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)測了一個參照澳大利亞《雨水生物滯留系統(tǒng)設(shè)計導則》建設(shè)的雨水生物滯留池，分析了其對自然降雨事件中水量和水質(zhì)的控制效果，驗證了其在中國的應用。結(jié)果表明：此類雨水生物滯留池對降雨量小于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，該系統(tǒng)對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和進水負荷會對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：X522 文獻標識碼：A 文章編號：1674-9944（2019）18-0061一05

1引言

隨著城市化進程的加快，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。美國國家環(huán)境保護局（USEPA）的報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，對雨水徑流進行蓄存，并可以對污染物進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)計靈活、運行維護成本低的特點，已經(jīng)在歐美等西方國家開展廣泛應用。

在澳大利亞，雨水生物滯留池已經(jīng)進行了多年的實驗室研究，并形成了《雨水生物滯留系統(tǒng)設(shè)計導則》（Adoption Guidelines for Stormwater Biofiltration Sys-tems）（以下簡稱《導則》），有效地促進了該技術(shù)在澳洲以及其它國家（如新加坡、以色列等國）的推廣和應用。國內(nèi)對于雨水生物滯留池的研究起步相對來說較晚，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，因此其在中國的應用需要基于一定的本土化研究。本研究根據(jù)《導則》并結(jié)合當?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。本文通過對該系統(tǒng)的水質(zhì)和水量展開監(jiān)測，以驗證其對污染物的去除能力以及徑流控制能力。

2實驗方法

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)的物理化學性質(zhì)參考《導則》的標準進行篩選，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入蓄水池。系統(tǒng)中淹沒層的設(shè)置可保證在長期干旱情況下為植物生長提供水源，也可形成厭氧區(qū)，創(chuàng)造反硝化條件，強化除氮效果。

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)過驗證的對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）正在實驗室進行測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，如大吳風草、旱傘草、紫葉鴨舌草、藍羊茅、蘭花三七、礬根等。其中已經(jīng)經(jīng)過驗證的有污染物處理性能的植物和正在實驗室進行實驗的植物總數(shù)約占生物滯留池內(nèi)所有植物總數(shù)的60%。

2.2監(jiān)測方法

本研究的監(jiān)測系統(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確性和及時性，對生物滯留池安裝了水質(zhì)、水量的監(jiān)測系統(tǒng)，包括記錄降雨特性的雨量計（RM、Young 52203翻斗式），用于進、出水流量監(jiān)測的電磁流量計（優(yōu)量LDBB-150S-M2FO-190）、出水三角堰和液位計（美控MIK-P260-1M-D），采集進、出水樣的自動采樣器（聚創(chuàng)JC-8000），以及整個監(jiān)測系統(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，不僅實時記錄進出水水量和降雨量，還可以通過數(shù)據(jù)采集器內(nèi)部的編程向進出水自動采樣器發(fā)出采樣指令。其中，數(shù)據(jù)采集器對于各個監(jiān)測設(shè)備的掃描頻率為1s/次，即每隔1s對數(shù)據(jù)（降雨量、瞬時進水流量、瞬時出水液位）掃描一次，數(shù)據(jù)的記錄頻率為5s/次，即每隔5s對掃描數(shù)據(jù)的平均值進行記錄，并通過內(nèi)部程序自動計算出累加值。

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（詳細降雨和采樣情況見表2）。采樣所用的自動采樣器配備有24個1L容量的采樣瓶，對進、出水樣品根據(jù)流量進行采樣。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）。檢測的指標包括總固體懸浮顆粒（TSS）、總氮（TN）、總磷（TP）、化學需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）以及糞大腸菌群等，檢測方法按照《地表水環(huán)境質(zhì)量標準》中所規(guī)定的標準方法進行檢測。

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水水量，表明生物滯留池對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到溢流的發(fā)生，可見對于中小型降雨事件（降雨量<10mm），該系統(tǒng)有較高的徑流控制率（達100%）。

通過對每場降雨事件的水量及流量按照時間的變化進行分析，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時間。圖3給出了第五次降雨事件的具體進、出水量和流量隨時間的變化情況變化。由表2及圖3所示，進出水速率曲線趨勢相似，從時間上看，出水流量曲線較進水延緩了約15min，峰值到達時間延緩了14min;而在其他降雨事件中，洪峰延遲時間也在10～58min之間，證明生物滯留池可以有效地延緩雨洪峰值到達的時間，為市政排水管網(wǎng)減輕壓力。從進、出水洪峰流量來看，第五次降雨事件進水峰值流量可達41.5m³·h^-1;對于出水流速來講，雖也隨降雨強度相應改變，但是變化趨勢相對平緩，在降雨強度較強、進水流量較大時，其出水流量波動相對較小，且較進水流量比有著明顯的降低，最大出水流量僅約19.4m³·h^-1（即洪峰削減達53.5%），證明該生物滯留池對緩解徑流強度有明顯的效果。

3.2污染物去除能力

表3總結(jié)了5次監(jiān)測事件中的進出水污染物濃度和去除率。本研究生物滯留池對TSS的去除率不高，這主要是由于場地污染輸入較低、系統(tǒng)前置沉降井，進水中TSS濃度較低導致的（7～18mg/L，遠低于江蘇省城市雨水中TSS的平均濃度一約251mg/L）。同時該系統(tǒng)的出水中TSS濃度也較低（8～11mg/L），低于國內(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，可達到地表水Ⅲ類以上水質(zhì)標準（≤0.2mg·L^-1）。圖4給出了五次降雨事件中進出水TP濃度的比較，總體來說，出水濃度隨進水濃度的升高稍有提升。其中第5次降雨事件進、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水負荷較大，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）相對低于其他類型生物滯留池（0.16～3mg·L^-1，表5）。

對于TN來說，除第1次和第5次降雨事件中去除率相對較低，其余三次均達到>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），進水TN濃度均較低（<2.0mg·L^-1），且生物滯留池的污染物處理負荷較大，所以導致去除率相對較低;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，從第2次降雨事件（3月底）開始污染物處理效果也相對提升（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氮、磷化合物的去除十分重要?？傮w來看，出水中TN濃度均可達到地表Ⅳ類水水質(zhì)標準（≤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。

從實驗結(jié)果（表3）看出，生物滯留池對于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，其余均可達到地表水IV類水質(zhì)標準（≤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，進水COD濃度明顯升高，去除率也相應有所提升。BOD5去除效果表現(xiàn)與COD類似，通過比較不難發(fā)現(xiàn)，在長期干旱后的降雨事件中的進水BOD5濃度明顯升高，去除率也相應提升。

另外，生物滯留池對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·L^-1），可達到地表Ⅲ類水質(zhì)標準（≤10000個·L^-1），其余事件中出水水質(zhì)均達到地表I類水水質(zhì)標準（≤200個·L^-1）。

4結(jié)論

目前生物滯留池已經(jīng)成為應用最為廣泛的海綿城市設(shè)施之一。本文通過利用《導則》在江蘇鎮(zhèn)江設(shè)計建設(shè)生物滯留池并對其進行了自然降雨事件監(jiān)測，得到了以下結(jié)論：對于中小型降雨（<10mm），本研究生物滯留池能夠達到100%徑流控制率;生物滯留池對延緩雨洪峰值，緩解徑流強度有顯著的效果;生物滯留池對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影響系統(tǒng)整體的污染物去除能力;生物滯留池對污染物的去除效率在一定程度上受進水負荷的影響。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，可以適用于國內(nèi)海綿城市的建設(shè)和推廣。在未來的研究中，還需要對更多的降雨事件進行取樣和監(jiān)測，以更為清楚地了解生物滯留池對雨水處理的性能，提升生物滯留池的雨水處理能力。