毛月鵬 汪志榮 史怡然 楊 巧 潘聲遠

(天津理工大學環境科學與安全工程學院，天津 300384)

當今社會經濟快速增長使得城市化進程逐漸加快，建筑、路面等各種人工不透水構筑物不斷增加，這不僅改變了原有下墊面屬性，還導致城市地表徑流量和徑流水質發生巨大變化[1]。屋面作為承接大氣干濕沉降的主要載體，占城市不透水下墊面的50%～75%[2]。由于干濕沉降和屋面材料自身老化、腐蝕導致的屋面徑流污染日趨嚴重。眾多研究發現屋面徑流污染嚴重，屋面徑流中污染物濃度隨降雨時間增加而逐漸降低，并存在顯著的初期沖刷效應[3-5]。由于屋面徑流量較大，因此一些城市將屋面徑流收集存儲，用于綠化灌溉或者直接入滲補充地下水，這對緩解城市缺水和減緩地下水位下降具有重要意義。

生物滯留池是低影響開發(LID)技術中應用最為廣泛的城市地表徑流控制措施之一，其包括填料、植物、微生物3部分，具有良好的水質控制能力。研究發現懸浮物(SS)和重金屬的去除主要依賴生物滯留池的過濾截留作用，SS和重金屬的去除較為穩定，去除率高達90%[6-9]。然而生物滯留池對徑流中TN和TP的去除仍然存在去除率波動大，易浸出等問題。研究發現，生物滯留池對徑流中TN的去除率為-123.0%～84.2%， TP的去除率為77.3%～97.1%[10-15]。同時部分研究發現TP存在易浸出，去除率為負值的現象[16]。

生物滯留池的土壤層一方面控制著整個生物滯留池的滲透速率，另一方面為植物和微生物提供了生存環境，在水量和水質控制方面發揮著重要的作用。生物滯留池的進水方式決定了使用場景，如在人行道、中間隔離帶可以設置成側向進水，而在一些洼地則可以設置為表層進水，充分發揮地理位置優勢。目前的生物滯留池絕大多數高出地面，徑流難以自然流入，重新規劃建設費時費力，改進生物滯留池的進水方式最為經濟。

本研究以屋面徑流作為生物滯留池的控制對象，研究不同土壤層厚度和不同進水方式對生物滯留池出水水質的影響。

1 材料與方法

1.1 實驗場地和裝置

1.1.1 實驗場地

為了最大程度模擬實際生物滯留池的運行環境，需要將生物滯留池置于土壤中，故在教學樓外選擇了一塊離雨落管較近的林地作為實驗場地。首先根據實驗需要，挖掘出長、寬、深分別為3.0、2.5、1.0 m的池子，用于放置生物滯留池。

1.1.2 生物滯留池的安裝

如圖1所示，實驗設計了3個生物滯留池。生物滯留池的主體為長0.8 m、寬0.8 m、高0.8 m的防腐木箱，內部鋪設防水膜(0.5 mm厚)，底部安裝穿孔排水管，排水管一直延伸到箱體外部，外部接球閥。在生物滯留池內部排水和防水工作結束后，將其放置于室外挖掘好的池內，然后開始裝填料。

1.1.3 生物滯留池植物的選擇

通過之前研究草、鳶尾(IristectorumMaxim.)和八寶景天(Hylotelephiumerythrostictum(Miq.) H.Ohba)對生物滯留池出水的影響發現，種植八寶景天的生物滯留池出水明顯好于其他幾組，因此本研究選擇種植八寶景天。

1.2 生物滯留池結構

生物滯留池內部介質包括粗砂、土壤、礫石和土工布，表1為生物滯留池填料的理化性質。按照圖1的結構填充生物滯留池，分別裝填1.44、1.40、1.35 g/cm3的粗砂、土壤、礫石，土工布厚度為0.6 mm。土壤層每裝填5 cm，層間打毛。在土壤層裝填完后種植八寶景天，種植密度為25棵/m2。

1.3 實驗方法

1.3.1 生物滯留池的進水與出水

選擇天津理工大學校園內一屋面，并選擇一個雨落管，該雨落管控制的屋面面積大約為215 m2。降雨時收集雨落管流出的全部徑流，并將收集的徑流倒入聚乙烯桶中，降雨停止后一天開始生物滯留池實驗。將存儲的屋面徑流攪勻，先采集1.5 L存儲后的水樣分析水質指標，然后將收集的屋面徑流平均分為3份，分別作為3個生物滯留池的進水。通過此種方法收集屋面徑流，受到降雨量、徑流系數等的影響，每次生物滯留池的進水量也有所變化。將均分后的徑流一次性分別加入3個生物滯留池中。

注：15 cm-表層表示生物滯留池內部土壤層厚度為15 cm，進水方式為表層進水，其余類推。圖1 生物滯留池的結構Fig.1 Structure diagram of bioretention cells

表1 填料的理化性質

在取樣口開始出水時，開始記錄時間并分別收集0～5、5～10、10～15、15～20、20～30、30～40、40～50、50～60、60～90 min的全部水樣，記錄體積，然后取1.5 L用于測定SS、pH、COD、TN、TP等水質指標。pH、SS、COD、TN、TP分析方法分別為玻璃電極法、重量法、重鉻酸鹽法、堿性過硫酸鉀紫外分光光度法、鉬酸銨分光光度法[17]。

1.3.2 生物滯留池對屋面徑流的控制效果

得到水質數據、水量數據后，計算進出生物滯留池的污染物總量和各污染物的總去除率。

2 結果與討論

2.1 生物滯留池進水

實驗期間共采集4次屋面徑流，分別為2018年8月13日、8月19日、8月30日和9月19日。生物滯留池實驗控制的屋面徑流水質如表2所示。由表2可知，屋面徑流污染較嚴重。屋面徑流的pH較為穩定，基本是中性。COD、TN為《地表水環境質量標準》(GB 3838—2002)劣Ⅴ類。屋面徑流中TP濃度較低，為GB 3838—2002 Ⅰ、Ⅱ類，因此下文中生物滯留池出水TP濃度不再分析，只分析TP的去除率。

2.2 生物滯留池出水

2.2.1 pH和SS

表3為生物滯留池出水SS和pH。在土壤的緩沖作用下，生物滯留池出水pH為7.20～7.71，出水SS為9.2～34.5 mg/L。

2.2.2 COD

如圖2所示，4次實驗3個生物滯留池出水COD均大幅低于進水。對于不同土壤層厚度的表層進水生物滯留池而言，生物滯留池進水COD質量濃度為173、212 mg/L時(即圖2(c)和圖2(d))，裝填15 cm土壤的生物滯留池的出水COD質量濃度約為裝填20 cm土壤的生物滯留池出水的1.4～3.5倍；生物滯留池進水COD質量濃度為142、125mg/L時(見圖2(a)和圖2 (b))，不同土壤層厚度的表層進水生物滯留池前期出水COD質量濃度接近，后期依然是裝填20 cm土壤的生物滯留池出水COD略低一些，由于裝填15 cm土壤的生物滯留池出水量更大，所以出水COD總質量較大。這說明土壤層越厚越有利于降低進水中的COD。

對于不同進水方式而言，當進水COD質量濃度較低時，側向進水的生物滯留池出水COD質量濃度略低；當進水COD質量濃度較高時，側向進水的生物滯留池在前期出水較高，后期兩種進水方式的生物滯留池出水COD質量濃度無顯著差異。

2.2.3 TN

如圖3所示，8月19日生物滯留池進水TN較低，為2.91 mg/L，8月13日生物滯留池進水TN質量濃度為6.54 mg/L，而8月30日和9月19日生物滯留池進水TN質量濃度較高。4次實驗生物滯留池的出水TN質量濃度均大幅低于進水，說明3個生物滯留池對TN的去除效果較好。

對不同土壤層厚度的表層進水生物滯留池而言，裝填15 cm土壤的生物滯留池出水TN質量濃度，無論進水TN質量濃度高低，均高于裝填20 cm土壤的生物滯留池出水TN質量濃度，裝填15 cm土壤的生物滯留池出水TN是裝填20 cm土壤生物滯留池的1.3～5.7倍。

表2 生物滯留池進水水質

表3 生物滯留池出水pH和SS

圖2 生物滯留池出水COD變化Fig.2 Changes of COD in the effluent of bioretention cells

圖3 生物滯留池出水TN變化Fig.3 Changes of TN in the effluent of bioretention cells

對于不同進水方式同樣土壤層厚度的生物滯留池而言，8月19日側向進水的生物滯留池前期出水顯著高于表層進水，后期出水TN幾乎一致。8月13日兩種進水方式的生物滯留池出水TN相當。8月30日和9月19日生物滯留池出水TN同時還受進水量的影響。8月30日進水量為42.5 L，側向進水的生物滯留池前期出水TN質量濃度遠高于表層進水的生物滯留池，后期則略高于表層進水的生物滯留池。而9月19日進水為75.0 L，側向進水的生物滯留池出水TN是表層進水生物滯留池的2.9～3.7倍。

2.3 生物滯留池的凈化效率

生物滯留池出水pH與SS隨時間基本無顯著變化，SS去除率為92.2%～98.7%。

圖4為3個生物滯留池分別對8月13日、8月19日、8月30日和9月19日屋面徑流中COD、TN和TP的總去除率。

裝填15、20 cm土壤，表層進水的生物滯留池對COD的去除率分別為71.1%、91.7%，對TN的去除率分別為65.6%、93.8%，對TP的去除率分別為15.2%、70.1%。裝填20 cm土壤的生物滯留池各污染物的去除率至少高20百分點，TP甚至高約55百分點。這說明生物滯留池內部土壤層厚度對屋面徑流中污染物的去除發揮了重要作用。

裝填20 cm土壤表層進水和側向進水的生物滯留池對COD的去除率分別為91.7%、90.4%，對TN的去除率分別為93.8%、86.5%，對TP的去除率分別為70.1%和72.7%。側向進水的生物滯留池除了TP去除率略高于表層進水的生物滯留池外，其余均是表層進水生物滯留池污染物去除率較高，高約1.3～7.3百分點?？傮w來看，兩種進水方式的生物滯留池污染物去除能力相當，表層進水略優于側向進水。

3 結 論

(1) 實驗采集的屋面徑流污染嚴重，屋面徑流的COD、TN為GB 3838—2002劣Ⅴ類，而TP質量濃度較低，為GB 3838—2002 Ⅰ、Ⅱ類。

(2) 生物滯留池出水pH和SS無顯著變化，而對于不同土壤層厚度的表層進水生物滯留池而言，土壤層為20 cm的生物滯留池出水污染物質量濃度低于土壤層為15 cm的生物滯留池；對于不同進水方式的生物滯留池而言，表層進水的生物滯留池出水COD質量濃度較高，TN較低。

圖4 生物滯留池對屋面徑流中污染物的去除率Fig.4 Removal efficiency of pollutants in roof runoff by bioretention cells

(3) 3個生物滯留池的SS去除率為92.2%～98.7%。土壤層為20 cm的表層進水生物滯留池污染物去除率顯著高于土壤層為15 cm的表層進水生物滯留池。土壤層為20 cm的表層進水生物滯留池對COD、TN和TP平均去除率分別為91.7%、93.8%、70.1%。

(4) 表層進水和側向進水的生物滯留池對COD、TN和TP的去除能力總體相當，裝填20 cm土壤，表層進水和側向進水的生物滯留池對COD的去除率分別為91.7%、90.4%，對TN的去除率分別為93.8%、86.5%，對TP的去除率分別為70.1%和72.7%。