楊正,郭大煒,張孟強(qiáng),蘇晉國,張新玉,于艷艷
(1.北京雨人潤科生態(tài)技術(shù)有限責(zé)任公司,北京100089;2.北京建工建筑設(shè)計(jì)研究院,北京100044;3.北京建筑大學(xué),北京100044;4.青島市李滄區(qū)城市管理局,山東 青島266100)
生物滯留設(shè)施是典型的LID/GSI 設(shè)施,在海綿城市建設(shè)中應(yīng)用廣泛。國外早已對生物滯留設(shè)施開展了系統(tǒng)的研究和工程應(yīng)用,如美國馬里蘭大學(xué)的Davis,北卡羅來納大學(xué)的Hunt等,通過總結(jié)分析存在的問題與經(jīng)驗(yàn),可為其在我國的推廣應(yīng)用提供借鑒。
不同地區(qū)對生物滯留設(shè)施的定義略有不同,主要從結(jié)構(gòu)、凈化機(jī)理和功能等方面對其進(jìn)行描述:生物滯留設(shè)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(shí)現(xiàn)水質(zhì)凈化、削峰減量等功能[1]。
按結(jié)構(gòu)分為預(yù)處理設(shè)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(shí)可在礫石層中埋置集水穿孔管。根據(jù)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]。
參照美國馬里蘭州生物滯留設(shè)施設(shè)計(jì)手冊,其對典型污染物去除效率如表1 所示。雖然該設(shè)施在發(fā)達(dá)國家已廣泛應(yīng)用,但仍存在一些問題,如對氮、磷的去除效果不穩(wěn)定等。
表1 生物滯留設(shè)施的污染物去除效率
生物滯留設(shè)施中氮的去除經(jīng)歷了氨化、硝化、反硝化的過程,最終轉(zhuǎn)化為氮?dú)馊コ?。首先,徑流中的有機(jī)氮很容易發(fā)生氨化作用轉(zhuǎn)化為氨氮,氨氮的去除主要通過硝化作用轉(zhuǎn)化為硝酸氮,揮發(fā)和吸附會(huì)去除極少量的氨氮。Hatt 等研究發(fā)現(xiàn),在徑流中NH4-N 轉(zhuǎn)化為NH3-N 的過程只有在pH 高于7.5~8的情況下才可能發(fā)生,同時(shí),土壤顆粒會(huì)優(yōu)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(yīng)即氨氮在有氧的條件下轉(zhuǎn)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(nèi),在土壤中易發(fā)生硝化反應(yīng)產(chǎn)生的NO3-N濾出,進(jìn)而發(fā)生第二場降雨出水NO3-N 濃度大于進(jìn)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(shí)間的厭氧條件,所以,反硝化反應(yīng)效率較低,造成對NO3-N 的去除效果較差。
近年來,Davis 等人對設(shè)施的除氮效果進(jìn)行了研究,發(fā)現(xiàn)在室內(nèi)或室外監(jiān)測的總氮去除效果都不穩(wěn)定,去除效率為-312%~58.4%,對硝酸氮的去除效率尤其不穩(wěn)定,為-650%~84.6%。
針對厭氧條件難以保證使得反硝化反應(yīng)難以發(fā)生,造成生物滯留設(shè)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(chuàng)造生物滯留池內(nèi)部淹沒區(qū),可以保證一定的停留時(shí)間來創(chuàng)造厭氧條件,提高反硝化反應(yīng)效率。
此外,反硝化的進(jìn)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(jī)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(bào)紙、鋸末、麥秸和木屑等。
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(jī)態(tài)或無機(jī)態(tài)等形式存在,循環(huán)轉(zhuǎn)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(tài),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(xué)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(guān),且隨進(jìn)水負(fù)荷的增加,對磷的吸附能力會(huì)逐漸減弱,最終會(huì)達(dá)到吸附飽和狀態(tài)。
一些國外研究者研究了設(shè)施的除磷效果,發(fā)現(xiàn)磷的去除效率在-240%~79%,去除效果極不穩(wěn)定,且由于磷的釋放,同樣會(huì)發(fā)生水濃度大于進(jìn)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(shù)PSI 來衡量土壤中磷的吸附能力和釋放風(fēng)險(xiǎn)。
為提高土壤填料對磷的吸附能力,可向填料中添加適當(dāng)?shù)奶砑游?,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(zhì)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(chǎn)品)、爐渣、石英砂、鋼絲絨等。
由于降雨的隨機(jī)和地域性差異,以及措施的規(guī)模和設(shè)計(jì)不同,針對生物滯留設(shè)施對徑流流量的控制,不同地區(qū)有不同的數(shù)據(jù)。例如,Hunt 等對美國北卡羅來納州夏洛特市市政服務(wù)中心旁的生物滯留設(shè)施進(jìn)行實(shí)驗(yàn)監(jiān)測,在2004—2005 年期間選取16 場降雨,降雨量為2.0~39.9mm,實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示對峰值削減至少可達(dá)到96.5%。
在生物滯留設(shè)施設(shè)計(jì)過程中,可借用模型對它的水文效應(yīng)進(jìn)行分析,RECARGA 是由Wisconsin 大學(xué)研發(fā)的專門針對生物滯留池的水文性能進(jìn)行分析和設(shè)計(jì)的軟件,具有界面友好、操作簡單等特點(diǎn)??梢酝ㄟ^RECARGA 軟件對生物滯留池在徑流削減、地下水入滲補(bǔ)給、積水時(shí)間、總處理水量等方面進(jìn)行模擬,從而為生物滯留設(shè)施的合理設(shè)計(jì)提供理論依據(jù)。
生物滯留設(shè)施目前在美國等發(fā)達(dá)國家已進(jìn)行了大量的研究和應(yīng)用,但在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究和實(shí)際工程中都發(fā)現(xiàn)生物滯留技術(shù)還存在諸如氮磷去除效果不穩(wěn)定等問題,雖然提出了相應(yīng)的技術(shù)改進(jìn)方案,但仍需要在實(shí)際工程中對其長期的運(yùn)行效果進(jìn)行考察和驗(yàn)證。借鑒國外已有的研究成果,可以優(yōu)化生物滯留設(shè)施設(shè)計(jì),使其在海綿城市建設(shè)過程中更好地發(fā)揮對雨水徑流水質(zhì)與水量的控制效果。