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对专有暴雨处置系统的区域评估：去除效率和其与洪峰期、季节、和枯水期的关系摘要：为了评估污染物的去除效率和模拟洪峰期、季节和枯水期的去除，对作为低影响开发理念（LID）项目一部分的暴雨处置系统进行监测。对12个月中的26次暴雨采样，分析它们的总SS，浊度，导电性，氨/铵，硝态氮/氮，总磷，总Zn，总Pb，和总Cu。通过分析数据来确定通过该装置有哪些污染物被有效的去除，以及去除率是否受洪峰期、季节、以及枯水期的影响。结果表明，除了导电性，其他污染物的去除有一定意义，导电率由于离子的大量释放会增高。回归分析显示除了电导率和总磷的所有污染物与洪峰速率呈负相关，电导率和总Cu的减少与季节有关。简介城市暴雨径流导致水体表面退化引起了广泛关注之后，世界各地的政府开始积极寻求处理这种污染源的新方法。尽管关于城市暴雨最佳管理办法（BMP）的实证研究已经做过许多了，比如城市雨水澄清池和暴雨池塘（Weiss et al. 2006;Comings et al. 2000; Wu et al. 1996; USEPA 1999; Torgensen et al. 2004），但是很少有人知道一种相对比较新的BMP种类：PTS专有处置系统。作为水动力分离器的这种装置，是典型的安装在地下的已制造系统，和雨水管道并列，仅仅依靠沉降和过滤，所以不需要动力输入。与澄清池和池塘相比，使用PTSs最大的优点是，需要的空间小，因为PTS是处理城市径流的没有停留时间。池塘对污染物的去除能力与其尺寸成正比（Wu et al. 1996; Walliset al. 2006），而当雨水穿过该系统时，PTSs晋升为多种工程处理器的结合将污染物从废水中分离出。尽管该系统无法减少洪峰流量且处理量小，但是，这些系统在空间和维护资金有限的地方有发展前景，或者可以作为多级处理系统，例如LID中的预处理部分。由于多级处理系统是由各种部分组成，所以它们中大多数的处理能力如何是来自于其各个部分在实验室或者少量的独立研究得出的结果（Greb and Waschbusch in Schueler 2000;Arbor 2005; Al-Hamdan et al. 2007）。因此，它们真实的处理效果只能从客观研究人员进行的多次可控性研究中获知。AlHamdan et al. in 2007的工作说明Baysaver分离系统的污染物去除率，和其他两种PTSs一样，实验条件下五次试验情况均正常。这项研究的目的是，再评估在长期土地背景中Baysaver一般污染物的去除率，还有，探索在实验室条件下无法真实模拟的影响因素。（笔者没有Baysaver贿赂哦。）基地介绍研究基地是美国阿什维尔植物园的一个小停车场353645.00N, 823356.46W，该停车场可容纳32辆小轿车并且接收中等汽车和步行工具。假设污染源是汽车和大气沉降物。作为US EPA美国环境保护署319程序建立的城市示范项目的一部分，停车场的所有径流用暴雨综合管理实践中的三种类型进行处理，该城市示范项目旨在使径流污染对邻近的Glenn Creek河流的影响达到最小。停车场适应于成对的集水设计，即一半的雨水排水口向一边，另一半向另一边。一边的径流流入PTS，一个Baysaver 1/2K 分离系统。Baysaver系统现在在市面上叫Bayseparator。从PTS流出的水转运到暴雨收集池中进行进一步的处理和保留。停车场另一边的水排放到渗透区和雨水花园？Rain garden。这篇研究仅仅关注PTS对污染物的去除以此来评估它在整个项目中的作用以及作为BMP它的意义。为了减少进入收集池的沉积物和漂浮物的数量，该装备作为预处理装备主要安装在径流进入收集池之前。景观调查显示PTS的集水面积（该区域水压与系统进水有关）是0.045ha，且由于停车场内流域被马路牙子和柏油小路围住，所以100%的不透水性，该基地的表面面积比是0.52%。雨水降落在集水流域之外的流向停车场的另一边，附近的街道或者是河对面的草木丛生的山。这项研究使用的装置是为了在任意流速下都能使细颗粒物和粗颗粒物沉淀以及收集漂浮物。简单的说，它由沉降粗颗粒物的初级沉降罐和沉降细颗粒物的二级沉降罐组成，它们之间用一个装置连接，目的是引起二级沉降罐支路的快速流动以阻止再悬浮的发生。完整的结构图可以参考Baysaver Technologies(2006)。在径流进入该装置之前，先进入带有接收室的暴雨格栅。在该室内，径流从入口坝溢出到地下的高密度聚乙烯管道，该管道通向Baysaver系统的主要入口。已处理好的径流从另一个高密度聚乙烯管道排出，在出口溢出坝前流经一个转向盒。在研究的最后，作为盒子出口且与盒底齐平的转向盒中没有检测出累积的沉降物。然后水流进入暴雨收集池进行储存和最终处置。The Baysaver 1/2 K样板单元可处理的最大流速是31.7L/s。整个系统安装在地下，仅有两个检修孔可见，这对于维持植物园的美观有很大帮助。方法暴雨样品采样在2006年的1月29号到2006年的12月31号之间，使用两台ISCO6712自动水采样器（Teledyne ISCO, Inc., Lincoln, Neb.）。采样器底部的通风管道分别连接到上游侧两个60三角坝上，大约在坝背上的中间位置和管道的底部以便于在水柱中央汲水并且获得更多有代表性的样品。流量统计使用气泡系统，系统包括安置在坝背上的喷水式管道测量面积，ISCO使用坝方程式计算流量。但是，入口采样器的喷水式管道经常被碎片损坏，因此分析的时候使用出口采样器收集的流量数据。因为Baysaver 是被设计用来传送没有停留时间和渗透物的径流的封闭的混凝土结构，所以假定流入量和流出量是一样的。在长期的枯水期内，仅仅观测到少量的渗透物，并且该渗透物是由出水坝造成的，不是PTS造成的。流量除了采样器没电更换电池的时候，其他时间一直处于被监测状态。最初，流量检测的频率是1min一次。在该项研究中，为了增加采样器电脑的存储空间以及减少在该领域数据转换所耗费的时间，检测频率变为5min一次。因此，在频率改变前，数据分析时使用第5min时的流量，忽略其它的四次测量值，确保流量数据有相同的频率。最初设计时，采样器在径流被检测到流过坝面时开始采样，每流过0.028m3取100ml的样品。但是，入口采样器不能准确的测量流量或体积，在暴雨期间，无论流速如何，经常每分钟取个样。尽管该领域的技术人员再三的重新设计入口采样器来弥补这个错误，但是一般来讲，该采样器的使用频率比出口采样器稍微高一些，所以该错误的发生是难以避免的。采样器产生的采样报告表明在整个暴雨期间流量一直保持稳定，复合材料的代表性质量得以维持。暴雨过后，样品复合进入出口采样器和入口采样器。一个暴雨事件中取得的样品能够用来分析，必须满足以下条件：（1）样品在下雨一开始就开始绘制标本，并且在同一时间段不间隔；（2）该方面的技术人员能够在24h内收集和保存样本；（3）自动采样器不会因为一天的暴雨事件就超负荷；（4）流量充足能够收集到至少1L的样品；（5）距离上次下雨至少12h。检测到的样品事件的总流量列在表1中，范围在0.17-12.32m3.事件10的强度最大，3h降雨量大约是3.6cm，根据国家海洋事务管理局，它比阿什维尔地区一年的平均暴雨重现期3h4.1cm少。2006年9月24号的暴雨事件之后，直接收集了一段空白实验以此来确定在采样过程中是否有一定数量的污染物进入样品。它们通过在装有去离子水的酸洗过的罐子中放入输水管，然后用真实采样时的方法向罐内泵入500ml的去离子水。表2 所示是空白试验的结果，说明采样过程中没有有影响力的污染物摄入。实验室程序样品收集在24h内，保存在1-4条件下。样品在保留时间内检测各种污染物，按照说明采用EPA和Standard Methods, 20th Ed. 1992）认可的方法进行参数测定。测量的参数包括：TSS总固体悬浮物，浊度，电导率，总磷，NO3 /NO2，NH3 /NH4+，总Zn,总Cu，和总铅量（除非另有说明Zn，Cu，Pb就表示总量）。使用仪器和测量方法见表3.采样瓶使用实验室洗涤剂清洗后，早1%HNO3中浸泡15min，在20%的HCL中震荡，最后用去离子水冲洗干净。评估方法以前的出版物宣称作为BMP性能估计的SOL法比浓度效率比ER中的浓缩物流入流出 更加有效。这是因为在一次事件中污染物浓度未计算到径流体积内的事实，所以，所提供去除过程的参数过于简单化。SOL法，描述了进出系统污染物的真实质量，因此着重关注包含大量污染物的大体积流量事件是科学的。当然，从管理的角度来讲，SOL和清洁水法的303（d）章有关，该章节要求受损水体的清洁计划建立以一天中的总最大负荷表示的污染物的极限。因此，我们决定使用百分比描述采用PTS时，进出水过程中所有污染物的去除率，如Eq.1所示。为了系统的分析污染物和主要变数（洪峰速率，季节，枯水期）之间的关系，需要一个真实的数据集（见下），每次事件中次降雨径流平均浓度（EMC）（混合样品的浓度）的减少形成这个数据集。假设进出水流量相同，因此单个事件中EMC的减少率和负荷减低是一样的，因为体积抵消所有负荷之和=公式1，EMCi=第i次EMC事件，Vi=一次事件中流过该系统的径流体积EMC减少率=公式2 EMCin=流入 EMCout=流出数据分析尽管所有的SOL显示了研究中污染物的去除率，但是，为了显示EMC的减少在大多数的时间里是可以发生而不仅仅是因为偶然变异才会发生，数据分析还是有必要的。在可控的实验条件下，单独的SOL降低是很好的指示剂，但是，在实地条件下，并不是所有的事件都能被采样，数据分析在表明一个事件中一般情况下污染物是可以得到去除的是很重要的。在评估PTSs时，因为一般情况下会出现再悬浮，所以这个尤其重要。分析EMC中每种污染物的减少率来确定是不是所有的减少率都大于0%。这通常是通过第一次测试得到的数据完成的，然后对污染物进行单样本t-检验来确定哪一个去除率呈正态分布，单样本符号检验来确定哪个不正常。Alternative hypotheses of mean0%, and median0% were used as the t-tests and sign test, respectively, with =0.05。使用EMC资料组，当因为仅仅有一组全部的SOL减少可被检测到，所以数据的动态不是很明显。暴雨事件参数（洪峰，季节和枯水期）的关系使用线性回归模型进行研究。每个事件中被检测到的5min内的平均流速最大的是洪峰期见表1。因为我们更希望去除率能和自然记录呈线性相关，所以使用测量洪峰的自然记录。一年四季是这样表示的：春=3.1-3.31，夏=6.1-8.31，秋=9.1-11.30，冬=12.1-2.28.最后，枯水期是指上次事件结束到下次事件开始的一段时间。由于采样器在下雨时偶尔会发生故障或者没电了，枯水期来源于美国北卡罗来纳大学卡罗莱纳-阿什维尔校园内的雨量测量器产生的降雨数据，来确保每场大雨都被考虑到了。测量器与研究地点的距离小于0.5km。使用洪峰、季节、枯水期等参数来计算一般的线性模型，EMC的减少作为反应变量。使用Shapiro-Wilks常态检测来检测模型误差的常态，然后检测非正常模型的异常值。如果模型误差不正常且异常值明显，应该去掉异常值再分析一次。结果表4显示中间支流和出水水质，全部的SOL，每个参数的EMC降低率。在EMC中，除了电导率有明显的增长外，其它所有被检测的参数都呈现明显的下降。TSS去除率59%，浊度在中间EMC的去除率是57%。进水电导率大于等于90%时，由于对可溶性离子的积极地去除，电导率呈EMC增长（图2）。总P的监测显示与SOL减少（27%）没有多大关系，NO3-/NO2-和NH3/NH4+的去除率是15%和21%。总金属去除率大约在50%左右。模型结果展示在表5中，表明在洪峰量较小时，该系统对大多数污染物的去除效率较高。季节性与浊度、电导率和Cu有一定的关系，当移除异常值后浊度的p值只增加了0.05.只有一个变量，P，与枯水期有关。讨论沉积物对于沉积物的去除，值得注意的是，使用不同的分析方法，观测到的去除效率会有很大的不同。例如TSS和SSC悬沙浓度。GRAY et al.报告，使用SSC法会导致观测到的效率过高“因为样品中沙子的尺寸超过沉积物干重的四分之一”。如今研究中评估沉积物的去除使用最基本的TSS，因为预算有所限制，但是这一参数调节视角有关且普遍的被报道，使其更加具有比较意义。Baysaver系统去除59%的TSS，中值浊度的减少为57%。浊度数据与一年四季有一定的关联。这两者都与洪峰流速呈负相关，这正是PTS系统所需要的，所以可以作为初步处理机制安装。尽管1/2K模型的最大设计流速是1.9m3/min，在该流速下依然可以进行充分反应，但是在监测期间的最大流速仅仅是0.4。因此，推断使用线性模型表明当该单元用来处理设计手册上的流量时，沉积物的去除效率依然很低。尽管如此，推断，仅仅在某种程度上有效，因为过高的流速可能会导致水流中大沙颗粒的比重增加，大沙在系统中沉淀导致去除率增加。为了比较，在该项研究中，中值水流中TSS浓度检测到是21.9mg/l，而一个未发表的由大型Baysaver模型制造商赞助的实验宣称，当水流浓度在503-2019mg/l的范围内，TSS 的去除率是76-91%。此外，由AL-Hamdan et al设计的未指定的Baysaver模型做实验试验，结果是在水流浓度在100-200mg/l时，TSS去除率是62%，一个美国环保局对该系统的研究报道水流TSS达到18-260mg/l时，TSS去除率是33%，SSC去除率是82%。EPA的研究强调TSS和SSC减少率的差别，尽管如此，该项研究提到了检测问题上的技术性难题，这并不会成为有效的对照资源。营养元素据USEPA美国环保局的城市暴雨BMP研究初始数据总结报导TP总磷的减少率是27%，与贮水池中中值减少的46%相比有点少。这项由AL-Hamdan et al的研究报导TP的去除率是59%，这归因于沉积物约束磷且沉积物被去除。但是，我们并没有发现TP的去除与洪峰有联系，这就说明，在很长一段时间内，系统中除沉积物外的其他因素影响了P的释放和保留。有机磷和吸附了的磷酸盐可能作为固体沉积物被去除，在之后随着沉积层发生分解，以可溶的形式从系统中释放出从而导致长期处于低减负状态。NO3-/NO2-和NH3/NH4+的减少率分别是15和21%，这就与USEPA报导的贮水池对两种氮的去除率是23%差不多。NH3/NH4+的去除率比NO3-/NO2-的高一点且与洪峰是负相关的事实支持了在好养条件下微生物将NH3/NH4+氧化为NO3-/NO2-的机理，就像我们之前所提到的那样。尽管如此，NO3-/NO2-的去除率也是大于0 的，并且和洪峰呈负相关，证实了缺氧条件下的反硝化反应。以下两种形式的去除率的数据几乎是一样的模式，这表明了每一种的去除是同时发生的，并且不是连续的硝化/反硝化模式。如果去除主要是因为微生物的转化，在该系统中就应该存在分开的好氧和缺氧的区域。另一种可能性就是整个系统都是厌氧的，反硝化作用可以进行，NH3/NH4+则是通过简单的蒸发被去除。金属和电导率Cu、pb、zn的去除率分别是46,49和57%，和USEPA报导的-15，-56,9.1%，AL-Hamdan et al报导的cu和zn的去除率分别是8、2%，有很大的不同。这三种金属元素的去除率均与洪峰流速呈负相关，表明它们的去除与沉积物有关。Cu的去除与季节有关，春季去除率最高，秋季最差。只有一个变量，pb，与枯水期有关。考虑到样品事件的数量、在回归模型中三种可预见变量的存在、以及只有一种污染物与枯水期有关的事实，pb和枯水期之间的低p值可能是偶然发生的。电导率是唯一一个与PTS去除呈负相关的参数，表明水流中有离子的溶解和释放。概率图（图2）显示只有当水流电导率大于等于90%时去除率才是正的，因此建议流出的电导率一直保持很高的水平并且只有当流速恰好超过该标准是才对电导率进行检测。尽管，在该系统中，总cu，zn，pb有一定