透水混凝土作为自然基过滤元件去除城市雨水径流重金属：配合比设计、水力停留时间（HRT）与连续降雨事件的影响

《Journal of Environmental Management》：Pervious concrete as a nature-based filtering element for heavy metal removal from urban stormwater runoff: influence of mix design, hydraulic retention time and successive storm events

　　

水力停留时间（HRT）对透水混凝土中重金属去除的影响大于配合比组成。随着HRT降低，铬（Cr）由净浸出反转为净截留。在连续模拟降雨事件中，金属截留性能逐步下降。在短HRT条件下，预制CEM I元件实现了最高的铜（Cu）和锌（Zn）去除。高pH出水可能需要在排放前进行下游中和处理。

城市不透水面扩张改变了水文循环，使城市雨水径流（urban stormwater runoff，USR）的流量和峰值增加，同时径流携带的重金属等污染物对受纳水体构成威胁。锌（Zn）、铜（Cu）、铅（Pb）和铬（Cr）是USR中最受关注的溶解态重金属。基于自然的解决方案（nature-based solutions，NbS）中的透水铺装系统被广泛采用，透水混凝土作为承重过滤元件，可通过物理过滤、化学沉淀和吸附等作用去除重金属。然而，实际运行中水力停留时间（hydraulic retention time，HRT）远短于实验室柱试验，碱性出水可能引起Cr浸出，连续降雨事件对长期性能的影响也尚不清楚。为此，研究人员评估了六种透水混凝土混合料在两种水力尺度（HRT约4.4～100 s）和最多四次连续模拟降雨事件下的重金属去除表现，重点关注HRT和混合料组成的作用以及Cr的浸出-截留转变。

研究人员在西班牙加泰罗尼亚理工大学（Universitat Politècnica de Catalunya – BarcelonaTech）结构技术、材料与施工实验室开展了两个互补的试验活动。活动A（2023年）测试CEM I和CEM II两种混合料，HRT约100 s，单次降雨事件，每种3个重复试件；活动B（2025年）测试四种混合料，包括天然骨料（CEM I和CEM III/A）、再生骨料（CEM I）和商业预制CEM I元件，HRT为4.4～9.0 s，采用两事件（每种3个重复）和四事件（每种1个）两种序列。所有试件采用垂直流过滤装置，合成USR含有相同目标浓度的Cr、Cu、Zn、Pb，但背景离子组成不同（活动A为纯金属去离子水溶液，活动B含Ca²⁺、Mg²⁺、Na⁺、K⁺、SO₄^2?、Cl^?和HCO₃^?）。水力传导率采用变水头渗透仪测定，HRT由有效孔隙体积除以流量计算；金属浓度用电感耦合等离子体质谱（inductively coupled plasma mass spectrometry，ICP-MS）测定，pH和电导率同步监测。统计采用Mann-Whitney U检验和Friedman检验。

**3.1 水力特性和出水化学**
所有试件的水力传导率为0.15～1.71 cm/s，相应HRT为4.4～100 s。过滤后出水均呈碱性，平均pH介于8.78～12.27之间；除再生骨料混合料外，多数混合料的出水pH超过西班牙饮用水参考限值9.5。电导率相比进水升高，但均低于300 μS/cm的淡水水生生物基准。这表明水泥水化产物的溶解持续释放碱性物质。

**3.2 重金属截留的水力控制**
通过活动A（长HRT）与活动B（短HRT）的对比以及活动B内部不同HRT的梯度发现，HRT是控制重金属去除的主导因素。在长HRT（约100 s）条件下，Cu、Zn、Pb去除率中等（Zn约65%，Cu和Pb约33%～41%），而Cr呈现净浸出。在短HRT（4～9 s）条件下，多数混合料对Cr接近完全去除，Cu、Zn、Pb去除率整体提高。活动B中，HRT从4.4 s增至9.0 s使Zn去除率从约14%升至约76%，Cu从约32%升至约85%，表明快速流动条件下接触时间对去除效率高度敏感。

**3.3 混合料组成和制造工艺的影响**
通过相同水泥但不同骨料类型的对比，采用再生骨料的混合料HpCIAr的Cu、Zn、Pb去除率低于天然骨料混合料HpCIAn，同时出水pH较低（8.78对9.86），表明再生陶瓷骨料可能通过形成铝酸钙水化物（C-A-H）降低了碱性释放。通过CEM I与CEM III/A的对比，含矿渣的CEM III/A混合料在多数事件中略高的Cu、Zn、Pb去除率并伴随较高pH（10.16对9.86）。商业预制件Hp2CIAn在两种加载方案中均取得最高的Cu、Zn、Pb去除率（E2时Cu 85.4%、Zn 76.3%、Pb 86.0%），部分归因于其较长的HRT（9.0 s）和更密实的基体。

**3.4 重复暴雨荷载下的时间演化**
四事件序列显示，Cu、Zn、Pb的去除率在连续事件间基本保持稳定或略有上升，Friedman检验仅在CEM III/A混合料中检测到显著的总体事件效应（精确p=0.017），表明这些金属的主要截留机制未在短期内饱和。Cr行为不同：预制件Hp2CIAn在前三次事件中均实现100%去除，第四次事件骤降至25%，而Cu在同一事件仅从81.9%降至61.4%，Zn和Pb基本不变，提示Cr特异性反应相（如钙矾石和AFm相）发生饱和或失稳。质量衡算显示，Cu、Zn、Pb的累计截留量约为0.14～0.25、0.57～0.73、0.04～0.05 mg/kg，远低于水泥基材料的固定容量，但Cr在Hp2CIAn中提前饱和。

**3.5 对透水铺装设计的环境启示**
综合结果表明，设计变量对重金属去除的影响层级为：HRT > 水泥组成 > 骨料矿物学。实际透水铺装的HRT极短，因此应在设计导则中纳入最小HRT准则，而不应仅依据渗透系数。同时，高碱度出水在促进Cu、Zn、Pb沉淀的同时可能超出排放限值，并在长接触时间下促进Cr从水泥相中活化，因此在系统中设置下游中和层可能是必要的。研究所用的Pb进水浓度因配制误差比目标值低3～12倍，Pb去除率仅作指示性参考；Cr浓度较低，其去除效率的不确定性较大，解释时应谨慎。

研究得到以下主要结论：（1）HRT是控制重金属去除的主导因素；在4～9 s的短HRT范围内，增大HRT显著提高Cu和Zn去除率，说明快流速下接触时间极为重要。（2）混合料组成和制造工艺进一步调节去除性能：再生陶瓷骨料降低出水碱度和Zn、Pb去除；含矿渣的CEM III/A和商业预制件因更强的碱度缓冲和更多水化产物而表现出更好的去除效果。（3）Cr呈现与Cu、Zn、Pb不同的HRT依赖行为：长接触时间（约100 s）下Cr从水泥相浸出，短HRT下则被截留；在重复加载后Hp2CIAn的Cr截留崩溃，表明长时间接触和渐进饱和会使系统从固定转为释放。（4）出水碱度是水泥基雨水过滤器的重要权衡因素；大多数混合料超过pH 9.5参考限值，实际应用可能需要下游缓冲或中和。总体而言，研究支持将HRT作为透水混凝土雨水处理系统的显式水力设计标准；在本研究条件下，重复降雨中同时实现高Cu和Zn去除的混合料具有最长的HRT（9.0 s）。未来需要开展真实径流条件下的长期现场研究，并关注堵塞、季节变化和复杂水质的影响。