海绵城市屋面与立面绿化基质净水试验研究

粟春青

（深圳文科园林股份有限公司，广东 深圳 518026）

摘要：以人工模拟生物滞留设施的方法，研究了不同屋面绿化基质和立面绿化基质对屋面与立面渗滤系统的污水净化效果。结果表明：屋面基质以玻璃轻石+陶粒+河沙的污染物去除率最大，对TN、氨氮、TP、COD的去除率分别为41.31%、55.07%、43.63%、36.36%，而屋面单纯用玻璃轻石+陶粒，污染物净化效果不佳，玻璃轻石+陶粒+泥炭土、泥炭土对TP去除率均大于90%，但其对氮的去除效率不高；立面基质以生物炭、土非土的净化作用较好，生物炭对氨氮、TP的去除率可达96.54%、92.93%，岩棉、岩棉+玻璃轻石、炭棉的氮磷去除效果均较弱，岩棉处理的TN、氨氮去除率分别为-20.42%、5.06%，而岩棉+玻璃轻石的TN、TP去除率均为负值。

关键词：屋面；立面；绿化基质；污水；净化能力

雨水对大气、地面以及土壤中的污染物进行淋溶和冲刷后在形成的径流含有悬浮物（SS）、化学需氧量（COD）、总氮（TN）、总磷（TP）等污染物，易造成水体黑臭化或富营养化[1]。基于低影响开发（Low Impact Development，LID）理念的“海绵”技术可通过加强城市规划建设管理，充分发挥建筑、道路和绿地、水系等生态系统对雨水的吸纳、蓄渗和缓释作用，有效控制雨水径流，达到雨水截污净化的目的，目前较成熟的LID措施主要包括绿色屋顶、渗透铺装、植草沟、人工湿地和生物滞留池等[2]。

LID技术主要通过植物和基质的渗滤截留和吸附作用来控制雨水径流污染。其中，基质是植物生长的基石及微生物附着的一大场所，是海绵设施的主体部分和重要影响因素[3]。研究显示在基质中添加粉煤灰、沸石、水处理残渣等可有效净化雨水径流中的氮、磷污染物[4]。此外，组合基质如土壤+砾石+花岗岩+大碎石[5]、沸石+陶瓷滤料+石灰石[6]、沙+炉渣+土壤[7]等对雨水径流中的污染物均有较好的去除效果。然而这些试验多针对人工湿地研究，屋面与立面基质研究更多集中于基质配制、滞蓄能力、耐旱性等方面[8-10]，关于屋顶与立面绿化基质的污染物净水能力尚缺乏深入了解。

基于此，本试验通过构建多种基质组合的屋面、立面绿化模块渗滤装置，对比研究不同基质及其组合对生活污水中COD、TN、氨氮、TP的去除能力，以期为屋顶绿化与立体绿化中的基质选择配置及提高海绵城市水处理技术提供科学参考。

1材料与方法

 

1.1试验材料

屋面绿化装置塑料种植盆，尺寸为50cm*50cm*9.5cm（长*宽*高），盆内填充屋面基质，盆下侧设出水孔1个用于收集出水。立面绿化装置为长方体的垂直绿化种植盒，尺寸为13.5cm*3.3cm*150cm（长*宽*高），种植盒外侧设种植孔10个，顶部和底部各有出水口1个。立面与屋面装置的基质填料、装填方式如表1、表2所示，装置示意图见图1。

表1  试验填料信息

序号	名称	粒径/厚度	来源
1	沸石	3~6mm	购自广东省广州市
2	陶粒	4~8mm	购自广东省广州市
3	玻璃轻石	5~8mm	购自江苏晶瑞特环保新材料有限公司
4	河沙	0.15mm	购自广东省深圳市
5	泥炭土	0.15mm	购自河南省巩义市
6	岩棉	5cm	购自广东省深圳市
7	炭棉	3cm	购自广东省深圳市
8	生物炭	5mm	购自广东省广州市
9	土非土	5cm	中节能铁汉生态环境股份有限公司自研基质

表2 装置填充方式

组别	编号	处理	备注
屋顶绿化装置	1	沸石+陶粒+泥炭土	分层装填1:1:1（体积比）
	2	泥炭土	-
	2	玻璃轻石+陶粒	分层装填1:1:1（体积比）
	3	玻璃轻石+陶粒+河沙	混合装填1:1:1（体积比）
立面绿化装置	4	岩棉	按顺序自上而下装填，种植孔10个
	5	岩棉+玻璃轻石	按顺序自上而下装填，种植孔10个
	6	炭棉	按顺序自上而下装填，种植孔10个
	7	生物炭	按顺序自上而下装填，种植孔10个
	8	土非土	按顺序自上而下装填，种植孔10个

屋面绿化装置	立面绿化装置

图1 屋顶绿化及立面绿化渗滤装置示意图

1.2试验用水

供试污水为人工配制，具体配比如下：NH4Cl为（32±0.5）mg/L，KNO3为（72.5±1）mg/L，KH2PO4为（17.5±0.5）mg/L，C6H12O6为（240±2）mg/L，用自来水溶解并混合均匀，使用当天配置。测试显示：实验进水TN质量浓度为15.68~16.11mg/L、TP为1.02~1.47mg/L、氨氮为9.5~13.75mg/L、COD为168~184mg/L。

1.3试验方法

实验于2023年2月中旬至3月下旬在深圳文科园林股份有限公司龙岗实验室进行。将配制的污水分别倒入屋面和立面装置中，直至没过基质层，静至1h后打开最底部的出水口，让多余雨水流出，重复操作3次后取样，同时取初始污水水样，用锥形瓶采集出水后过滤储存于250ml聚乙烯瓶并在4 ℃冰箱中保存，在2天内完成全部水质指标测定。

1.4指标测定与方法

采用重铬酸盐滴定法测定COD；采用碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定TN；采用纳氏试剂比色法-分光光度法测定氨氮；采用过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法测定TP[11]。数据统计与制图采用Excel 2016软件完成，污染物的去除率计算公式如下：

R=（C进－C出）/C进×100%

式中：R为污染物去除率，%；C进为进水的污染物浓度，mg/L；C出为屋面、立面绿化装置出水的污染物浓度，mg/L。

2结果与分析

2.1不同基质对污水中TN的去除效果

如图2所示，屋面基质中以玻璃轻石+陶粒+河沙的TN含量最低，去除率最高，为41.31%，其次为玻璃轻石+陶粒，TN去除率在15.33%，玻璃轻石+陶粒+泥炭土与泥炭土的去除率均较低，分别为10.63%、5.16%。立面基质中，以生物炭的去除率较高，为52.28%，其次为土非土（去除率35.66%）、炭棉（去除率12.20%），岩棉、岩棉+玻璃轻石的TN含量均高于当次污水TN浓度，去除率分别为-20.42%、-16.62%。

图2 不同屋面与立面绿化基质处理的TN含量及去除率

2.2不同基质对污水中氨氮的去除效果

由图可知，屋面基质中以玻璃轻石+陶粒+河沙的氨氮含量最低，去除率最高，为55.07%，其次为玻璃轻石+陶粒，氨氮去除率在17.15%，而玻璃轻石+陶粒+泥炭土、泥炭土的氨氮含量均高于污水，去除率分别在-31.09%、-35.93%。立面基质中，以生物炭对氨氮的去除率最高，达96.54%，出水氨氮浓度仅为0.32mg/L，达到《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）II类标准（氨氮≤0.5 mg/L），其次为土非土，去除率为53.54%，炭棉、岩棉、岩棉+玻璃轻石的氨氮去除率均较低，分别为41.42%、24.41%、5.06%。

图3 不同屋面与立面绿化基质处理的氨氮含量及去除率

2.3不同基质对污水中TP的去除效果

不同屋面与立面绿化基质处理的TP含量及去除率见图4，屋面基质中玻璃轻石+陶粒+泥炭土、泥炭土的TP含量均较低，分别为0.09、0.06mg/L，均满足《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）II类标准（TP≤0.1 mg/L），去除率分别可达93.54%、94.30%，玻璃轻石+陶粒+泥炭土、玻璃轻石+陶粒的TP含量相差不大，分别为0.85mg/L、0.79mg/L，去除率分别在43.65%、15.59%。立面基质中，以生物炭的TP去除率最高，达92.93%，土非土、岩棉、炭棉的TP去除率分别为36.93%、32.51%、19.82%，岩棉+玻璃轻石的TP去除率最小，TP含量高于当次污水，去除率为-11.21%。

图4 不同屋面与立面绿化基质处理的TP含量及去除率

2.4不同基质对污水中COD的去除效果

如图5所示，屋面基质中，玻璃轻石+陶粒+河沙的出水COD浓度为112 mg/L，去除率为36.36%。立面基质中，以生物炭的COD去除率较高，为72.73%，出水COD浓度降到50 mg/L以下，符合GB 18918-2002《城镇污水处理厂污染物排放指标》中一级A类标准，炭棉的COD去除率最小，仅为13.63%。

图5 不同屋面与立面绿化基质处理的COD含量及去除率

3结论与讨论

本研究结果表明，屋面、立面绿化的基质处理均能够实现一定程度上的脱氮除磷效果，但TN、氨氮、TP的去除率均有负数出现，且大部分处理的出水水质均未能达到《地表水环境质量标准》（GB3838—2002）标准，可能是由于传统人工湿地系统对氮磷的去除主要是通过基质吸附和植物拦截来完成的，本试验仅靠基础填料短期渗滤过程的物理净化作用将污染物去除，缺乏植物与微生物相应的生物降解过程，模拟装置并不能展现出较好的去除效果，也可能与进水污染物浓度较大相关，与何宇哲[12]、张毓媛等[13]的研究结果相似。

不同屋面与立面基质处理对污水中COD、TN、氨氮、TP的去除率存在差异，屋面绿化基质中玻璃轻石+陶粒+泥炭土、泥炭土的氨氮去除率均为负值，TN去除率也较低（5.16~10.63%），玻璃轻石+陶粒的TN、氨氮、TP的去除率均在15%~20%，可能是泥炭土作为湿地土壤的典型代表，其含有很高的有机质、腐殖酸及其他营养成份，本身氮含量较高[14]；而玻璃轻石+陶粒+泥炭土、泥炭土的TP去除率均在90%以上，可能与泥炭土富含腐殖酸相关，腐殖酸是一种颗粒表面带负电荷的有机高分子混合物，磷类污染物易与填料中金属阳离子发生反应以沉淀形式去除[15-16]，因而增强了对TP的净化率。此外，相比玻璃轻石+陶粒处理，河沙的添加明显增加了屋面装置的氮磷去除效率，玻璃轻石+陶粒+河沙对TN、氨氮、TP的去除率均在40%以上，可能是由于细砂具有快速吸附，缓慢平衡的特点，陶粒、玻璃轻石微孔多，具有较长的与污水接触时间和较大的接触面积，能为微生物的附着繁殖提供场所，对污染物具有更强的截留、吸附作用

[17]。

立面绿化基质以岩棉、岩棉+玻璃轻石、炭棉的净化效果较不理想，岩棉处理的TN、氨氮去除率均较低，分别为-20.42%、5.06%，而岩棉+玻璃轻石的TN、TP去除率均为负值，可能是玻璃轻石的添加增大了绿化盒中的孔隙，提高了进水渗滤速度，反应时间不足从而降低了去除率。生物炭、土非土的氮磷去除率较高，对各污染物的平均去除率分别为78.61%、42.04%，其中生物炭对氨氮、TP的去除率可达96.54%、92.93%。生物炭对污染物的净化优势明显，可能是生物炭粒径较小，同时生物炭中含有一定量的碳酸盐，能通过共沉淀、离子交换以及官能团络合等反应去除铅、镉、锌等重金属，促进反硝化脱氮除磷反应，进而提高了氮磷去除效率[18]，与朱小婕[19]发现生物炭添加对潜流湿地污水净化可以实现较好的处理效果的研究结果相同。

综上所述，屋面单纯用玻璃轻石+陶粒，污染物净化效果不佳，玻璃轻石+陶粒+泥炭土、泥炭土对TP去除能力均较好，但其对氮的去除效率不高，立面装置中岩棉、岩棉+玻璃轻石、炭棉的氮磷去除效果弱。屋面绿化基质以玻璃轻石+陶粒+河沙的净化作用最佳，立面基质以生物炭的污染物去除率最大，这两种类型的基质均可用于海绵城市雨水花园示范地，通过从上到下的全系统渗滤净化，实现去除雨水污染物的目标。

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