为改善径流水质的绿色屋面基质的设计和开发：植物生长实验和吸附量外文翻译资料

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为改善径流水质的绿色屋面基质的设计和开发：植物生长实验和吸附量

K. Vijayaraghavan，Franklin D. Raja

化学工程系，印度马德拉斯理工学院，Chennai 600036，印度

摘要

全世界的很多研究已经探讨了将棕色屋面转化成绿色屋面所能带来的潜在好处，但是，很少有文献检验过径流水质或绿色屋面的吸附能力。由于绿色屋面基质是提高径流水质的主要组分，这项研究提高了用低成本的无机混合材料来开发绿色屋面基质的可能性。测试过的材料包括脱落的蛭石，膨胀珍珠岩，废砖和含有机成分的砂（椰子泥炭）。详细的物理化学分析显示，这些材料中的每种都具有不同特征。因此，将这些材料混合以开发最优的绿色屋面基质是可取的。采用析因设计，准备了18种不同的基质混合物，详细检查表明，混合物-12具有绿色屋面基质的堆积密度小（431kg/m³），高持水量（39.4%），高孔隙率（19.5%）和高渗透系数（4570mm/h）等令人满意的特点。基质组合还提供了半支莲（380％的总生物量增量）一个月以上的增长最大的支持。为了探索发达绿色屋面基质的浸出特性和吸附能力，采用下流填充柱的布局。在填充柱操作的最初浸出阶段，观察到高导电性，总溶解固体和轻金属离子（钠、钾、钙和镁）；但是，在操作的最后阶段（600分钟）离子浓度停止了。金属加标去离子水实验揭示：绿色屋面基质具有对于各种重金属离子（铝、铁、铬、铜、镍、铂、锌和镉）的高吸附能力。因此，发达的生长基质具有可取的特点，那就是让绿色屋面具有高吸附能力。

关键词

绿色屋面，轻型基质，吸附，生物吸附，径流水质，水质。

1. 介绍

被称为有活力的，绿色的和生态的绿色屋面是覆盖着基质和植物的屋面。根据基质的深度它们可以被分为广泛的和深入的绿色屋面（Osmundson，1999；Snodgrass 和 McIntyre，2010年）。广泛的绿色屋面包括最大深度达150mm的基质层，因此通常支持肉质植物，草本植物，草和苔藓植被等植物类型。与此相反，深入的绿色屋面基质深度可超过150mm，这样可支持木本植物（罗，2011年）。关于绿色屋面的公众和研究兴趣近年来增加了，这很可能因为由它们引起的各种特有的环境效益。这些效益包括其对降低建筑能耗，降低噪音水平，提高空气质量，在暴雨期间的径流量控制，最大限度地减少城市热岛效应，建筑美学和帮助太阳能电池板有更好的表现的能力（Dunnett 和Kingsbury，2004年； Berndtsson， 2010年；Aitkenhead-Peterson 等，2011年；Bates 等，2013年）。许多国家和市政当局理解这些好处并开始实施，甚至强制要求建筑物屋面绿化。绿色屋面覆盖率仅在德国每年就增加大约1350万平方米（Oberndorfer 等，2007年）。在多伦多，绿色屋面条例要求所有新开发的总建筑面积达2000平方米的项目要包含20%-60%的绿色屋面（Chen，2013年）。总的来说，绿色屋面已被确认为提高绿化覆盖率和市区重建消失的绿色空间的一个可行的解决方案。

绿色屋面技术在欧洲，北美和一些亚洲国家是行之有效的。在这些国家，关于绿色屋面系统的安装的深入调查已经发表了（Moran等，2003年；Berndtsson等人，2006年；Vijayaraghavan等人，2012年）。然而，绿色屋面还在印度等亚洲国家迎头赶上。目前还没有当地的致力于绿色屋面的调查研究，因此没有公众和政府知道。作为能源短缺和洪水多发国家，绿色屋面在印度有很大的潜力。为了提高公众意识，应进行针对绿色屋面的调查，调查内容为绿色屋面对当地条件的适用性以及成本分析。由于气候条件和城市地区的发展形式的区别，众所周知，西方国家或其他国家的商业绿色屋面系统可能不会被完全采纳或适应当地情况（Wong和Lau，2013年）。因此，应该努力筛选适用于当地条件的适宜的植被和基质。

绿色屋面通常由几个部分组成，包括植被，底物，滤布，排水材料，根的屏障和绝缘层。很少有研究分析各个部分在绿色屋面独特的效益中所起的作用（Nagase 和 Dunnett，2011年；Perez 等，2012年；Vijayaraghavan 等人，2012年）；否则，这些部分的影响很少有人能理解。例如，绿色屋面的径流水质相对不为人所知。从理论上讲，绿色屋面可以充当污染吸附剂和过滤器。然而，他们也可能会造成水体水质的退化，这些水体含有从土壤，植物和化肥而来的污染物。几位作者观察到绿色屋面系统中的径流存在重金属和其他污染物（Alsup 等，2011年；Speak 等人，2014年）。Berndtsson 等人（2006）发现，虽然浓度低于正常城市径流，但绿色屋面径流中一些重金属浓度却相当于中度污染的天然水。径流质量的下降可能与化肥的使用，以及选择不当基质和植物有关（Rowe，2011年）。植物修复能力从来不是选择绿色屋面植物的标准。基质组分的筛选不是基于它们的吸附/生物吸附容量或者更少的浸出倾向。如果绿色屋面除了满足长期客户的期望外，还被认为对环境无害，那么高效的绿色屋面组分的选择是非常重要的。

因此本研究的目的是开发绿色屋面基质以提高径流的质量，这种基质采用不同的低成本材料。盆栽试验用半支莲作为试验品种进行。基质根据保水能力，空气填充孔隙率，水力传导率，堆积密度，吸附能力，以及植物支撑等指标被优化。基于上述结果，基质优化混合物将被推荐在半工业规模的绿色屋面中进行更深入的测试，以检查风、雨、突发灾害和养分耗竭对其的影响。

1. 材料和方法

2.1 基质材料和植物

用于绿色屋面基底的制备材料包括脱落的蛭石，膨胀珍珠岩，废砖，砂和椰子泥炭（29％含水量）。这些材料在本地获得的，并且在实验中以其原来的形式使用。这些基质组分的物理和化学特性列于表1中。

半支莲被选为本研究的测试植物物种。扦插形式的植物物种是从一个商业苗圃中买的。半支莲具备对绿色屋面植物必不可少的几大优势，比如在极端干旱和水资源短缺条件下茁壮成长的能力，有短而柔软的根（DDC，2007年），并提供优良的地面覆盖。

2.2 基质制备和分析

对于目前的研究，基质制备是基于广泛的绿色屋面系统。因此，基质的深度固定为10cm，其含有80％的无机和20％的有机组合物（DDC，2007年）。所用的无机成分包括蛭石，珍珠岩，碎砖和砂。而20％的椰子泥炭在所有实验中都有使用，除非另有说明。我们采用析因设计来优化绿色植物基质的组分。总共18种不同的基质混合物（表2）重复被检查以获得最大的植物生物质，保水潜力，空气填充孔隙率和最小的堆积密度。

绿色屋面基质组分的物理化学参数是通过在一个锥形瓶中用1g基质组分和100ml去离子水接触测得的。然后，锥形瓶内的物质在30plusmn;2℃的旋转振荡器中搅拌24小时。上清液通过0.45mmPTFE膜过滤器过滤，并分析滤液的pH，电导率，总溶解固体（TDS），轻，重金属离子。在分析金属（钠，钾，钙，镁，铝，铁，铜，镉，铅，锌，铬，和镍）中使用了感应耦合等离子体光学发射光谱法（ICP-OES,Perkin Elmer Optima 5300 DV）。考虑到在本实验中，上述所用的重金属离子的硝酸盐处于加标事件中，因预期的进口的硝酸盐浓度不切实际地高，所以故意忽略径流中的硫酸盐。为了保持一致，本研究还忽略径流中的其他离子比如磷酸盐。基质组分的堆积密度计算为干重（在105℃中干燥）与原样品的体积的比值。堆积密度（最大持水能力时）测量按FLL准则进行（FLL，2002年），渗透系数根据基质的大小（Budhu，2007年）通过常水头和水头下降值决定的。持水量（WHC）和空气填充孔隙率（AFP）是根据澳大利亚盆栽混合物标准方法（澳大利亚标准，2003年）确定的。

2.3 植物生长实验

植物生长实验是在印度马德拉斯IIT的机械科学实验室的屋顶进行的。本实验中使用了半支莲作为实验品种，它是在商业园土壤中长了一个月后扦插得到的。因为插穗已经在商业园中混合生长，因此，需事先在水中清洗插穗来尽可能多的去除混合物，以减少商业媒介对绿色屋面基质的影响。然后，每个植物插穗放入175mm直径的花盆中，花盆中含有不同的绿色屋面基质混合物中的一种。每个盆包含底部有土工布的10cm厚的绿色屋面基质。在测试的过程中，没有降雨记录，每两天进行一次人工灌溉（100ml/盆）。

种植一个月后，从基质中移除植物以计算生物质的干重。在筛子中将基质从植物根中彻底清洗来确定植物的质量，以确保最小的根损失（Farrell等人，2012年）。干重是在将植物样本放在60℃的烤炉中烤48h后估算的。

2.4 柱实验

为了评价绿色屋面基质的浸出特点和吸附量，使用了填充柱的布局。设计成一个玻璃柱（内径为20mm，高度为350mm）。应当指出的是，绿色屋面基质的平均粒径从0.25至10mm不等。柱的顶部附着着一个可调柱塞来调整柱床的高度。约38.6g的绿色屋面基质填充于柱内，占据了25cm的床高。在柱的顶部有一层3cm的玻璃柱以均匀分布进水。进水（去离子水或加标去离子水）用蠕动泵以0.3L/h的速度向下泵送。以规定的时间间隔收集柱流出的样本并分析各种物理化学参数。加标去离子水是通过在去离子水中人工添加混合各种硝酸盐的金属离子获得的。为了决定加标后的浓度，金属离子被分成四组：无毒（钠，钾，钙，镁），轻毒性（铝和铁），中毒性（镍，锌，铜和铬）和高毒性（铅和镉）的金属。在加标去离子水中，每种高毒性、中毒性、轻毒性和无毒性的金属离子浓度分别是0.5，1，5和10mg/L的顺序。尽管这些浓度对雨水来说不切实际地高，他们仍然用来确定绿色屋面基质的吸附能力。

1. 结果和讨论
   1. 基质组分的物理化学性质

对绿色屋面的成功来说，选择一个合适的基质是至关重要的，因为他们的环境很恶劣。对于广泛绿色屋面，理想的基质应该是质量轻，植物易锚，提供养分，最小浸出量，稳定，良好的通风和持水能力（Nagase 和Dunnett，2011年）。这通常是通过按规定的比例来将不同特点的材料混合来实现的。在本研究中，用五个组分（珍珠岩，蛭石，砂，碎砖和椰子泥炭）来制备一个实用的绿色屋面基质。表1列出了检查过的不同基质组分的物理化学性质。如表1指明，基质组分的尺寸不同，这是故意改变空气和水通过最后的绿色屋面基质所保持的体积。在测试过的无机材料中，珍珠岩用低堆积密度，低水力传导率记录了最高的AFP。珍珠岩是一种流纹岩组成的玻璃状火山岩，最近已成为一个重要的无土生长培养基，也广泛应用在培养土。它提供了高等植物生长的良好的通风和最佳的保湿（Guuml;l 等，2005年），另一方面，蛭石显示出相对高堆积密度和具有62.5％的WBC水力传导率。蛭石是一种水合硅酸镁铝，重量轻，被广泛用于提高基质的阳离子交换容量，土壤条件，和WHC。其他无机组分，砂和碎砖除了湿堆积密度（最高持水量时）外还显示出非常高的干堆积密度。碎砖的目的是提高孔隙率（空气空间），渗透系数和降低基质的总成本。与此相反，砂的作用是降低基质的孔隙率和渗透系数。有机材料椰子泥炭展现出最低堆积密度和相当高的WBC和导水率。使用有机物质的主要好处是，它保持良好的土壤结构，增加了阳离子交换容量，提高保水性，和供给植物有限的养分（Nagase 和 Dunnett，2011年）。

为了了解绿色屋面组分对水质的作用，这些组分的渗滤液被拿来检查（表1）。蛭石的渗滤液被发现包含高pH，电导率和总溶解固体。同样地，泥炭和碎砖也导致高导电性和总溶解固体量。相反，珍珠岩和砂过滤出更少的离子，因此记录到的总溶解固体量和导电率也最小。就滤出液的金属离子而言，所有的基质组分都来源自轻金属（钠，钾，钙和镁）。大量的金属离子从基质组分中浸出，特别是泥炭，蛭石紧随其后。这些营养素是植物生长的必需元素。椰子泥炭被发现有非常高的钾含量而显著少钙，镁含量。最高的钙含量被发现在碎砖中，而蛭石含有最多镁。滤出液中铝和铁的浓度也很高，尤其是在蛭石中。铬，铜，镍，铅，锌，镉等重金属离子并没有在任何滤出液中显著存在。对植物生长来说，铜和锌等的需求量很小。在测试过的基质组分中，珍珠岩是养分最缺乏的。因此，结果（表1）表明，检查过的基质组分含有不同比例的常量营养素，微量营养素和其他无关紧要的离子。

考虑基底组分的对比性质，理想的是找到一种最佳的组合，以获得绿色屋面媒体的理想特性。根据析因设计，共18种不同的基质混合物（表2），其包括基质组分的控制设计和它们的性能评价（图1）。干堆积密度在431-741kg/m³范围内，分别对应于所有被检查的基质混合物。WHC总是大于33.8%，而AFP在 14.7%以上。高WHC是一个重要的优点，因为它能够让基质存储水从而减少径流量，此外，存储的水还能够被植物在干旱条件下所利用（Farrell 等人，2013年）。渗透系数处于3454-6178 mm/h的范围内。很明显的是，珍珠岩和蛭石在基质混合物中占据更高的比重会减少基质的重量和渗透系数。相反，砂子除了增加WHC外还增加基质的重量，但是降低AFP。虽然砂子增加了基质的重量，但它提供基质的稳定性和植物的锚固能力。在检查的基质混合物中，混合物-12展现出最低的干堆积密度（431kg/m³）以及最高的AFP（19.5%）。虽然在检查的混合物中，混合物-12的WHC不是最高的，但它仅比记录的最高的WHC（混合物-8）低了3.4%。这些数值远高于根据德国FLL（Forschungsgesellscha

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