Experimental Research on the Removal of Runoff Contaminants by Modified Permeable Concrete Pavement

Rui LIU, Hui-cai GAO, Peng YING

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China Rural Water and Hydropower ›› 2021 ›› (6) : 49-54.

Experimental Research on the Removal of Runoff Contaminants by Modified Permeable Concrete Pavement

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Abstract

In order to study the purification effect of construction waste recycled aggregates used in permeable pavement on runoff water quality， the surface layer and internal structure of permeable concrete are improved， and an improved permeable concrete pavement is prepared. At the same time， ordinary permeable concrete pavement is prepared as a control. Based on the model tests under different rainfall reappearing periods， different rainfall intervals， the purification ability of the improved permeable concrete pavement system on typical runoff pollutants SS， COD， TN and TP is studied. The results show that the effect of improved permeable pavement on the removal of various pollutants decreases with the increase in the rainfall reappearing period； the removal ability of runoff pollutants by improved permeable concrete pavement is better than that of ordinary permeable concrete pavement. With the increase in rainfall interval time， the effluent concentration of COD and TP decreases firstly and then becomes stable， but the removal of SS and TN is less affected.

Key words

permeable pavement / recycled aggregate / runoff rainwater / pollutant removal

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Rui LIU , Hui-cai GAO , Peng YING. Experimental Research on the Removal of Runoff Contaminants by Modified Permeable Concrete Pavement. China Rural Water and Hydropower. 2021, 0(6): 49-54
近年来，气候多变导致不透水路面多发洪涝灾害，雨水径流已发展成为非点源污染的一个主要因素。透水铺装去除径流污染物的效能已逐渐被学者们关注，目前国内外已有一些学者开展了不同透水路面去除径流污染的研究工作。Ruston［1］通过研究雨水径流中的污染负荷发现，合理利用透水路面能有效缓解径流污染。Drake［2］研究发现，透水混凝土路面可以有效去除径流污染中90%的TSS。Kamali等［3］研究提出传统透水路面对氨氮的去除效果较好，但对总氮和硝态氮的去除效果一般。纪桂霞等［4］研究发现，路面铺设下垫面材料影响径流水质的严重程度依次是沥青混凝土路面>绿地面>瓦屋面。解晓光［5］研究发现，透水铺装中各层材料组成的不同会对SS和COD的去除产生一定的影响，提出通过增加纤维布铺设过滤下垫层可提升SS的去除效率。崔珍珍［6］研究发现，透水混凝土砖对污染物SS和TP的去除效果较为明显，但对COD和TN的去除效果较差。为响应“海绵城市”及“无废城市”的建设理念，夏伟东等［7］指出将建筑废弃物再生骨料应用于海绵城市建设具有一定的现实意义。李岩凌等［8］研究发现，再生骨料蓄水率明显大于天然骨料，能进一步缓解城市热岛效应。
综上所述，透水路面的合理使用可以有效去除径流污染物，再生骨料透水性强及可回收利用的优势明显，但将再生骨料合理运用到透水铺装中，研究其对径流污染去除效果的成果还不多。为了更好地支持我国海绵城市建设并研究再生骨料对径流污染的去除效果，本文利用再生骨料制成改良型透水混凝土铺装，开展不同降雨重现期、不同降雨间歇时间下的入渗试验，研究其对典型径流污染物的去除效能，并与普通透水混凝土铺装的去除效果做对比。研究成果可为今后海绵城市建设和建筑废弃物回收利用等提供理论参考。

1 试验装置、材料与内容

1.1 试验装置

如图1所示，试验模拟降雨采用自制的直径20 cm、高30 cm的降雨桶，桶底均匀分布25个直径为0.2 cm的小孔，通过改变孔数和进水水量来控制降雨强度；透水铺装模型装置垂直放置于降雨桶下方，选取直径20 cm、高度45 cm的PVC圆筒，圆筒内壁进行粗糙化处理，侧面依次按照图1设置孔口，分别为溢流口和取样口a、b、c。其中，取样口a处于透水混凝土面层中，取样口b处于粒径为10~18 mm的再生骨料垫层1中，取样口c处于粒径20~26 mm再生骨料垫层2中。
Fig.1 Layout plan of test equipment

图1 试验装置布置图

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1.2 试验材料及水质

1.2.1 试验材料

试验设置2种类型的透水混凝土铺装，内部结构及材料设置见表1。制作透水混凝土铺装所需材料主要有PO42.5级普通硅酸盐水泥、不同粒径级配再生骨料和天然骨料、透水土工布、基层土样等。其中改良型透水混凝土面层按水灰比0.3、集灰比3.7，采用5 mm单级配粒径再生骨料、PO42.5级普通硅酸盐水泥、聚羧酸缓凝高性能减水剂等浇筑而成，如图2所示。
Tab.1 Composition and Material Setting

表1 各层组成及材料设置

类型 结构层 厚度/mm 材料

普通透水

混凝土铺装

 面层 80 PO42.5级普通硅酸盐水泥、粒径为5 mm天然骨料等
找平层 20 粒径为5～8 mm中砂
垫层1 100 10～18 mm级配碎石
垫层2 100 20～26 mm级配碎石
土壤基层 100 绍兴地区黄壤土

改良型透水

混凝土铺装

 面层 80 PO42.5级普通硅酸盐水泥、粒径为5 mm再生骨料等
找平层 20 粒径为5～8 mm中砂
垫层1 100 10～18 mm级配再生骨料
垫层2 100 20～26 mm级配再生骨料
土壤基层 100 绍兴地区黄壤土
Fig.2 Permeable concrete surface layer

图2 透水混凝土面层

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1.2.2 试验水质

根据资料分析，各个国家和地区由于路面铺设要求、行人数等不同，透水混凝土路面径流污染物差异较大，其中SS、COD、TN和TP的浓度分别为7~4 950、17~1 778、1.6~30和0.03~1.85 mg/L［8，9］。为方便控制和测量不同降雨条件下透水铺装对径流污染的去除效果，试验中径流污染物SS、COD、TN和TP将分别使用道路扬尘、化学药剂葡萄糖、甘氨酸、磷酸二氢钾配置试验用水。

1.2.3 污染物分析方法

试验期间取得水样需在24 h内检测完成，常规污染物检测参考《水与废水监测分析方法》（第四版），具体选用分析方法如表2所示。采用公式（1）计算对应典型污染物去除率η。
η=C进-C出C进×100%
式中：C 进进水浓度；C 出为出水浓度。
Tab.2 Pollutant analysis methods

表2 污染物分析方法

检测指标 SS COD TN TP
分析方法 重量法 快速消解分光光度法 过硫酸钾-紫外分光光度法 钼锑抗分光光度法

1.3 试验内容及步骤

根据相关文献和规范，降雨历时选60 min，控制不同降雨强度、降雨间歇时间，同时设置普通透水混凝土铺装作为对照。具体试验内容及步骤如下：
（1）不同降雨重现期下改良型透水混凝土铺装控污试验：首先利用绍兴市暴雨强度公式（2）计算出不同重现期下模拟降雨数据，如表3所示。配置径流污染物SS、COD、TN和TP的浓度分别为500、300、9和0.8 mg/L作为模拟用水。根据试验前降雨筒调试结果，不同重现期降雨强度按照堵孔数量来控制。试验开始后，随着时间推移铺装内部逐渐蓄水，表面产生径流并升高至溢流口；从溢流口溢水开始计时，每隔10 min在取样口采集水样，利用仪器测定污染物浓度。
i=17.635+13.479lgP(t+12.882)0.811
式中：i为设计降雨强度，mm/min；P为设计降雨重现期，a；t为降雨历时，min。
Tab.3 Modulated rainfall settings for different recurrence periods

表3 不同重现期下模拟降雨设置

重现期P/a 时间t/min 降雨强度i/（mm·min-1） 降雨量V/L
2 60 0.661 1.25
5 60 0.835 1.60
10 60 0.960 1.80
（2）不同降雨间歇时间下改良型透水混凝土铺装控污试验：保持重现期P=2 a、降雨历时60 min及模拟用水浓度SS、COD、TN、TP分别为500、300、9、0.8 mg/L等条件不变，降雨间歇时间分别取1、3、5、7、10、15、30 d；自模拟降雨开始，按照与之前试验一致的操作进行试验，60 min时在取样口取样检测污染物浓度。

2 结果与分析

2.1 不同降雨重现期下改良型透水铺装系统控污效果

降雨重现期P为2、5、10 a时，不同取样口对应的径流污染物SS去除率如图3（a）~3（c），两种透水铺装的SS出水浓度变化如图3（g）；不同取样口对应的径流污染物COD去除率如图3（d）~3（f），两种透水铺装的COD出水浓度变化如图3（h）。
Fig.3 Decontamination efficiency of permeable pavement system at different rainfall reappearing period

图3 不同降雨重现期下透水铺装系统的去污效能

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由于试验柱达到饱和并产生溢流存在一定时间的延迟，因此降雨前期取样口a和b所在位置较高取不到水样即污染物去除率为0。由图3（a）~3（c）可知，重现期2、5、10 a时面层对SS去除率分别是59.2%、57.5%、55.3%；由于去除SS主要通过物理截留和基质吸附作用，且透水混凝土面层中含有孔隙率较高的再生骨料，因此改良型透水混凝土面层对SS的去除贡献最大。随着降雨的进行，每个取样口的SS去除率也在增加；随着重现期的增大，降雨强度随之增大，由于雨水的冲刷作用，各个取样口的SS去除率呈现小幅下降趋势，在5%~8%之间。由图3（g）可知，随着重现期的增大，两种透水铺装的SS去除率都呈下降趋势，但整体去除率都达到了95%左右；与普通透水混凝土铺装相比，改良型透水混凝土铺装对SS的去除率增加3%左右。总体来说，随着重现期的增大，透水混凝土铺装对SS的去除呈下降趋势，降幅在5%左右，且改良型透水混凝土铺装去除SS效果好于普通透水混凝土铺装。
由图3（d）~3（f）可知，随着降雨的进行，各取样口COD的去除率也随之增加；由于面层中水泥含有一部分能进行絮凝的水化物质、COD中存在一定形式的有机物及面层中存在可以有效截留吸附的孔隙，因此各层对COD的去除贡献为：透水面层强于再生骨料垫层1和再生骨料垫层2。由图3（h）可知，随着重现期的增大，降雨强度和雨水冲刷力度随之加大，两种透水铺装对应的COD整体去除率降低10%左右；改良型透水混凝土铺装去除COD的能力明显强于普通透水混凝土铺装。
不同取样口对应的径流污染物TN去除率见图4（a）~4（c），TN的出水浓度变化见图4（g）；不同取样口对应的径流污染物TP去除率见图4（d）~4（f），TP的出水浓度变化见图4（h）。
Fig.4 Decontamination efficiency of permeable pavement system at different rainfall reappearing period

图4 不同降雨重现期下透水铺装系统去污效能

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由图4（a）~4（c）可知，随着重现期增大，取样口a、b、c的TN去除率范围分别为10.5%~22.8%、13.4%~30.2%、13.9%~35.3%，去除效果呈下降趋势，下降幅度为10%左右；再生骨料垫层2对TN的去除效果要强于再生骨料垫层1和透水混凝土面层，这是因为它的粒径较大，相对应的比表面积也较大，且TN的去除一部分是利用微生物的吸附能力，而再生骨料垫层2表面附着的微生物数量要多于其他结构层，所以该层对TN去除的贡献最大。由图4（g）可知，随着重现期从2 a增加到10 a，改良型透水混凝土铺装对TN的去除率分别为35.3%、33.4%、30.1%，普通透水混凝土铺装对TN的去除率分别为29.9%、27.8%、25.4%，降幅在3%~5%之间；这是由于改良型透水混凝土铺装中利用的建筑废弃再生骨料表面孔隙度略高于天然骨料，相应的孔隙内微生物的总量较高。随着重现期的增大，雨水冲刷力度变大使附着的微生物数量减少，因此两种透水混凝土铺装对TN的整体去除率呈下降趋势，透水混凝土铺装对TN的整体去除效果较差。
由图4（d）~4（f）可知，当重现期从2 a增大到10 a，取样口a~c的TP去除率变化范围分别是55.0%~62.1%、63.8%~72.4%和66.2%~75.6%，TP去除率的降幅约5%~7%，但TP的整体去除率达75%以上，去除效果较好。从图4（h）可以看到，随着降雨的延续，不同重现期下两种透水铺装系统去除TP的能力呈增长趋势，重现期为2、5、10 a时，改良型透水混凝土铺装对TP的去除率分别是75.3%、72.4%、70.3%，普通透水混凝土铺装对TP的去除率分别是72.5%、69.1%、66.7%；所以两种透水铺装对TP的去除效果均较好，且改良型透水混凝土铺装稍好于普通透水混凝土铺装。随着重现期增大，两种透水铺装系统对TP的去除能力逐渐减弱，约5%降幅。

2.2 不同降雨间歇时间下改良型透水铺装控污效果

当降雨历时60 min、降雨重现期2 a、污染物SS、COD、TN、TP的进水浓度分别为500、300、9、0.8 mg/L时，不同降雨间歇时间下各取样口的污染物浓度变化见图5（a）~5（d）。
Fig.5 Changes in pollutant concentrations at different rainfall intervals

图5 不同降雨间歇时间下污染物浓度变化

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由图5（a）可知，改良型透水混凝土铺装取样口a、b、c对应的SS出水浓度变化范围分别是205.48~208.33、26.30~38.53、4.92~10.15 mg/L；普通透水混凝土铺装取样口a、b、c对应的SS出水浓度变化范围分别是206.97~209.57、30.15~42.31、6.35~13.57 mg/L。由此可见，各取样口的SS出水浓度变化不大（部分数据产生波动是由进水浓度误差导致），不同的降雨间歇时间对SS的去除影响较小。这也说明SS的去除主要依靠基质孔隙的截留和吸附，且建筑废弃再生骨料的孔隙率要高于天然骨料，因此改良型透水混凝土铺装对SS的截留吸附效果较好。
由图5（b）可知，改良型透水混凝土铺装取样口a、b、c对应的COD出水浓度变化范围分别是128.61~184.11、99.12~145.62、89.23~132.96 mg/L；普通透水混凝土铺装取样口a、b、c对应的COD出水浓度变化范围分别是130.96~187.63、103.56~150.16、95.11~138.71 mg/L。随着降雨间歇时间的增加，取样口a~c的COD出水浓度是先快速降低后趋于稳定。由于COD常以可被孔隙吸附截留的颗粒态和可被微生物分解或离子交换的溶解态有机物形式存在，当间歇时间较短时，铺装内部有充足残余水分和微生物分解所需营养物质，因此COD去除率呈先增长的趋势；随着间歇时间的增加，内部水分不断蒸发、分解溶解态有机物所需的营养物质不足，微生物难以发挥较大作用，因此COD的出水浓度逐渐趋于稳定。
由图5（c）可知，改良型透水混凝土铺装取样口a、b、c对应的TN出水浓度变化范围分别是6.908~6.956、6.295~6.313、5.827~5.880 mg/L；普通透水混凝土铺装取样口a、b、c对应的TN出水浓度变化范围分别是6.945~7.035、6.360~6.427、5.873~5.942 mg/L。由此可见，随着降雨间歇时间的增加，取样口a~c的TN出水浓度基本趋于稳定。由于TN除了依靠孔隙吸附、截留，还依靠微生物的反硝化去除，当间歇时间较短时，改良型透水铺装内部结构处于淹没状态导致缺氧而促进微生物对TN的反硝化作用，因此TN的去除率有所提高，但总体来说降雨间歇时间对TN的去除影响不大，与SS的去除影响类似。
由图5（d）可知，改良型透水混凝土铺装取样口a、b、c对应的TP出水浓度变化范围分别是0.127~0.303、0.072~0.221、0.043~0.197 mg/L；普通透水混凝土铺装取样口a、b、c对应的TP出水浓度变化范围分别是0.143~0.310、0.084~0.235、0.052~0.206 mg/L。由此可见，随着降雨间歇时间的增加，取样口a~c的TP出水浓度也是先快速降低后逐渐稳定。这是由于径流污染物中颗粒态磷可以通过基质截留吸附，而溶解态磷需要利用水泥固化物或基质中存在的离子进行交换来吸收，当降雨间歇时间较短时，铺装内部拥有较充足的残余水分及适宜微生物分解的营养物质，TP的去除率会先提高；随着间歇时间的增加，内部营养成分不足导致微生物难以生长，因此TP的出水浓度趋于稳定。

3 结 语

（1）随着降雨重现期的增大，改良型和普通透水混凝土铺装对SS、COD、TN及TP的去除效果均下降，当重现期为2 a时对各径流污染物的去除效果最好；改良型透水混凝土铺装比普通透水混凝土铺装净化污染物效果好。
（2）降雨间歇时间的变化对SS、TN的去除效能影响不大；但随着降雨间歇时间的增加，COD和TP的去除效果均呈现出先上升后逐渐稳定的趋势。
（3）在整个控污过程中，建筑废弃物再生骨料因其孔隙率高等优点可有效提高部分污染物去除能力，为今后海绵城市建设和建筑废弃物回收利用提供一定参考。

References

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