生物滯留系統(tǒng)生態(tài)削減路面徑流污染技術(shù)

曹馨月，駱 輝，陳 忱，王重皓，丁子杰，荊肇乾

(南京林業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院，江蘇南京 210037)

隨著我國城市的發(fā)展，城市下墊面不透水比例上升，減少雨水入滲，增加路面徑流，縮小匯流時(shí)間，發(fā)生城市內(nèi)澇[1]，且路面徑流會(huì)使積聚在不透水路面表面的氮、磷、有機(jī)物、重金屬等物質(zhì)進(jìn)入水體，帶來一系列環(huán)境問題[2]。氮、磷等物質(zhì)進(jìn)入水體，藻類因水體營養(yǎng)物質(zhì)過多迅速生長繁殖，水體的溶解氧濃度下降，生物缺氧大量死亡，且死亡的藻類分解時(shí)產(chǎn)生污染物，甚至具有毒性，造成水質(zhì)惡化[3]。重金屬本身就不易被生物降解，在生態(tài)系統(tǒng)的生物放大作用下大量富集，進(jìn)入人體內(nèi)與蛋白質(zhì)及酶等反應(yīng)使其失活，也會(huì)在人體內(nèi)積累，引發(fā)慢性中毒[4]。生物滯留系統(tǒng)作為一種海綿城市重要的生態(tài)處理措施，通過過濾、吸附、微生物作用等[5]凈化徑流污染物，可以削減路面徑流總量和回補(bǔ)地下水，兼具建設(shè)費(fèi)用低、維護(hù)成本低、應(yīng)用范圍廣、運(yùn)行簡(jiǎn)便等優(yōu)勢(shì)[6]，是新建城區(qū)海綿建設(shè)區(qū)域大多數(shù)城市路面徑流管理和面源污染治理的實(shí)施方法之一。

本文設(shè)計(jì)植物耦合蓄水區(qū)共同作用下強(qiáng)化生物滯留池系統(tǒng)，通過與對(duì)照組和傳統(tǒng)型滯留系統(tǒng)進(jìn)行對(duì)比，在典型降雨情況下[11]，研究在相同條件下，吸附層填裝方式、有無種植麥冬和裝置的出水位置對(duì)生物滯留系統(tǒng)去除路面徑流污染物能力的影響，從中篩選出一種削減路面徑流污染最佳的構(gòu)造組合。該研究成果可為海綿城市及道路生物滯留系統(tǒng)建設(shè)提供一定技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 生物滯留系統(tǒng)的建立

試驗(yàn)設(shè)計(jì)3套生物滯留系統(tǒng)(圖1)，由有機(jī)玻璃材料制成，直徑為10 cm、高為70 cm，由上至下依次為：滲濾層、吸附層、反濾層和集水層。其中滲濾層由20%地黃棕壤和80%河砂混合基質(zhì)組成；吸附層由沸石、火山巖和海綿鐵以體積比1∶1∶1填裝，各類填料粒徑均為1～2 mm，強(qiáng)化型采用混合填裝方式，對(duì)照組和傳統(tǒng)型采用分層填裝方式，分層填裝順序(自上而下)為沸石、火山巖、海綿鐵，分層介質(zhì)及混合介質(zhì)飽和下滲速率均穩(wěn)定在5.2 ～6.1 cm/min；反濾層采用滌綸短纖針刺土工布；集水層由碎石填充。強(qiáng)化型生物滯留系統(tǒng)同時(shí)設(shè)置蓄水區(qū)和種植麥冬，蓄水高度為30 cm，傳統(tǒng)型滯留池種植麥冬但未設(shè)蓄水區(qū)，麥冬種植密度均按30株/m2，對(duì)照組無蓄水區(qū)且未種植植物，具體設(shè)計(jì)如表1和圖1所示。

表1 生物滯留系統(tǒng)填料的填充方式Tab.1 Filling Method for Packings in Bioretention System

1.2 雨水徑流配置

試驗(yàn)?zāi)M降雨雨水采用人工配置雨水，根據(jù)上海[12]、南京[13]和鎮(zhèn)江[14]等城市不透水路面初期雨水徑流污染濃度進(jìn)行雨水配置，其具體含量如表2所示。在人工配置的徑流雨水中添加葡萄糖(C6H12O6)，用來模擬降雨中的有機(jī)物，同時(shí),可以為反硝化反應(yīng)提供所需的碳源，以實(shí)現(xiàn)反硝化過程。

圖1 生物滯留系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic Diagram of Bioretention System

表2 模擬配制雨水參數(shù)Tab.2 Quality Parameters of Simulated Rainwater

1.3 雨型設(shè)計(jì)

為使試驗(yàn)?zāi)M降水情況達(dá)到與自然降雨的實(shí)際降雨強(qiáng)度相似，將芝加哥降雨模型[15]降雨強(qiáng)度轉(zhuǎn)換成按每5 min作為一個(gè)時(shí)段進(jìn)行分配，人工模擬降雨過程共分成24個(gè)時(shí)段控制，采用BT300S調(diào)速蠕動(dòng)泵，手動(dòng)調(diào)節(jié)流量計(jì)的數(shù)值模擬降雨強(qiáng)度。根據(jù)5年一遇降雨強(qiáng)度、降雨歷時(shí)為120 min的典型降雨情景降雨曲線及試驗(yàn)裝置參數(shù)計(jì)算降雨發(fā)生器的時(shí)程降雨量，生物滯留池與匯水區(qū)面積比為5%，按照南京市年徑流總量控制率為85%的降雨量，徑流系數(shù)取0.8，合成如圖2所示。

圖2 典型降雨過程Fig.2 Typical Rainfall Process

1.4 系統(tǒng)運(yùn)行與采樣

每隔2 d進(jìn)一次水，連續(xù)運(yùn)行2個(gè)月后進(jìn)行試驗(yàn)，進(jìn)行3次平行試驗(yàn)。生物滯留池裝置運(yùn)行，根據(jù)前密后疏的采樣原則，在第一次出流后，每隔30、60、90、120、150、180、240、300 min和360 min收集3套裝置模擬降水出水水樣，每1套裝置的出水水樣加上原水共10個(gè)水樣，將3套裝置的所有水樣放于冰箱4 ℃冷藏保存，用于檢測(cè)指標(biāo)，12 h內(nèi)完成水樣指標(biāo)檢測(cè)。

1.5 水質(zhì)評(píng)價(jià)

生物滯留系統(tǒng)的水質(zhì)凈化效果采用濃度削減率和綜合污染指數(shù)法進(jìn)行評(píng)價(jià)，生物滯留池對(duì)初期徑流中不同污染物的去除率通過式(1)計(jì)算。

(1)

其中：Coi——i時(shí)刻污染物進(jìn)水濃度，mg/L；

Cei——i時(shí)刻污染物出水濃度，mg/L；

ηi——i時(shí)刻透水對(duì)徑流中氮磷的去除率。

綜合污染指數(shù)評(píng)價(jià)方法[16]得到的水質(zhì)評(píng)價(jià)結(jié)果綜合分析了多種水質(zhì)污染指標(biāo)，可以表示多種污染因子對(duì)水體的綜合污染程度，明確指出主要污染因子和主要污染程度。其計(jì)算如式(2)、式(3)。

(2)

其中：Ci——評(píng)價(jià)因子i的實(shí)際測(cè)得值，mg/L；

Csi——評(píng)價(jià)因子i的標(biāo)準(zhǔn)值，mg/L；

Pi——單項(xiàng)評(píng)價(jià)因子i的污染指數(shù)。

(3)

其中：Pi——單項(xiàng)污染因子i的污染指數(shù)；

n——污染因子的個(gè)數(shù)；

PI——綜合污染評(píng)價(jià)指數(shù)。

水質(zhì)綜合污染指數(shù)法[17]的水質(zhì)分級(jí)情況具體如表3所示，并以此作為水質(zhì)評(píng)價(jià)的依據(jù)。進(jìn)行計(jì)算時(shí)采用《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)中Ⅳ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

表3 水質(zhì)綜合污染指數(shù)法水質(zhì)分級(jí)表Tab.3 Classification of Water Quality Comprehensive Pollution by Index Method

2 結(jié)果與討論

2.1 TP在不同階段削減效果

生物滯留系統(tǒng)對(duì)雨水中TP去除效果如圖3所示。由圖3可知，在模擬降雨過程中，生物滯留系統(tǒng)運(yùn)行初期對(duì)TP有較好的去除效果，運(yùn)行過程中，3組出水TP濃度均先減小后增大，對(duì)TP的去除能力逐漸下降。系統(tǒng)內(nèi)植物、填料和微生物三者一同作用處理徑流中的磷，去除作用主要依靠裝置填料吸附，填料對(duì)磷的吸附去除能力與進(jìn)水濃度、磷本底值和填料吸附容量有關(guān)[18]。3組裝置的進(jìn)水濃度大致相同，當(dāng)填料自身磷本底值較高時(shí)，填料吸附雨水中磷的量較少；當(dāng)填料對(duì)磷的吸附達(dá)到飽和時(shí)，出水水樣中磷濃度甚至可能會(huì)高于進(jìn)水時(shí)濃度[19]。

圖3 生物滯留系統(tǒng)對(duì)雨水中TP去除效果Fig.3 Effect of Bioretention System on TP Removal in Rainwater

由于各個(gè)裝置系統(tǒng)出水時(shí)間不一致，本研究以不同時(shí)間段的出水水質(zhì)為評(píng)價(jià)對(duì)象，研究單次典型降雨規(guī)律下，生物滯留系統(tǒng)對(duì)氮磷污染物的去除規(guī)律。系統(tǒng)進(jìn)水TP的濃度約為1.2 mg/L，對(duì)照組、傳統(tǒng)型和強(qiáng)化型3組在裝置運(yùn)行后期約運(yùn)行360 min時(shí)的出水TP濃度分別為0.43、0.39、0.33 mg/L，TP去除率分別為66.1%、69.1%、74.1%。3套裝置對(duì)TP均有較好的去除能力，去除率均超過65%，其中強(qiáng)化型裝置去除效果最好，其去除率是傳統(tǒng)型的1.07倍，是對(duì)照組的1.12倍。傳統(tǒng)型優(yōu)于對(duì)照組，是因?yàn)閭鹘y(tǒng)型生物滯留池種有植物，可吸附部分磷酸鹽，減少淋洗現(xiàn)象[20]。強(qiáng)化型裝置內(nèi)有30 cm蓄水區(qū)，雖能提供一定滯留時(shí)間，但蓄水區(qū)常處于缺氧環(huán)境不利于聚磷菌生物除磷[21]，強(qiáng)化型優(yōu)于傳統(tǒng)型，主要是因?yàn)閺?qiáng)化型系統(tǒng)吸附層填料采用混合填充方式，裝置內(nèi)的磷主要靠填料吸附，而填料混合填裝可以一定程度上提高吸附能力。

2.2 氮在不同階段的削減效果

系統(tǒng)脫氮過程主要分為2個(gè)階段，一是在裝置啟動(dòng)階段，系統(tǒng)的微生物尚未形成，主要通過填料吸附去除氮[22]，二是系統(tǒng)的生物膜已經(jīng)形成，系統(tǒng)通過硝化細(xì)菌在好氧條件下的硝化作用和反硝化菌在厭氧環(huán)境中的反硝化作用[23]實(shí)現(xiàn)脫氮。雨水徑流中的氮大部分通過填料吸附實(shí)現(xiàn)去除[24]，其余小部分可以被植物吸收和少量微生物作用去除。

圖4 生物滯留系統(tǒng)對(duì)雨水中去除效果Fig.4 Effect of Bioretention System on Removal in Rainwater

圖5 生物滯留系統(tǒng)對(duì)雨水中去除效果Fig.5 Effect of Bioretention System on Removal in Rainwater

2.2.3 TN去除效果

圖6 生物滯留系統(tǒng)對(duì)雨水中TN去除效果Fig.6 Effect of Bioretention System on TN Removal in Rainwater

2.3 水質(zhì)評(píng)價(jià)分析

以IV類水體水質(zhì)要求作為基本類別，按照綜合污染指數(shù)法[40]的計(jì)算方法得到對(duì)照組、傳統(tǒng)型、強(qiáng)化型裝置出水水質(zhì)污染程度，具體如表4所示。污染分擔(dān)率指各項(xiàng)污染物的綜合權(quán)重，它表明單項(xiàng)污染因子占綜合污染指數(shù)的比重，污染分擔(dān)率越大，對(duì)水質(zhì)污染程度的影響越大。3套裝置綜合指數(shù)由大到小依次為：對(duì)照組、傳統(tǒng)型、強(qiáng)化型，其中，僅有強(qiáng)化型最終出水水質(zhì)可達(dá)到V類水標(biāo)準(zhǔn)，為重污染程度水，其余兩組均滿足劣V類水標(biāo)準(zhǔn)，屬于嚴(yán)重污染級(jí)別。這表明吸附層填料采用混合填裝方式、有蓄水區(qū)且種植麥冬的生物滯留系統(tǒng)是一種相對(duì)較好的處理裝置，其對(duì)路面徑流中污染物的控制作用優(yōu)于吸附層填料采用分層填裝方式、未設(shè)置蓄水區(qū)、未種植麥冬的生物滯留池。但是盡管強(qiáng)化型優(yōu)于對(duì)照組和傳統(tǒng)型，其處理后的水仍未達(dá)到地表III類水標(biāo)準(zhǔn)，所以單用此裝置無法滿足初期雨水處理標(biāo)準(zhǔn)，可選用各種增強(qiáng)技術(shù)和組合技術(shù)，如生態(tài)溝渠，植生型邊坡，人工濕地等串聯(lián)組合技術(shù)。

表4 綜合污染指數(shù)法評(píng)價(jià)出水水質(zhì)Tab.4 Effluent Quality Evaluated by Integrated Pollution Indexes

3 結(jié)論

(1)3套裝置對(duì)于路面徑流污染物的處理均有較好效果，從4項(xiàng)指標(biāo)的處理效果綜合分析，去除能力由高到低依次為：強(qiáng)化型、傳統(tǒng)型、對(duì)照組。

(2)生物滯留池處理路面徑流污染物，吸附層填料混合填裝方式優(yōu)于分層填裝方式。吸附層填料組成相同的情況下采用混合填裝的方式，一定程度上提高了系統(tǒng)的吸附能力。

(4)種植麥冬的生物滯留系統(tǒng)對(duì)于路面徑流污染物的處理效果優(yōu)于未種植植物組。根據(jù)裝置運(yùn)行出水中4項(xiàng)指標(biāo)的濃度和去除率分析，傳統(tǒng)型裝置優(yōu)于對(duì)照組，兩者相比，唯一區(qū)別就是傳統(tǒng)型裝置有種植麥冬。生物滯留池上有植物種植，會(huì)提高系統(tǒng)的調(diào)蓄能力，優(yōu)化裝置對(duì)污染物的處理效果。