生物滞留介质类型对径流雨水净化效果的影响

 郭娉婷，  王建龙，  杨丽琼，  李恕艳

  （北京建筑大学城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室，北京100044）

 摘要：生物滞留措施能够有效去除径流雨水中的污染物，而介质类型对其净化效果具有重要影响。该研究以粗砂、细沙、黏土、建筑垃圾为介质，研究了生物滞留单元对径流雨水中污染物的净化效果。结果表明，各单元对COD、氮、磷污染物的平均去除率分别为63.9%、

62.2%、83.3%；Cd为77.20yo，Cu、Pb、Cr、Zn均在92.9'Vo以上。介质类型、介质填装方式、粒径级配等因素对氮、磷等污染物的净化效果影响较大，对重金属的净化效果影响较小。各种介质去除污染物能力依次为黏土>细沙>粗砂>建筑垃圾；建筑垃圾的粒径越小，对径流雨水中污染物净化效果越好。基于上述结果，对各单元出水水质进行回用风险评估，黏土复合介质滞留单元的出水回灌地表水的风险最小；各单元出水均可满足绿地灌溉（GB/T 25499-2010）水质标准。

 关键词：低影响开发；生物滞留；径流污染；雨水同用；风险评估

 随着城市污水处理的日趋完善，由雨水径流带来的非点源污染逐渐成为环境水体污染物的重要来源之一，一些城市在暴雨过后水体污染事件频发就是很好的例证。城市雨水径流中的污染主要来自城市不透水表面人类活动带来的各种污染物，如COD、氮、磷、重金属等，上述污染物在雨水径流的冲刷作用下，最终排人城市水体。其中，氮磷污染物可加速水体富营养化，而重金属难以在环境中降解，并且具有富集性，当其在环境中累积到一定浓度时，就会对环境、生物产生毒害作用。因此，为改善城市水环境质量，实现环境水体污染物总量控制，必须对城市雨水径流污染进行有效控制。

 生物滞留能够有效去除径流中的污染物，常用于缓解城市开发导致的径流量增加和水质污染等问题，是一项被美国和其他许多发达国家广泛采用的最佳暴雨管理措施之一。有研究表明，生物滞留对径流中的氮、磷等污染物的去除率可达40%以上；通过实验室模拟和对已建成设施的监测表明，生物滞留设施对径流中的重金属污染物亦有明显的去除效果，几乎可达到100%。国内外学者对生物滞留去除污染物的机理及影响去除能力的因素做了较多研究，普遍认为介质类型是影响污染物去除的主要因素之一。

  本研究选择细沙、粗砂、黏土、建筑垃圾为基本材料，设计了10个生物滞留单元，比较了各单元对氮、磷、重金属等污染物的去除效果，并根据实验结果，对各单元的出水水质进行了回用风险评估，以期为生物滞留技术应用提供科学依据。

1实验材料与方法

1.1实验装置

  实验装置外形尺寸为1.5 mx0.6 mx0.7 m，通过隔板将其分为10个0.3 mx0.3 mx0.7 m的独立单元(如图1(a)所示）。每个单元上部均设有溢流口，下部设有渗透孔板，单元内部填充介质从上到下依次为种植土层、介质层、卵石层，单元底部设有取样口，取样口上设有阀门(如图1(b)所示）。为防止径流渗透发生短路，单元内壁进行了粗糙化处理。

1.2实验材料

各生物滞留单元介质构成及填充方式如表1所示。实验用黏土取自浙江省嘉兴市，实验用粗砂、细沙及建筑垃圾均取自北京当地。每个单元滞留介质表层用0.1 m草炭土（种植土）覆盖，并在草炭土上种植多年生草本植物马蔺。马蔺的叶狭长，簇生，开紫色花，具有一定的景观效果；马蔺的根系十分发达，具有耐高温、干旱、水涝、盐碱等特性，是一种适应性极强的地被植物，故选择马蔺为生物滞留单元的种植植物。

根据北京市道路雨水径流污染物浓度平均值，人工配制模拟道路雨水径流的实验用水，配制方法及污染物的测定方法见如表2所示。

1.3实验过程

1.3.1渗透系数的测定

为了解各生物滞留单元介质的渗透特性，采用常水头法，测定各单元的渗透系数。通过调节进水处蠕动泵的流量，使各单元水头始终保持为8 cm，即水位始终保持在溢流口下方，待出水10 min后，出水量基本稳定，开始取样，取样时间为15 min，取样后用量筒量取样品的体积并计算渗透系数。重复以上操作6次，取平均值，其计算结果如图2所示。10个实验单元中，5#、6#、7#的渗透系数较低，分别为5.78xlO-5、2.09x10q、1.05x10-; m/s，说明黏土复合介质的渗透性能较差，且黏土中掺人粗砂的滞留单元渗透性能优于掺人细沙的单元，这可能是由于粗砂的粒径较大的缘故；1#、2#单元的渗透系数分别为3.90x10-4、2.32 x10_4．说明细沙、粗砂分层填装的介质渗透性能优于细沙、粗砂均匀混合；8#、9#、10#单元的渗透系数较高，分别为4.438x10-4、6.03x10-、8.751x104 m/s，说明建筑垃圾的渗透性较好，且粒径级配越大，渗透系数越高。

1.3.2生物滞留出水水质的测定

测定滞留单元出水水质时，首先将人工配置的雨水加入水箱，定容并混合均匀，并用500 mL PVC采样瓶取原水样保存待测。根据北京市暴雨强度公式，模拟重现期为1a，降雨历时为2h的降雨事件，其降雨强度如图3所示。按照降雨强度的变化调节进水处蠕动泵的流量。待取样口开始出流后，用500mL PVC采样瓶取样，取样后将样品置于4℃的冰箱冷藏待测。

2结果

2.1  生物滞留单元对污染物的去除效果

2.1.1常规污染物的去除效果

10个生物滞留单元对TN、NO。--N、NH。+-N、TP、COD的去除效果如图4所示，平均去除率分别为62.2%、62.6%、80.9%、83.3%、63.9Vo，由结果可知，NH4+-N、NO。--N去除率均高于TN，这可能是因为生物滞留单元出水中亚硝态氮等其他含氮物质的存在，影响了TN的去除效果。而N03 -N的去除率低于NH4+-N可能是由于介质内部缺少反硝化细菌必需的缺氧条件，NH4+-N被消耗，而产生大量NO。--N，导致NO。--N去除率降低。朋四海等以黏土、建筑黄沙和木屑为介质，研究了生物滞留设施对常规污染物的去除效果，同样得到NH。+-N .TP的去除效果较好，而TN \COD的去除效果较差的结论，且去除率范围与本实验相近。Davis等以沙壤土为介质，研究了生物滞留单元对径流中氮、磷的去除效果，同样得到N0.3- -N去除效果较差而磷的去除效果较好的结果，且TP去除率范围为70%—85%，与本研究所得范围相近。

  以建筑垃圾为介质的8#、9#、10#单元对常规污染物的去除率低于其他单元，这是由于建筑垃圾的粒径均大于其他介质，而常规污染物的去除效果受介质粒径的影响较大。此外，也有研究表明，生物滞留设施对常规污染物的去除也受土壤中微生物的硝化、反硝化作用和土壤吸附的影响。

2.1.2重金属的去除效果

  各生物滞留单元对重金属的去除效果如图5所示。各单元出水中Zn的浓度均低于检测限值，去除率及其去除效果的稳定性均优于其他4种重金属，SamA Trowsdale等对生物滞留设施污染物去除效果进行的研究也表明，生物滞留设施对Zn的去除效果优于对其他重金属的去除。各单元出水中Pb、Cu和Cr平均浓度分别为1.39、5.14和2.28ug/L，去除率变化范围分别为95.0%—9 8.0%、96.0%—99.0%和85.1%~96.3%，平均去除率也均超过90%; Cd的去除效果波动较大，出水最高浓度为15.00 ug /L，最低浓度为0.43 ug /L，去除率变化范围为56.4%—91.8%。K Bratieres等的研究也表明，生物滞留设施对Cd的平均去除率为77.2%，而对其他4种金属的去除率均大于90%。也有研究表明雨水径流中的重金属大多以颗粒态存在，故流经生物滞留单元时大部分可被介质拦截和去除；而Cd在介质中的溶解度和移动性受pH值和微生物等的影响较大，所以其去除效果波动较大。

2.2  不同因素对污染物去除效果的影响

2.2.1介质类型对污染物去除效果的影响

选择3#、4#、7#、8#生物滞留单元为研究对象，比较了细沙、粗砂、黏土和建筑垃圾对污染物去除效果的影Ⅱ向，结果如图6所示。细沙对TN、NO。--N、NH。+一N、TP、COD的去除效果较好，去除率分别为81.6% .81.3%、78.09% .90.1%和79.70x)；建筑垃圾的效果较差，去除率分别为46.2cYo、41.4%、70.5% .81.2%和32.7%。对重金属而言，除Cd的去处率较低外，其他4种的去除率均在90%左右，且以7#单元的去除效果较好。结果表明，常规污染物和Cd的去除效果受介质类型影响较大，而Cu、Pb、Cr、Zn的去除受介质类型影响较小。

2.2.2介质填充方式对污染物去除效果的影响

为研究介质填充方式对生物滞留单元污染物去除能力的影响，以1#~4#生物滞留单元为研究对象。4个单元对污染物的去除效果如图7所示，TN、NO；--N、TP、COD的去除率变化趋势一致，3#单元去除效果较好，4#单元较差，去除率分别为56.0%、56.4% .80.5%和60.8%，对常规污染物去除能力依次为：细沙>细沙与粗砂分层填装>细沙与粗砂混合填装>粗砂。Cd的去除效果较差，在71.6%以下；Cu、Pb、Cr和Zn的去除率较稳定，均在92.8%以上。结果表明，常规污染物及Cd的去除率受介质填充方式的影响较大，Cu、Pb、Cr、Zn的去除率受介质填充方式的影响较小。

2.2.3复合介质对污染物去除效果的影响

黏土对污染物有较好的去除效果，但其透水性较差，因此在黏土中掺入细沙或粗砂后，研究复合介质对水质净化效果的影响。选择5#、6#和7#单元为研究对象，污染物去除效果如图8所示，TN.NO。--N、TP的去除率变化趋势一致，5#单元去除效果较好，去除率分别为85.6%、85.8%和87.4Vo；NH。+-N、COD和Cd的去除率变化趋势一致，7#单元去除效果较好，去除率分别为90.9cYo、76.5%和91.30A；其余4种重金属去除率较稳定且各单元去除率均大于94.7%。可知，黏土中所掺人介质的种类和比例对常规污染物和Cd的去除效果影响较大，对其他4种重金属的影响较小。刘强等的研究也表明土壤中掺人改良剂的种类和比例对氮、磷污染物的去除有较大影响。

2.2.4粒径级配对污染物去除效果的影响

建筑垃圾具有一定的吸附性，可被用作生物滞留介质，不同粒径级配的建筑垃圾去除污染物的效果也不同。选择8#、9#、10#单元为研究对象，研究了滞留介质粒径级配对污染物去除效果的影响，结果如图9所示，TN、N0;3--N、NH4+-N、COD和Pb均以9#单元的去除效果较好，去除率分别为55.2(Yo、49.6Vo、86.5%、72.6%和97.90A：TP、Cu、Cd、Cr均以10#单元的去除效果较好，去除率分别为83.50A，98.2Vo、91.8%和92.40A。结果表明，粒径级配对污染物去除效果有影响，粒径级配较小的建筑垃圾对污染物的去除效果较好。

2.3生物滞留出水回用风险评估

 生物滞留介质对污染物的去除主要是通过介质的物理拦截和植物根系的吸附，长期运行面临着介质内部污染物累积饱和的问题，存在潜在的风险。对不同介质的生物滞留出水进行风险评估对于介质筛选具有指导意义。

2.3.1  回用作地表水的风险评估

国内外对于雨水利用风险评估往往局限于单一因子，而影响生物滞留出流水质的因素往往是多方面的，为了更全面、准确地对水质进行评估，为雨水回用提供准确依据，有学者将综合风险指数法( compositerisk index, CRI)引入雨水利用风险评估中。综合风险指数法可将不同性质、不同单位的指标转化为一个综合指标，综合评估各项工作中潜在的风险，具有快速、准确等优点，在我国早已经被广泛应用于医疗、金融、矿产等领域，其数学表达式为：

式中，F表示控制指标的分值，各项指标所得分值之和为综合风险指数，得分越高，回灌地表水的风险越小。地表水环境质量标准中规定了24项基本项目标准限值，其中9项涉及到本实验所测的污染物。各生物滞留单元出水污染物平均浓度如表3所示。

  将出水水质与地表水环境质量标准比较，各项指标评价分值标准及综合风险等级如表4所示。考虑到水质每降低一个等级，对地表水的影响将大大加剧，所以给各指标赋值时，采用等差递减的方法，达到地表水I类标准的指标可加10分，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V类分别加9分、7分、4分和0分，超V类减5分。实验所测10种污染物分别作为10项评价指标。分别对每个生物滞留单元出流的10项指标进行评分，将各指标得分相加，得到每个生物滞留单元的CRI值，满分为100分。地表水Ⅲ类水质为饮用水安全的最低限值，故各类污染物均按Ⅲ类水质的得分计算，即CRI为70分为一个限值，得分>70，则认为风险较低；得分在50—70之间，则风险水平居中；得分<50，则认为回灌地表水风险较高。各单元出水CRI值分布如图10所示，由图可知，7#单元的出水回灌地表水的风险最小，而3#单元和5#单元次之，可知以细沙和黏土为介质的单元回用风险较小，这可能与细沙和黏土的粒径较小、介质渗透系数小、水力停留时间较长有关。尽管各生物滞留单元对COD、TN和Cd的去除率均达到620x,以上，但各单元出流中的这3项指标仍较高，均接近或不同程度超标，为高风险因子。

2.3.2  回用作地下水和绿地灌溉用水的风险评估

 将各单元出水分别与地下水回灌水质标准f矧和绿地灌溉水质标准进行比较，10个生物滞留单元出水的COD浓度超出地下水回灌标准约2—6倍，生物滞留出水不能直接用于地下水回灌，但各生物滞留单元出水的各项指标均符合绿地灌溉水质标准，可回收用于灌溉绿地，以节约日益紧张的水资源，实现资源的可持续。

3结论

 (1)各生物滞留设施对TP和NH。+-N的去除效果较好，平均去除率分别为83.3%、80.9%；COD和N03一-N去除率分别为63.9%和62.6%；对Cd的去除率较低，为77.23%;其他重金属平均去除率都在90%以上。

 (2)4种介质中，细沙和黏土的去污效果较好；介质分层填装的去污效果好于均匀混合填装；黏土复合介质中添加物的种类和比例对去污效果有较大影响；粒径级配越小，污染物去除效果越好。

 (3)介质类型、填装方式、黏土复合介质中添加物的比例和粒径级配等影响因素对生物滞留出水的回用风险也有重要影响。以黏土和细沙作介质的生物滞留单元的出水用于回灌地表水的风险最小；各生物滞留单元出水水质均可满足绿地灌溉要求，回用风险较小。