引言
随着城市化进程的加快，硬化路面、屋面大幅度增加，在降雨发生时，雨水径流会携带累积在路面、屋面的悬浮物、耗氧物质、营养物质、有毒物质、油脂类物质等多种污染物汇入城市水体，接着随径流进入江河湖泊，成为造成水体污染的重要原因之一。美国国家环保署发布的信息表示，雨水径流已被全球列为导致水体污染的第3大污染源。雨水花园系统，作为现代城市暴雨的有效管理措施及建设海绵城市的重要途径之一，可以有效控制暴雨径流总量和城区面源污染。其中，雨水花园系统中过滤池使用的填料的吸附性能，决定了雨水净化的最终效果。近几年，国内外研究学者通过试验证明，在过滤池中使用沸石能强效吸附雨水中的氨氮、磷等有害物质，且性能稳定、可靠，失效后易再生，在处理雨水污染方面具有良好效果，如今已成熟应用于欧美等国，并且国内北京、济南、沈阳、武汉等城市地区也在逐步普及应用。
（雨水花园系统）
雨水污染的危害
01
“黄梅时节家家雨，青草池塘处处蛙”。在夏末秋初季节，全国各地经常会看到大雨连绵，雨水漫城的景象，人们概念中诗意、浪漫的雨水给城市带来了内涝和污染。横流城市的雨水，看似干净，却裹挟着地面的杂物涌入排水管网，与污水混合，对水体产生污染。美国环境机构曾经过十多年的水体整治发现，60%以上的水污染由雨水污染造成。由于空气质量的原因，空中的雨水含有各种无机盐、有机物、沙尘、微生物等，其落到地面后，因冲刷屋顶、道路等不透水表面，雨水形成的地表径流中含有氨氮、石油类、重金属等污染物。北京清华同衡规划设计研究院生态城市研究所所长邹涛接受采访时说，降雨初期，雨水中某些污染物的浓度甚至超过城市生活污水。例如今年7月末，河南省出现持续性强降水天气，除了可见的人员伤亡、财务损害等灾难外，雨水中裹挟的大量污染物随机扩散和混合，导致大面积水体污染，病原菌的四处扩散，一些动植物死亡、腐烂等带来的次生污染等，该地区民众的饮用水卫生与个人安全均受到不同程度的影响。
雨水花园对雨水径流的控制
02
雨水花园，也被称为生物滞留区域，是指在园林绿地中种有树木或灌木的低洼区域，由树皮或地被植物作为覆盖。它通过将雨水滞留下渗来补充地下水并降低暴雨地表径流的洪峰，还可通过使用填料对雨水进行吸附、降解、离子交换和挥发等过程以减少污染，是一种生态可持续的雨洪控制与雨水利用设施。作为低影响开发理念下的生态雨洪管控措施之一， 雨水花园能有效净化径流污染和削减暴雨径流量， 近年来已被欧美等发达国家应用在居住区、公园、街道、校园及停车场等区域。当前，随着我国海绵城市建设力度不断加大， 雨水花园作为控制城市面源污染及雨洪灾害的重要措施，正在日益得到广泛应用。李俊奇等人通过试验研究显示，雨水花园对浊度，TSS ，COD和重金属等有显著的去除效果，对TN也有一定去除效果。然而伴随着雨水花园的逐步应用，诸多学者发现在传统净化系统中，因选择的填料有所差异，导致对氨氮等有害物质去除效果不稳定，且对P和COD的去除率较低。针对这一问题，很多学者一直在寻求吸附性能强、渗透性能好、价格合理、可应用性高的填料，从而达到提高雨水净化效果的目的。
沸石对雨水污染的净化机理
03
沸石作为一种含水的碱金属或碱土金属的硅铝酸盐矿物，是由3种元素硅（Si），铝（Al）,氧（O）组成的四面体。在沸石的四面体结构中，以铝离子取代硅离子所造成的负电荷由钠离子、钾离子、钙离子和镁离子等平衡，因此沸石具有较强的离子交换性。另外，沸石自身具有规律多孔穴结构，其孔穴与一般物质的分子大小相当，直径约在0.3~1nm之间，其比表面积高达400~800m2/g，特殊的物理结构使沸石具有很强的选择性吸附特性。
沸石空间结构图
01 吸附雨水中氨氮、磷等有害物质
天然沸石对氨氮具有优秀的选择吸附性能，张曦等人研究了氨氮在天然沸石上的吸附与解吸，发现HCl溶液对沸石的解吸效果较好，在不同的氨氮浓度下其解吸率均高于NaCl溶液，最高达到60%。
（沸石的氨氮吸附量）
天津大学耿雪等人通过现场地表雨水径流进行水质调查，根据其污染物浓度，设置低浓度与高浓度两个浓度水平的进水，模拟雨水径流污染物开展不同沸石配比方案来开展去除污染物效果试验。
试验雨水高浓度时，各填料柱去除率趋势基本一致，3#达到吸附平衡的时间最快（6min），氨氮去除率最高为54%。1#、2#填料柱达到吸附平衡的时间基本相同，但2#氨氮去除率（49%）明显高于1#（17%）。高低两种进水浓度，3#氨氮的去除效果最好，2#较好。高浓度时氨氮去除率变化较低浓度快，且去除率变化快且有所提高。除此之外，雨水径流中的颗粒态磷经过滤和沉淀被截留在滤层，被沸石吸附去除。
02 去除重金属
LADISLAS等人通过研究表明，雨水径流中的溶解态金属离子在雨水下渗过程中可直接被沸石滤层所吸附。LI等试验显示，88%～97%的重金属可以被沸石截留和吸附，并且被沸石截留的90%以上的重金属在雨水花园沸石填料表层的25cm内被去除（来源自：耿雪,刘桦聪,秦红烨.4种不同填料对氮磷吸附效果的实验研究）。
03 对致病菌的去除
由于沸石具有良好的抗菌性能，因此将其应用于雨水花园滤层中，可以通过过滤和截留作用将病原微生物滞留于系统内并在干旱条件下自然死亡。WANG等人通过研究显示，沸石滤层对大肠菌群的去除稳定高效，去除率为92.4%～99.5% ，沸石填料深度越深、水力停留时间越长，对大肠杆菌的去除率则越高（来源自：许浩浩， 吕伟.雨水花园净化雨水径流研究进展）。
04 北京案例应用目前，国内北京、济南、沈阳、武汉等城市、地区已经逐步在雨水花园中成熟应用沸石滤层，其具有净化处理效果好、美化环境、运行维护简单、成本低等优势。北京市海淀区后山的中关村温泉环保科技示范园，是集科研、中试、生产、商贸、技术交易、科普等于一体的示范性园区，其在区域内建设了两套雨水处理系统，分别为传统雨水处理系统与以沸石为滤层的新型雨水处理系统。
（沸石渗滤床雨水处理系统）
在两套雨水处理系统建设后，清华大学环境学院陈辉霞等人通过取样监测分析运行效果，由于两套处理系统前端都有沉淀池，研究主要针对氨氮、TP、COD3 项指标进行监测分析。表1和表2为系统运行稳定后的某次降雨监测结果。分析结果如下:(1)氨氮的处理效果双方出水均能达到地表 IV 类水标准。其中，沸石渗滤床较普通渗滤床拥有更好的氨氮去除效果，沸石渗滤床去除氨氮在60min时达到92%的效果。(2)TP 的处理效果城市初期雨水径流中总磷以固态磷为主，普通渗滤床和沸石渗滤床以过滤截留作用对TP 的去除都有较好的效果，进水TP浓度在0.2～0. 8mg/L，出水都能达到地表 IV类水标准。(3)COD 的去除效果同样，沸石渗滤床对COD的去除也以物理截滤、吸附和化学沉淀的共同作用，较普通渗滤床有明显地提高，在初期(前30min)，与普通渗滤床提高了20%左右。总之，城市雨水径流污染已经日益被国内外研究学者所重视，而雨水花园作为有效解决雨水污染问题的重要措施，其处理工艺得以不断优化与改进。沸石作为一种优秀填料，其去除氨氮、磷等污染物，抑制细菌产生等优势不言而喻。相信伴随着研究技术的不断深入与改进，沸石将会在雨水花园系统中发挥出更大功用，让净化效果达到最大化。并且，随着城市化的快速发展，作为一种生态雨洪管理措施，雨水花园亦将在缓解城市面源污染与水资源紧缺等方面发挥巨大的作用。
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图片来自素材、网络参考文献[1]孙井梅,于海明,高超等.河滨生态多维循环式湿地缓流渗滤截污系统［P］.中国专利:CN103993579A,2014.[2]Liu,Sample D J,Bell C,et al.Review and research needs ofbioretention used for the treatment of urban stormwater ［J］.Water,2014,6（4）:1069-1099．[3]耿雪,刘桦聪,秦红烨.4种不同填料对氮磷吸附效果的实验研究［J］.工程技术研究,2016, （6）:3-4.[4] 胡爱兵, 张书函, 陈建刚, 等. 生物滞留池改善城市雨水径流水质的研究进展[J]. 环境污染与防治, 2011, 33(1):74-77.[5] 唐双成, 罗紈, 贾忠华, 等. 填料及降雨特征对雨水花园削减径流及实现海绵城市建设目标的影响[J]. 水土保持学报,2016, 30(1): 73-78.[6] 韩君伟. 基于海绵城市的雅安雨水花园植物材料综合评价[J]. 中南林业科技大学学报, 2018, 38(11): 131-135.[7] 古润竹, 陈力, 丁磊. 美国雨水 BMP 评估体系对我国海绵城市建设的借鉴[J]. 给水排水, 2018, 44(增): 115-119.[8] 向璐璐, 李俊奇, 邝诺, 等. 雨水花园设计方法探析[J]. 给水排水, 2008, 34(6): 47-51.[9] 纪桂霞, 崔皓翔, 吴玲倩, 等. 城市雨水径流多填料优化组合快速渗蓄试验研究[J]. 水资源与水工程学报, 2016, 27(2):60-64.[10] 孟莹莹，陈建刚，张书函 . 生物滞留技术研究现状及应用的重要问题探讨 [J]. 中国给水排水， 2010 ， 26(24) ：20 - 24.[11] HATT B E ， FLETCHER T D ， DELETIC A．Hydrologic and pollutant removal performance of stormwater biofiltrationsystems at the field scale[J].Journal of hydrology ， 2009 ， 365(3/4) ：310 - 321.[12] O ’ NEILL S W ， DAVIS A P．Water treatment residual as a bioretention amendment for phosphorus.II ：Long-term column studies[J].Journal of environmental engineering ， 2012 ， 138(3) ：328 - 336.[13] 胡爱兵，李子富，张书函，等 ． 模拟生物滞留池净化城市机动车道路雨水径流 [J]. 中国给水排水， 2012 ， 28(13) ：75 -79.[14] 仇付国，代一帆，卢 超，等 . 基质改良和结构优化强化雨水生物滞留系统除污 [J]. 中国给水排水， 2017 ， 33(7) ：157- 162.[15] 周 栋，陈振楼，毕春娟，等 . 沸石和麦饭石组合滤料对城市降雨径流氮磷去除效率的研究 [J]. 华东师范大学学报：自然科学版， 2011(1) ：185 - 193.
