不同改良介質土對生物滯留系統運行性能的影響

唐穎輝，陳 垚，2，袁紹春，2，朱嘉運，劉 臻，2

（1.重慶交通大學河海學院，重慶 400074；2.重慶交通大學環境水利工程重慶市工程實驗室，重慶 400074）

生物滯留技術因其具良好的徑流污染控制，徑流體積和峰值流量削減能力，已廣泛用于我國海綿城市建設［1，2］。如何提高生物滯留系統的控污能力仍是目前研究的熱點和難點［2，3］。生物滯留系統中的介質土是影響徑流污染控制和徑流體積削減效果的關鍵因素［4，5］，其不僅可用削減峰值流量，延遲峰現時間，還可通過物理、化學和生物過程去除污染物。而天然土壤由于滲透性較差，難以滿足徑流削減要求，通常需要添加一定比例的改良劑（如細砂、煤渣、粉煤灰、活性炭等高孔隙結構或強吸附性能的材質）進行改良，以形成符合水力滲透要求并能提升除污能力的介質土。雖然國外針對生物滯留技術出臺了相關設計規范和介質土選配標準，但國內并未形成成熟的技術規范，缺乏介質土級配設計和性能評價的有效方法。傳統生物滯留系統常采用天然砂壤土、壤砂土或壤土與細砂進行混合形成傳統生物滯留介質土（BSM）［6，7］。這些BSM 滲透性能較好，成本也相對較低，但對污染物的去除能力較差。在黏粒比例較高的BSM 中，可通過黏土對污染物的吸附作用改善介質土的除污效果，但容易發生土壤團聚現象而導致滲透性急劇下降，最終造成介質土堵塞［8］。相關研究者在天然土壤中摻砂的同時添加一定比例的木屑、堆肥、草炭土等有機質，以維持介質土的保水性和滲透性能［9，10］，但要求有機質含量不超過5%［11］。另外由于降雨徑流污染的不斷加劇，要求生物滯留系統具備較強的除污能力。而生物滯留系統對氮磷污染物的去除效果不穩定，尤其是對NO3--N和TN的去除呈現出高度變化，去除率在-254%～90%范圍內進行波動［12，13］。He等［14］分別將火山巖、蛭石和粉煤灰作為改良劑，以10%質量比與BSM 進行混合，形成的改良BSM 對氮磷污染物的去除效果均顯著高于對照組。其他相關研究也證實［15-17］，在BSM 中添加合適的改良劑可提高生物滯留系統對徑流污染物的去除能力。

目前現有的生物滯留系統介質土改良研究主要關注于單一的改良目標，且多數集中在除污能力的提升上，缺乏對改良介質土水力滲透性能、污染物去除能力和經濟成本等因素的綜合評價［18］。因此，在生物滯留系統介質土級配時，應根據改良劑經濟成本和固廢資源化利用原則，并結合介質土水力滲透性能和除污能力進行綜合篩選。此外，“土薄坡陡”的山地城市存在著降雨歷時短、雨水流速大且SS 含量高等特點［19］，這要求介質土具有較快的滲透性能，并能高效去除徑流污染物；雖然相關研究針對山地城市的特殊徑流特性開展了介質土級配研究［20，21］，但這些研究主要是解決介質土對徑流污染的適應問題，并未考慮山地城市的本地土壤特征與級配。考慮到不同地區土壤類型的差異性，介質土的級配也存在一定差異［22］，無法直接照搬相關研究結論。同時，基于山地城市土壤類型的生物滯留系統介質土改良的相關研究報道較少。因此，山地城市特殊的地理特征需要針對本地土壤特征進一步優化介質土級配方案，篩選出適合重慶城區生物滯留設施的改良介質土。本文結合重慶主城區土壤本底調查結果，根據重慶市地理特征和市政道路徑流污染特性，添加不同改良劑配置多種介質土，通過生物滯留柱模擬實驗考察不同改良介質土和傳統介質土下生物滯留系統水力性能和除污特性，并通過投影尋蹤法對介質土的滲透性能、污染物去除能力和經濟成本進行綜合評價以篩選出最優性能的改良介質土，以期為規范填料層介質土級配方式，提高重慶城區生物滯留設施建設水平提供科學依據，也為相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 實驗裝置

實驗采用內徑為150 mm 的PVC 濾柱（畜水層采用亞克力材質）模擬生物滯留系統（圖1），自上而下分別為蓄水層（150 mm）、種植土層（300 mm）、淹沒層（200 mm）和排水層（150 mm）。其中。種植層裝填介質土，淹沒層裝填石英砂（粒徑0.25～0.5 mm）和3%（質量比）的木屑（作為反硝化碳源），排水層裝填粒徑3～10 mm 的瓜米石（防止堵塞出口）。將各填料分層裝入相應濾料層后壓實至相關高度，并在各濾料層間放置透水土工布，以防止濾料發生遷移流失而堵塞排水管。在實驗開始前，先用清水對濾柱進行一段時間的澆灌，充分淋洗出填料表面本底養分并對填料進行水力壓實，以避免本底養分淋洗和填料壓實不充分對實驗結果的干擾。同時，由于植物對介質土水力性能和除污特性具有顯著影響，導致難以根據實驗結果判定不同介質土下系統運行性能的差異是介質土性質所致。鑒于此，本實驗中濾柱暫不栽種植物。

圖1 生物滯留裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of bioretention columns

通過對重慶主城區土壤特性本底的調查發現，城區的天然種植土主要為壤砂土和砂土兩大類，且兩類土壤的理化指標和水力滲透性能均不能滿足國內外的相關設計指南（標準）［11，23］。為此，結合重慶市主城區的土壤條件、當地原料的來源和價格情況，選用天然土壤（壤砂土、砂土）、細沙、蛭石、生物炭、珍珠巖等填料配置不同的介質土。各填料的粒徑和養分含量如表1所示。

表1 填料理化性質Tab.1 Physical and chemical properties of the bioretention medium

首先將壤砂土和砂土兩類天然土壤分別以1∶9 和2∶8（質量比）與細砂進行混合，配置成壤砂土型傳統生物滯留介質土（BSM1）和砂土型傳統生物滯留介質土（BSM2），并作為研究對照組。在此基礎上，選用蛭石（Ver.）、生物炭（BC）和珍珠巖（Per.）等改良劑在滿足目標介質土級配（粒徑分布與級配比例詳見文獻［11］）條件下，按一定質量比與BSM 進行混合形成不同改良介質土（表2），以研究不同改良介質土對生物滯留系統運行性能的影響。

表2 各介質土中填料的干重質量比Tab.2 Mass ratio of medium in each bioretention soil media

1.2 實驗方法

采用相關化學試劑和雨水塘底泥配置成目標污染物濃度的模擬徑流雨水（表3），并根據75%年徑流總量控制率要求按7%匯水面積確定場次降雨徑流量為4.1 L，具體計算過程詳見文獻［24］。濾柱清水澆灌期結束后，所有濾柱系統開始注入模擬徑流雨水，每周處理2 場降雨事件（對應降雨量19.1 mm），相鄰兩次場次降雨間隔時間為3 d，進水過程中攪拌水箱處于連續攪拌狀態直至進水結束，以保持徑流模擬雨水中懸浮顆粒始終處于懸浮狀態。

表3 模擬徑流雨水水質Tab.3 Semi-synthetic stormwater quality

各濾柱介質土的水力性能采用滲透系數進行表征，滲透系數越低，水力性能越差，反之則越好。同時，各濾柱按固定時間采集出水水樣，具體采集方法詳見文獻［24］，并采用國家標準方法檢測水樣中的相關污染物指標。生物滯留系統對污染物的去除率采用如下公式進行計算：

式中：RL為污染物去除率，%；Cin和Cout分別為進水和初始污染物濃度值，mg/L；Vin和Vout分別為進水量和出水量，L。

同時，為避免平行樣檢測數據受極值影響而產生偏差，采用中位數進行數據分析。

1.3 介質土性能綜合評價

目前，通常采用層次分析法進行多目標綜合評價，但該方法得到的評價結果往往存在極化或難以反映高維度數據樣本拓撲結構等問題，在一定程度上降低了結果的準確性。投影尋蹤法（Projection pursuit，PP）是一種具有數據樣本高維處理與分析能力的多目標評價方法，即通過對低維空間的分析來描述高維數據信息，能夠解決一定程度上的非線性、非正態問題，從而呈現出更加直觀準確的評價分析［25，26］。同時，已有相關研究者基于多個水質樣本和水質指標，利用PP構建了水質綜合評價模型，并證實了該方法的可靠性與準確性［26，27］。由于本研究同樣屬于一個基于多指標的綜合性能評價問題，因此可利用PP篩選出水力性能、除污效果和經濟性均理想的介質土配置方案。在評價時，①首先構建效益型和成本型2個一級指標，其中效益型指標又劃分為NO3--N、NH3-N、TN、TP和COD去除率，以及滲透系數6個二級指標，成本型指標主要為填料單價，并對不同介質土的二級指標進行歸一化處理，獲得各二級指標的多維數據集｛x（i，j）｝；②利用構造投影指標函數f（w）計算出x（i，j）的一維投影值z（i），并最大可能提取｛x（i，j）｝中的變異信息；③利用優化投影指標函數將投影函數f（w）在投影方向w的變化問題轉化為一個以｛w（j）｝為優化變量的非線性優化問題，如下式所示：

式中：f（w）為投影指標函數值z（i）；Sz為投影值z（i）的標準差；Rzy為z（i）與y（i）的相關系數。

求解上述函數時，在單位超球面上隨機抽取若干個初始投影方向，計算各指標的z（i），并利用遺傳算法對z（i）進行選大操作確定maxf（w）對應的投影方向為最優投影方向，即可獲得各指標的權重ω（i）。在此基礎上可最終計算出各介質土的綜合得分。

2 結果與討論

2.1 水力性能

各濾柱處理場次降雨徑流后，水力性能呈現出不同的衰減規律，如圖2所示。由于進水中的懸浮物在填料表面吸附、離子交換、范德華力等作用下［14］，易截留于介質土的孔隙通道壁上，或在介質土表面發生沉積作用并逐漸被壓實，同時進水中有機物的存在還可促使填料表面形成生物膜，減小孔隙通道，最終導致所有濾柱系統隨運行時間均出現不同程度的水力衰減或波動現象。總體而言，砂土型介質土（BSM2 及其改良組）的水力性能優于壤砂土型介質土（BSM1 及其改良組）。其中，BR5濾柱的水力滲透系數最穩定，研究期內穩定在41～53 mm/h，BR6濾柱次之（35～45 mm/h），而BR1～BR4濾柱的水力性能隨運行時間而逐漸降低。這主要是由于壤砂土型較砂土型介質土，其黏土含量較高，易發生土壤團聚現象而造成滲透系數的急劇下降［8］；同時，添加多孔性改良劑的壤砂土型介質土由于黏土粒徑顯著大于多孔性改良劑的孔隙通道尺寸，在水流作用下黏土顆粒不斷發生遷移而包裹填料通道，導致介質土孔隙不斷被堵塞［28，29］，并在水流的不斷壓實作用下堆積密度不斷降低，最終造成飽和導水率的下降［30］，從而表現為BBR1～BR4 濾柱滲透系數的持續下降。而砂土型介質土具有較穩定的孔隙結構，可保持較穩定的水力性能。尤其是添加蛭石的砂土型介質土（BSM2+8%Ver.），由于蛭石粒徑范圍窄且較均勻，添加至BSM2后可形成合理的級配、較大的孔隙率和穩定的結構，從而使BR5 濾柱表現出穩定的水力性能。但BR7 濾柱在實驗后期突然出現水力性能陡降的現象，滲透系數從36 mm/h 持續陡降至10 mm/h，這可能是由于珍珠巖為輕質填料，其密度遠低于生物炭、蛭石、細砂等介質，在水流的不斷沖擊作用下容易在介質土中發生遷移堆積改變土壤空間形態，進而降低介質土孔隙率，最終造成介質土的滲透系數下降［31］。因此，綜合考慮滲透系數以及水力性能穩定性，介質土BSM1+2%Ver.、BSM1、BSM2+8%Ver.、BSM2+8%BC和BSM2符合文獻中建議的滲透系數范圍（13～200 mm/h），可確保氮素的有效去除，并保證植物在介質土中正常生長對含水量的要求［17］。

圖2 不同介質土的水力滲透性能變化規律Fig.2 Variation of hydraulic permeability of modified soil media

2.2 除污性能

生物滯留系統常用于削減降雨徑流中的固體顆粒（SS）、有機物及氮磷等污染物負荷。為探尋具有高滲透性能且良好控污能力的介質土配置方案，本研究探究了裝填不同介質土的生物滯留設施對SS、COD、TN、NH3-N、NO3--N和TP等污染物的去除效果，如圖3所示。

（1）出水濁度。由于出水SS 的測定值過低，檢測過程中誤差大，難以確保結果的準確性和可靠性。為此，采用出水濁度（NTU）表征介質土對SS 的去除性能。所有濾柱系統均能有效去除徑流中的SS，出水濁度中位數均低于20 NTU［圖3（a）］。但不同介質土對SS 的去除性能存在一定的差異，其中，BR2 濾柱出水濁度中位數達到了城市污水再生利用的相關水質標準（10 NTU）。研究證實［32］，生物滯留系統對徑流中SS 的去除主要包括填料吸附、沉淀和過濾等途徑。壤砂土型介質土中，改良介質土對SS 的去除性能略優于BSM1，這是由于多孔性介質土的表面吸附作用有所增強；但對于砂土型介質土，改良劑的添加對介質土的SS去除能力并未增強，反而略有減弱。這是由于改良劑添加后，反而易造成介質土中的細骨料隨水流作用排出系統［33，34］。

圖3 各濾柱對污染物的去除效果Fig.3 Pollutant removal efficiency of bioretention columns

（2）化學需氧量（COD）。由圖3（b）可知，各濾柱對COD 的去除率中位數在52.3%～72.8%范圍內。但總體上壤砂土型介質土對COD 的去除率高于砂土型介質土，這可能是由于前者滲透系數低于后者，更利于徑流中的顆粒性有機物被截留；同時，滲透系數越低，水力停留時間越長，更利于微生物對有機物的降解作用。研究結果表明，BSM1介質土對COD 的去除率最高，可達72.8%，相較于添加改良劑的BR1～BR3 濾柱反而要高。分析認為，BSM1 介質土自身的水力滲透性能和填料介質特性（如含有高吸附能力的黏土）已能滿足有機物的過濾、吸附和微生物降解過程，而添加改良劑后反而因本底有機質的淋洗現象增加了有機物含量。對于砂土型介質土而言，改良劑的添加可在一定程度上通過填料的吸附能力提高其對有機物的去除能力，如添加蛭石和生物炭的砂土型介質土對COD 的去除率可達65%，高于BSM2 的55%。但以未改性的珍珠巖作為砂土型介質土改良劑時，雖然該介質具較強的吸附性，但其表面因硅醇基、硅醚基等基團的覆蓋，對有機物的黏合力較低［35］，從而表現出BR7濾柱對COD的去除率反而低于以BSM2為介質土的BR8濾柱。

（3）氨氮（NH3-N）。各濾柱對NH3-N 的去除效果較好，去除率中位數在78.7%～85.1%范圍內［圖3（c）］。這是由于NH3-N 帶正電荷，容易被生物滯留系統中帶負電荷的土壤顆粒所吸附［36］。但總體來看，壤砂土型介質土因含有較強吸附能力的黏土而使其對NH3-N 的去除效果略優于砂土型介質土，平均去除率分別為84.5%和81.3%。研究結果顯示，以蛭石作為改良劑時，較其他相同類型的介質土具有更佳的NH3-N 去除能力。分析認為，蛭石不僅具有較強的吸附性，而且還具有良好的陽離子交換特性，有助于介質土通過吸附和離子交換去除NH3-N。同時，其較高的孔隙結構有助于改善介質土的孔隙率，維持良好的好氧狀態，進而促進微生物的硝化過程，實現NH3-N 的去除。

（4）硝氮（NO3--N）。各濾柱對NO3--N 的去除可維持在較高的水平，去除率中位數在79.7%～90.5%范圍內［圖3（d）］。這得益于淹沒區的設置營造了反硝化環境，同時木屑的添加為反硝化提供了充足的碳源，從而可實現較高的去除率。總體而言，壤砂土型改良介質土對NO3--N 的去除率中位數高于同類型砂土型改良介質土，這是因為壤砂土中較高含量的黏土顆粒可有效減少NO3--N 的淋溶［31］。同時，在BSM1 和BSM2 介質土中添加生物炭進行改良時，生物滯留系統對NO3--N 的去除率最高，分別為90.5%和87.2%。研究證實生物炭可通過表面醌基的固態電子穿梭體功能介導微生物胞外電子發生轉移作為電子供體參與反硝化還原反應［37，38］，從而增強系統對NO3--N的去除。

（5）總氮（TN）。所有濾柱均能有效去除TN，且無顯著差異，去除率中位數可達80%以上，為81.6%～87.9%，如圖3（e）所示。研究結果表明，蛭石改良介質土較其他同類型介質土具有更高的TN 去除率，分別為87.9%和82.7%。分析認為，生物滯留系統對TN 的去除同時受NH3-N 和NO3--N 的去除影響［39，40］，且反硝化是限制生物滯留系統對TN 去除的主要因素［41］，雖然前述證實生物炭可促進反硝化作用，但其氮本底值為其他填料介質的數十倍（表1），淋溶后會增加水中的TN 含量，在一定程度上降低系統的除氮率。因此由于蛭石改良介質土對NH3-N和NO3--N 的去除高于或僅次于同類別的生物炭改良介質土，最終表現為BR1和BR5較強的除氮效能。

（6）總磷（TP）。所有濾柱對TP 的去除效果均維持在很高的水平，去除率中位數在92.9%～94.8%［圖3（f）］。生物滯留系統對磷的去除主要通過填料吸附、化學沉淀和過濾作用等途徑實現，其中顆粒態磷可附著于SS 上而隨介質土對SS 的截留作用得以去除，而溶解態磷可通過填料吸附作用或與雨水逕流中的鐵、鋁等離子發生化學沉淀而被有效去除。本研究中，所有濾柱的介質土均含有高吸附能力的填料介質，從而表現出較高的TP去除率，且相較于TN的去除率更穩定，這與Palmer等人的研究結論相似［42］。

2.3 介質土綜合性能評價

研究采用效益型指標（NO3--N、NH3-N、TN、TP 和COD 去除率，以及滲透系數）和成本型指標（填料單價）對各濾柱介質土綜合性能進行評價。其中，滲透系數采用實驗后期的測定結果，而污染物去除率則采用去除率中位數進行計算。為消除各二級指標量綱和數量級對評價結果的影響，采用極差歸一化法對各指標初始數據進行歸一化處理。其中，污染物去除率和滲透系數越高，歸一化值越接近1，填料單價則相反。各介質土經歸一化后，利用PP 法對各二級指標的權重進行求解，最終可通過加權求和得到8 種介質土的綜合性能得分（表4）。綜合得分從高到低的介質土依次為：BSM1+2%Ver.＞BSM1＞BSM1+2%BC＞BSM1+2%Per. ＞BSM2+8%Ver. ＞BSM2+8%BC＞BSM2＞BSM2+8%Per.。研究結果表明，壤砂土型介質土綜合性能優于砂土型，其中，添加生物炭和珍珠巖這類高比面積的多孔性改良劑反而降低了BSM1 的綜合性能，而蛭石由于其比表面積顯著低于生物炭和珍珠巖，在一定程度上緩減了BSM1 中黏土的團聚效應，進而使改良介質土（BSM1+2%Ver.）表現出最優的綜合性能。砂土型介質土（BSM2）由于其黏土含量極低，使其對污染物去除能力較弱，添加多孔性改良劑可提高介質土的表面吸附能力，增強介質土綜合性能。因此，對于原土為壤砂土時，可考慮采用低表面積的多孔隙介質進行改良，如添加細砂按1∶9質量比配置成BSM1介質土，或在此基礎上添加2%的蛭石改良劑配置成BSM1+2%Ver.介質土（壤砂土∶細砂∶蛭石=4.9∶44.1∶1）。而當原土為砂土時，建議以細砂和蛭石進行綜合改良配置成BSM2+8%Ver.介質土（砂土∶細砂∶蛭石=9.2∶36.8∶4）。

表4 介質土綜合性能歸一化值及綜合得分Tab.4 Normalized value of comprehensive performance and ranking of soil media

3 結 論

（1）壤砂土和砂土經不同填料介質改良后，均可形成具有較高初始滲透系數的介質土，但表現出不同的水力衰減規律。總體而言，砂土型介質土的水力性能優于壤砂土型。其中BSM2+8%Ver.介質土的水力滲透系數最穩定，研究期內穩定在41～53 mm/h，而BSM1+2%BC介質土衰減最快。

（2）所有介質土均可有效去除徑流中的SS，甚至部分濾柱出水可達回用水的濁度要求；對NH3-N、NO3--N、TN 和TP 的去除率中位數分別可達787%～85.1%、79.7%～90.5%、81.6%～87.9%和92.9%～94.8%。其中，壤砂土型介質土對COD 和NH3-N 的去除能力優于砂土型介質，而添加生物炭介質可顯著提高生物滯留設施對NO3--N的去除能力。

（3）介質土綜合性能評價結果排序為：BSM1+2%Ver.（0.60）＞BSM1（0.52）＞ BSM1+2%BC（0.41）＞BSM1+2%Per.（0.40）＞BSM2+8%Ver.（0.33）＞BSM2+8%BC（0.23）＞BSM2（0.15）＞BSM2+8%Per.（0.14）。當原土為壤砂土時，介質土組成及配比為壤砂土∶細砂=1∶9，或壤砂土∶細砂∶蛭石=4.9∶44.1∶1；而當以砂土為原土時，介質土組成及配比為砂土∶細砂∶蛭石=9.2∶36.8∶4。