澳大利亞生物滯留池技術(shù)在中國(guó)的雨水處理能力驗(yàn)證

王淼 李秀玉 胡玖坤 田亮

摘要：指出了生物滯留池作為海綿城市的重要技術(shù)之一，可以有效地防止面源污染和控制雨水徑流。研究監(jiān)測(cè)了一個(gè)參照澳大利亞《雨水生物滯留系統(tǒng)設(shè)計(jì)導(dǎo)則》建設(shè)的雨水生物滯留池，分析了其對(duì)自然降雨事件中水量和水質(zhì)的控制效果，驗(yàn)證了其在中國(guó)的應(yīng)用。結(jié)果表明：此類雨水生物滯留池對(duì)降雨量小于lOmm的中小型降雨具備很好的徑流控制能力，能有效地延緩洪峰流量。同時(shí)，該系統(tǒng)對(duì)TSS、TP、TN、COD、BOD5以及糞大腸茵群均有較好的去除效果。此外，生物滯留池植物的生長(zhǎng)和進(jìn)水負(fù)荷會(huì)對(duì)污染物的去除效果產(chǎn)生一定的影響。

關(guān)鍵詞：生物滯留池;面源污染;海綿城市;徑流削減;污染物去除

中圖分類號(hào)：X522 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-9944（2019）18-0061一05

1引言

隨著城市化進(jìn)程的加快，硬化路面比例的增大，地表雨水徑流顯著增加，大量雨水徑流通過市政雨水管網(wǎng)直接排入自然終端水體。然而，由于地表雨水徑流污染現(xiàn)象日益嚴(yán)重，所形成的面源污染已經(jīng)成為終端水體惡化的主要因素。美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局（USEPA）的報(bào)告中也將城市雨水徑流和雨水管網(wǎng)排水列為河流第四大污染源（13%），湖泊第三大污染源（18%）以及河口第二大污染源（32%）。因此，面源污染的治理也成為水環(huán)境治理的重要組成部分，雨水污染物的去除對(duì)黑臭水體防治、水資源再利用有重大的意義。為了控制雨水徑流、防治面源污染，緩解終端水體水質(zhì)惡化的問題，海綿城市（Sponge City）作為一種新型城市水環(huán)境規(guī)劃理念，旨在使用不同的低影響開發(fā)（LID）設(shè)施，實(shí)現(xiàn)資源與環(huán)境的協(xié)調(diào)發(fā)展。

作為海綿城市重要的設(shè)施之一，雨水生物滯留池（Bioretention），又叫生物濾池（Biofilter）或雨水花園（Rain Garden），是利用自身的結(jié)構(gòu)、填料的組成以及種植的植物，對(duì)雨水徑流進(jìn)行蓄存，并可以對(duì)污染物進(jìn)行去除的海綿城市設(shè)施，其在削減徑流峰值、提升水質(zhì)方面具有良好的效果。因雨水生物滯留池還具備設(shè)計(jì)靈活、運(yùn)行維護(hù)成本低的特點(diǎn)，已經(jīng)在歐美等西方國(guó)家開展廣泛應(yīng)用。

在澳大利亞，雨水生物滯留池已經(jīng)進(jìn)行了多年的實(shí)驗(yàn)室研究，并形成了《雨水生物滯留系統(tǒng)設(shè)計(jì)導(dǎo)則》（Adoption Guidelines for Stormwater Biofiltration Sys-tems）（以下簡(jiǎn)稱《導(dǎo)則》），有效地促進(jìn)了該技術(shù)在澳洲以及其它國(guó)家（如新加坡、以色列等國(guó)）的推廣和應(yīng)用。國(guó)內(nèi)對(duì)于雨水生物滯留池的研究起步相對(duì)來說較晚，因雨水生物滯留池是基于自然生態(tài)的處理系統(tǒng)，處理能力受不同的氣候條件、植物選擇的影響，因此其在中國(guó)的應(yīng)用需要基于一定的本土化研究。本研究根據(jù)《導(dǎo)則》并結(jié)合當(dāng)?shù)氐臍夂?、植物等情況，在江蘇鎮(zhèn)江建設(shè)了一處大型中試雨水生物滯留池，用來收集和處理周邊屋面和路面雨水徑流。本文通過對(duì)該系統(tǒng)的水質(zhì)和水量展開監(jiān)測(cè)，以驗(yàn)證其對(duì)污染物的去除能力以及徑流控制能力。

2實(shí)驗(yàn)方法

2.1生物滯留池介紹

本研究生物滯留池位于江蘇東恒空港高新技術(shù)產(chǎn)業(yè)園。系統(tǒng)功能區(qū)域表面積為87m²，主要收集處理附近屋面和路面的雨水徑流，總匯水面積約為2864m²。雨水經(jīng)處理后收集至蓄水井蓄存以作綠化灌溉或洗車等回用用途。

生物滯留池采用側(cè)壁不可滲透的分層設(shè)計(jì)方法，其剖面圖如圖1所示，從上至下依次為，滯留層（250mm）、過濾層（500mm）、淹沒層（400mm，包括過渡層250mm、排水層150mm），各層介質(zhì)的物理化學(xué)性質(zhì)參考《導(dǎo)則》的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行篩選，具體各層介質(zhì)如表1所示。生物滯留池底部設(shè)置直徑100mm排水盲管，將處理的潔凈雨水導(dǎo)入蓄水池。系統(tǒng)中淹沒層的設(shè)置可保證在長(zhǎng)期干旱情況下為植物生長(zhǎng)提供水源，也可形成厭氧區(qū)，創(chuàng)造反硝化條件，強(qiáng)化除氮效果。

生物滯留池內(nèi)部選擇種植的植物為江蘇本地常見的耐早、耐澇植物，種植密度為16株/m²。所種植植物主要分為3種：（1）已經(jīng)經(jīng)過驗(yàn)證的對(duì)于雨水中污染物有處理能力的植物，如狼尾草、燈芯草、美人蕉、石菖蒲、鳶尾;（2）正在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)定有潛在污染物去除效果的植物，如麥冬、千屈菜、南天竹、鳳尾竹、針葉芒;（3）主要為景觀功能考慮種植的植物，如大吳風(fēng)草、旱傘草、紫葉鴨舌草、藍(lán)羊茅、蘭花三七、礬根等。其中已經(jīng)經(jīng)過驗(yàn)證的有污染物處理性能的植物和正在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的植物總數(shù)約占生物滯留池內(nèi)所有植物總數(shù)的60%。

2.2監(jiān)測(cè)方法

本研究的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)置如圖2所示。為保證在每次降雨事件中樣本采集的準(zhǔn)確性和及時(shí)性，對(duì)生物滯留池安裝了水質(zhì)、水量的監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，包括記錄降雨特性的雨量計(jì)（RM、Young 52203翻斗式），用于進(jìn)、出水流量監(jiān)測(cè)的電磁流量計(jì)（優(yōu)量LDBB-150S-M2FO-190）、出水三角堰和液位計(jì)（美控MIK-P260-1M-D），采集進(jìn)、出水樣的自動(dòng)采樣器（聚創(chuàng)JC-8000），以及整個(gè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的中樞控制設(shè)備的數(shù)據(jù)采集器（CampbellCRl000X）。數(shù)據(jù)采集器是，不僅實(shí)時(shí)記錄進(jìn)出水水量和降雨量，還可以通過數(shù)據(jù)采集器內(nèi)部的編程向進(jìn)出水自動(dòng)采樣器發(fā)出采樣指令。其中，數(shù)據(jù)采集器對(duì)于各個(gè)監(jiān)測(cè)設(shè)備的掃描頻率為1s/次，即每隔1s對(duì)數(shù)據(jù)（降雨量、瞬時(shí)進(jìn)水流量、瞬時(shí)出水液位）掃描一次，數(shù)據(jù)的記錄頻率為5s/次，即每隔5s對(duì)掃描數(shù)據(jù)的平均值進(jìn)行記錄，并通過內(nèi)部程序自動(dòng)計(jì)算出累加值。

2.3取樣及分析

本研究在2019年2月至5月期間開展了五次降雨事件的采樣（詳細(xì)降雨和采樣情況見表2）。采樣所用的自動(dòng)采樣器配備有24個(gè)1L容量的采樣瓶，對(duì)進(jìn)、出水樣品根據(jù)流量進(jìn)行采樣。最終采集的水樣，根據(jù)流量加權(quán)，獲得每次降雨的事件平均年濃度（Event MeanConcentrations，EMCs）。檢測(cè)的指標(biāo)包括總固體懸浮顆粒（TSS）、總氮（TN）、總磷（TP）、化學(xué)需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）以及糞大腸菌群等，檢測(cè)方法按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》中所規(guī)定的標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行檢測(cè)。

3結(jié)果和討論

3.1徑流控制及洪峰削減能力

由表2可見，在5次降雨事件中，總出水水量均低于進(jìn)水水量，表明生物滯留池對(duì)于徑流流量總量削減的能力。此外，在五次降雨事件中均沒有觀測(cè)到溢流的發(fā)生，可見對(duì)于中小型降雨事件（降雨量<10mm），該系統(tǒng)有較高的徑流控制率（達(dá)100%）。

通過對(duì)每場(chǎng)降雨事件的水量及流量按照時(shí)間的變化進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)生物滯留池可在不同程度上削減洪峰流量和和延緩洪峰到達(dá)時(shí)間。圖3給出了第五次降雨事件的具體進(jìn)、出水量和流量隨時(shí)間的變化情況變化。由表2及圖3所示，進(jìn)出水速率曲線趨勢(shì)相似，從時(shí)間上看，出水流量曲線較進(jìn)水延緩了約15min，峰值到達(dá)時(shí)間延緩了14min;而在其他降雨事件中，洪峰延遲時(shí)間也在10～58min之間，證明生物滯留池可以有效地延緩雨洪峰值到達(dá)的時(shí)間，為市政排水管網(wǎng)減輕壓力。從進(jìn)、出水洪峰流量來看，第五次降雨事件進(jìn)水峰值流量可達(dá)41.5m³·h^-1;對(duì)于出水流速來講，雖也隨降雨強(qiáng)度相應(yīng)改變，但是變化趨勢(shì)相對(duì)平緩，在降雨強(qiáng)度較強(qiáng)、進(jìn)水流量較大時(shí)，其出水流量波動(dòng)相對(duì)較小，且較進(jìn)水流量比有著明顯的降低，最大出水流量?jī)H約19.4m³·h^-1（即洪峰削減達(dá)53.5%），證明該生物滯留池對(duì)緩解徑流強(qiáng)度有明顯的效果。

3.2污染物去除能力

表3總結(jié)了5次監(jiān)測(cè)事件中的進(jìn)出水污染物濃度和去除率。本研究生物滯留池對(duì)TSS的去除率不高，這主要是由于場(chǎng)地污染輸入較低、系統(tǒng)前置沉降井，進(jìn)水中TSS濃度較低導(dǎo)致的（7～18mg/L，遠(yuǎn)低于江蘇省城市雨水中TSS的平均濃度一約251mg/L）。同時(shí)該系統(tǒng)的出水中TSS濃度也較低（8～11mg/L），低于國(guó)內(nèi)外同類研究結(jié)果（詳見表4）。

在5次采樣事件中，出水中TP濃度均有一定程度的下降，前4次降雨事件出水濃度均小于0.2mg·L^-1，可達(dá)到地表水Ⅲ類以上水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（≤0.2mg·L^-1）。圖4給出了五次降雨事件中進(jìn)出水TP濃度的比較，總體來說，出水濃度隨進(jìn)水濃度的升高稍有提升。其中第5次降雨事件進(jìn)、出水均為最高，該降雨事件前期晴天數(shù)僅一天，而且在所有降雨中雨量最大，因此生物滯留池的進(jìn)水負(fù)荷較大，屬于較為極端的情況。通過與同類研究相比可知，本研究中生物滯留池出水TP濃度（0.07～O.29mg·L^-1）相對(duì)低于其他類型生物滯留池（0.16～3mg·L^-1，表5）。

對(duì)于TN來說，除第1次和第5次降雨事件中去除率相對(duì)較低，其余三次均達(dá)到>60%。分析原因可知，第1次和第5次降雨事件均為連續(xù)降雨后的采樣（前期晴天數(shù)1d），進(jìn)水TN濃度均較低（<2.0mg·L^-1），且生物滯留池的污染物處理負(fù)荷較大，所以導(dǎo)致去除率相對(duì)較低;此外，第1次降雨事件處于冬季（二月中旬），生物滯留池內(nèi)植物生長(zhǎng)停滯，所以污染物去除能力較弱。隨著氣溫升高，植物開始生長(zhǎng)，從第2次降雨事件（3月底）開始污染物處理效果也相對(duì)提升（TP的去除效果也有相似的情況，圖4）。由此可見，生物滯留池中植物對(duì)氮、磷化合物的去除十分重要。總體來看，出水中TN濃度均可達(dá)到地表Ⅳ類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（≤1.5mg·L^-1），通過與其他生物滯留池出水水質(zhì)相比可知（2.72～8.11mg·L^-1表5），本研究系統(tǒng)的出水中TN濃度更低。

從實(shí)驗(yàn)結(jié)果（表3）看出，生物滯留池對(duì)于COD的去除能力較好前四次采樣事件中COD去除比例均在40%以上，最高可達(dá)81%（第3次采樣事件）。除第2次采樣事件中出水COD濃度稍高，其余均可達(dá)到地表水IV類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（≤30mg·L^-1）。其中第2、3、4次采樣事件均為超過一周干旱期后的降雨事件，進(jìn)水COD濃度明顯升高，去除率也相應(yīng)有所提升。BOD5去除效果表現(xiàn)與COD類似，通過比較不難發(fā)現(xiàn)，在長(zhǎng)期干旱后的降雨事件中的進(jìn)水BOD5濃度明顯升高，去除率也相應(yīng)提升。

另外，生物滯留池對(duì)于大腸菌群的去除效果較好。除第三次事件中出水大腸菌群濃度較高外（5300個(gè)·L^-1），可達(dá)到地表Ⅲ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（≤10000個(gè)·L^-1），其余事件中出水水質(zhì)均達(dá)到地表I類水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)（≤200個(gè)·L^-1）。

4結(jié)論

目前生物滯留池已經(jīng)成為應(yīng)用最為廣泛的海綿城市設(shè)施之一。本文通過利用《導(dǎo)則》在江蘇鎮(zhèn)江設(shè)計(jì)建設(shè)生物滯留池并對(duì)其進(jìn)行了自然降雨事件監(jiān)測(cè)，得到了以下結(jié)論：對(duì)于中小型降雨（<10mm），本研究生物滯留池能夠達(dá)到100%徑流控制率;生物滯留池對(duì)延緩雨洪峰值，緩解徑流強(qiáng)度有顯著的效果;生物滯留池對(duì)TSS、TP、TN、COD、BOD5以及糞大腸菌群均有較好的去除效果;生物滯留池中植物的生長(zhǎng)影響系統(tǒng)整體的污染物去除能力;生物滯留池對(duì)污染物的去除效率在一定程度上受進(jìn)水負(fù)荷的影響。研究表明此類型生物滯留池在徑流控制和污染物去除方面均有較好的能力，可以適用于國(guó)內(nèi)海綿城市的建設(shè)和推廣。在未來的研究中，還需要對(duì)更多的降雨事件進(jìn)行取樣和監(jiān)測(cè)，以更為清楚地了解生物滯留池對(duì)雨水處理的性能，提升生物滯留池的雨水處理能力。