紅壤區(qū)填料沙土配比對(duì)生物滯留池環(huán)境水文效應(yīng)的影響

李 英， 涂安國(guó)， 張華明， 胡 欣, 袁瑾雯， 昝玉亭

(1.江西省土壤侵蝕與防治重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 江西 南昌 330029； 2.江西省水土保持科學(xué)研究院， 江西 南昌 330029)

1 研究背景

隨著城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，不透水下墊面比例不斷增加，由此造成了城市洪澇災(zāi)害頻發(fā)和水體污染[1-3]。生物滯留系統(tǒng)作為海綿城市建設(shè)的主要措施之一，是一種以滲濾為基礎(chǔ)的城市雨洪管理措施，具有較強(qiáng)的徑流調(diào)節(jié)及污染物凈化能力[4-6]。填料組成和配比設(shè)計(jì)是保證生物滯留系統(tǒng)水文調(diào)節(jié)和污染去除性能發(fā)揮的關(guān)鍵因素[7-9]。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)如何提高生物滯留設(shè)施的污染物去除效果和水文調(diào)節(jié)性能，在填料的選擇及配比優(yōu)化方面做了大量的研究[10-11]，但對(duì)于如何綜合提高生物滯留設(shè)施的環(huán)境水文性能研究相對(duì)較少。選擇黏粒含量高、富含鐵、鋁的材料作為生物滯留設(shè)施的填料組成，可提高其對(duì)地表徑流氮、磷的去除能力[12]。已有試驗(yàn)結(jié)果表明，較低的滲透率有利于提高生物滯留池的脫氮效果[13]。但是當(dāng)填料黏粒含量高時(shí)，水分的滲透能力會(huì)衰減，生物滯留設(shè)施的水力負(fù)荷將降低，不能滿足對(duì)地表徑流的調(diào)節(jié)和凈化要求。當(dāng)基礎(chǔ)土壤的滲透系數(shù)達(dá)不到生物滯留設(shè)施要求的3.6 cm/h時(shí)，則需在土壤中添加其他材料以提高滲透性[14]。因此，填料中不同成分配合比的確定則需要綜合考慮其水文調(diào)節(jié)和污染物去除性能。

每個(gè)地區(qū)土壤類型不同，所選的填料組成及配比也有差異。紅壤黏粒含量高，對(duì)氮磷等污染物具有很好的吸附作用[15-16]，但其0～100 cm深度的土壤滲透系數(shù)大多在1×10-6～1×10-5cm/s，遠(yuǎn)達(dá)不到生物滯留系統(tǒng)所需滲透系數(shù)。同時(shí)，南方紅壤地區(qū)年降雨量豐沛且集中，次降雨量可高達(dá)200 mm以上，當(dāng)?shù)孛娌煌杆畷r(shí)，暴雨極容易造成超大地表徑流，這更需要添加外來(lái)物質(zhì)改善其透水性，提高對(duì)地表徑流調(diào)節(jié)能力。本研究擬設(shè)計(jì)不同比例的河沙摻入紅壤填料以改變其透水性，比較分析其對(duì)生物滯留池系統(tǒng)的水文調(diào)節(jié)和污染物去除效果，以期確定合理的河沙摻入比例，為紅壤區(qū)生物滯留設(shè)施填料組成配置提供科學(xué)依據(jù)。

2 材料與方法

2.1 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)由配水水箱、蠕動(dòng)泵、配水管線、生物滯留池和徑流收集桶組成。生物滯留池采用5個(gè)內(nèi)徑為300 mm的有機(jī)玻璃管制成(見(jiàn)圖1)。生物滯留池自上而下分別為15 cm蓄水層、25 cm 種植層、50 cm過(guò)濾層和30 cm反濾層。反濾層由上面填細(xì)沙10 cm、下面填入礫石20 cm組成。實(shí)驗(yàn)所裝填的紅壤土(0～30 cm土壤)和河沙均取自江西省德安縣。為保證土壤初始含水率和密度均勻，土樣需經(jīng)自然風(fēng)干和過(guò)篩(孔徑2 mm)。紅壤土土樣有機(jī)質(zhì)含量為0.37%，黏粒(<0.002 mm)含量為24.65%，粉粒(0.002～0.05 mm)含量為51.82%。采用蠕動(dòng)泵供水，上方進(jìn)水，底部出水。

圖1 生物滯留池試驗(yàn)裝置示意圖(單位：cm)

2.2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

過(guò)濾層分別按100%河沙(A)、20%紅壤土與80%河沙(B)、50%紅壤土與50%河沙(C)、80%紅壤土與20%河沙(D)、100%紅壤土(E)等沙土比設(shè)置5組處理。在準(zhǔn)備好土樣后，先測(cè)定土的初始含水率(若實(shí)驗(yàn)要求按一定的含水率裝土，則須先對(duì)土樣進(jìn)行制備)。然后按照一定的容重和初始含水率分層填裝土樣(要求按照合理的含水率和容重計(jì)算每層所要填裝的土量)。開(kāi)始裝土?xí)r首先要稱取該層所要填土的重量，每層裝入土后都要先整平，然后用擊實(shí)器擊實(shí)，使得裝入的土與該層事先標(biāo)定好的線相平齊，然后用適當(dāng)?shù)墓ぞ邟伱?以保證土體密度的均一性)，然后進(jìn)行下一層土的填裝，裝土?xí)r須保證層與層之間的良好接觸，不能出現(xiàn)明顯的分層現(xiàn)象。摻沙后生物滯留池填料層的飽和導(dǎo)水率隨摻沙率的變化見(jiàn)圖2。

圖2 填料層飽和導(dǎo)水率隨摻沙率的變化

2.3 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)進(jìn)水強(qiáng)度根據(jù)江西省建筑設(shè)計(jì)院制定的南昌市暴雨公式計(jì)算得出：

(1)

式中：q為暴雨強(qiáng)度，mm/min；p為設(shè)計(jì)重現(xiàn)期，a；t為降雨歷時(shí)，min。

根據(jù)暴雨強(qiáng)度、濾柱匯水面積和徑流系數(shù)(取0.9)計(jì)算得到重現(xiàn)期為 1 年、5 年一遇120 min供水流量分別為163、197、217、242 mL/min。根據(jù)蠕動(dòng)泵流量精度，試驗(yàn)進(jìn)水強(qiáng)度分別取170、200、220、250 ml/min。采用蠕動(dòng)泵控制恒定流量持續(xù)進(jìn)水120 min。

生物滯留設(shè)施對(duì)徑流水質(zhì)控制效果的試驗(yàn)用水根據(jù)南昌市多年平均降雨初期道路徑流水質(zhì)各項(xiàng)污染物指標(biāo)的平均濃度人工配制而成，原水為自來(lái)水。采用硝酸鉀、氯化銨、磷酸二氫鉀和葡萄糖配置成進(jìn)水硝氮濃度6.8 mg/L、氨氮濃度2.5 mg/L、總磷1.5 mg/L、COD濃度為200 mg/L。

在進(jìn)行試驗(yàn)之前，在配置好濃度的供水容器中再取樣一次，最終確定進(jìn)水水體中各指標(biāo)的濃度。試驗(yàn)過(guò)程中，在濾柱底部用徑流桶收集底部出流量，并每隔10～20 min用取樣瓶采集水樣分析出水中各污染物濃度。

3 結(jié)果與分析

3.1 沙土比對(duì)生物滯留池的水文過(guò)程影響

紅壤填料摻沙后，土壤的入滲性能得到明顯改善。由不同摻沙比例下生物滯留池底部出流過(guò)程曲線(圖3)可知，當(dāng)紅壤填料中摻入20%、50%、80%、100%河沙時(shí)，1年一遇降雨可使生物滯留池底部最大入滲流量提高1.44、2.38、4.99和5.33倍。5年一遇降雨可使生物滯留池底部最大入滲流量提高1.61、2.56、4.41和4.64倍。由此可知，當(dāng)填料組成為80%和100%河沙時(shí)，其底部出流過(guò)程相差不大。摻沙后，5年一遇降雨較1年一遇降雨的出流峰值和底部出流延遲時(shí)間均要大。這是由于隨著降雨強(qiáng)度的增加，設(shè)施表面積水深度升高的速度隨之加快。而根據(jù)達(dá)西定律，水力坡度與水流的下滲速率呈正比關(guān)系，這必將造成濕潤(rùn)鋒下移的速度加快，穿過(guò)底部的時(shí)間變短，底部出流開(kāi)始時(shí)間也越早，底部出流量也越大。

由不同摻沙比例下生物滯留池水文參數(shù)特征(表1)可知，不對(duì)紅壤填料進(jìn)行處理時(shí)，生物滯留池可處理1年一遇84.48%的地表徑流，5年一遇58.79%的地表徑流。當(dāng)摻入20%的河沙時(shí)，可處理100%的1年一遇地表徑流和86.47%的5年一遇地表徑流。當(dāng)河沙摻入達(dá)50%時(shí)，無(wú)論時(shí)1年一遇還是5年一遇暴雨下，地表徑流處理率均達(dá)100%。同時(shí)，摻沙后將顯著減少積水深度和積水時(shí)間，當(dāng)河沙摻入達(dá)80%時(shí)，1年一遇和5年一遇暴雨下的積水時(shí)間均為0。而積水時(shí)間減少可有效減少設(shè)施的表面積[17]。結(jié)合不同摻沙比例下生物滯留池底部出流過(guò)程(圖3)可知，隨著摻沙比例的增加，生物滯留池的出流延遲時(shí)間減小，而洪峰削減率呈下降趨勢(shì)，但差異不明顯。徑流處理率則呈現(xiàn)變大的趨勢(shì)。

圖3 不同摻沙比例下生物滯留池底部出流過(guò)程

表1 不同摻沙比例下生物滯留池水文參數(shù)特征

3.2 沙土比對(duì)生物滯留池的去污效果影響

由上述分析可知，不同摻沙比例的生物滯留設(shè)施的底部出流滯后時(shí)間不一樣，為比較不同處理間徑流污染物去除效果，研究以底部出流時(shí)刻為起點(diǎn)，分析底部出流的污染物濃度變化過(guò)程。由不同出流污染物濃度變化過(guò)程曲線(圖4)可知，隨著生物滯留池填料中摻沙比例的增加，底部出流中的硝氮濃度逐漸降低，但摻沙比例大于80%時(shí)差異不明顯。初始底部出水硝氮濃度高于進(jìn)水濃度，但后期隨時(shí)間增加其濃度逐漸下降，且在填料摻沙80%以上時(shí)可低于進(jìn)水濃度。對(duì)比進(jìn)水濃度，生物滯留池可有效降低底部出流中的氨氮和總磷濃度，但摻沙比例對(duì)其濃度變化的影響無(wú)明顯規(guī)律。在同一時(shí)刻，隨著填料摻沙比例的增加，生物滯留池底部出流COD濃度逐漸增加。初始時(shí)生物滯留池對(duì)COD具有較好的去除率，且去除率隨著摻沙比例的增加而增加。但隨著時(shí)間的增加，各摻沙比例底部出水污染物濃度均呈先增加后趨于穩(wěn)定的趨勢(shì)。尤其是在高水力負(fù)荷和高摻沙比例時(shí)，后期出水污染物濃度反而高于進(jìn)水濃度。

圖4 不同摻沙比例下底部出流各污染物濃度變化過(guò)程

4 討 論

短期條件下，進(jìn)水中污染物的去除主要是靠填料的物理過(guò)濾和吸附作用。生物滯留池對(duì)氨氮和總磷均具有很好的去除效果，去除率均在80%以上，與已有研究基本相同[18]。填料本身帶有負(fù)電荷，對(duì)帶有正電荷的氨氮具有很好的吸附效果。紅壤中水合鐵、鋁氧化物比表面積大，對(duì)磷酸根具有很高的親和力，且常以膠膜形式包被于其他礦物表面，對(duì)磷酸鹽具有很強(qiáng)的吸附作用[19]。初期硝氮不但沒(méi)有得以去除，反而出現(xiàn)了出水濃度高于進(jìn)水的現(xiàn)象。氮素析出現(xiàn)象，尤其是硝態(tài)氮的析出已被大量實(shí)驗(yàn)室研究和工程性研究所證實(shí)[20-21]。這可能是因?yàn)樘盍现邢醯枯^高且不易被多孔介質(zhì)吸附，在徑流的淋溶作用下極易排出。但隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，生物滯留池對(duì)硝氮的去除率逐漸增大，最終高摻沙比例下硝氮去除率可達(dá)40%以上。試驗(yàn)過(guò)程中，初始時(shí)生物滯留池對(duì)COD具有很好的去除效果，在低水力負(fù)荷和低摻沙量下去除率可達(dá)80%。但在隨后的進(jìn)水過(guò)程中出現(xiàn)COD嚴(yán)重淋出現(xiàn)象。因此，應(yīng)用河沙于實(shí)際生物滯留措施時(shí)，應(yīng)當(dāng)將河沙徹底清洗干凈，防止河沙本身帶有的氮和有機(jī)物進(jìn)入滯留設(shè)施跟隨雨水流出，造成出水氮和COD濃度升高。

填料種類和級(jí)配是影響生物滯留池脫氮除磷效果的關(guān)鍵因素。由于紅壤黏粒含量高，其土壤飽和導(dǎo)水率很低，無(wú)法滿足生物滯留池填料滲透性要求。填料摻沙后，其土壤導(dǎo)水率呈冪函數(shù)關(guān)系增長(zhǎng)，導(dǎo)水性得到極大改善。當(dāng)填料中摻入80%以上的河沙時(shí)，生物滯留池可全部處理試驗(yàn)區(qū)5年一遇暴雨強(qiáng)度的地表徑流。滲透性提高的同時(shí)，硝氮的去除率也得到顯著的提高。該比例下徑流中硝氮的穩(wěn)定去除率可達(dá)40%左右，與摻沙100%處理相差不大。但對(duì)于COD的去除率卻隨著摻沙量的增加而下降。摻沙量對(duì)氨氮和總磷的去除率影響不大。因此，對(duì)于以去除污染物為目的的生物滯留池填料是否摻沙以及摻沙量的多少需要根據(jù)污染物去除目標(biāo)而定。

需要特別指出的是，本次試驗(yàn)時(shí)間很短，不具備反硝化反應(yīng)發(fā)生的條件，污染物去除主要是通過(guò)填料的物理過(guò)濾和吸附作用，生物作用以及污染物之間的轉(zhuǎn)化可忽略。但長(zhǎng)持續(xù)時(shí)間條件下有機(jī)氮會(huì)向硝氮發(fā)生轉(zhuǎn)化[22]。因此，試驗(yàn)得出的結(jié)果對(duì)于長(zhǎng)期運(yùn)行的生物滯留池是否確切仍需要再深入的觀測(cè)和分析。對(duì)于南方紅壤區(qū)雨季降雨頻繁且量大、生物滯留系統(tǒng)徑流水力停留時(shí)間較短的條件下，本研究的結(jié)果仍具有參考價(jià)值。

5 結(jié) 論

(1)填料導(dǎo)水性隨著摻沙比例的增加呈冪函數(shù)增加，從而使得洪峰調(diào)節(jié)能力下降，而地表徑流處理率可得到極大的提高。

(2)生物滯留池對(duì)硝氮的去除率隨著摻沙比例的增加而增加，但對(duì)COD的去除率則隨著摻沙量的增加而下降，對(duì)氨氮和總磷的去除率影響不大。

(3)綜合考慮生物滯留池的水文調(diào)節(jié)和污染去除效果，20%紅壤土與80%河沙混合是填料較為科學(xué)的沙土配比。