不同屋面和立面绿化基质对雨水径流的净化效果研究

摘要 通过模拟屋面与立面绿化渗滤系统，研究不同屋面绿化基质和立面绿化基质对雨水径流的净化效果。结果表明：屋面绿化基质以玻璃轻石+陶粒+河沙处理的污染物去除率最大，对总氮（TN）、氨氮、总磷（TP）、化学需氧量（COD）的去除率分别为41.31%、55.07%、43.65%和36.36%；以玻璃轻石+陶粒为屋面绿化基质对污染物的净化效果不佳；玻璃轻石+陶粒+泥炭土、泥炭土对总磷的去除率均大于90%，但其对氮的去除效率不高；立面绿化基质中，生物炭、土非土的净化效果较好，生物炭对氨氮、总磷的去除率分别为98.45%和92.93%，岩棉、岩棉+玻璃轻石、炭棉对氮、磷的去除效果均较差。其中，岩棉处理的总氮、氨氮去除率分别为-20.42%和5.06%，而岩棉+玻璃轻石处理的总氮、总磷去除率均为负值。

关键词 屋面绿化；立面绿化；基质；雨水径流；净化能力

中图分类号 X 171  文献标识码 A  文章编号 0517-6611（2024）24-0184-04

doi：10.3969/j.issn.0517-6611.2024.24.039

开放科学（资源服务）标识码（OSID）：

Study on the Purification Effect of Different Roof and Facade Greening Substrates on Rainwater Runoff

SU Chun-qing， ZHENG Wei-guo， LU Yang et al

（Guangdong Wenke Green Technology Co.， Ltd.， Shenzhen，Guangdong  518111）

Abstract Roof and facade greening infiltration system were simulated to study the purification effect of different roof greening substrates and facade greening substrates on rainwater runoff. The results showed that the pollutant removal rate of glass light stone + ceramsite + river sand was the highest， and the removal rates of total nitrogen（TN）， ammonia nitrogen， total phosphorus（TP） and chemical oxygen demand（COD） were 41.31%， 55.07%， 43.65% and 36.36%， respectively. The purification effect of glass light stone + ceramsite as roof greening substrate was not good. The removal rate of TP by glass light stone + ceramsite + peat soil and peat soil was more than 90%， but the removal efficiency of nitrogen was not high. The purification effect of biochar and non-soil was better in the facade greening substrate. The removal rates of ammonia nitrogen and TP by biochar were 98.45% and 92.93%， respectively. The removal effects of nitrogen and phosphorus by rock wool， rock wool + glass light stone and carbon wool were worse. The removal rates of TN and ammonia nitrogen by rock wool treatment were -20.42% and 5.06%， respectively. While， the removal rates of TN and TP by rock wool + glass light stone were negative.

Key words Roof greening;Facade greening;Substrate;Rainwater runoff;Purification capacity

雨水对大气、地面以及土壤中的污染物进行淋溶和冲刷后形成的径流中含有悬浮物（SS）、化学需氧量（COD）、总氮（TN）、总磷（TP）等污染物，容易造成水体黑臭或富营养化^［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、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。目前比较成熟的LID措施主要包括绿色屋顶、渗透铺装、植草沟、下凹绿地、人工湿地和雨水花园等^［2］。

LID技术主要通过植物和基质的渗滤截留及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主要场所，是海绵设施的主体部分和重要影响因素^［3］。Jiang等^［4］研究表明在基质中添加粉煤灰、沸石、陶粒、炉渣等可以有效净化雨水径流中的氮、磷污染物。此外，组合基质（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有较好的去除效果。然而，这些试验大多针对人工湿地研究，屋面与立面基质研究主要集中在基质配制、滞蓄能力、耐旱性等方面^［8-10］，而关于屋面与立面绿化基质的净水能力尚缺乏深入研究。

基于此，笔者通过构建多种基质组合的屋面、立面绿化模块渗滤装置，研究不同基质及其组合对雨水中COD、总氮、氨氮、总磷等污染物的去除能力，以期为屋面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，规格为50.0 cm×50.0 cm×9.5 cm（长×宽×高），盆内填充屋面基质，种植盆侧面近盆底处有1个出水孔，以采集出水。立面绿化装置为长方体的垂直绿化种植盒，规格为13.5 cm×3.3 cm×150.0 cm（长×宽×高），种植盒正立面设种植孔10个，顶部和底部中间分别有1个进水口和1个出水口。屋面与立面绿化装置的基质填料、装填方式如表1～2所示，装置示意图见图1。

1.2 试验用水

供试雨水为人工配制，具体配比如下：NH4Cl（32.0±0.5）mg/L，KNO3（72.5±1.0）mg/L，KH2PO4（17.5±0.5）mg/L，C6H12O6为（240.0±2.0）mg/L，用自来水溶解并混合均匀，使用当天配制。测试显示：试验进水TN浓度为15.68～16.11 mg/L、TP浓度为1.02～1.47 mg/L、氨氮浓度为9.50～13.75 mg/L、COD浓度为168～184 mg/L。

1.3 试验方法

试验于2023年2—3月在广东文科绿色科技股份有限公司龙岗实验室进行。将配制的雨水缓慢倒入屋面和立面绿化装置中，保证雨水入渗整个基质层；每隔5～10 min浇灌1次，重复操作3～5次后在底部出水口取样，同时取进水水样，用锥形瓶采集出水后过滤储存于250 mL聚乙烯瓶，并在4 ℃冰箱中保存，在2 d内完成全部水质指标的测定。

1.4 水质测定与数据分析

采用碱性过硫酸钾氧化-紫外分光光度法测定总氮（TN）含量；采用纳氏试剂比色法-分光光度法测定氨氮含量；采用过硫酸钾消解-钼锑抗分光光度法测定总磷（TP）含量；采用重铬酸盐滴定法测定化学需氧量（COD）^［11］。数据统计与制图采用Excel 2016软件完成，污染物去除率的计算公式如下：

R=（C进－C出）/C进×100%

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

2 结果与分析

2.1 不同基质处理对TN的去除效果

如图2所示，屋面绿化基质以处理T4（玻璃轻石+陶粒+河沙）的TN去除率最高，为41.31%；其次为处理T3（玻璃轻石+陶粒），TN去除率为15.33%；处理T1（玻璃轻石+陶粒+泥炭土）、T2（泥炭土）的TN去除率均较低，分别为10.63%和5.16%。立面绿化基质中，处理T8（生物炭）的TN去除率最高，为52.28%；其次为处理T9（土非土）和T7（炭棉）；处理T5（岩棉）、T6（岩棉+玻璃轻石）的出水TN含量均高于进水TN含量，去除率分别为-20.42%和-16.62%。

2.2 不同基质处理对氨氮的去除效果

由图3可知，屋面基质以处理T4（玻璃轻石+陶粒+河沙）的氨氮去除率最高（55.07%）；其次为处理T3（玻璃轻石+陶粒），氨氮去除率为17.15%；处理T1（玻璃轻石+陶粒+泥炭土）、T2（泥炭土）的出水氨氮含量均高于进水氨氮含量，氨氮去除率分别为-35.93%和-31.09%。立面基质中，处理T8（生物炭）对氨氮的去除率最高（98.45%），出水氨氮含量仅0.32 mg/L，达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅱ类标准（氨氮含量≤0.5 mg/L）；其次为处理T9（土非土），氨氮去除率为65.38%；处理T7（炭棉）、T5（岩棉）、T6（岩棉+玻璃轻石）的氨氮去除率均较低，分别为41.42%、5.06%和24.21%。

2.3 不同基质处理对TP的去除效果

从图4可以看出，屋面绿化基质中，处理T1（玻璃轻石+陶粒+泥炭土）、T2（泥炭土）的出水TP含量均较低，分别为0.09和0.06 mg/L，均满足《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002）Ⅱ类标准（TP含量≤0.1 mg/L），其TP去除率分别为93.54%和94.30%；处理T3（玻璃轻石+陶粒）、处理T4（玻璃轻石+陶粒+河沙）的出水TP含量分别为0.85和0.79 mg/L，其TP去除率分别为15.59%和43.65%。立面绿化基质中，处理T8（生物炭）的TP去除率最高，达92.93%；处理T9（土非土）、T5（岩棉）、T7（炭棉）的TP去除率分别为36.93%、32.51%和19.82%；处理T6（岩棉+玻璃轻石）的TP去除率最低，出水TP含量高于进水TP含量，TP去除率为-11.21%。

2.4 不同基质处理对COD的去除效果

层面基质选取玻璃轻石+陶粒+河沙（处理T4）、立面基质选取炭棉（处理T7）和生物炭（处理T8），观察不同基质处理对COD的去除效果。如图5所示，屋面基质中，处理T4（玻璃轻石+陶粒+河沙）的出水COD含量为112 mg/L，COD去除率为36.36%。立面基质中，处理T8（生物炭）的COD去除率较高，为72.73%；处理T8出水COD含量降至50 mg/L以下，符合GB 18918—2002《城镇污水处理厂污染物排放标准》中一级A类标准；处理T7（炭棉）的COD去除率最低，仅13.64%。

3 结论与讨论

该研究结果表明，屋面、立面绿化基质处理均有一定的脱氮除磷效果，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达到《地表水环境质量标准》（GB 3838—2002），这可能是因为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。该试验仅靠基础填料短期渗滤过程中的物理净化作用将污染物去除，缺乏植物与微生物的生物降解过程，模拟装置并未表现出较好的去除效果，这可能与进水污染物含量较高有关，与何宇哲^［12］、张毓媛等^［13］的研究结果相符。