生物滯留設(shè)施的水質(zhì)與水量控制效果分析

楊正，郭大煒，張孟強(qiáng)，蘇晉國(guó)，張新玉，于艷艷

(1.北京雨人潤(rùn)科生態(tài)技術(shù)有限責(zé)任公司，北京100089；2.北京建工建筑設(shè)計(jì)研究院，北京100044；3.北京建筑大學(xué)，北京100044；4.青島市李滄區(qū)城市管理局，山東 青島266100）

1 引言

生物滯留設(shè)施是典型的LID/GSI 設(shè)施，在海綿城市建設(shè)中應(yīng)用廣泛。國(guó)外早已對(duì)生物滯留設(shè)施開(kāi)展了系統(tǒng)的研究和工程應(yīng)用，如美國(guó)馬里蘭大學(xué)的Davis，北卡羅來(lái)納大學(xué)的Hunt等，通過(guò)總結(jié)分析存在的問(wèn)題與經(jīng)驗(yàn)，可為其在我國(guó)的推廣應(yīng)用提供借鑒。

2 定義與分類

不同地區(qū)對(duì)生物滯留設(shè)施的定義略有不同，主要從結(jié)構(gòu)、凈化機(jī)理和功能等方面對(duì)其進(jìn)行描述：生物滯留設(shè)施一般建造在地勢(shì)低洼處（高位花壇除外），通過(guò)蓄水沉淀，土壤、植物、微生物滲濾等過(guò)程實(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化、削峰減量等功能[1]。

按結(jié)構(gòu)分為預(yù)處理設(shè)施、蓄水層、樹(shù)皮覆蓋層、植物、種植土和填料層和礫石層（自上而下），需回用或集中排放時(shí)可在礫石層中埋置集水穿孔管。根據(jù)外觀、大小、建造位置和適用范圍分為雨水花園、種植池、滯留帶和樹(shù)池4 種[2]。

3 水質(zhì)控制效果

3.1 總體控制效果

參照美國(guó)馬里蘭州生物滯留設(shè)施設(shè)計(jì)手冊(cè)，其對(duì)典型污染物去除效率如表1 所示。雖然該設(shè)施在發(fā)達(dá)國(guó)家已廣泛應(yīng)用，但仍存在一些問(wèn)題，如對(duì)氮、磷的去除效果不穩(wěn)定等。

表1 生物滯留設(shè)施的污染物去除效率

3.2 氮的去除

生物滯留設(shè)施中氮的去除經(jīng)歷了氨化、硝化、反硝化的過(guò)程，最終轉(zhuǎn)化為氮?dú)馊コ?。首先，徑流中的有機(jī)氮很容易發(fā)生氨化作用轉(zhuǎn)化為氨氮，氨氮的去除主要通過(guò)硝化作用轉(zhuǎn)化為硝酸氮，揮發(fā)和吸附會(huì)去除極少量的氨氮。Hatt 等研究發(fā)現(xiàn)，在徑流中NH4-N 轉(zhuǎn)化為NH3-N 的過(guò)程只有在pH 高于7.5～8的情況下才可能發(fā)生，同時(shí)，土壤顆粒會(huì)優(yōu)先吸附鐵、錳、鈣等金屬離子，而造成對(duì)NH4-N 的吸附能力較弱。

硝化反應(yīng)即氨氮在有氧的條件下轉(zhuǎn)化為硝酸氮的過(guò)程。但由于NO3-不易被土壤吸附，在反硝化效率不高的情況下，2 場(chǎng)降雨的間隔期內(nèi)，在土壤中易發(fā)生硝化反應(yīng)產(chǎn)生的NO3-N濾出，進(jìn)而發(fā)生第二場(chǎng)降雨出水NO3-N 濃度大于進(jìn)水的情況。

生物滯留池中的氮最終通過(guò)反硝化作用去除，但由于普通生物滯留池很難滿足一定時(shí)間的厭氧條件，所以，反硝化反應(yīng)效率較低，造成對(duì)NO3-N 的去除效果較差。

近年來(lái)，Davis 等人對(duì)設(shè)施的除氮效果進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)在室內(nèi)或室外監(jiān)測(cè)的總氮去除效果都不穩(wěn)定，去除效率為-312%～58.4%，對(duì)硝酸氮的去除效率尤其不穩(wěn)定，為-650%～84.6%。

針對(duì)厭氧條件難以保證使得反硝化反應(yīng)難以發(fā)生，造成生物滯留設(shè)施除氮效果較差的情況，Kim 等人提出，通過(guò)對(duì)出流管的改造來(lái)創(chuàng)造生物滯留池內(nèi)部淹沒(méi)區(qū)，可以保證一定的停留時(shí)間來(lái)創(chuàng)造厭氧條件，提高反硝化反應(yīng)效率。

此外，反硝化的進(jìn)行還需要一定的碳源作為電子供體，因此，可以在填料中添加不同的有機(jī)物來(lái)增加碳源，Kim 等在2003 年的研究中得出合適的添加物包括：樹(shù)皮、碎報(bào)紙、鋸末、麥秸和木屑等。

3.3 磷的去除

雨水徑流中的磷主要來(lái)源于肥料、汽車(chē)尾氣、洗滌劑等，以有機(jī)態(tài)或無(wú)機(jī)態(tài)等形式存在，循環(huán)轉(zhuǎn)化過(guò)程包括溶解與析出、吸附與解析、植物吸收等過(guò)程。

少部分磷呈顆粒態(tài)，吸附在懸浮物表面，通過(guò)土壤的過(guò)濾作用去除。絕大部分的磷以溶解性磷酸鹽形式存在，通過(guò)化學(xué)吸附沉淀到土壤填料中。土壤填料對(duì)磷的吸附能力與其中Ca、Al、Fe 等金屬離子的含量密切相關(guān)，且隨進(jìn)水負(fù)荷的增加，對(duì)磷的吸附能力會(huì)逐漸減弱，最終會(huì)達(dá)到吸附飽和狀態(tài)。

一些國(guó)外研究者研究了設(shè)施的除磷效果，發(fā)現(xiàn)磷的去除效率在-240%～79%，去除效果極不穩(wěn)定，且由于磷的釋放，同樣會(huì)發(fā)生水濃度大于進(jìn)水的情況。有研究表明，若土壤填料中所含磷的本底值過(guò)高，則容易造成磷的釋放，Chrysostome 等通過(guò)研究，得出可以用磷的飽和指數(shù)PSI 來(lái)衡量土壤中磷的吸附能力和釋放風(fēng)險(xiǎn)。

為提高土壤填料對(duì)磷的吸附能力，可向填料中添加適當(dāng)?shù)奶砑游铮詠?lái)水廠脫水鋁污泥（Al-WTR）已被證明為提高磷去除效率的有效添加物。添加到生物滯留池中的量一般可為填料總質(zhì)量的6%～10%。其他有效的添加物包括紅泥（精煉鋁土礦到鋁的副產(chǎn)品）、爐渣、石英砂、鋼絲絨等。

4 水量控制效果

由于降雨的隨機(jī)和地域性差異，以及措施的規(guī)模和設(shè)計(jì)不同，針對(duì)生物滯留設(shè)施對(duì)徑流流量的控制，不同地區(qū)有不同的數(shù)據(jù)。例如，Hunt 等對(duì)美國(guó)北卡羅來(lái)納州夏洛特市市政服務(wù)中心旁的生物滯留設(shè)施進(jìn)行實(shí)驗(yàn)監(jiān)測(cè)，在2004—2005 年期間選取16 場(chǎng)降雨，降雨量為2.0～39.9mm，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示對(duì)峰值削減至少可達(dá)到96.5%。

在生物滯留設(shè)施設(shè)計(jì)過(guò)程中，可借用模型對(duì)它的水文效應(yīng)進(jìn)行分析，RECARGA 是由Wisconsin 大學(xué)研發(fā)的專門(mén)針對(duì)生物滯留池的水文性能進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的軟件，具有界面友好、操作簡(jiǎn)單等特點(diǎn)?？梢酝ㄟ^(guò)RECARGA 軟件對(duì)生物滯留池在徑流削減、地下水入滲補(bǔ)給、積水時(shí)間、總處理水量等方面進(jìn)行模擬，從而為生物滯留設(shè)施的合理設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。

5 結(jié)語(yǔ)

生物滯留設(shè)施目前在美國(guó)等發(fā)達(dá)國(guó)家已進(jìn)行了大量的研究和應(yīng)用，但在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)際工程中都發(fā)現(xiàn)生物滯留技術(shù)還存在諸如氮磷去除效果不穩(wěn)定等問(wèn)題，雖然提出了相應(yīng)的技術(shù)改進(jìn)方案，但仍需要在實(shí)際工程中對(duì)其長(zhǎng)期的運(yùn)行效果進(jìn)行考察和驗(yàn)證。借鑒國(guó)外已有的研究成果，可以優(yōu)化生物滯留設(shè)施設(shè)計(jì)，使其在海綿城市建設(shè)過(guò)程中更好地發(fā)揮對(duì)雨水徑流水質(zhì)與水量的控制效果。