生物滯留系統(tǒng)過濾介質(zhì)的對比分析研究

楊方燦 ，郭飛宇 ，王若飛 ，李榮彪

（1.中交路橋建設(shè)有限公司，北京 100027；2.中交路橋南方工程有限公司，北京 101101）

1 引言

近年來，內(nèi)陸城市不斷發(fā)生內(nèi)澇，主要原因是暴洪雨水瞬時涌進(jìn)排水管道，導(dǎo)致排水系統(tǒng)崩潰。因此，為了保障排水管道排水暢通，必須采取有效措施適當(dāng)削減洪峰，減少雨水徑流速率以及適當(dāng)延長雨水滯留時間。另外，城市雨水徑流通常攜帶大量的污染物，主要包括懸浮固體、有機物、營養(yǎng)物質(zhì)、重金屬以及病原體，如果將暴洪雨水直接排放將無法滿足水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)。國外對城市雨水管理的實踐與研究起步較早，對暴洪雨水排放日益嚴(yán)格的管理要求促進(jìn)了最佳管理實踐措施的發(fā)展，已形成相對成熟、理念先進(jìn)的雨水管理模式，如澳大利亞的水敏感城市設(shè)計、美國的低影響開發(fā)、新西蘭的低影響城市設(shè)計與開發(fā)等。這些系統(tǒng)主要用來減少暴洪雨水對下游水質(zhì)擾動以及把暴洪雨水變成可利用的水資源，城市雨水徑流生物滯留系統(tǒng)因此日益受青睞。

城市雨水生物滯留系統(tǒng)采用過濾、吸附、植物吸收以及生物轉(zhuǎn)化等自然過程來降低暴洪雨水徑流速率、減少徑流量以及在暴洪雨水流入受納水體前滯留污染物【1】。如圖1 所示，雨水生物滯留系統(tǒng)的一般設(shè)計包括過濾層、過渡層以及碎石層。位于底層的是碎石層，碎石層主要作用是加快排水速率。因此，過濾層在去除污染物的過程中起到非常重要的作用。過濾介質(zhì)通常包括以泥土為主的材料（以砂壤土最常見）、有機物質(zhì)以及其他一些以各種比例混入濾料中的材料（如蛭石、珍珠巖等），過濾介質(zhì)為排水提供充足的水力傳導(dǎo)性、去除污染物以及支撐植物的生長【2】。不同過濾介質(zhì)將會影響系統(tǒng)的運行周期、雨水的滯留時間、污染物的去除效果以及濾料層的維護(hù)保養(yǎng)。為此，本文將分別從滯留時間、污染物去除效能和濾料層堵塞等方面分析討論幾種不同類型的過濾介質(zhì)，并試圖提出新型生物滯留系統(tǒng)濾料層構(gòu)建方案，以期為國內(nèi)海綿城市的建設(shè)以及相應(yīng)的研究提供技術(shù)支撐及理論基礎(chǔ)。

圖1 常規(guī)城市雨水徑流生物滯留系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

2 系統(tǒng)過濾介質(zhì)對雨水滯留時間的影響

2.1 雨水滯留時間的確定

通常采用質(zhì)心法確定系統(tǒng)的雨水滯留時間，如式（1）所示：

式中，Tin與Tout分別表示從進(jìn)水或出水水位曲線的開始點到質(zhì)心所需時間，min，Tin與Tout根據(jù)如下公式確定。

式中，Qout，t為 t 時刻的出水流量，L/min；Qin，t為 t 時刻的進(jìn)水流量，L/min；t 為暴雨歷時，即從水位曲線開始的時間，min。

2.2 過濾介質(zhì)對雨水滯留時間的影響

系統(tǒng)過濾介質(zhì)的水力傳導(dǎo)性隨時間的演變規(guī)律與過濾介質(zhì)種類、濾料層厚度、植物種類以及系統(tǒng)規(guī)模等關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)有關(guān)。不同過濾介質(zhì)的滯留系統(tǒng)都能有效削減洪峰，但削減程度隨不同過濾介質(zhì)而存在很大的差異。而當(dāng)以椰子纖維、堆肥以及供水廠剩余污泥等材料作為系統(tǒng)的過濾介質(zhì)時，由于自身具備良好的多孔性以及水力滲透性，故而這些物質(zhì)作為過濾介質(zhì)具有較大的滲透速率。但是，滲透速率的增加會減少雨水徑流的滯留時間，將會導(dǎo)致系統(tǒng)對污染物的去除效率變小【3】。故而，城市雨水生物滯留系統(tǒng)過濾介質(zhì)的選擇必須要同時考慮雨水的滯留時間以及系統(tǒng)對污染物的去除效果。

3 系統(tǒng)過濾介質(zhì)對污染物去除效率的影響

城市雨水徑流中的污染物主要有：SS、重金屬、COD、TN、TP、氨氮、氯化物、油和脂等。在城市雨水生物滯留系統(tǒng)中，過濾介質(zhì)材料主要通過沉淀、過濾、離子交換、表面吸附以及絡(luò)合作用去除雨水徑流中的污染物。

3.1 污染物的去除效率計算

滯留系統(tǒng)對污染物的去除效率可由式（4）確定：

式中，Cout，t表示 t 時刻出水中污染物的濃度，mg/L; Cin表示進(jìn)水中污染物的濃度，mg/L；Δt 表示相鄰兩次取樣間隔時間值，min。

3.2 過濾介質(zhì)對重金屬去除效能的影響

一些有機廢棄材料（如椰子纖維、供水處理產(chǎn)生的污泥、茶渣、稻殼等）可以用來做生物過濾系統(tǒng)的濾料，它們通過離子交換、表面吸附以及絡(luò)合作用能夠去除重金屬等污染物。供水處理產(chǎn)生的污泥一般都是采用廢渣填埋法處理，這種污泥具有很大的表面積與體積比率、高度活性的表面以及能夠通過再生可重復(fù)利用【4】，因而其具有很強的重金屬去除能力。

Lim 等考察了單種不同過濾介質(zhì)材料下系統(tǒng)對重金屬的去除情況，由試驗結(jié)果得，陶瓷土、堆肥、商業(yè)混合材料以及供水廠剩余污泥對金屬（Cu、Zn、Cd、Pb）的去除能力表現(xiàn)相當(dāng)；相對于其他過濾介質(zhì)材料而言，椰子纖維對所測驗金屬的去除效果較差。分析認(rèn)為，這是椰子纖維自身多孔性與非均勻性的結(jié)構(gòu)造成的。堆肥、椰子纖維以及給水處理過程產(chǎn)生的污泥富含溶解態(tài)有機物，而陶瓷土不含溶解態(tài)有機物，故而堆肥等這些物質(zhì)相對于陶瓷土而言，對Cu 的去除效果較差。

3.3 過濾介質(zhì)對營養(yǎng)物及有機污染物去除效能的影響

國內(nèi)關(guān)于生物滯留系統(tǒng)過濾介質(zhì)的研究主要集中于傳統(tǒng)的無機材料。高曉麗等【5】考察了壤土、砂等單種不同材料作為系統(tǒng)濾料時，滯留系統(tǒng)對COD、SS、TN、TP、氨氮等污染物的去除效果，試驗結(jié)果如表1 所示。由試驗結(jié)果得，相比其他材料而言，壤土對TP 及COD 的去除效果最好，去除率分別為91.13%和52.93%，而砂對氨氮的去除效果最好，去除率高達(dá)61.22%。但是，在其研究中也暴露出這些傳統(tǒng)無機濾料自身固有的缺陷，如對COD、氮磷等污染物的吸附容量有限。

表1 不同填料下生物滯留系統(tǒng)對污染物的去除率 %

3.4 過濾介質(zhì)對病原菌去除效能的影響

城市雨水生物滯留系統(tǒng)去除病原菌的機理與慢濾系統(tǒng)去除病原菌的機制基本一致，待處理的液體以一定流速通過處理裝置， 液體中的各種菌類及線蟲等與過濾介質(zhì)充分作用，發(fā)生過濾、吸收等物理化學(xué)作用，達(dá)到抑菌的目的。

蘆珊珊等【6】對慢濾系統(tǒng)中采用沸石、石英砂及活性炭3種過濾介質(zhì)抑制病原菌的效果進(jìn)行了吸附除菌研究。分析認(rèn)為，主要原因可能為：一是在吸附介質(zhì)吸附的過程中，除了簡單的物理吸附以外，還存在分子間的色散力吸附、靜電力吸附、毛細(xì)力吸附以及離子交換力吸附等；二是試驗所用的病原菌菌液不同于一般凈水處理系統(tǒng)中的吸附質(zhì)。

盡管吸附介質(zhì)粒徑越大，介質(zhì)對病原菌的吸附效果越好，但雨水生物滯留系統(tǒng)的主要環(huán)保功能是去除城市徑流中的氨氮、磷、SS 以及COD 等污染物。因此，選擇生物滯留系統(tǒng)過濾介質(zhì)時，不能盲目追求其對病原菌的去除能力，更應(yīng)注重其對營養(yǎng)物及有機污染物的去除效能。

4 不同過濾介質(zhì)下過濾層的堵塞及維護(hù)情況

城市雨水徑流含有大量細(xì)泥沙（通常直徑小于6mm），這些細(xì)泥沙可能會堵塞過濾介質(zhì)，故而濾料的水力傳導(dǎo)性會隨著系統(tǒng)運行時間減小，以往研究表明，雨水徑流生物滯留系統(tǒng)的堵塞主要是泥沙沉積物沉淀造成【7】，堵塞的程度由城市雨水徑流的含沙量和水力特性決定。

相關(guān)研究【8】已證實，當(dāng)以椰子纖維、堆肥以及供水廠的剩余污泥等材料作為過濾介質(zhì)時，系統(tǒng)對重金屬的去除以及堵塞主要發(fā)生在過濾層表面的5cm 處；而以陶瓷土作為過濾介質(zhì)時，系統(tǒng)對重金屬的去除以及堵塞主要發(fā)生在濾料層的底部。如果用椰子纖維作為濾料，當(dāng)其體積隨著系統(tǒng)的運行明顯收縮時，就必須用新的椰子材料來替換。替換出來濾料含有大量重金屬，酸里面的氫離子可以替換結(jié)合在濾料上面的重金屬。因此，可用酸（如鹽酸、硝酸、醋酸等）使其再生，重復(fù)利用。

5 新型生物滯留系統(tǒng)濾料層構(gòu)建方案

總體而言，泥土顆粒去除污染物的能力最強，但隨著生物滯留系統(tǒng)的運行，泥土過濾層將快速被壓實，表現(xiàn)出較差的排水性能，將會導(dǎo)致系統(tǒng)蓄水或者溢流，進(jìn)而導(dǎo)致系統(tǒng)對污染物處理效果變差，嚴(yán)重影響系統(tǒng)運行。

黏土顆粒對污染物的吸附容量有限，而氧化鐵顆粒具有專性吸附作用，對污染物的吸附容量及吸附速率均優(yōu)于黏土顆粒。但是，氧化鐵顆粒作為濾料，除了能促進(jìn)污染物吸附，也更易造成堵塞的過早發(fā)生。因此，筆者建議，將椰子纖維混合氧化鐵顆粒作為系統(tǒng)濾料，具有多孔結(jié)構(gòu)的椰子纖維不僅可以延緩堵塞，而且可以減緩“淋洗”出氧化鐵中鐵離子。

圖2 新型雨水生物滯留系統(tǒng)濾料層構(gòu)建方案示意圖

為了使城市雨水生物滯留系統(tǒng)能夠具有較長的工作周期、取得更佳污染物去除效果以及保持足夠的排水速率且便于維護(hù)保養(yǎng)，雨水生物滯留系統(tǒng)過濾層的較佳構(gòu)造方案（見圖2）可能為：以氧化鐵顆粒為主要成分混合椰子纖維作為過濾層表層5～10cm 內(nèi)的濾料，另外，以砂壤土為主要成分混合堆肥（堆肥有利于促進(jìn)土壤固粒結(jié)構(gòu)的形成，能增加土壤保水、保溫、透氣）作為系統(tǒng)過濾層表層5～10cm 以下的過濾介質(zhì)。椰子纖維的多孔結(jié)構(gòu)可以增強過濾層的水力傳導(dǎo)性，同時也會降低城市雨水徑流中細(xì)泥沙堵塞表面層的可能性，延緩過濾層堵塞。過濾層表層的椰子纖維對Cu 和Pb 等污染物較差的去除效果可以由過濾層表層以下的混合濾料補充。

6 研究展望

生物滯留系統(tǒng)在實際應(yīng)用中面臨著許多問題，如溫度、pH、有機物降解產(chǎn)生的溶解有機碳（Dissolved Organic Carbon，DOC）以及根部系統(tǒng)產(chǎn)生的酸性物質(zhì)等，這些因素的變化可能會使已經(jīng)吸附在濾料的污染物再次鼓動起來，產(chǎn)生的溶解有機碳會影響金屬（如Cu 等）的流動性，同時也會促進(jìn)營養(yǎng)物質(zhì)流出濾料層。此外，氧化鐵中鐵離子不可避免地被雨水徑流“淋洗”出。為此，需要開展詳細(xì)的試驗來考察氧化鐵顆粒與椰子纖維以及砂壤土與堆肥間的配比系數(shù)。