环境科学  2016, Vol. 37 Issue (12): 4700-4705   PDF    
引用本文
沈庆然, 侯娟, 李田. 粗放型绿色屋顶对多环芳烃的控制效果[J]. 环境科学, 2016, 37(12): 4700-4705.
SHEN Qing-ran, HOU Juan, LI Tian. Removal of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons by Extensive Green Roofs[J]. Environmental Science, 2016, 37(12): 4700-4705.
粗放型绿色屋顶对多环芳烃的控制效果
沈庆然 , 侯娟 , 李田     
同济大学环境科学与工程学院, 上海 200092
收稿日期: 2016-06-20; 修订日期: 2016-08-01
基金项目: 上海市科委资助项目（14DZ1208200）
作者简介: 沈庆然(1992~), 男, 硕士研究生, 主要研究方向为城市面源污染控制, E-mail:ndiwill@163.com
通讯联系人, 李田, E-mail:tianli@tongji.edu.cn
摘要: 构建4个粗放型绿色屋顶中试设施，考察不同基质组成的设施在实际降雨条件下出水中16种多环芳烃（PAHs）质量浓度并与降雨、沥青屋面径流、空白对照设施的出水进行对比.结果表明，8场监测降雨事件中，4种模拟屋面设施出流PAHs的平均质量浓度分别为145、166、151、160 ng·L-1，沥青屋面和空白对照设施出流PAHs的平均质量浓度分别为900 ng·L-1和270 ng·L-1，4个模拟设施出流PAHs质量浓度显著低于沥青屋面和空白对照设施；从质量负荷控制的角度，4个模拟设施均能有效控制屋面径流PAHs负荷，与空白屋面相比，平均负荷削减率为71.76%.绿色屋顶对PAHs的去除机制以基质材料的截留及吸附为主，同样基质配比的情况下，增加基质层厚度，能改善设施对PAHs的去除效果.将传统沥青屋面改造为粗放型绿色屋顶，有助于控制屋面径流PAHs排放.
关键词: 屋顶径流      绿色屋顶      多环芳烃      海绵城市      低影响开发     
Removal of Polycyclic Aromatic Hydrocarbons by Extensive Green Roofs
SHEN Qing-ran , HOU Juan , LI Tian     
College of Environmental Science and Engineering, Tongji University, Shanghai 200092, China
Abstract: In this study, four pilot-scale extensive green roof facilities with different substrate compositions were developed. In 8 rainfall events, concentrations of 16 kinds of polycyclic aromatic hydrocarbons (PAHs) in effluent of these facilities were investigated and compared with effluents of asphalt roofing, the blank control roof and rain water. Average PAHs concentrations in the effluent of these four facilities, asphalt roofing and blank control facilities were 145, 166, 151, 160, 900, 270 ng·L-1, respectively. The PAHs mass concentrations discharged by four simulation facilities were significantly lower than asphalt roofing and blank control roof. From the perspective of the mass loading control, all four simulation facilities could effectively control roof runoff PAHs load with an average load reduction rate of 71.76% compared with the blank control roof. Interception and adsorption by green roof substrates was the main removal way for PAHs. Facilities' PAHs removal efficiency could be improved by increasing the substrate thickness with the same substrate composition. Transforming traditional asphalt roofing into extensive green roof was an effective way to control PAHs emissions from roof runoff.
Key words: roof runoff      extensive green roof      PAHs      sponge city      low impact development (LID)     

近年来，以径流源头控制为主要目标的海绵城市建设在我国蓬勃兴起.绿色屋顶技术受到广泛关注.主要用于城市雨水管理的粗放型绿色屋顶(extensive green roof)的水质控制效果成为研究与应用的热点[1~6].

屋面是城市区域不透水下垫面重要组成部分，屋面径流是城市面源污染的来源之一[7].相关的污染物不仅仅包括常规污染物，还包括有毒有害的多环芳烃(PAHs)等持久性有机污染物(POPs)[8~10]. Hou等[11]的研究表明上海某沥青屋面径流的PAHs质量浓度达到1 743 ng ·L-1. PAHs具有致癌、致畸、致突变等特性, 对生物体产生遗传毒性[12].目前，国内外已有的粗放型绿色屋顶控制屋顶径流污染效果的研究，侧重于评价绿色屋顶对营养盐或重金属的控制效果[1, 13]，Gromaire等[14]的研究表明绿色屋顶能够很好地控制PAHs，但国内外对应用粗放型绿色屋顶控制持久性有机污染物的研究十分鲜见.

为了研究粗放型绿色屋顶对PAHs的控制效果，搭建了不同基质层组成的粗放型绿色屋顶实验设施，评价相关设施相对于沥青屋面与对照屋面的PAHs的控制效果，并对影响控制效果的因素和机制进行探讨.

1 材料与方法 1.1 实验装置

模拟绿色屋顶设施设置于同济大学校园内某建筑物屋顶，包括5个1 m×2 m×0.3 m的PVC盘和与之配套的角钢支架，PVC盘倾斜坡度为5%(约3°).模拟设施较低的一端底部设置有出水口，用于收集雨水出流样品.模拟屋面设施中有一个不放置基质作为干湿沉降的空白对照.模拟屋面南侧的一块面积约200 m2的平顶沥青屋面(asphalt roofing)作为对照屋面，沥青屋面有独立的排水管.

模拟绿色屋顶设施自上至下分别为:植被层、基质层、过滤层、排水板层和PVC板层.植被层植物为景天属垂盆草(Sedum sarmentosum Bunge).参考德国FLL (Forschungsgesellschaft Landschafts-entwicklung Landschaftsbau)屋顶绿化指南对基质选择的要求[15]，并结合长三角地区的绿化种植习惯与材料供应情况设计3种基质，基质层填料的组成见表 1.过滤层使用50 g ·m-2的透水土工布，用以防止基质层颗粒物随出水流失.排水层采用厚度约0.03 m的塑料排水板.

表 1 模拟设施的基质组成及主要参数 Table 1 Components of pilot-scale green roof substrates and main parameters

屋顶绿化复合基质(C1)在国内屋顶绿化中较为常用，特点是有机质含量较高，基质组成中细颗粒比例较大.无机复合基质(I类)中采用轻质材料火山岩和陶粒，堆密度较小，加入一定比例的泥炭土补充有机质以及维持土壤结构.废弃物利用基质(B1)使用较为便宜的碎砖和分级沙，并加入泥炭土提供有机质，但是堆密度较大.空白对照用来平行检测实验场地干湿沉降的污染负荷[1].

1.2 样品采集

使用5 L塑料量杯收集模拟屋面设施出水，不锈钢盆收集雨水样品，100 L塑料桶收集沥青屋面径流.所有取样容器均在降雨前用蒸馏水冲洗后晾干.降雨事件开始后，按照出流量比例收集各装置出水并配置混合样，从不锈钢盆中采集1 L水样作为雨水(湿沉降)样品.待测样品均置于不透明塑料瓶中.所有样品的萃取处理均在采样后24 h内完成.同时，在屋顶和各设施出流口安装SL3-1型翻斗式雨量计(上海气象仪器厂)，同步记录降雨特性和设施出流数据，记录频率为1次·min-1.所有绿色屋顶设施在所有降雨事件过程中均没有发生过表面漫流现象，本实验期间，所有设施的植被覆盖率均达到80%以上.

1.3 PAHs分析测定

本研究采用《水质多环芳烃的测定液液萃取和固相萃取高效液相色谱法》(HJ 478-2009)测定水样中的16种多环芳烃(PAHs).以25 mL正己烷萃取500 mL水样，萃取液用硅胶柱净化后用旋转蒸发仪浓缩并用乙腈准确定容至0.5 mL待测.用高效液相色谱仪(Shimadzu LC-20A)测定16种多环芳烃，包括萘(NaP)、苊(AcNy)、芴(Fl)、二氢苊(AcNe)、菲(PhA)、蒽(An)、荧蒽(FlA)、芘(Py)、(BaA)、苯并[a]蒽(Chy)、苯并[b]荧蒽(BbF)、苯并[k]荧蒽(BkF)、苯并[a]芘(BaP)、二苯并[a, h]蒽(DBahA)、苯并[g, h, i]苝(BghiP)、茚并[1, 2, 3-cd]芘(IP).

1.4 质量控制

采用加标回收率和重现性的质量控制方法.在样品萃取前加入十氟联苯(Decafluorobiphenyl，纯度99%)，用于跟踪样品前处理的回收率.样品中PAHs的平均加标回收率范围为60.9%~110%，满足环境样品中痕量多环芳烃的分析要求.同一样品的平行样品(n=3)中各种PAH具有较好的重现性，相对标准偏差小于20%.

2 结果与讨论 2.1 监测降雨事件特征

监测过程中设施产生出流的降雨事件共有8场(表 2).其中中雨(10.0~24.9 mm)5场，大雨(25.0~49.9 mm)1场，暴雨(50.0~99.9 mm)2场.雨量记录无纸记录仪默认的两场降雨的间隔为6 h，超过6 h没有数据输入，自动清零，否则，视为同一场降雨.已有的研究表明，对于降雨量≤10.0 mm的降雨事件，相关绿色屋顶设施一般不产生出流[1].

表 2 产流降雨事件的降雨特征 Table 2 Characteristics of investigated rainfall events

2.2 实际降雨下监测对象的PAHs

表 3描述了监测的8场降雨事件中雨水、沥青屋面径流、C1、I1、I2、B1、空白对照设施的PAHs质量浓度的统计值.使用Origin 9.0软件进行正态性测试，在0.05的显著性水平下，不同设施的出流浓度均符合正态分布. 表 3中范围指最小和最大质量浓度区间，若低于检测限，则以“-”表示，均值是将8次降雨事件每个设施出流的PAHs质量浓度按照次降雨量进行加权平均的结果.

表 3 不同样品中PAHs统计结果1)/ng ·L-1 Table 3 Statistical result of PAHs in different samples/ng ·L-1

根据表 3整理得到不同环数PAH质量浓度平均值与不同监测对象的PAHs组成分布(图 1).沥青屋面(A.R.)的PAHs质量浓度远高于其他实验组，其中4环占比最高，占到总PAHs的36.79%, 这与张科峰等的研究结果相近[16].除了A.R.出流中监测到6环PAHs以外，其他设施出流中均未检出.沥青屋面出流PAHs质量浓度分别超过雨水以及绿色屋顶设施出水质量浓度4倍及5倍，这与沥青屋面的材料本身性质有关[17].由于无雨期降尘的作用，空白屋面(Refer.)径流PAHs的总平均质量浓度要高于雨水和设施，说明干沉降是屋顶PAHs的重要来源[18].由组分三角图可知，4个绿色屋顶设施出流PAHs中低环(2~3环) PAHs的质量浓度与雨水的相差不大，高环(4~5环)的质量浓度低于雨水，且均低于空白对照.

图 1 不同监测样品中PAHs平均质量浓度和组分三角图 Fig. 1 Average PAHs concentrations and constitutional ternary diagram of evaluated water samples

图 2是监测降雨事件设施出流PAHs质量浓度分布四分位图，其显示4种模拟绿色屋顶设施的出流PAHs质量浓度均低于沥青屋面与空白对照(Refer.)径流的质量浓度.使用Games-Howell法进行数据分析的结果，在0.05的显著性水平下，沥青屋面出水质量浓度均值显著高于其他监测对象，空白对照质量浓度均值则显著高于4个设施(P＜0.05)，而4个设施之间并没有显著差异(P＞0.05).

图 2 各监测对象的PAHs质量浓度 Fig. 2 Statistical concentrations of PAHs of the evaluated water samples

2.3 模拟绿色屋顶设施对PAHs的去除效果及机制探讨

低环PAHs主要以溶解态的形式存在[18]，高环PAHs易于吸附在颗粒物上，由此推断绿色屋顶设施去除PAHs主要是通过基质对颗粒态PAHs的过滤和截留.对比表 3中数据，除Fl、An外，设施出水中其他的低环PAHs质量浓度均低于空白屋面径流，可见基质能吸附部分低环组分[19, 20].所有设施出流中的PAHs以2~3环为主，占到了PAHs总量的50%以上.

图 2中4种设施的出流平均质量浓度没有显著性差异，根据生物滞留设施去除PAHs的相关报道，基质的粒径、有机物含量以及填料深度影响生物滞留设施对PAHs的去除效果[21, 22].本研究所采用的不同基质组成绿色屋顶出流中的PAHs浓度并没有显著差异，这可能与绿色屋顶基质的厚度较薄、各种配比基质的渗透速率都很高，对PAHs的总体去除效果不高有关.

图 3是监测降雨事件降雨量和对应事件中不同设施相对于空白屋面出流的去除率.降雨量与C1、I1、I2、B1设施去除率的Spearman相关系数分别为-0.571、-0.523、-0.285、-0.714.不同雨量降雨事件设施的出流PAHs浓度相差不大，大雨事件空白对照的出流浓度低，因此造成去除率下降.

图 3 不同类型设施PAHs的去除率 Fig. 3 PAHs removal rate of different facilities

监测降雨事件中，I1、I2的平均去除率为42.61%、49.85%，I2的去除效果略优于I1.两个绿色屋顶设施的生长基质构成相同，但是I2的厚度要比I1厚约50%.与生物滞留设施相比，绿色屋顶的基质层厚度很小，且对渗透速率的要求高于其他过滤、吸附型LID设施[15, 23, 24]，所以，增加基质层厚度可提高设施对PAHs去除能力.

2.4 PAHs污染负荷控制效果

绿色屋顶具有显著的水文控制效果.取沥青屋面以及空白屋面的水量径流系数为0.9，根据翻斗流量计的实测数据换算得出各个设施的出流水量并结合出流PAHs质量浓度得到次降雨污染负荷，对次降雨负荷求和得到各设施的监测期总负荷，与对照屋面比较得到设施的污染控制负荷(图 4).本实验期间(2015年8~12月)，CI、I1、I2、B1设施的平均水量削减率分别为58.59%、51.48%、55.82%、55.30%.与对照屋面相比，4个设施均有很好的PAHs负荷削减效果，平均负荷削减率为71.76%.与沥青屋面负荷相比，PAHs污染排放削减效果更显著.

图 4 绿色屋面、沥青屋面及对照设施PAHs质量负荷和负荷削减率 Fig. 4 Pollution loads and loads reducing rate of green roofs, asphalt roofing, rain water and the reference

3 结论

(1)4种不同基质模拟屋面设施出流中PAHs质量浓度显著低于空白对照及沥青屋面，4个设施之间并没有显著性差异，相对空白对照4种设施对PAHs质量浓度的去除率接近50%.

(2)粗放型绿色屋顶对PAHs的去除主要以基质对颗粒态PAHs的过滤、拦截为主.增加基质厚度对能改善设施对PAHs的去除效果.降雨量与质量浓度去除率之间呈负相关.

(3)相对空白屋面，粗放型绿色屋顶设施出流PAHs以低环PAHs为主，高环PAHs含量较低，4种设施的的平均PAHs负荷削减率在71.76%.

(4)与沥青屋面相比，粗放型绿色屋顶具有显著的PAHs负荷削减能力.若将已建沥青屋面改造为粗放型绿色屋顶，能够在削减径流水量的同时，大幅度削减屋面径流造成的PAHs面源污染.

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