严重的屋面材料，采用初期弃流装置和保证至地下水位有足够的土层，是控制地下水免受污染的有效措施。
　　（6）渗透试验结果对雨水渗透工程实施有重要意义，提供了必要的技术依据。可以根据具体条件，采用不同的渗透方式，利用天然绿地或设计人工渗透设施来安全有效地利用城区的屋面雨水。
　　（7）雨水渗透属非稳态过程，其水力特性、土壤的净化与再生机理有待更深入的研究。试验过程中发现各装置出水水质下降后逐渐稳定甚至好转的现象，分析原因，可能由于存在一定的壁效应，渗透开始后，一部分雨水较快地沿壁下渗，出水水质下降，这部分渗流达到一定程度保持稳定，此时，土壤层内的渗流因速率较慢尚未到达出口。当土壤层内的渗流到达出水口时水质即可稳定甚至好转。因此，如果排除壁效应，渗透净化效果还可能提高。
　　（8）因运行周期较短，其它微量污染物在土壤中的存在方式或迁移规律也有待进一步分析研究。

参考文献

　　1 车武，刘红, 汪慧贞等. 北京市城区雨水利用技术研究及雨水渗透扩大试验研究报告. 北京，2001，3
　　2 车武，刘红，李俊奇等. 城市雨水地下回灌可行性分析. 城市污水资源化暨地下回灌技术国际研讨会文集. 北京清华大学， 2000, 8: 13～17
　　3 车武，汪慧贞，刘红等. 北京市屋面雨水污染及利用研究. 2000中国水处理技术国际研讨会文集. 北京中国国际科学中心， 2000年9月, 59～64