城市徑流非點源污染控制及利用

1、城市徑流非點源污染控制及利用問題的提出現(xiàn)階段我國許多江河、 湖泊、海洋等地面水以及地下水水質 的狀況仍不容樂觀 , 經調查其主要因素是非點源污染尚未得到有 效控制。雨水徑流非點源污染來源很廣 , 包括農田肥料、農藥以 及城市地面的污染物隨雨水徑流進入水體 ; 隨大氣擴散的有毒有 害物質 , 由于重力沉降或降雨過程進入水體等。 對城市而言 , 非點 源污染主要是指隨地表徑流進入水體的污染物所帶來的污染。 有 的城市非點源污染 , 即地表徑流帶來的污染占所有污染源污染總 量的比例達到百分之二三十 , 甚至百分之五十以上。由此可見 , 為使我國地表水及地下水水質在現(xiàn)有狀況下有所改善 , 我們必須 對

2、非點源污染加以控制。1 城市徑流非點源污染分析城市徑流主要是指雨水徑流。 近年來我國城市建設飛速發(fā)展 大量建筑物和道路等的建設使城市不透水地面面積快速增長 , 地 面徑流形成時間縮短 ,峰值流量不斷加大 , 雨水徑流量大大增加 （ 見圖 1） 。以北京為例 , 從 1996 年開始 , 北京市建筑占地面積增 長速度明顯高于往年 ,幾乎呈直線上升趨勢。預計到 2010年, 北 京市建筑占地面積將達 300km2左右，其中還未包括道路等所占 面積。屋面、混凝土和瀝青路面等不透水表面的徑流系數(shù)一般取 0.9, 也就是說其降雨量的 90%將形成徑流 1 。雨水本身水質較好 ,有機污染物含量低 ,硬度小

3、 ,易于處理但在降水過程中雨水從大氣中裹挾污染物和所流經的表面攜帶 雜質,其中主要有懸浮固體 ,好氧物質 ,富營養(yǎng)化物質 ,細菌和病 毒, 油類物質 , 同時還存在少量重金屬 ( 如鎘、銅、鉻、鎳等 )2 。 雨水徑流通過不同的匯水面所攜帶的污染物的濃度不盡相同 , 相 比較而言 ,路面徑流比屋面徑流污染物濃度大 ; 同樣是屋面徑流 , 瀝青油氈屋面的徑流比瓦片、混凝土屋面的污染物濃度要大得 多。此外, 城市徑流污染存在初期效應 ,即在徑流初期與初期徑流 量不成比例的大部分的污染物被沖刷進入地表水的現(xiàn)象 (Schueler,1987) 。長期以來 , 人們普遍認為由于降雨初期的沖刷 初期地表徑

4、流雨水中常挾帶著大量的污染負荷 3 。對北京連續(xù) 4 年對城區(qū)雨水徑流中污染物濃度進行分析 ( 見表 1 、表 2) 4, 對比表 1、表 2, 很明顯能得出以上論述的觀點。雨水中雜質的濃度還與降雨地區(qū)的污染程度有著密切的關 系。我國的城市環(huán)境狀況相比西方一些發(fā)達國家而言污染嚴重得 多 , 比如城市大氣污染狀況、城市垃圾收集狀況、汽車交通排污 狀況等 , 這些因素都是城市地表徑流的主要污染來源 , 所以我國 的城市徑流污染問題應該比發(fā)達國家嚴重得多。2 城市徑流的污染控制目前, 國內外對城市非點源污染的控制及利用進行了大量的 研究,最具代表性的是美國 20 世紀 70 年代提出的 Best M

5、anagement Practices(BMPs), 即最佳管理措施。它是一個或幾 個措施的組合 , 目的是防治和削減徑流污染物進入受納水體 , 使 水質符合水質目標的實際措施 , 其中包括工程性措施和非工程性 措施。在實際應用中 , 必須結合各地具體情況 （氣候狀況、 自然地 理狀況等 ）因地制宜 ,合理選用。2.1 控制非點源污染的工程性措施根據(jù)國內外的研究結果 , 對城市地表徑流中的污染物的去除 無非是減少徑流量以及降低城市徑流中的污染物濃度 , 從而達到 降低徑流對受納水體的污染。 現(xiàn)今較為有效的方法一般分為以下 幾類。2.1.1 植被覆蓋 植被覆蓋是一種利用地表植物對地表徑流中的污染

6、物進行 分離的措施 ,它能夠將污染物在徑流輸送的過程中分離出來 , 使 到達受納水體的徑流水質獲得明顯的改善 , 從而達到保護受納水 體的目的 , 它是一種有效的控制城市徑流污染的方法。其去除污 染物的機理是 : 吸附、沉淀、過濾和生物吸收等過程。草是植被 控制最常用的植物 , 它的去除效率比較高 , 施工費用相對比較經 濟 , 其中草的種類、密度、形狀、結構等均影響到污染物的去除 效率。2.1.2 滲濾系統(tǒng)這是一種將地表徑流雨水暫時儲存起來 , 并滲透到地下的一 種處理暴雨徑流的措施 , 通常包括滲坑、滲渠、滲井等。它主要 去除可溶解的污染物 , 去除機理是過濾、顆粒物吸附和離子交換等。滲濾

7、系統(tǒng)的適用范圍 :1 、土壤或下層土壤有很好的可滲透 性;2、地下水位低于滲濾系統(tǒng)最低點至少3m;3、入流中的懸浮固體含量小 ;4 、滲濾過程中有足夠的存儲空間存儲地表徑 流?，F(xiàn)今應用較多的是多孔路面 , 可以有效地去除徑流水中溶解 物和顆粒物。2.1.3 滯流系統(tǒng)滯留系統(tǒng)主要是用于暴雨徑流量的控制 , 可消減洪峰流量 , 對雨水徑流中的污染物也有一定的去除作用。 其具體分為濕式滯 留池/塘和干式滯留池 /塘,濕式滯留池 /塘是去除地表徑流污染 最實用的方法之一。濕式滯留池 /塘的效率主要取決于滯留池 / 塘的容積、 徑流水 深等 ,其基本機理是沉淀和生物作用。1) 池/ 塘的容積與設計水位下

8、降時間和相鄰兩場雨的間隔時 間有關,其中設計水位下降時間越短 , 池/ 塘的容積越小 ; 相鄰兩 場雨的時間間隔越大 , 池/塘的容積越小。為保證滯留池 /塘的正 常安全的運轉 , 池/ 塘的容積與雨水徑流量的比例 (Vb/Vr) 應為 1.5 3;2) 設計水位下降時間與水位下降速率有關。顯而易見, 水位下降速率越大 , 水位下降時間越小。 池/ 塘的平均水深和水面面積 是水位下降速率的主要制約因素 , 在處理后出水水質相同情況下 水深越淺,水面面積越大 ,水位下降速率越大。所以 ,在滯留池 / 塘的設計時應從平均水深和水面面積入手 , 減少設計水位下降時 間,從而減少滯留池 /塘的容積7

9、。干式滯留池 /塘的滯留時間通常為幾個小時 , 一般不足以使 細小的懸浮物沉淀下來 （ 已證明地表徑流中的污染物主要與細小 顆粒有關 ）, 且池中的沉淀物有可能被降雨沖出。因此 , 總的來講 干式滯留池 /塘效果不如濕式滯留池 / 塘。2.1.4 濕地 濕地是水生和陸生環(huán)境連接或交互延伸的生態(tài)區(qū)域 , 一般劃 分為沼澤濕地、湖泊濕地、河流濕地、河口濕地以及濱海濕地等 類型,是一種高效的控制地表徑流污染的措施 , 它可以同時處理 流入污水中的懸浮物和溶解態(tài)物質。 濕地是一種復雜的生態(tài)系統(tǒng) 結構通常由下到上是 : 防滲層、基質層、腐質層、水體層和濕地 植物 ,其具體的去除污染物的機理如下 :1）

10、利用基質層填料、 植物的根系和莖、 腐殖層的過濾和阻截 作用去除污水中的懸浮物 ;2）濕地中往往溶解氧不足 , 有機物的去除以兼性細菌和厭氧 細菌的分解為主 ;3）濕地進水中的氮主要以有機氮和氨氮的形式存在 , 有機氮 也可氨化為氨氮。絕大多數(shù)氮是在好氧條件下 , 氨氮經亞硝化、 硝化作用分別轉變?yōu)閬喯跛岬拖跛岬?, 然后在缺氧和有機碳源 的條件下 , 經反硝化被還原為 N2, 揮發(fā)到大氣達到脫氮的目的 ;4）濕地通過植物吸收、 微生物去除及物理化學作用去除污水中的磷 ;5）濕地中存在著種類繁多、 數(shù)量巨大的微生物群落和多種沼 生植物群落 , 通過它們的共同作用降解復雜的難降解有機化合物 （

11、 如苯、酚、殺蟲劑以及芳香族的碳氫化合物等 ）;6）通過植物的吸收和生物富集作用 , 土壤膠體顆粒的吸附,S2-形成硫化物沉淀，從而去除金屬離子；7）細菌和病原體在濕地中去除主要是因為它們不能適應濕 地環(huán)境而死亡 , 以及植物根系的某些分泌物對它們的滅活作用。 濕地系統(tǒng)和滯留系統(tǒng)的區(qū)別在于濕地系統(tǒng)水層淺、用植 物處理污染物、強調面流和水流流速要緩慢。 , 具體示意見圖 22.1.5 初期徑流的棄流 地表徑流所帶來的污染大部分集中在初期徑流 , 如果不考慮 徑流的初期效應 , 讓徑流全部排放水體或排至處理徑流污染物的 構筑物會使水體及構筑物的納污能力帶來強大的沖擊 , 甚至造成 嚴重的污染。針對

12、此種狀況 ,對地表徑流應采取分別處理的方案 即將徑流初期污染嚴重的雨水棄流至城市排水管網送到污水處 理廠進行處理 , 對于徑流中后期污染較小的雨水收集起來用作中 水水源或送至濕地等自然凈化系統(tǒng)自然凈化。以上各工程性措施單獨運行均能起到減輕城市徑流所產生 的非點源污染的作用，從美國環(huán)保署在第二代 BMP管理體系中給 出的各BMP勺大致的污染去除率上看，運行狀況良好（見表3）。但單獨工作時它們在處理方式、 去除污染物種類等方面都有 各自的不足 , 若將兩種或兩種以上單元聯(lián)合作業(yè) , 在控制城市徑 流非點源污染方面會達到更好的效果。2.2 控制非點源污染的非工程性措施2.2.1 路面清潔 城市徑流非

13、點源污染中的污染物主要來自徑流對地面的沖 刷, 地面上的污染物的來源有大氣污染物沉降、 城市垃圾等 ,所以 路面清潔被認為是控制徑流污染的有效方法之一。 對大氣污染物 沉降嚴重地區(qū)、 交通繁忙的路段以及積雪融化、 植物落葉等這些 特定地點特定時段加大清潔效率和頻率效果會更好。2.2.2 政府管理及政策支持 政府管理就是從中央到地方針對防治非點源污染制定一些 相應的法規(guī)、政策 , 加強包括城市建設施工現(xiàn)場、道路化雪劑、 城市垃圾及城市車輛等的管理。顯然 , 加強這些方面的管理可以 大大降低城市地表徑流中的污染物含量。 政策支持是指從政策上 有所傾斜 , 鼓勵該方向的相關人員的科研工作 , 如建立

14、廣泛的非 點源污染的數(shù)據(jù)庫 ,作為研究以及管理的依據(jù) ; 開發(fā)適合我國具 體情況的非點源污染模擬、管理和量化評價模型 ; 在城市規(guī)劃中 體現(xiàn)防治非點源污染的內容等。2.2.3 宣傳教育 有意識對人們加強防治非點源污染的宣傳教育 , 改變人們的 不合理的日常行為 , 指導人們從自我做起 , 從小事做起保護我們 的環(huán)境。 美國環(huán)保署的官方網站有這樣一篇面向大眾的宣傳 每個人的任務您所能做的防治雨水徑流污染的10 件事, 其中包括不要在雨水口傾倒垃圾、 在您的院子里種上植被、 在洗車房 洗車、檢查您的車是否漏油以及撿起您的寵物的排泄物等一系列 看來很不起眼的小事。3 城市徑流水資源的利用 降雨這一自

15、然現(xiàn)象產生的城市地表徑流會產生非點源污染 , 如果徑流量很大還會造成洪澇災害 , 長期以來只是將其看作人力 不能避免的自然災害進行控制治理。 現(xiàn)今在世界范圍內淡水資源 日趨短缺 , 雨水作為一種輕污染水已成為越來越重要的可利用的 淡水資源之一。雨水是自然界水循環(huán)中的重要環(huán)節(jié) , 可使水資源 在開采和利用后得到補給 , 取之不盡 , 可免費使用 ; 同時對調節(jié)、 補充地區(qū)水資源和生態(tài)環(huán)境起著十分重要的作用 ; 利用雨水還能 節(jié)約飲用水 , 簡化飲用水凈化工藝 , 節(jié)省相關投資。所以 , 將雨水 作為一種資源進行處理從生態(tài)、 經濟、技術等方面看都是可行的。3.1 利用雨水回灌補充地下水 ; 由于工

16、農業(yè)的發(fā)展、人們生活水平的提高 , 地表水已經遠遠 滿足不了要求 , 地下水的大量開采不可避免 , 地下水水量急劇減 少、地下水水位逐年降低 ; 再加上城市化進程使得地面區(qū)域的硬 化影響了城市地表水 （主要是雨水 ）的下滲 , 地下水得不到足夠的 補充。因此導致了區(qū)域性地下水位下降以及隨之而來的海水入 侵、耕地鹽堿化、植被干枯、荒漠化和地質結構發(fā)生變化。例如 北京市南郊的地下水水位正以 1m/a 的速度下降 , 自 1966 年以來北京市地面以1020mm/a的速度下沉。8如果長期持續(xù)下去還 會造成地表沉降和斷裂帶 , 導致建筑物傾斜甚至倒塌。所以有必 要合理的對地下水進行回灌 , 特別是用雨

17、水這種廉價的水資源。 但地下水回灌對地下水位、雨水水質有較高的要求 , 回灌后對地 下水水質的影響特別是長期的影響還有待研究。據(jù)Tomas Ennis對美國 Lubbock 市的 playa 湖附近的兩處利用雨水進行地下水回 灌實例的研究結果表明 , 未發(fā)現(xiàn)雨水回灌對當?shù)氐牡叵潞畬拥?水質有負面影響 ,但這只是短期效應 , 其長期影響還需時間以及 以后所搜集的水質數(shù)據(jù)指標來評定。3.2 利用雨水資源建設屋頂綠化 ; 目前國內的建筑屋頂材料主要用瓦質、 瀝青油氈、水泥磚等 , 典型的是平頂油氈屋頂和坡頂瓦質屋面。 其中平頂油氈屋面污染 嚴重、保溫抗寒效果差、易老化、維修工作量大。若在城市建筑密

18、集區(qū)域利用雨水資源綠化建筑屋頂 , 可以在 不占用城市土地的前提下增加城市綠化面積 , 從而美化城市市 容、凈化城市空氣、減少城市噪音污染、降低城市熱島效應 , 還 可以在一定程度上改善城市生態(tài)環(huán)境。截止 2002 年的統(tǒng)計結果 , 北京城近郊區(qū)城市園林綠地面積 達到 26248公頃, 城市綠化覆蓋率達到 40.22%。根據(jù)舉辦 2008 年北京奧運會的需要 , 規(guī)劃北京市區(qū)綠化覆蓋率達到 45%,即必須 增加各類綠地6800公頃（出自北京市XX局網站）。北京市現(xiàn)在約 有 6979 萬平方米屋頂可進行綠化 ,這個數(shù)字是相當可觀的。3.3 利用雨水作為雜用水的補充水源 ;雜用水主要是用于沖廁、沖洗道路、澆灑綠地、洗車、景觀 用水、建筑工地用水等方面 , 對水質的要求不高。若將雨水收集 起來進行簡單處理作為雜用水 , 既可以減少水處理過程中的運行 費用 , 還可以有效緩解水資源的短缺。但現(xiàn)如今人們對雨水利用的安全性等方面存在較大疑慮。 針 對此現(xiàn)狀 ,政府應正確引導人們認識雨水 , 并從政策上鼓勵人們 利用雨水。在加拿大多倫多市提出了一個鼓勵家庭收集雨水作為 雜用水的八年計劃 , 如果家庭申請利用雨水 ,政府將免費提供收 集容器并出資 500 美元幫助建設相應的雨水收集利用系