生物蓄渗在径流污染防控的运用

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本文作者：邓文珊李田作者单位：同济大学环境科学与工程学院

1生物蓄渗设施的构造与作用

生物蓄渗又称雨水花园[1]，是城市暴雨径流最佳管理措施（BMPs）最常用的设施之一，也是低影响开发（LID）的重要组成部分。生物蓄渗设施常用来控制小范围不透水铺面内的污染径流，比如停车场、道路周边以及屋面等。生物蓄渗设施是在小块凹地上回填由土壤和有机物组成的高渗透性介质，填充的介质应使系统的入渗性能良好，并支持植物生长。典型的生物蓄渗设施包括具有一定坡度的植草缓冲带（在繁华地段一般不设置）、种有植物的溢流区、覆盖层、0.75~1.0m的填料介质和一层薄的砂滤层[2]。生物蓄渗设施的出水可用于补充地下水，在土壤不适合用生物蓄渗下渗水补给的场合，一般设置砾石层或者暗渠，暗渠连入城市排水系统，使出水最终进入地面水体。生物蓄渗设施的填料介质承担污染负荷去除的作用，覆盖层起保持土壤湿度和消解污染的作用，而砂滤层的作用是进行二次过滤以及作为填料介质和暗渠/地下土壤的过渡带。生物蓄渗设施具有多种功能包括：基流和地下水补给，污染预防与控制，河道侵蚀控制，峰值流量削减[3]。国外二十年的研究显示生物蓄渗设施出水的悬浮固体、营养盐、碳氢化合物以及重金属含量都较低，系统还能有效控制病原菌、热污染、油脂等其他问题，并且对水量的削减作用明显，可以判断进水污染负荷的降低是径流量减少和污染物浓度降低的综合作用结果如图1所示。

2生物蓄渗技术的运行效果

2.1生物蓄渗技术的水质改善

2.1.1悬浮固体（SS）

主要是自然或人为活动产生的一些细颗粒，比如粘土、细沙、植物残骸、交通工具磨损下来的颗粒、机器脱落下来的皮革粒子、病原菌等，并且颗粒上还可能携带有毒或某些重要的污染物。若以SS作为唯一的目标污染物，有过渡层和暗渠以防止细颗粒渗漏的土壤过滤装置可达到90%以上的去除率[4]。深度过滤和滤饼过滤是去除SS的两大机制，因为介质具有微小尺寸，使得大部分的颗粒通过物理拦截作用被去除。SS的直径恰好是介质孔径的1.2倍时最有利于过滤作用的发生，且间歇进水方式比连续进水方式对颗粒的捕集能力更强[4]。室内模拟试验发现进水SS不能渗透到介质深度5~10cm以下，若是现场试验装置，则不能渗透到大约20cm以下。这表明若以去除径流中的SS为主要目标，20cm的介质深度已经足够，这也被作为介质更换的深度标准。SS可能携带有毒的或是其他种类的污染物，因此有必要认识污染物的空间配置，这样有助于处理设施和维护措施的选择，比如是否应该部分或全部替换介质。

2.1.2氮（N）

生物蓄渗设施对TN的去除率为30%~60%，对NH+-N4的去除率为70%以上，NO--N3去除率为-254%~90%。对NO--N3的去除效果波动很大，因NO--N3本身的阴离子特性，使其不易为介质保持，在系统中迁移性很强[5]。在生物蓄渗设施中，径流中的N通常是先经氨化，然后在有氧条件下转化为NOX-N，再通过反硝化反应转化为N2而除去，TN的降低可以部分归因于此。生物蓄渗设施截留的NH+-N4和有机N在间歇期被氧化为NO--N3，可能导致下次降雨过程中发生出水NO--N3浓度高于进水的情况，如果生物蓄渗介质通过工程改善或在自然条件下保持一定时间的湿润状态，则可发生NO--N3的部分反硝化过程[6]。Davis[7]研究证实碎报纸是促进反硝化反应的最佳碳源之一，它能有效降低出水NO--N3的浓度，对NO--N3的去除率可达到80%。马里兰州的两个生物蓄渗设施（一个包含厌氧区，另一个没有）对NO--N3去除率分别高达90%和95%，二者在NO--N3的去除方面并无显著差异，因为两系统的土壤均自然形成具有反硝化潜能的厌氧饱和区。为了提高生物蓄渗设施对NO--N3的去除效果，建议在设施的底部创造厌氧条件以促进反硝化作用的发生。厌氧区通过两种方式实现，一是以上弯方式出水，使水不从底部流出，而是具有一定的水头高度；二是使用上层高渗下层低渗的介质来实现，使水分在上层蓄积达到强化脱氮的效果[8]。同时添加3%~5%有机质（如木屑、草炭、锯末、腐殖质、碎报纸等）为反硝化反应提供碳源。

2.1.3磷（P）

对P的去除主要是通过植物吸收和介质的渗滤作用实现。生物蓄渗试验研究显示了对P的去除率为70%~85%，而现场数据显示P的去除效果波动很大。生物蓄渗设施介质的初始P含量对P的去除效果影响很大，北卡罗来纳州的调查显示对P的去除率为-240%~65%[9]。介质的P指数高（86~100），表明介质中P已经达到饱和，P的出水浓度因介质中P的渗漏反而增加；P指数低（10~30）能使介质具有更多的可交换离子总量，对出水P浓度的降低可能有利。使用低P指数介质的设施表现出更好的P去除效果，但是P指数过低（低于10），将导致植物无法成活。因此，若P是目标污染物，那么有必要对介质进行检测，确保其指数为10~30[10]。在介质不含过量有机物的情况下，即使不种植物的生物蓄渗设施对P的去除率也高达80%。若生物蓄渗设施的介质含有高有机质成分，则会因磷酸根的净产出使得P的处理效果下降约40%左右[11]。雨水的pH变化（高于或低于中性条件）会造成土壤表面P的流失，但是P的出水浓度并不因pH变化而受影响。飞灰是一种具有巨大P吸附潜力的物质，可以作为辅助添加剂[12]。为提高P的去除效果，有必要控制介质中有机质的含量不超过10%，并适当添加粉煤灰、陶粒、飞灰等吸附剂。实际应用时，可预先分析径流中溶解态与颗粒态P的分布，若颗粒态P的比例高，采用普通的过滤介质就可以达到较好的P去除效果；若溶解态P的比例高，可以考虑选择富P植物或者向介质中添加吸附剂。

2.1.4重金属

生物蓄渗设施进水中重金属浓度不高，通常为μg／L水平，大部分的重金属可在覆盖层及介质的上表层除去。通过截留颗粒态以及吸附溶解态的重金属，生物蓄渗工艺对大部分重金属都能有效去除。Davis等[13]研究不同性质的雨水流经生物蓄渗设施时的运行效果，结果显示进水的pH、持续时间、强度和重金属浓度对系统内重金属的去除效果影响很小，同时也发现颗粒态金属如铝和砷与溶解态金属如铜和锌的去除机理是不同的。Sun等[14]发现88%~97%的进水重金属被土壤拦截，只有0.5%~3.3%的重金属在植物中积累，但仍可通过收割吸附重金属达饱和的植物以去除重金属。重金属仅有小部分被植物吸收是由于植物的种植密度非常低，因此为防止重金属在生物蓄渗设施中累积，可以提高植物的种植密度并且及时收割吸附重金属达饱和的植物。

2.1.5病原菌

从理论上看，生物蓄渗设施收集和过滤雨水之后，逐渐干燥，细菌随之暴露在干燥环境和阳光刺激之下，大部分会被杀灭。Hunt等[15]早期对指示菌种的研究显示生物蓄渗设施对它们有显著的去除效果，总大肠杆菌和粪大肠杆菌的去除率都约70%，Rusciano等[16]的试验研究得到了高达91.6%的粪大肠杆菌平均去除率。吸附和过滤是细菌从污水中去除的两大主要机制。（1）在孔隙大于细菌体积的介质中，拦截细菌的主要机制是吸附作用，双电层理论可用来解释这种吸附反应发生的过程。双电层理论认为颗粒相互吸引都发生在一个较短的距离（称为初级最小：≤1nm）和一个较长的距离（称为二次最小：5~10nm）处，在这两个最小距离之间则是静电斥力最强的区域[17]。细菌吸附到固体表面时发生了两个步骤：第一步是可逆吸附，发生在细菌与介质表面的距离处于二次最小距离处，此时细菌克服其与表面的斥力，吸附到表面上；第二步是不可逆吸附，也称为粘附，是一种需要大量能量的永久作用。（2）过滤机制则是细菌穿过孔径小于细菌尺寸的孔道时发生的物理堵塞作用。因淤泥、粘土和细沙的孔径在大多数细菌的尺寸范围内，故介质的过滤作用可能成为阻止细菌进入水体的主要途径。土壤含有一些细颗粒（如粘土和细沙）可以促进病原菌的物理拦截作用，因此可适当增加填充介质的细颗粒含量以去除病原菌[18]。酸性环境下，病原菌的死亡率可能升高，因此出水pH越低似乎越有利于去除细菌，但是低pH条件会损害受纳水体的功能，新泽西州环保局提出pH的水质标准是6.5~8.5。目前认为最有效的提高病原菌去除效果的方式就是优化介质的组成，可以参照标准和经验设计。

2.1.6油脂

采用进水油脂浓度为20mg／L的人工合成雨水进行试验，发现生物蓄渗设施对油脂的平均去除率达96%[19]。覆盖层中天然存在的细菌能在几天内降解掉生物蓄渗设施拦截的碳氢化合物，表明覆盖层可能是生物蓄渗设施中一个持续稳定的有机污染物控制点，Hong等[20]的试验论证使用草皮覆盖层可减少碳氢化合物的积累。由于油脂一般为持久性污染物，当生物蓄渗系统截留的油脂达到饱和时，系统对油脂的滞留作用可能消失，故需要考虑生物蓄渗系统油脂的积累问题。当设施运行一段时间后，若系统对油脂的去除效果变差，可以考虑更换覆盖层，覆盖层宜选用成本不高的材料。

2.1.7多环芳烃（PAHs）、温度、pH和溶解氧

Blasi等[21]以USEPA公布的16种优先控制污染物（PAHs）为研究对象，发现生物蓄渗设施对PAHs的总去除率达90%。相对于取自更大深度的土壤样品，生物蓄渗系统上部10cm处的样品中PAHs浓度更大，排布更有序，从而可知为降低PAHs负荷，较浅的介质深度已经足够。早期的研究显示生物蓄渗设施可将进水温度降低5~10℃，证明生物蓄渗系统可降低但是无法消除雨水中的热污染。Sam等[22]研究发现在降雨事件中，出水溶解氧的浓度呈上升趋势。生物蓄渗设施的介质具有将pH缓冲至6.0~8.0的巨大能力，故系统出水的pH并无明显波动。

2.2生物蓄渗技术的水力性能

生物蓄渗通过延迟或削减洪峰流量、降低出流体积、同时提高下渗水量，能够有效消解因不透水路面引发的地表径流。维拉诺瓦的现场调查数据显示雨水渗透作用在整个大暴雨降雨事件中持续存在。该场址设计径流量为2.5cm，当降雨量不超过5.7cm时，不会产生溢流[23]。北卡罗莱纳的生物蓄渗设施对3.8cm的暴雨洪峰径流的削减率达99%，并且削减能力不受土壤渗透率和流量捕集大小的影响[24]。生物蓄渗在小降雨事件中通常有着良好的水力削减性能，但是在极端降雨情况下，运行效果会下降。提高生物蓄渗设施表面积与排水区域面积的比例、增加介质的深度，可在一定程度上提高生物蓄渗设施在大降雨事件中的表现。在我国径流污染较重的情况下，建议采用渗透速率较大的介质，以提高生物蓄渗设施在大降雨事件中的水力性能。

3生物蓄渗技术的设计

3.1生物蓄渗设施表面积的设计方法

生物蓄渗设施常用的设计方法有3种。（1）基于达西定律的渗滤法；（2）初期径流容积法；（3）基于汇水面积的比例估算法。国内初期雨水的污染问题已经得到广泛的重视，将生物蓄渗技术作为初期雨水的控制措施，需要对当地初期雨水特性及量化标准进行研究，并根据初期雨水量确定设施规模。在有丰富的经验时，采用比例估算法比较简单如表1所示。

3.2介质选择

选择合适的介质对污染物的有效去除起着关键作用。各个地区土壤性质不同，介质的具体组成也有差别。比如马里兰州使用50%砂、30%表层土以及20%有机质（如木屑、腐叶）的混合介质、而特拉华州使用1／3砂、1／3泥炭、1／3有机物的混合介质，不过这两种介质的成本都较高；北卡罗莱纳州采用的介质由85%~88%的砂、8%~12%的粘土以及3%~5%的有机物组成，成本相对较低。在设计时要根据当地的具体情况来选择介质，若当地土壤类型满足粘土、有机质、渗透速率和植物生长的需要，可选择单一的土壤作为填料介质，否则应采用混合介质。因土壤添加物的成本通常较高，需根据当地材料的供应能力而定，选择最具成本效益的添加物类型。介质的深度最好不低于0.6m，种植有树木的介质，其深度不得低于1.2m。近年来发现更多能在浅层土壤中生存的植物，因而介质层的深度可以降低，提高了生物蓄渗系统在地下水位高的地区的适用性。目前介质规范正在走向具体化与实用性。

3.3植物选择

生物蓄渗设施中植物的工程效益没有得到很好的定量，但是研究证实植物能通过多种途径促进设施的短期以及长期运行效果。植物选择应遵循以下原则：耐旱、且耐水淹时间在48h以上的陆生植物；根系发达的多年生本土植物，可以疏松土壤、增强渗透能力；考虑物种的合理规划与搭配，兼顾景观性与去污性。可供生物蓄渗设施使用的植物品种包括湿生、水生植物及耐水湿的乔木品种，也可使用具有一定耐涝能力的草坪草和观赏草。在我国可选植物如表2所示。

4结论

生物蓄渗工艺通过过滤、吸附以及生物等作用，能降低污染负荷，针对特定目标污染物还能依靠装置的设计、介质的优化和植物的选择等来达到强化去除的效果。同时生物蓄渗技术能够削减洪峰流量、控制径流量，是目前较受欢迎的暴雨最佳管理措施。但有关生物蓄渗设施的设计与运行参数需要进一步研究和深化，逐步建立起囊括水质、水量以及生命周期成本等各方面的有效设计导则。研究的方向包括预处理方式与暗渠系统的设置、介质的深度与组成、植物选择、维护措施与寿命估算、装置设计的成本与效益等。