0 引 言
生物滞留设施是通过源头分散渗蓄雨水的小型管控设施，在海绵城市建设中被广泛应用，符合低影响开发(LID)的雨洪管控理念。屋顶绿化(roof greening)作为生物滞留设施之一，巧妙地利用建筑顶部的闲置空间进行绿化，既能增加城市绿化率，又能改善城市开发对自然水文循环的影响，起到源头控制和延缓冲击负荷的作用。
另外，随着我国城镇化进程的加快，自来水厂的数量与规模日益增加，水处理过程中不可避免地产生大量剩余污泥。目前，给水厂污泥的处置方式主要为脱水填埋，脱水后污泥含水率一般为70%～85%，无法满足GB/T 23485—2009《城镇污水处理厂污泥处置混合填埋用泥质》中含水率<60%的规定，污泥的处置问题已成为生态环境治理领域的一块“硬骨头”。因此，要改变发展思路，用“两山论”看待污泥，将污泥处理处置当作循环起点和价值奇点，是解决污泥问题的根本出路。
建设具有“海绵城市”功能的屋顶绿化设施需要大量的轻型改良基质，屋顶绿化基质组成一般为颗粒材料(粗砂石、赤玉土等)、经发酵腐熟的有机质(泥炭、水苔等)和轻型调节基质(珍珠岩、蛭石等)，但天然资源有限，大肆开挖破坏环境，大规模应用成本高。近年来，有学者已验证了给水厂铝污泥用于园林种植的可行性并评估其环境影响[1]，建筑垃圾(碎砖)、园林废弃物、蘑菇种植废渣用于配制屋顶绿化基质的试验也有相关报道[2-5]。但将给水厂铝污泥用于配制屋顶绿化基质存在几个关键问题，其中包括：1)铝污泥是否存在铝和重金属的浸出；2)铝污泥是否能直接用作种植基质；3)铝污泥应如何处理并搭配其他基材制成轻型改良基质；4)以铝污泥改良基质制成的屋顶绿化设施对雨水的滞蓄净化效果。本文将对以上问题进行逐一阐述，以期为给水厂铝污泥的资源化利用和屋顶绿化设施的推广建设提供参考。
1 给水厂铝污泥的铝和重金属浸出情况
给水厂铝污泥是自来水厂处理过程中产生的富含铝絮凝剂的副产物，含有黏土、腐殖质以及其他不溶于水的悬浮物，并依据水源地的不同而有所变化。本实验使用的污泥取自西安曲江自来水厂，其重金属含量见表1。絮凝剂或水源中的重金属可能会附着于聚合氯化铝(PAC)或聚丙烯酰胺(PAM)上，使污泥中含有重金属。含铝盐、铁盐的絮凝剂投加使污泥中含有大量的铝，高浓度的铝会对动植物生存和人类健康造成影响。将铝污泥施用于土壤，铝和重金属是否会对环境产生负面影响是其首要关注点。
表1 污泥污染物指标及限值
Table 1 Pollutants indexes and their limit values in sludge mg/kg
项目GB/T 23486—2009《城镇污水处理厂污泥处置 园林绿化用泥质》限值酸性土壤(pH<6.5)中性和碱性土壤(pH≥6.5)给水厂铝污泥Cd<5<20<5Hg<5<15<5Pb<300<1000238.3Cr<600<100023.8As<75<7516Ni<100<200<5Zn<2000<400013.8Cu<800<150025.6B<150<150<5矿物油<3000<3000—苯并(a)芘<3<3—可吸附有机卤化物(AOX)(以Cl计)<500<500—多氯联苯(PCBs)<0.2<0.2—
目前，我国尚未对给水厂污泥的相关利用做出要求，所以参照污水厂污泥利用标准执行。由表1可知：给水厂铝污泥中的重金属含量远远低于GB/T 23486—2009《城镇污水处理厂污泥处置 园林绿化用泥质》的限值，铝污泥的毒性特征浸出实验(toxicity characteristic leaching procedure，TCLP)结果表明，污泥中Cu、Zn、Cr、Cd、Pb和As等重金属浸出量明显低于TCLP标准规定值[6]。因此，适度施用(20 dt/hm2)及在土壤pH>6的条件下，铝污泥中重金属迁移至植物或环境中的量很少，可忽略不计。美国环境保护署(EPA)二级饮用水标准中铝的安全浓度范围为0.05～0.2 mg/L[7]，世界卫生组织建议的标准上限为0.2 mg/L[8]。Babatunde等[9]提出以铝污泥为主要填料的人工湿地系统，用于处理农村生活污水，并对系统中试各级出水中铝离子的浓度变化进行长期监测，结果表明：系统出水中铝确有滤出，但只发生在试验初期的10～14 d之内，且铝的浓度极低，为0.02～0.06 mg/L，远远低于上述规范中规定的0.2 mg/L。
需要说明的是，铝污泥中铝的浸出量受pH影响很大，铝浸出的临界pH为4.5～5.0，当pH值低于该范围时，污泥中的铝迅速溶解于土壤中，可能会对植物有毒害作用[10]。但铝污泥中的氢氧化物对pH有缓冲作用，在碱性土壤中添加不同比例的铝污泥(10～40 g/kg)，未发现铝浸出[11]。铝污泥中重金属的浸出同样受pH的影响，Ba、Be、Ca、Cd、Co、Cr、Fe、Mg、Mn、Pb、Sr、Zn在酸性条件下易浸出，而As、Mo、V则在碱性条件下易浸出，Al、Cu和Ni在酸性和碱性条件下均易浸出[12]。总体而言，大部分重金属在酸性条件下易浸出，但在pH=6.0～9.0时，重金属大多以稳定形态存在。另外，铝污泥中大肠杆菌数很少，这可能与水源较洁净、水处理过程中经过消毒和污泥在贮存池中长时间的堆置等因素有关。可见，在土壤pH约为7的绿化应用上，铝污泥中铝和重金属的浸出量极少，对环境构成威胁甚微，但仍需周期性地监测。
2 未经处理的给水厂铝污泥直接用作植物种植基质的可行性
当前国内自来水厂传统排泥水处理方式为污泥浓缩、离心脱水，脱水后污泥含水率为70%～85%，在美国给水协会填埋研究报告中，根据土壤系统分类标准，给水厂污泥有类似于CH类土壤(高塑性无机黏土)的特性，颗粒细腻，保水性能好，渗水速度慢，通气性能差。铝污泥中含有大量的铝，有研究表明铝对植物的伤害是多方面的，涉及生理生化反应和细胞形态结构效应等[13]，但在弱酸性或弱碱性土壤中，铝离子容易被固定，迁移能力弱，植物对铝胁迫也建立了多方面的防御机制，一定程度上抑制了污泥中铝对植物的危害。Ippolito等[14]以不同比例的铝污泥施用于土壤中(质量分数高达25%)，植物中铝的含量并没有增加；谢敏等[15]使用铝污泥与普通土壤及适量粉煤灰作为栽培基质种植植物，发现污泥的施加能够促进植物——高羊茅和万寿菊的生长。本实验也对铝污泥直接用作植物种植基质进行了初步探索，结果见图1。可见，植物在铝污泥上能正常萌发生长，铝污泥中的铝和重金属对植物生长无明显毒害作用。
图1 植物在铝污泥上的生长状况
Fig.1 Plant growth situation on alum sludge
但铝污泥直接用作种植基质存在以下问题：1)含水率80%的铝污泥质地黏重，土粒之间缺少大孔隙，干燥时由于颗粒间水分的排出，颗粒之间相互靠拢、间距缩短致使体积收缩，土面硬化板结；2)干燥后污泥因内部结构改变失去黏性，在水力冲击、重力吸引等外因作用下土壤分裂，再次浇水湿润也无法恢复黏性，在风雨、冷热交替和生物的作用下瓦解，最后呈粗砂状，这可能与无机高分子絮凝剂的添加有关。武雷杰等[16]的研究也证实，无机高分子絮凝剂在水土介质环境中产生大量的絮状物和沉淀，包裹附近细土颗粒，使土样形成更多的团粒结构，所以黏粒组含量呈逐渐降低趋势；过量的沉淀和絮状物使颗粒进一步团聚，使得砂粒组含量呈明显增大趋势。可见，铝污泥含水率为80%时，性状与黏质土相似，但污泥干燥破碎后，性状更近似于砂质土。综上所述，较高含水率的铝污泥性状不稳定，不宜直接使用作为植物的种植基质，需脱水干燥至60%以下，破碎处理后筛分待用。此外，干燥破碎后的铝污泥容重大，颗粒粗糙，渗水速度快，保水性能差，相较于污水厂污泥，铝污泥肥效很低，为满足屋顶绿化规范要求，还应搭配其他轻质、保水、保肥的基材(如椰糠、泥炭、腐殖土等)使用。
3 屋顶绿化基质配方组成及配比
屋顶绿化设施种植基质应具有水饱和容重小、渗透系数适中、疏松透气、保水保肥等特性。每个地区屋面条件和气候特点不同，所选用的基质组成及配比也有差异，选择合适的基质是生物滞留设施发挥功能的关键因素。为确保降雨不积存于土壤表面形成径流，国外早期设计推荐使用渗透系数较高的天然土壤作为基质，认为壤质砂土、砂质壤土、壤土(最小吸水率分别为51，25，13 mm/h)是生物滞留设施的最佳土壤类型，目前很多地区仍采用该设计规范[17]。但屋顶温度变化大、空气流动快、水分蒸发量大，且结构承载力允许的荷重有限，中国部分城市，如北京、上海、广州和西安等，在设计规范中对基质理化性质指标提出要求(表2)，单一使用砂质土、黏质土、壤土难以满足规范要求。目前屋顶绿化种植基质大都采用各类介质配制的人工改良土，现有的设计规范中更推荐使用以渗透性能良好的土壤为基底，含一定有机质的混合改良土[18]。国外的相关设计规范中，对生物滞留设施种植基质的选取做了推荐；国内关于基质的组成及配比，在借鉴国外相关设计规范及研究经验的基础上，结合地区气候特点也做了推荐，国内外一些研究及设计规范中推荐的基质组成及配比见表3。其中，北卡罗来纳州推荐的基质配比中，砂质土占85%以上，这与当地西部山区属大陆性气候，东南地区属亚热带气候有关。Rusciano等[19]所使用的基质配比则较为均衡，为33%泥炭、33%砂、33%有机质，即特拉华州推荐的基质配比。澳大利亚莫纳什大学生物滞留技术推广协会(FAWB)的相关设计规范推荐使用砂壤土作为填料，同时可添加10%～20%的矿物质，其中矿物质为珍珠岩和蛭石。
表2 基质理化指标
Table 2 Physicochemical properties of the substrates
理化指标北京(DB11/T 281—2015)上海(DB31/T 493—2017)广州(DB440100T 111—2007)西安铝污泥改良基质水饱和容重/(kg·m-3)650～1300600～1000≤1000450～13001121非毛管孔隙度/%≥10≥15≥18.9≥1024.9pH值6.5～8.07.0～8.55.5～7.57.0～8.57.1EC值/(mS·cm-1)0.5～1.50.5～2.00.16～0.60—<0.5含盐量/%≤0.12——≤0.12—含氮量/(g·kg-1)≥1.0—≥1.02≥1.0≥2.43含磷量/(g·kg-1)≥0.6—≥1.40≥0.6≥0.87含钾量/(g·kg-1)≥17—≥21.50≥17≥25有机质/(g·kg-1)—≥30≥33.0—≥30
表3 已报道的基质配方及比例
Table 3 Formulations of different substrates in literature
机构或研究者配方材料比例特拉华州[19]砂壤土∶泥炭∶有机质1∶1∶1FAWB[20]砂壤土∶矿物质8∶2～9∶1Bratieres等[21]砂壤土∶珍珠岩:蛭石8∶1∶1北京《屋顶绿化规范》轻砂壤土∶腐殖土∶珍珠岩∶蛭石2.5∶5∶2∶0.5钱瑭璜等[22]泥炭∶椰糠∶珍珠岩2∶3∶1陈旭彤[23]田园土∶草炭∶松针土∶珍珠岩1∶1∶1∶1胡爱兵等[24]砂质土∶壤质土∶营养土6∶3∶1倪肖卫等[25]园林废弃物∶蛭石∶砂土6∶4∶1
综合以上因素，本实验采用配方为给水厂铝污泥(40%，体积分数，下同)、椰糠(35%)、珍珠岩(25%)等材料均匀混合制成屋顶绿化基质，并适度施用缓释肥(10 g/m3)。该改良基质水饱和容重为1121 kg/m3，非毛管孔隙度(体积)为24.9%，pH=7.1，理化性质均符合《西安市屋顶绿化技术规范》的规定。在西安市某屋顶自然条件下，栽种薄雪万年草(Sedum hispanicum)，植物的生长变化过程见图2。结果表明：植物在铝污泥配制的基质上生长状况良好，生根率达到100%，初期盖度增幅达到66.82%，中后期也能维持在75%以上，恶劣条件下的死亡株数少于总体的20%。证实了在施用适度条件下，铝污泥中的铝和重金属不会对植物产生明显毒害作用，铝污泥可以用于配制屋顶绿化基质。
4 屋顶荷载和种植容器
屋顶绿化设施荷载应在屋顶结构承载力允许的范围内，荷载安全应符合GB 50009—2012《建筑结构荷载规范》中的相关规定，既有建筑屋顶改造前应检测鉴定结构的安全性，应以结构鉴定报告作为设计依据，确定屋顶绿化类型及种植形式。屋顶单位面积上的种植荷载很大程度受基质种类和厚度的影响，考虑到我国海绵城市建设理念刚刚兴起，屋顶绿化设施的建设更是处于起步阶段，若都以花园式屋顶绿化类型建设，设施种植层的厚度和重量都比较大，对屋顶的承载要求较高，既不适用于既有老旧建筑的屋顶，同时也增加了新建建筑屋顶的结构荷载，造价高，推广难。孟莹莹等[18]的研究表明，生物滞留设施在满足植物生长需求的条件下无需建造太深，可根据建筑荷载和功能要求及植物种类确定种植基质厚度。叶少萍等[26]的研究也发现：凹叶景天(S.emarginatum)、垂盆草(S.sarmentosum)、虎耳草(Saxifraga stolonifera)、玉龙草(Ophiopogon japonicus‘Nanus’)在基质厚度为5 cm即可存活，铺地锦竹草、吊竹梅在基质厚度仅为2 cm时即可存活，且分别在4 cm和6 cm时可达到快速覆盖。因此可按照简单式屋顶绿化类型建设，辅以模块化种植容器(结构详见图3)，栽种耐旱性宿根地被或匍匐生长的攀援植物进行覆盖式绿化，荷载满足相应要求时，可少量配置低矮灌木，并适当设置维护通道。与花园式屋顶绿化类型设施相比，模块化简单式屋顶绿化的种植容器具有排水、蓄水、阻根、过滤功能，可预先种植好植物，方便组合并能快速拼装，对于既有的老旧建筑屋顶，只要承载能力足够，无需大修大改即可快速投入使用。容器中的种植基质使用上述铝污泥改良基质，基质中颗粒的多孔性和纤维的网状结构，对植物根系有很好的固着作用，容器的阻隔作用也克服了根系对屋顶结构的穿刺破坏[27]。为此，本实验使用模块化种植容器填充铝污泥配制的改良基质，栽种垂盆草、佛甲草、薄雪万年草等地被植物，生长状况见图4，植物根系发达、茎秆健壮、叶色亮丽，屋顶绿化效果极佳。
图2 植物在铝污泥改良基质上的生长变化过程
Fig.2 Growth and change of plants on modified substrate of alum sludge
图3 模块化种植容器结构[28]
Fig.3 Structure of the modular planting container
图4 植物在模块化种植容器中的生长状况
Fig.4 Plant growth in modular planting container
5 屋顶绿化设施蓄净效果
“渗、滞、蓄、净、用、排”是海绵城市建设的六大核心理念，“渗、滞、蓄”位列前三，可见其处于核心地位。裸露屋面径流强度随降雨强度急增急减，产生的屋面径流直排管网，会给城市排水系统带来压力，若管网排水不畅将引发城市内涝。屋顶绿化设施有延滞屋面径流产流时间、降低屋面径流峰值的作用，根据Edgar等[29]研究结果，可将屋面绿化降雨产流过程划分为3个阶段(图5a)。基质组成及配比、前期种植层含水条件、降雨过程的不同，3个阶段的时间长短和水量分配也存在差异。铝污泥改良基质制成的屋顶绿化设施在中雨标准(20 mm/h)和暴雨标准(45 mm/h)的降雨模拟试验中(图5b,5c)，径流削减率分别为37.1%和56.0%，径流延滞时间分别为54.4，18.0 min，雨水持蓄量分别为17.9，16.7 mm。这与叶建军等[30]报道自然降雨下屋顶绿化设施滞蓄雨水的规律一致，而裸露屋面均无以上雨水滞蓄效果。
此外，生物滞留设施对总悬浮颗粒物(TSS)、COD、重金属、油脂类及致病菌等污染物有较好的去除效果[31，32]。其中，对TSS、COD的去除率分别为60.1%～71.3%、50.0%～61.8%，对油脂类的去除率达到96%，对粪大肠菌和大肠杆菌的去除率分别为69%和71%[27]。但对
的去除效果差,主要是因为设施不具备发生反硝化反应所需的条件；磷的去除则主要依靠基质的吸附作用，基质的配方组成和比例将直接影响设施对磷的去除率。相较于普通土壤，铝污泥具有较大的孔隙度和比表面积，其体积密度为(1.18±0.11)g/cm3，孔隙度为45%，微孔、中孔体积和总孔体积分别为0.0125，0.0210，0.0410 cm3/g，中孔体积是微孔体积的1.7倍，并占总孔体积的51.2%，比表面积可达28.0～41.4 m2/g[33]。一般情况下，孔隙度越高，比表面积越大，对磷的吸附量越大。就其化学组分而言，铝污泥含有大量无定形结构的铝，表面含有大量的活性基团，如—OH、—Cl、—SO4和腐殖质，反应过程中，铝污泥表面的这些功能基团可与水溶液中的
发生配位交换达到吸附磷的效果[10]。将铝污泥用于屋顶绿化设施，其良好的磷吸附性能，可弥补传统生物滞留设施在除磷效果上的不足。O’Neill等[34]的研究结果表明，初始磷质量浓度保持在120 μg/L，反应达到平衡后，添加ω(铝污泥)为10%的生物滞留系统中磷的饱和吸附容量为81.9 mg/kg，该系统在20年内均可保持较高的磷去除率。虽然生物滞留设施对污染物有一定的去除效果，但由于水量控制的先导理念，且屋顶环境相较于实验室条件更为复杂，径流流量、污染物浓度不确定性大，在实际设计中对水质的控制考虑不周，导致设施在实际使用过程中除污效果并不稳定。有学者发现，生物滞留设施存在营养盐溶出问题，导致出水污染物浓度明显高于进水浓度[35]。因此需对设施进行周期性监测，当出水径流中污染物浓度超标时，应在处理达标后排放到天然河湖或再利用。
——裸露屋面；----屋顶绿化；
—裸露屋面；
-屋顶绿化。
图5 屋顶降雨产流过程
Fig.5 Roof rainfall-runoff generating processes
6 结束语
1)铝污泥中各类重金属含量远远低于GB/T 23486—2009中的限值，在pH约为7的条件下，污泥中铝和重金属的浸出量极少，在相关规定的安全浓度范围内，对环境构成威胁甚微，可视为安全的土壤加以资源化利用，以废治废。
2)铝污泥初期含水率为80%时，性状不稳定，不宜直接使用作为种植土壤，在干燥破碎后，性状近似于砂质土且较为稳定，可搭配其他轻质、保水、保肥的基材制成屋顶绿化设施的改良基质。
3)在40%铝污泥配制的改良基质上，植物生长状况良好，生根率达到100%，初期盖度增幅达到66.82%，中后期也能维持在75%以上，恶劣条件下的死亡株数少于总体的20%。在施用适度条件下，铝污泥中的铝和重金属不会对植物产生明显毒害作用。同时，铝污泥的添加也增强了设施对磷和重金属的固定吸附作用。
4)本文验证了体积比为40%的铝污泥配制简单式屋顶绿化基质的可行性和效果，而不同性质、比例的给水厂污泥在不同地区栽种不同植物的可行性仍需开展实验论证，屋顶绿化设施的建设维护应严格遵守各地的规范要求。
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