生物滯留系統過濾介質的對比分析研究

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，內陸城市不斷發生內澇，主要原因是暴洪雨水瞬時涌進排水管道，導致排水系統崩潰。因此，為了保障排水管道排水暢通，必須采取有效措施適當削減洪峰，減少雨水徑流速率以及適當延長雨水滯留時間。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、營養物質、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排放標準。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格的管理要求促進了最佳管理實踐措施的發展，已形成相對成熟、理念先進的雨水管理模式，如澳大利亞的水敏感城市設計、美國的低影響開發、新西蘭的低影響城市設計與開發等。這些系統主要用來減少暴洪雨水對下游水質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因此日益受青睞。

城市雨水生物滯留系統采用過濾、吸附、植物吸收以及生物轉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，雨水生物滯留系統的一般設計包括過濾層、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。過濾介質通常包括以泥土為主的材料（以砂壤土最常見）、有機物質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），過濾介質為排水提供充足的水力傳導性、去除污染物以及支撐植物的生長【2】。不同過濾介質將會影響系統的運行周期、雨水的滯留時間、污染物的去除效果以及濾料層的維護保養。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，并試圖提出新型生物滯留系統濾料層構建方案，以期為國內海綿城市的建設以及相應的研究提供技術支撐及理論基礎。

圖1 常規城市雨水徑流生物滯留系統結構示意圖

2 系統過濾介質對雨水滯留時間的影響

2.1 雨水滯留時間的確定

通常采用質心法確定系統的雨水滯留時間，如式（1）所示：

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

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 過濾介質對雨水滯留時間的影響

系統過濾介質的水力傳導性隨時間的演變規律與過濾介質種類、濾料層厚度、植物種類以及系統規模等關鍵設計參數有關。不同過濾介質的滯留系統都能有效削減洪峰，但削減程度隨不同過濾介質而存在很大的差異。而當以椰子纖維、堆肥以及供水廠剩余污泥等材料作為系統的過濾介質時，由于自身具備良好的多孔性以及水力滲透性，故而這些物質作為過濾介質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，將會導致系統對污染物的去除效率變小【3】。故而，城市雨水生物滯留系統過濾介質的選擇必須要同時考慮雨水的滯留時間以及系統對污染物的去除效果。

3 系統過濾介質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中，過濾介質材料主要通過沉淀、過濾、離子交換、表面吸附以及絡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、供水處理產生的污泥、茶渣、稻殼等）可以用來做生物過濾系統的濾料，它們通過離子交換、表面吸附以及絡合作用能夠去除重金屬等污染物。供水處理產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材料下系統對重金屬的去除情況，由試驗結果得，陶瓷土、堆肥、商業混合材料以及供水廠剩余污泥對金屬（Cu、Zn、Cd、Pb）的去除能力表現相當；相對于其他過濾介質材料而言，椰子纖維對所測驗金屬的去除效果較差。分析認為，這是椰子纖維自身多孔性與非均勻性的結構造成的。堆肥、椰子纖維以及給水處理過程產生的污泥富含溶解態有機物，而陶瓷土不含溶解態有機物，故而堆肥等這些物質相對于陶瓷土而言，對Cu 的去除效果較差。

3.3 過濾介質對營養物及有機污染物去除效能的影響

國內關于生物滯留系統過濾介質的研究主要集中于傳統的無機材料。高曉麗等【5】考察了壤土、砂等單種不同材料作為系統濾料時，滯留系統對COD、SS、TN、TP、氨氮等污染物的去除效果，試驗結果如表1 所示。由試驗結果得，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61.22%。但是，在其研究中也暴露出這些傳統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對污染物的去除率 %

3.4 過濾介質對病原菌去除效能的影響

城市雨水生物滯留系統去除病原菌的機理與慢濾系統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充分作用，發生過濾、吸收等物理化學作用，達到抑菌的目的。

蘆珊珊等【6】對慢濾系統中采用沸石、石英砂及活性炭3種過濾介質抑制病原菌的效果進行了吸附除菌研究。分析認為，主要原因可能為：一是在吸附介質吸附的過程中，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中的吸附質。

盡管吸附介質粒徑越大，介質對病原菌的吸附效果越好，但雨水生物滯留系統的主要環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，選擇生物滯留系統過濾介質時，不能盲目追求其對病原菌的去除能力，更應注重其對營養物及有機污染物的去除效能。

4 不同過濾介質下過濾層的堵塞及維護情況

城市雨水徑流含有大量細泥沙（通常直徑小于6mm），這些細泥沙可能會堵塞過濾介質，故而濾料的水力傳導性會隨著系統運行時間減小，以往研究表明，雨水徑流生物滯留系統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。

相關研究【8】已證實，當以椰子纖維、堆肥以及供水廠的剩余污泥等材料作為過濾介質時，系統對重金屬的去除以及堵塞主要發生在過濾層表面的5cm 處；而以陶瓷土作為過濾介質時，系統對重金屬的去除以及堵塞主要發生在濾料層的底部。如果用椰子纖維作為濾料，當其體積隨著系統的運行明顯收縮時，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，重復利用。

5 新型生物滯留系統濾料層構建方案

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的運行，泥土過濾層將快速被壓實，表現出較差的排水性能，將會導致系統蓄水或者溢流，進而導致系統對污染物處理效果變差，嚴重影響系統運行。

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于黏土顆粒。但是，氧化鐵顆粒作為濾料，除了能促進污染物吸附，也更易造成堵塞的過早發生。因此，筆者建議，將椰子纖維混合氧化鐵顆粒作為系統濾料，具有多孔結構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濾料層構建方案示意圖

為了使城市雨水生物滯留系統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保養，雨水生物滯留系統過濾層的較佳構造方案（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（堆肥有利于促進土壤固粒結構的形成，能增加土壤保水、保溫、透氣）作為系統過濾層表層5～10cm 以下的過濾介質。椰子纖維的多孔結構可以增強過濾層的水力傳導性，同時也會降低城市雨水徑流中細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

生物滯留系統在實際應用中面臨著許多問題，如溫度、pH、有機物降解產生的溶解有機碳（Dissolved Organic Carbon，DOC）以及根部系統產生的酸性物質等，這些因素的變化可能會使已經吸附在濾料的污染物再次鼓動起來，產生的溶解有機碳會影響金屬（如Cu 等）的流動性，同時也會促進營養物質流出濾料層。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。