基于多目標評價的市政道路徑流污染控制生物滯留設施填料優化

趙云云，李騏安，陳正俠，周國華，賈海峰

(1.清華大學環境學院，北京 100084; 2.農業農村部規劃設計研究院，北京 100125;3.天津生態城市政景觀有限公司，天津 300486)

生物滯留設施作為最重要的一類低影響開發技術，已被廣泛應用于海綿城市建設中的城市徑流控制[1-2]，但如何提升其對污染物的去除效果仍是研究的熱點和難點[3-4]。生物滯留設施的填料配置是影響其徑流污染控制效果的關鍵因素[5]。目前，國外已有生物滯留設施的設計規范和相關填料的選擇標準，而國內還沒有形成成熟的技術規范，在設計時結合當地的實際情況，主要考慮填料的滲透性能、污染物去除效果以及經濟成本等因素[6]。早期生物滯留設施的填料種類比較單一，主要為天然的壤質砂土、砂質壤土和壤土等[7]。這些填料的滲透性能較好，成本也相對較低，但對污染物的去除效果欠佳。而對于黏粒含量高的黏土，雖然這些填料對污染物的去除效果好，但是滲透性能差，容易產生堵塞。Singh等[8]通過在土壤中摻砂的同時添加木屑、草炭土等有機質來優化填料的顆粒級配，以維持土壤的保水及滲透性能。隨著城市化進程中面源污染問題的日益嚴峻，包含天然土壤、有機質及土壤改良劑等介質的混合填料逐漸用于生物滯留設施的改良[9]。已有研究表明，生物滯留設施對懸浮性顆粒物的去除率基本都能夠超過90%，對COD的去除率能達到60%以上；而對氮、磷的去除效果則不穩定[10-12]。在填料中添加比表面積大、吸附能力強的介質，如沸石、蛭石、生物炭等，能夠提高氮、磷的去除率[13]。考慮到填料的經濟成本和固廢資源化利用，也通過添加河道底泥和給水廠污泥等來提高氮、磷的去除率[14-15]。

為提升生物滯留設施的污染物去除效果、降低設施建設成本和提高固廢資源化利用效率，可對生物滯留設施填料進行改良，但仍缺乏對填料基于滲透性能、污染物去除效果及經濟成本等因素的綜合評價及優化配置。同時，生物滯留設施在干旱和寒冷氣候條件下的運行效果仍存在不確定性，亟待進一步研究。本文以華北地區的天津中新生態城為例，通過在實驗室搭建生物滯留柱裝置，結合研究區的地理特征及市政道路徑流污染特征等實際情況，配置多種填料組合并設計人工模擬降雨試驗，通過采用多目標評價方法對填料組合的滲透性能、污染物去除效果及經濟成本進行綜合評估，旨在為研究區域生物滯留設施填料的優化配置提供科學依據，也為其他類似地區生物滯留設施的優化設計提供參考。

1 材料與方法

1.1 生物滯留柱試驗設計

本研究的試驗流程及裝置如圖1所示，主要由4部分組成：①生物滯留柱(以下簡稱試驗柱)。每個試驗柱代表一種填料組合，每種填料組合采用不同的填料配比均勻混合配置，共設計8組；②人工合成降雨徑流。根據天津市典型場次降雨的水質特征，人工配置模擬降雨徑流；③蠕動泵。通過控制蠕動泵的流量，將模擬降雨徑流泵入各試驗柱中，作為試驗柱的進水；④出水收集裝置。在試驗柱末端采集出流水樣，檢測出流中的SS、CODCr、TN、NH3-N和TP等指標，以評估填料的水質凈化效能。

試驗柱高1 200 mm，直徑100 mm，采用亞克力材質，出水閥為球形閥。試驗柱分為上下兩層，上層是填料層，高600 mm；下層是由礫石組成的承托層(粒徑3～6 mm)，高200 mm，與填料層之間布設土工布。為避免植物干擾，試驗柱中不種植物。本研究在文獻調研的基礎上，結合天津生態城的土壤條件、當地原料的來源及價格，選用6種填料配置不同質量比的填料組合，包括天然土壤、河沙、草炭土、蛭石、沸石、給水廠污泥。6種填料的粒徑、干密度和孔隙度見表1。

(a) 試驗流程

表1 填料的物理性質

首先利用土壤、河沙和草炭土3種填料按照 5∶4∶1 的質量比配置成自然包。自然包作為試驗的對照組，既要滿足植物生長的基本需求，同時組成配比要盡量與植物生長的自然環境相近。填料組合1全部采用自然包，作為試驗的對照組；填料組合2～8增加不同質量比的蛭石、沸石和給水廠污泥，如表2所示。從組合1～8，自然包的含量逐漸減小，其他填料的含量逐漸增加，其中組合2、3、4用于分析不同含量的蛭石和沸石對污染物去除效果的影響，組合5、6用于對比含鐵鹽和含鋁鹽的給水廠污泥對污染物的去除效果，組合7、8用于分析沸石含量增加對水質凈化效果的影響。

1.2 人工模擬降雨設計

選用一年一遇降雨歷時60 min、降水量41.4 mm的設計降雨作為試驗柱的進水。根據2014年發布的《海綿城市建設技術指南——低影響開發雨水系統構建(試行)》，該設計降雨滿足天津年徑流總量控制率85%的要求(對應降水量 37.8 mm)。假設匯水面積與試驗柱面積比例為10∶1，則得到單根試驗柱的模擬降雨流量為0.8 mL/s，每次進水 2.9 L。根據研究區域的降雨特征及市政道路的徑流污染特征，共模擬了8場降雨事件，模擬降雨頻率為每周2次，其中4場降雨的雨前干期為2 d，另外4場降雨的雨前干期為3 d，相應的降雨徑流水質及配水投加的物質如表3所示。每場降雨的污染物去除率采用試驗柱進出水污染物質量濃度計算得出。

表2 各試驗柱中填料的質量比

表3 人工模擬降雨徑流水質及投加物質

1.3 填料優化篩選

采用常用的多目標評價方法——層次分析法(analytic hierarchy process， AHP)來篩選最優的填料組合，即篩選出滲透性能、污染物去除效果和經濟性都理想的填料組合。建立的多指標層次分析結構如圖2所示，其中指標層包含滲透系數、污染物去除率和填料價格3個一級指標；污染物去除率指標又根據5類污染物分為5個二級指標。各指標對篩選理想填料的相對重要性，即指標的權重，通過專家打分確定。專家打分過程充分考慮了專家的研究背景和方向，咨詢了包括相關領域的技術專家、當地決策者和公眾代表等在內的多位利益相關者，總共采集專家打分樣本40份。通過在同一級指標間構造基于專家打分的兩兩比較判斷矩陣，得到被比較指標的相對權重。判斷矩陣的一致性比率均小于0.1，表明判斷矩陣通過一致性檢驗，得到的權重具有可靠性。最終得到，滲透系數、SS、CODCr、TN、NH3-N、TP和填料價格的綜合權重分別為0.31、0.13、0.25、0.09、0.04、0.02和0.16。

圖2 填料優化篩選的層次分析結構

2 結果與分析

2.1 填料滲透性能

采用滲透系數反映填料的滲透性能，滲透系數越低，滲透性能越差，反之則越好。隨著時間的增加，填料逐漸被壓實，最終各試驗柱穩定后的滲透系數在50～106 mm/h之間，平均達到 77 mm/h。這與文獻[16]建議的滲透系數范圍相符(50～200 mm/h)，表明各試驗柱符合生物滯留設施對滲透系數的要求。

2.2 填料污染物去除效果

生物滯留設施常用于處理降雨徑流中的固體顆粒、有機物及氮磷等物質。污染物去除效果如圖3所示。

a. SS。各試驗柱對SS的去除效果顯著，除對照組(1號試驗柱)外，其余試驗柱的SS平均去除率在87.9%～91.7%范圍內。對照組的SS平均去除率最低，而且去除效果不穩定；其余試驗柱的SS去除率均超過85%。SS的去除主要是通過填料的吸附、沉淀和過濾等作用實現，已有研究也表明生物滯留設施能夠對SS高效去除[2]。對照組較低的SS去除率一方面是由于缺少蛭石和沸石等吸附能力強的填料，另一方面也與填料中的細骨料隨徑流被沖出有關。

b. CODCr。除對照組外，各試驗柱對CODCr的平均去除率在62.5%～83.0%范圍內。平均去除率最高的為8號試驗柱，能夠達到83%。這主要是由于8號試驗柱中沸石的占比在各試驗柱中達到最高(20%)[16]。仇付國等[17]的研究也表明沸石能夠高效去除徑流中的CODCr。相比之下，對照組中只含有土壤、河沙和草炭土，沒有添加蛭石和沸石等污染物去除效果好的填料。

c. TN。各試驗柱對TN的去除效果均不理想且極不穩定，除對照組外，平均去除率在-129.3%～-58.2% 范圍內。與其他污染物指標不同，對照組的TN平均去除率為23.1%，遠高于其他試驗柱。2～7號試驗柱的TN平均去除率都為負值，表明降雨徑流通過生物滯留設施后，污染物濃度不降反升。該結論也得到Lopez-Ponnada等[4]研究的證實。這主要是由于一方面填料本身氮的本底值較高，另一方面生物滯留設施不具備發生反硝化作用的缺氧條件，導致硝態氮難以被有效去除；同時，硝態氮帶負電荷，很難通過填料的吸附作用被去除。

(a) SS

d. NH3-N。各試驗柱對NH3-N的去除效果較好，平均去除率在58.6%～94.4%范圍內。對比各試驗柱，3號試驗柱對NH3-N的去除效果維持在較高的水平，平均去除率達到94.4%，表明蛭石在去除NH3-N方面表現良好。相較于2號和4號試驗柱，3號試驗柱的蛭石含量最高，4號試驗柱次之。8號試驗柱的蛭石和沸石含量最高，對NH3-N的去除效果明顯優于7號試驗柱。通過填料的吸附有效去除NH3-N也在已有研究中得到了證實[17]。此外，相比于硝態氮，NH3-N帶正電荷，因此容易被生物滯留設施中帶負電荷的土壤顆粒吸附。同時，由于典型的生物滯留設施填料有利于硝化反應的進行，使NH3-N也能夠通過轉化為硝態氮而得到去除。

e. TP。除對照組外，2～8號試驗柱對TP的去除效果都維持在很高的水平，平均去除率在97.6%～98.6%范圍內。對照組的TP去除率為負值，可能與填料中磷的釋放有關。雖然各試驗柱中都添加了草炭土這類有機質，但除對照組外，其他試驗柱還加入了吸附能力強的蛭石和沸石，以及富含鐵鹽和鋁鹽的給水廠污泥。降雨徑流中顆粒態的磷會附著在SS上，并在生物滯留設施填料中通過吸附、沉淀和過濾作用隨SS一起被截留；而溶解態的磷則能夠通過填料的吸附作用被去除。同時，溶解態的磷也通過與填料中的鐵、鋁等金屬離子發生反應生成沉淀物而被有效去除。總體上，生物滯留設施對TP的去除效果較TN更穩定，這與Palmer等[18]的研究結果相一致。

2.3 填料經濟成本分析

填料的經濟成本以購買單位體積填料組合的價格為依據計算得到，其中3號試驗柱的填料成本最高，是對照組的2.3倍。試驗柱的填料平均成本為730元/m3，其中1號、2號和7號試驗柱的成本低于平均值，經濟性較好。

2.4 填料綜合性能比選

滲透系數采用設施穩定后的測定結果，污染物去除率采用8場降雨的平均污染物去除率進行計算，結果如表4所示。

為消除各指標的量綱和數量級對綜合評價的影響，首先采用0～1極差標準化方法對各指標的原始數據進行標準化處理。填料的滲透系數和污染物去除率越高，標準化后的數值越接近1，填料單價則相反。將滲透系數、污染物去除率和填料單價的標準化數值采用加權求和的方法得到8種試驗柱填料組合的綜合得分，如表5所示。5號試驗柱中其填料土壤、河沙、草炭土、給水廠污泥、蛭石和沸石的質量比為30∶24∶6∶20∶10∶10，其中給水廠污泥主要含鋁鹽，綜合效果優于含鐵鹽的給水廠污泥(6號試驗柱)。4號試驗柱與5號試驗柱的綜合得分很接近，兩者填料組合的差別僅在于給水廠污泥和自然包含量的不同。5號試驗柱中的給水廠污泥含量較4號試驗柱更多，其滲透性能較4號試驗柱更好，填料價格也更低。對照組的填料成本雖然最小，但填料的滲透性能和污染物去除效果均不理想，導致綜合得分最低。

表4 各試驗柱的性能和填料經濟成本

表5 各試驗柱的綜合得分及排序

3 結 語

隨著我國城市化進程的快速推進，面源污染和固體廢棄物排放等問題日益嚴峻，基于多目標評價方法優化生物滯留設施填料，能夠從源頭有效控制徑流污染并提高固廢資源化利用效率。試驗期內，8組試驗柱的滲透系數最終穩定在50～ 106 mm/h 范圍內，符合生物滯留設施對滲透系數的要求。除對照組外，其余試驗柱對SS、CODCr、NH3-N、TP的平均去除率分別處在87.9%～91.7%、62.5%～83.0%、58.6%～94.4%、97.6%～98.6%范圍內。各試驗柱對TN的去除效果不理想且極不穩定。研究結果表明，5號試驗柱的綜合性能最優，其填料組合能夠維持較好的滲透性能，在污染物去除效果良好的同時，具有填料本地化和資源化的特點，經濟性好。在實際工程應用中建議多采用蛭石和沸石等吸附能力強的填料，以及富含鋁鹽的給水廠污泥等經濟性好的填料。

本文研究成果可為面向市政道路徑流污染控制的生物滯留設施填料的優化配置提供參考，今后的研究應著重關注生物滯留設施填料中氮、磷的淋失和應對策略，以及環境變化對設施性能的影響，以探究優化的生物滯留設施填料組合在實際應用中對市政道路徑流污染的處置能力。