生物滯留設施的水質與水量控制效果分析

楊正，郭大煒，張孟強，蘇晉國，張新玉，于艷艷

(1.北京雨人潤科生態技術有限責任公司，北京100089；2.北京建工建筑設計研究院，北京100044；3.北京建筑大學，北京100044；4.青島市李滄區城市管理局，山東 青島266100）

1 引言

生物滯留設施是典型的LID/GSI 設施，在海綿城市建設中應用廣泛。國外早已對生物滯留設施開展了系統的研究和工程應用，如美國馬里蘭大學的Davis，北卡羅來納大學的Hunt等，通過總結分析存在的問題與經驗，可為其在我國的推廣應用提供借鑒。

2 定義與分類

不同地區對生物滯留設施的定義略有不同，主要從結構、凈化機理和功能等方面對其進行描述：生物滯留設施一般建造在地勢低洼處（高位花壇除外），通過蓄水沉淀，土壤、植物、微生物滲濾等過程實現水質凈化、削峰減量等功能[1]。

按結構分為預處理設施、蓄水層、樹皮覆蓋層、植物、種植土和填料層和礫石層（自上而下），需回用或集中排放時可在礫石層中埋置集水穿孔管。根據外觀、大小、建造位置和適用范圍分為雨水花園、種植池、滯留帶和樹池4 種[2]。

3 水質控制效果

3.1 總體控制效果

參照美國馬里蘭州生物滯留設施設計手冊，其對典型污染物去除效率如表1 所示。雖然該設施在發達國家已廣泛應用，但仍存在一些問題，如對氮、磷的去除效果不穩定等。

表1 生物滯留設施的污染物去除效率

3.2 氮的去除

生物滯留設施中氮的去除經歷了氨化、硝化、反硝化的過程，最終轉化為氮氣去除。首先，徑流中的有機氮很容易發生氨化作用轉化為氨氮，氨氮的去除主要通過硝化作用轉化為硝酸氮，揮發和吸附會去除極少量的氨氮。Hatt 等研究發現，在徑流中NH4-N 轉化為NH3-N 的過程只有在pH 高于7.5～8的情況下才可能發生，同時，土壤顆粒會優先吸附鐵、錳、鈣等金屬離子，而造成對NH4-N 的吸附能力較弱。

硝化反應即氨氮在有氧的條件下轉化為硝酸氮的過程。但由于NO3-不易被土壤吸附，在反硝化效率不高的情況下，2 場降雨的間隔期內，在土壤中易發生硝化反應產生的NO3-N濾出，進而發生第二場降雨出水NO3-N 濃度大于進水的情況。

生物滯留池中的氮最終通過反硝化作用去除，但由于普通生物滯留池很難滿足一定時間的厭氧條件，所以，反硝化反應效率較低，造成對NO3-N 的去除效果較差。

近年來，Davis 等人對設施的除氮效果進行了研究，發現在室內或室外監測的總氮去除效果都不穩定，去除效率為-312%～58.4%，對硝酸氮的去除效率尤其不穩定，為-650%～84.6%。

針對厭氧條件難以保證使得反硝化反應難以發生，造成生物滯留設施除氮效果較差的情況，Kim 等人提出，通過對出流管的改造來創造生物滯留池內部淹沒區，可以保證一定的停留時間來創造厭氧條件，提高反硝化反應效率。

此外，反硝化的進行還需要一定的碳源作為電子供體，因此，可以在填料中添加不同的有機物來增加碳源，Kim 等在2003 年的研究中得出合適的添加物包括：樹皮、碎報紙、鋸末、麥秸和木屑等。

3.3 磷的去除

雨水徑流中的磷主要來源于肥料、汽車尾氣、洗滌劑等，以有機態或無機態等形式存在，循環轉化過程包括溶解與析出、吸附與解析、植物吸收等過程。

少部分磷呈顆粒態，吸附在懸浮物表面，通過土壤的過濾作用去除。絕大部分的磷以溶解性磷酸鹽形式存在，通過化學吸附沉淀到土壤填料中。土壤填料對磷的吸附能力與其中Ca、Al、Fe 等金屬離子的含量密切相關，且隨進水負荷的增加，對磷的吸附能力會逐漸減弱，最終會達到吸附飽和狀態。

一些國外研究者研究了設施的除磷效果，發現磷的去除效率在-240%～79%，去除效果極不穩定，且由于磷的釋放，同樣會發生水濃度大于進水的情況。有研究表明，若土壤填料中所含磷的本底值過高，則容易造成磷的釋放，Chrysostome 等通過研究，得出可以用磷的飽和指數PSI 來衡量土壤中磷的吸附能力和釋放風險。

為提高土壤填料對磷的吸附能力，可向填料中添加適當的添加物，自來水廠脫水鋁污泥（Al-WTR）已被證明為提高磷去除效率的有效添加物。添加到生物滯留池中的量一般可為填料總質量的6%～10%。其他有效的添加物包括紅泥（精煉鋁土礦到鋁的副產品）、爐渣、石英砂、鋼絲絨等。

4 水量控制效果

由于降雨的隨機和地域性差異，以及措施的規模和設計不同，針對生物滯留設施對徑流流量的控制，不同地區有不同的數據。例如，Hunt 等對美國北卡羅來納州夏洛特市市政服務中心旁的生物滯留設施進行實驗監測，在2004—2005 年期間選取16 場降雨，降雨量為2.0～39.9mm，實驗數據顯示對峰值削減至少可達到96.5%。

在生物滯留設施設計過程中，可借用模型對它的水文效應進行分析，RECARGA 是由Wisconsin 大學研發的專門針對生物滯留池的水文性能進行分析和設計的軟件，具有界面友好、操作簡單等特點。可以通過RECARGA 軟件對生物滯留池在徑流削減、地下水入滲補給、積水時間、總處理水量等方面進行模擬，從而為生物滯留設施的合理設計提供理論依據。

5 結語

生物滯留設施目前在美國等發達國家已進行了大量的研究和應用，但在進行實驗研究和實際工程中都發現生物滯留技術還存在諸如氮磷去除效果不穩定等問題，雖然提出了相應的技術改進方案，但仍需要在實際工程中對其長期的運行效果進行考察和驗證。借鑒國外已有的研究成果，可以優化生物滯留設施設計，使其在海綿城市建設過程中更好地發揮對雨水徑流水質與水量的控制效果。