改良型生物滯留池在海綿城市雨水處理中的研究與應(yīng)用

冉陽(yáng),付崢嶸*,馬滿英,于東盛，詹令美,廖輝,韋程宸

1.湖南工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院 2.重慶三峽環(huán)保(集團(tuán))有限公司 3.重慶僑恩創(chuàng)源建筑設(shè)計(jì)有限公司

城市化的發(fā)展和城區(qū)硬化面積的增加，使城市地表滲透性下降，雨水降落到地表后易形成雨水徑流，城市雨水徑流中往往攜帶大量的污染物，未經(jīng)凈化排入受納水體，會(huì)引發(fā)水環(huán)境污染問題[1]。雨水地表徑流污染己成為僅次于農(nóng)業(yè)污染的第二大面污染源[2]，而道路徑流污染是城市雨水徑流污染的主要來(lái)源[3]。城市傳統(tǒng)的雨水排放系統(tǒng)通過(guò)建造雨水管道系統(tǒng)、擴(kuò)大不透水面積排除雨水徑流，使徑流量增大，峰現(xiàn)時(shí)間提前，加劇了城市內(nèi)澇的產(chǎn)生[4]。每逢大雨，雨水徑流導(dǎo)致自然水體等地表水污染嚴(yán)重，甚至出現(xiàn)惡臭現(xiàn)象。海綿城市建設(shè)通過(guò)保護(hù)和重新創(chuàng)造自然景觀特征，最大限度地減少地表滲透，并創(chuàng)造功能性的場(chǎng)地排水[5]。隨著海綿城市建設(shè)的日益興起，城市快速排水模式逐步被替代。作為海綿城市改造建設(shè)的內(nèi)容之一，生物滯留設(shè)施將雨水收集處理后排放，能消除因排水設(shè)施不足而一雨就澇、污水橫流的頑疾，緩解雨水徑流污染等引發(fā)的水環(huán)境問題，同時(shí)推動(dòng)解決城市內(nèi)澇、雨水收集利用和黑臭水體治理等問題。

生物滯留池是城市雨水低影響開發(fā)技術(shù)中的一種雨水處理設(shè)施，其既可以通過(guò)內(nèi)部結(jié)構(gòu)和土壤基質(zhì)材料的吸附性滯蓄雨水，使雨水的洪峰流量和徑流量得到有效衰減，又可以通過(guò)沉淀、過(guò)濾、微生物過(guò)程和植物吸收改善雨水水質(zhì)[6]。傳統(tǒng)生物滯留池可以有效地去除雨水中總懸浮固體(TSS)、重金屬類金屬、病原體和油脂。研究表明[7]，傳統(tǒng)生物滯留池可以去除29%～99%的TSS和98%的油污，還能有效去除鋅、銅和鉛等重金屬，年平均去除率分別為98%、99%和81%，但其對(duì)氮、磷的去除效果不佳，有時(shí)生物滯留池中基質(zhì)填料甚至?xí)霈F(xiàn)氮、磷流失現(xiàn)象，使生物滯留池出水中總氮和總磷濃度升高[8]。為克服傳統(tǒng)生物滯留池在海綿城市雨水處理中去除氮、磷效果不佳的缺點(diǎn)，改良型生物滯留池得到了研究和發(fā)展。

1 生物滯留池的改良途徑

傳統(tǒng)生物滯留池填料比較單一，不具備良好吸附性和滲透性；此外，生物滯留池內(nèi)部既沒有形成有效蓄水深度，也沒有相對(duì)嚴(yán)格的厭氧和好氧區(qū)域。為提高對(duì)氮、磷的去除效果，傳統(tǒng)生物滯留池需要在基質(zhì)土壤、復(fù)合填料、厭氧環(huán)境、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、有效蓄水深度、入滲率、流動(dòng)方向等方面進(jìn)行改良，并使生物滯留系統(tǒng)能達(dá)到長(zhǎng)期穩(wěn)定的運(yùn)行條件。填料方面的改良主要包括加入基質(zhì)土壤改良劑，采用復(fù)合填料、高入滲率材料等；結(jié)構(gòu)方面的改良主要是增加有效蓄水深度，局部改變水流流動(dòng)方向等。脫氮、除磷效果差是傳統(tǒng)生物滯留系統(tǒng)固有的缺陷，其中脫氮一直是水處理中的技術(shù)挑戰(zhàn)，其原因是含氮物質(zhì)(如亞硝酸鹽和硝酸鹽)的高溶解性和普通介質(zhì)對(duì)其很差的吸收能力[9]。為提高傳統(tǒng)生物滯留池對(duì)氮的去除效果，宜在結(jié)構(gòu)方面進(jìn)行改良；為提高磷的去除效果，主要應(yīng)在填料方面進(jìn)行改良。由于有對(duì)多種污染物聯(lián)合去除的需求，因此，對(duì)生物滯留池應(yīng)多方位進(jìn)行綜合性改良。

1.1 加入基質(zhì)土壤改良劑

為提高對(duì)雨水中磷的去除效果，常在生物滯留池基質(zhì)土壤中加入相關(guān)的改良劑。給水廠鋁污泥、水處理殘?jiān)?、鐵改性生物炭、明礬、蒙脫土、蛭石等都被證實(shí)是有效的基質(zhì)土壤改良劑[10]。土壤改良劑中含有大量的鐵或鋁等金屬離子，可與磷發(fā)生沉淀反應(yīng)而將其去除；同時(shí)，土壤改良劑粗糙的外觀形貌和較大的比表面積，有利于對(duì)雨水中磷的吸附。添加土壤改良劑可增加基質(zhì)表面吸附率和土壤中基質(zhì)的離子濃度，使雨水中的污染物進(jìn)一步得到去除；此外，植物生長(zhǎng)也需要相應(yīng)的土壤改良劑，以維持整個(gè)生物滯留系統(tǒng)的生態(tài)平衡。

1.2 采用復(fù)合填料

單一填料對(duì)總磷吸附效果不強(qiáng)且較為不穩(wěn)定，而不同配比的復(fù)合填料具有較強(qiáng)的吸附性，與磷的結(jié)合更穩(wěn)定且飽和解吸率較低，能夠顯著提高磷的去除效果。以砂土、煤渣、石英砂、粉煤灰和鋁污泥按不同比例組合后作為改良型生物滯留池復(fù)合填料[11]，復(fù)合填料的性能對(duì)磷的去除效果有較大影響，填料中所含磷的本底值對(duì)磷去除穩(wěn)定性也有很大影響[12]。

1.3 營(yíng)造厭氧環(huán)境

傳統(tǒng)的生物滯留池并未考慮設(shè)置缺氧區(qū)，不具備反硝化脫氮功能，這可能是其脫氮效能不穩(wěn)定的重要因素[13]。改良型生物滯留池有厭氧土壤層或通過(guò)提高生物滯留池出水口的位置營(yíng)造厭氧環(huán)境，有利于微生物反硝化過(guò)程；在生物滯留池底部增加存水區(qū)或形成穩(wěn)定飽水區(qū)從而制造厭氧環(huán)境；或在生物滯留池中設(shè)置間歇區(qū)促進(jìn)反硝化過(guò)程，從而改善硝氮和總氮的去除效果(去除率約為85%和75%)[14]。

1.4 優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)上下層滲透率不同的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，其中在上層填料中改善填料內(nèi)部結(jié)構(gòu)形成好氧條件，有利于硝化反應(yīng)的進(jìn)行，在下層填料中形成厭氧條件，有利于反硝化進(jìn)行；改進(jìn)生物滯留池的布水方式，改變水流方向和流速分布，最終達(dá)到強(qiáng)化生物滯留池的脫氮效果。倒置生物滯留池[15]是結(jié)構(gòu)優(yōu)化方式的一種，其在原有生物滯留池的基礎(chǔ)上，將種植層和填料層交換位置，使出水穩(wěn)定，同時(shí)便于后期填料的更換。增加前置雨水預(yù)處理裝置，可有效抵抗生物滯留池對(duì)泥沙和大塊雜質(zhì)的沖擊負(fù)荷，延長(zhǎng)生物滯留池使用壽命和提高氮的去除率。

1.5 形成有效蓄水深度

礫石層排出系統(tǒng)上方生物滯留介質(zhì)內(nèi)的水深對(duì)入滲率有影響，無(wú)論填料介質(zhì)的入滲能力如何，雨水入滲速率都隨其上水位的升高而增大，一定的積水深度會(huì)引起壓頭，從而提高水力流動(dòng)性。生物滯留池入滲率隨礫石-土界面上水深的增加而增加[16]，同時(shí)有效蓄水深度能形成飽和區(qū)，為反硝化過(guò)程創(chuàng)造厭氧條件。在生物滯留系統(tǒng)中飽和和非飽和區(qū)植物吸收脫氮效能不同[17]，其中飽和區(qū)有利于植物生長(zhǎng)，從而增強(qiáng)植物對(duì)氮的直接吸收。如Xiong等[18]通過(guò)試驗(yàn)證明了在生物滯留池填充含鐵生物炭，并設(shè)置飽和區(qū)，有效改善了徑流水質(zhì)。

1.6 提高入滲率

生物滯留池需結(jié)合當(dāng)?shù)厮?、水質(zhì)情況加以設(shè)計(jì)和運(yùn)用，而有些地區(qū)的土壤等相關(guān)介質(zhì)滲透率很低，加之降水較少，對(duì)生物滯留池介質(zhì)滲透率影響較大。Feng等[19]研究表明，高滲透率和低滲透率的土壤等介質(zhì)都可填充至入滲系統(tǒng)中，但高入滲率系統(tǒng)對(duì)徑流截留和懸浮固體去除效果好，與低入滲率系統(tǒng)相比，高入滲率系統(tǒng)對(duì)徑流的捕獲能力受降水深度和入滲速率的影響更大，故生物滯留池應(yīng)采用抗干旱、高滲透率的介質(zhì)材料。

1.7 改變雨水流動(dòng)方向

傳統(tǒng)生物滯留池收納的雨水流動(dòng)方向一般為下流式，即水流方向從上至下。有研究者提出改變水的流向和流道的方法，即采用上流式和混流式生物滯留系統(tǒng)，可以延長(zhǎng)水力停留時(shí)間，有利于反硝化作用，使雨水中氮去除效果得到改善，其中以混流式效果為最好(總氮去除率可提高30%)[20]。如Zhang等[21]將改變柱流向和流道2種方法應(yīng)用于傳統(tǒng)的生物滯留系統(tǒng)的改進(jìn)中，有效控制了氮、磷等污染物濃度，論證了上流式和混流式生物滯留系統(tǒng)的徑流滯留和除氮性能以及其應(yīng)用的可行性，為生物滯留池提供了有效改良的技術(shù)措施。

2 改良型生物滯留池處理對(duì)象、工藝及污染物去除機(jī)理

2.1 處理對(duì)象及污染特征

城市雨水中的污染物主要包括固體懸浮物(SS)、重金屬、化學(xué)需氧量(COD)、不同形態(tài)的氮和磷、氯化物、油脂、致病菌、毒性和非毒性有機(jī)物等[22]。城市雨水污染物來(lái)源及組成見表1。城市雨水中污染物濃度是隨時(shí)變化的，初期雨水中污染物濃度較高，生物滯留池主要用于對(duì)初期雨水中污染物的去除。生物滯留池內(nèi)部能夠滯蓄雨水，具有調(diào)蓄雨水的作用，對(duì)雨水中污染物濃度變化具有較好的耐受性。由于傳統(tǒng)生物滯留池對(duì)SS、重金屬、COD、氯化物、油脂、致病菌、毒性和非毒性有機(jī)物均有較好的去除效果，故改良型生物滯留池主要目標(biāo)是提高對(duì)不同形態(tài)氮和磷的去除效果[23]。城市地表徑流中污染物的進(jìn)水濃度是影響磷去除效果的最大因素[24]，由于雨水中磷濃度往往不高，傳統(tǒng)生物滯留池基本能滿足磷的去除要求，但若要進(jìn)一步提高磷的去除效果，則需通過(guò)添加土壤改良劑和改良填料基質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)設(shè)計(jì)厭氧土壤區(qū)和淹沒區(qū)高度，同時(shí)優(yōu)化改良結(jié)構(gòu)可提高氮去除效果，但由于該方法不能顯著提升氮去除效果，一般采取多種方法聯(lián)用。

2.2 處理工藝

改良型生物滯留池內(nèi)部結(jié)構(gòu)由超高層、淹沒層(蓄水層)、覆蓋層、復(fù)合填料層、礫石層組成。雨水通過(guò)地表徑流或引流進(jìn)入生物滯留池，水流方向從上而下，依次經(jīng)過(guò)超高層、淹沒層、覆蓋層、復(fù)合填料層，最后從礫石層排出。超高層上部設(shè)置有溢流管，便于及時(shí)排放超過(guò)處理能力的雨水；淹沒層對(duì)雨水量起到一定的調(diào)節(jié)作用，以便于后續(xù)的截污、滯留和滲濾；覆蓋層由樹皮等有機(jī)質(zhì)組成；復(fù)合填料層是生物滯留系統(tǒng)的核心，對(duì)水質(zhì)凈化和滯留起著決定性作用；礫石層為生物滯留池的排水系統(tǒng)，其填充的礫石粒徑為12～35 mm，最大粒徑不超過(guò)50 mm。圖1顯示了典型的改良型生物滯留池在總體結(jié)構(gòu)和填料層方面與傳統(tǒng)生物滯留池的區(qū)別。在結(jié)構(gòu)方面，改良型生物滯留池在滯留池底部提高礫石排出層出水管高度，形成有效蓄水深度，從而提供相對(duì)的厭氧層和好氧層；在填料方面，其采用的復(fù)合填料層能去除特定污染物，對(duì)污染物的去除效果更佳。

表1 城市雨水中污染物來(lái)源及組成

圖1 傳統(tǒng)生物滯留池與改良型生物滯留池對(duì)比Fig.1 Comparison of traditional and modified bioretention tanks

2.3 不同污染物的去除機(jī)理

2.3.1SS、重金屬、COD

與傳統(tǒng)生物滯留池相似，改良型生物滯留池也是通過(guò)物理、化學(xué)以及生物作用去除SS、重金屬、COD等，其中物理和化學(xué)作用占主導(dǎo)地位。雨水中的大部分SS、重金屬、COD等可在生物滯留池覆蓋層通過(guò)物理化學(xué)作用被吸收[28]。由于傳統(tǒng)生物滯留池對(duì)SS、重金屬、COD去除效果較好，去除率可達(dá)80%～95%，再加上改良型生物滯留池填料具有一定的吸附能力，因此，改良型生物滯留池對(duì)SS、重金屬、COD去除效果較傳統(tǒng)生物滯留池有所提升，去除率達(dá)90%以上[29]。改良型生物滯留池種植的植物所產(chǎn)生的吸附作用是重金屬去除的另一途徑，植物根系的釋放物會(huì)吸附重金屬離子，使其轉(zhuǎn)化為根際的表面附著物，然后通過(guò)細(xì)胞作用轉(zhuǎn)化到植物根際內(nèi)，供植物生長(zhǎng)。

2.3.2氮

雨水中的氮分為有機(jī)氮和無(wú)機(jī)氮，其中有機(jī)氮主要通過(guò)物理化學(xué)吸附、沉淀和過(guò)濾等作用得以去除，而無(wú)機(jī)氮主要通過(guò)硝化和反硝化作用去除。由于改良型生物滯留池在結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成了好氧區(qū)和厭氧區(qū)，填料中也有外加碳源，為硝化反應(yīng)和反硝化反應(yīng)創(chuàng)造了條件，從而更利于無(wú)機(jī)氮的去除。此外，生物滯留池中種植植物的生長(zhǎng)對(duì)氮的去除也具有積極作用。

2.3.3磷

雨水中的磷主要包括顆粒態(tài)磷和溶解態(tài)磷[30]。與傳統(tǒng)生物滯留池主要通過(guò)填料基質(zhì)和植物吸附作用去除磷不同，改良型生物滯留池去除磷的主要機(jī)制是復(fù)合填料的截留、吸附和化學(xué)沉淀作用[31]。如果土壤中添加的改良劑中含有鐵、鋁、鈣等金屬離子，溶解態(tài)磷可與這些金屬離子發(fā)生反應(yīng)，生成溶解度較小的金屬鹽沉淀[32]。改良型生物滯留池中磷去除是土壤改良劑和復(fù)合填料共同作用的結(jié)果。

3 改良型生物滯留池的研究、應(yīng)用與發(fā)展

3.1 改良型生物滯留池的設(shè)計(jì)及應(yīng)用

目前，改良型生物滯留池處于理論研究和小試階段，已在道路、建筑小區(qū)及廣場(chǎng)公園雨水的收集、凈化和再生利用等方面開展了一些小試研究(表2)。改良型生物滯留池設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意設(shè)計(jì)規(guī)模、填料組成與深度、植物作用、目標(biāo)污染物等因素[33]。當(dāng)處理對(duì)象為道路路面徑流雨水時(shí)，應(yīng)針對(duì)其水質(zhì)情況，根據(jù)道路現(xiàn)狀條件，確定是否在進(jìn)水口處設(shè)置預(yù)沉池，是否提高填料厭氧高度等。設(shè)置預(yù)沉池的目的是削減徑流雨水中的懸浮物等較大顆粒，提高填料厭氧高度是為了更好地脫氮。當(dāng)處理對(duì)象為建筑小區(qū)雨水時(shí)，應(yīng)在考慮蓄水和污染物去除效果的同時(shí)，注重小區(qū)景觀設(shè)計(jì)，使出水水質(zhì)滿足建筑小區(qū)雨水回用的要求。當(dāng)處理對(duì)象為廣場(chǎng)公園雨水時(shí)，若廣場(chǎng)公園的面積較大，應(yīng)考慮削減面源污染、滯蓄雨水并緩解熱島效應(yīng)；若涉及老城區(qū)雨污合流管道改造，則運(yùn)用海綿城市理念，通過(guò)生物滯留池達(dá)到對(duì)雨水的有效處理和排放，在減少洪澇災(zāi)害的同時(shí)美化環(huán)境。

表2 改良型生物滯留池凈化雨水小試研究的污染物去除效能

3.2 改良型生物滯留池處理效果

生物滯留池經(jīng)改良后，克服了傳統(tǒng)生物滯留池的缺點(diǎn)，對(duì)污染物的去除效果得到了較大的提升，其中SS、重金屬、COD等去除率可達(dá)90%以上；總氮、總磷的去除效果更加穩(wěn)定，去除率增長(zhǎng)30%，最高去除率可達(dá)95%。如胡愛兵等[42]研究表明，傳統(tǒng)生物滯留池對(duì)雨水徑流中氮、磷的去除效果不穩(wěn)定，而改良型生物滯留池能穩(wěn)定提高對(duì)總氮、硝氮和總磷的去除效果，并對(duì)氨氮、TSS、重金屬、油脂類及致病菌等保持較好的去除效果；仇付國(guó)等[43]證明了在生物滯留系統(tǒng)的砂土基質(zhì)中添加鋁污泥，能有效解決傳統(tǒng)生物滯留系統(tǒng)除磷效果不穩(wěn)定的難題，同時(shí)還保留了對(duì)TSS、COD、氨氮等傳統(tǒng)徑流污染物優(yōu)良的去除效果；熊家晴等[44]通過(guò)試驗(yàn)得出，鐵改性生物炭改良填料生物滯留池在設(shè)有一定高度淹沒區(qū)條件下對(duì)雨水徑流中磷具有很好的去除效果，并對(duì)不同落干期變化具有較強(qiáng)的適應(yīng)性；朱志強(qiáng)[45]通過(guò)研究不同填料高度的帶有厭氧區(qū)的改良型生物滯留池，提高了生物滯留池對(duì)雨水徑流中氮、磷、COD等污染物的去除效果；You等[46]證實(shí)了堿式固體廢物改良型生物滯留系統(tǒng)可有效增強(qiáng)雨水徑流中污染物的去除效率；Li等[25]研究發(fā)現(xiàn)，在生物滯留池中加入吸附溶解態(tài)有機(jī)氮的過(guò)濾介質(zhì)或在介質(zhì)底部形成厭氧區(qū)能夠增強(qiáng)脫氮性能；彭博[47]將強(qiáng)化后的淀粉類可降解餐盒加入到經(jīng)過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的生物滯留池中，出水水質(zhì)COD和氨氮能達(dá)到GB 3838—2002《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》Ⅲ類水質(zhì)；趙倩等[48]將生物質(zhì)炭加入傳統(tǒng)生物滯留池后，發(fā)現(xiàn)生物滯留池對(duì)氮的去除效果和徑流量削減能力明顯提高；Qiu等[29]采用添加水處理殘?jiān)蛯?duì)內(nèi)儲(chǔ)水區(qū)進(jìn)行改良，發(fā)現(xiàn)是否改良都能去除大于90%的氨氮，但不改良對(duì)總氮和硝氮的去除效果要差得多，同時(shí)改良的生物滯留池對(duì)磷的吸附去除率大于99%，且效果尤為顯著；Yan等[49]用鋁基水處理殘?jiān)兔擅撏翆?duì)生物滯留池的土壤介質(zhì)進(jìn)行了添加明礬處理，發(fā)現(xiàn)能夠提高磷的吸附能力；Tian等[50]通過(guò)生物炭和零價(jià)鐵的中試雙層生物保留系統(tǒng)，證明了生物炭和零價(jià)鐵能提高雨水中硝酸鹽的去除率?？傊?，改良型生物滯留池能有效提高對(duì)氮、磷的去除效果，緩解生物滯留池基質(zhì)填料中氮、磷的淋失，增加對(duì)環(huán)境的抵抗力，并能維持生物滯留池長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 改良型生物滯留池發(fā)展趨勢(shì)

目前，改良型生物滯留池主要用于初期雨水處理及城市老城區(qū)建筑小區(qū)雨污合流管道改造中，未來(lái)會(huì)加大對(duì)中后期雨水處理的研究，形成完備的海綿城市雨水處理體系。未來(lái)在改良型生物滯留池設(shè)計(jì)中，應(yīng)充分融入海綿城市建設(shè)理念，強(qiáng)化生物滯留池的自然生物特征和植被屬性，與景觀設(shè)計(jì)進(jìn)一步配合，有效蓄水、凈水。為提高脫氮效率，改良型生物滯留池往往采用低有機(jī)物的過(guò)濾介質(zhì)和在內(nèi)部設(shè)置局部厭氧淹沒區(qū)，今后應(yīng)加強(qiáng)能控制城市雨水量及能有效、穩(wěn)定地去除大部分污染物的生物滯留池的研究；加大對(duì)雨水前置預(yù)處理的研究，設(shè)置前處理裝置(如渦流池)等；采用多雨季和少雨季2種設(shè)計(jì)規(guī)模，以應(yīng)對(duì)降水量不同的情況，即在多雨季保持設(shè)施的正常運(yùn)行，有效排水和有效處理相統(tǒng)一，抵制洪澇災(zāi)害的產(chǎn)生，而在少雨季有效截水，維持系統(tǒng)正常的水量。

4 結(jié)語(yǔ)

生物滯留池的改良集中在基質(zhì)土壤、復(fù)合填料、厭氧環(huán)境、結(jié)構(gòu)優(yōu)化、有效蓄水深度、入滲率、水力流動(dòng)方向等方面開展研究。與傳統(tǒng)生物滯留池相比，改良型生物滯留池有非常顯著的優(yōu)勢(shì)，其對(duì)污染物的去除效果比較穩(wěn)定，除對(duì)雨水徑流中的TSS、重金屬、油脂類及致病菌等有較好的去除效果外，還能有效去除氮和磷。目前對(duì)改良型生物滯留池的研究不夠深入、全面，尤其在改良復(fù)合填料的耐久性、填料中污染物浸出引起的二次污染、復(fù)合填料堵塞與功能喪失等方面還需進(jìn)一步開展研究。另外，在海綿城市雨水處理設(shè)計(jì)中，應(yīng)針對(duì)不同城市雨水的水質(zhì)和水量，結(jié)合各地實(shí)際情況對(duì)生物滯留池進(jìn)行改良研究。