紅壤區填料沙土配比對生物滯留池環境水文效應的影響

李 英， 涂安國， 張華明， 胡 欣, 袁瑾雯， 昝玉亭

(1.江西省土壤侵蝕與防治重點實驗室， 江西 南昌 330029； 2.江西省水土保持科學研究院， 江西 南昌 330029)

1 研究背景

隨著城市化進程的快速推進，不透水下墊面比例不斷增加，由此造成了城市洪澇災害頻發和水體污染[1-3]。生物滯留系統作為海綿城市建設的主要措施之一，是一種以滲濾為基礎的城市雨洪管理措施，具有較強的徑流調節及污染物凈化能力[4-6]。填料組成和配比設計是保證生物滯留系統水文調節和污染去除性能發揮的關鍵因素[7-9]。目前，國內外學者針對如何提高生物滯留設施的污染物去除效果和水文調節性能，在填料的選擇及配比優化方面做了大量的研究[10-11]，但對于如何綜合提高生物滯留設施的環境水文性能研究相對較少。選擇黏粒含量高、富含鐵、鋁的材料作為生物滯留設施的填料組成，可提高其對地表徑流氮、磷的去除能力[12]。已有試驗結果表明，較低的滲透率有利于提高生物滯留池的脫氮效果[13]。但是當填料黏粒含量高時，水分的滲透能力會衰減，生物滯留設施的水力負荷將降低，不能滿足對地表徑流的調節和凈化要求。當基礎土壤的滲透系數達不到生物滯留設施要求的3.6 cm/h時，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節和污染物去除性能。

每個地區土壤類型不同，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大多在1×10-6～1×10-5cm/s，遠達不到生物滯留系統所需滲透系數。同時，南方紅壤地區年降雨量豐沛且集中，次降雨量可高達200 mm以上，當地面不透水時，暴雨極容易造成超大地表徑流，這更需要添加外來物質改善其透水性，提高對地表徑流調節能力。本研究擬設計不同比例的河沙摻入紅壤填料以改變其透水性，比較分析其對生物滯留池系統的水文調節和污染物去除效果，以期確定合理的河沙摻入比例，為紅壤區生物滯留設施填料組成配置提供科學依據。

2 材料與方法

2.1 試驗裝置

試驗由配水水箱、蠕動泵、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個內徑為300 mm的有機玻璃管制成(見圖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過濾層和30 cm反濾層。反濾層由上面填細沙10 cm、下面填入礫石20 cm組成。實驗所裝填的紅壤土(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，土樣需經自然風干和過篩(孔徑2 mm)。紅壤土土樣有機質含量為0.37%，黏粒(<0.002 mm)含量為24.65%，粉粒(0.002～0.05 mm)含量為51.82%。采用蠕動泵供水，上方進水，底部出水。

圖1 生物滯留池試驗裝置示意圖(單位：cm)

2.2 試驗設計

過濾層分別按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)等沙土比設置5組處理。在準備好土樣后，先測定土的初始含水率(若實驗要求按一定的含水率裝土，則須先對土樣進行制備)。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算每層所要填裝的土量)。開始裝土時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，然后用擊實器擊實，使得裝入的土與該層事先標定好的線相平齊，然后用適當的工具拋毛(以保證土體密度的均一性)，然后進行下一層土的填裝，裝土時須保證層與層之間的良好接觸，不能出現明顯的分層現象。摻沙后生物滯留池填料層的飽和導水率隨摻沙率的變化見圖2。

圖2 填料層飽和導水率隨摻沙率的變化

2.3 試驗方法

試驗進水強度根據江西省建筑設計院制定的南昌市暴雨公式計算得出：

(1)

式中：q為暴雨強度，mm/min；p為設計重現期，a；t為降雨歷時，min。

根據暴雨強度、濾柱匯水面積和徑流系數(取0.9)計算得到重現期為 1 年、5 年一遇120 min供水流量分別為163、197、217、242 mL/min。根據蠕動泵流量精度，試驗進水強度分別取170、200、220、250 ml/min。采用蠕動泵控制恒定流量持續進水120 min。

生物滯留設施對徑流水質控制效果的試驗用水根據南昌市多年平均降雨初期道路徑流水質各項污染物指標的平均濃度人工配制而成，原水為自來水。采用硝酸鉀、氯化銨、磷酸二氫鉀和葡萄糖配置成進水硝氮濃度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。

在進行試驗之前，在配置好濃度的供水容器中再取樣一次，最終確定進水水體中各指標的濃度。試驗過程中，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 結果與分析

3.1 沙土比對生物滯留池的水文過程影響

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程曲線(圖3)可知，當紅壤填料中摻入20%、50%、80%、100%河沙時，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，當填料組成為80%和100%河沙時，其底部出流過程相差不大。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間均要大。這是由于隨著降雨強度的增加，設施表面積水深度升高的速度隨之加快。而根據達西定律，水力坡度與水流的下滲速率呈正比關系，這必將造成濕潤鋒下移的速度加快，穿過底部的時間變短，底部出流開始時間也越早，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特征(表1)可知，不對紅壤填料進行處理時，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。當摻入20%的河沙時，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。當河沙摻入達50%時，無論時1年一遇還是5年一遇暴雨下，地表徑流處理率均達100%。同時，摻沙后將顯著減少積水深度和積水時間，當河沙摻入達80%時，1年一遇和5年一遇暴雨下的積水時間均為0。而積水時間減少可有效減少設施的表面積[17]。結合不同摻沙比例下生物滯留池底部出流過程(圖3)可知，隨著摻沙比例的增加，生物滯留池的出流延遲時間減小，而洪峰削減率呈下降趨勢，但差異不明顯。徑流處理率則呈現變大的趨勢。

圖3 不同摻沙比例下生物滯留池底部出流過程

表1 不同摻沙比例下生物滯留池水文參數特征

3.2 沙土比對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施的底部出流滯后時間不一樣，為比較不同處理間徑流污染物去除效果，研究以底部出流時刻為起點，分析底部出流的污染物濃度變化過程。由不同出流污染物濃度變化過程曲線(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%時差異不明顯。初始底部出水硝氮濃度高于進水濃度，但后期隨時間增加其濃度逐漸下降，且在填料摻沙80%以上時可低于進水濃度。對比進水濃度，生物滯留池可有效降低底部出流中的氨氮和總磷濃度，但摻沙比例對其濃度變化的影響無明顯規律。在同一時刻，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。初始時生物滯留池對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定的趨勢。尤其是在高水力負荷和高摻沙比例時，后期出水污染物濃度反而高于進水濃度。

圖4 不同摻沙比例下底部出流各污染物濃度變化過程

4 討 論

短期條件下，進水中污染物的去除主要是靠填料的物理過濾和吸附作用。生物滯留池對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]。填料本身帶有負電荷，對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，對磷酸鹽具有很強的吸附作用[19]。初期硝氮不但沒有得以去除，反而出現了出水濃度高于進水的現象。氮素析出現象，尤其是硝態氮的析出已被大量實驗室研究和工程性研究所證實[20-21]。這可能是因為填料中硝氮含量較高且不易被多孔介質吸附，在徑流的淋溶作用下極易排出。但隨著運行時間的延長，生物滯留池對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40%以上。試驗過程中，初始時生物滯留池對COD具有很好的去除效果，在低水力負荷和低摻沙量下去除率可達80%。但在隨后的進水過程中出現COD嚴重淋出現象。因此，應用河沙于實際生物滯留措施時，應當將河沙徹底清洗干凈，防止河沙本身帶有的氮和有機物進入滯留設施跟隨雨水流出，造成出水氮和COD濃度升高。

填料種類和級配是影響生物滯留池脫氮除磷效果的關鍵因素。由于紅壤黏粒含量高，其土壤飽和導水率很低，無法滿足生物滯留池填料滲透性要求。填料摻沙后，其土壤導水率呈冪函數關系增長，導水性得到極大改善。當填料中摻入80%以上的河沙時，生物滯留池可全部處理試驗區5年一遇暴雨強度的地表徑流。滲透性提高的同時，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定去除率可達40%左右，與摻沙100%處理相差不大。但對于COD的去除率卻隨著摻沙量的增加而下降。摻沙量對氨氮和總磷的去除率影響不大。因此，對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污染物去除目標而定。

需要特別指出的是，本次試驗時間很短，不具備反硝化反應發生的條件，污染物去除主要是通過填料的物理過濾和吸附作用，生物作用以及污染物之間的轉化可忽略。但長持續時間條件下有機氮會向硝氮發生轉化[22]。因此，試驗得出的結果對于長期運行的生物滯留池是否確切仍需要再深入的觀測和分析。對于南方紅壤區雨季降雨頻繁且量大、生物滯留系統徑流水力停留時間較短的條件下，本研究的結果仍具有參考價值。

5 結 論

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

(2)生物滯留池對硝氮的去除率隨著摻沙比例的增加而增加，但對COD的去除率則隨著摻沙量的增加而下降，對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節和污染去除效果，20%紅壤土與80%河沙混合是填料較為科學的沙土配比。