生物滯留介質(zhì)類型對徑流雨水凈化效果的影響
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郭娉婷， 王建龍， 楊麗瓊， 李恕艷
（北京建筑大學(xué)城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點實驗室，北京100044）
摘要：生物滯留措施能夠有效去除徑流雨水中的污染物，而介質(zhì)類型對其凈化效果具有重要影響。該研究以粗砂、細沙、黏土、建筑垃圾為介質(zhì)，研究了生物滯留單元對徑流雨水中污染物的凈化效果。結(jié)果表明，各單元對COD、氮、磷污染物的平均去除率分別為63.9%、
62.2%、83.3%；Cd為77.20yo，Cu、Pb、Cr、Zn均在92.9'Vo以上。介質(zhì)類型、介質(zhì)填裝方式、粒徑級配等因素對氮、磷等污染物的凈化效果影響較大，對重金屬的凈化效果影響較小。各種介質(zhì)去除污染物能力依次為黏土>細沙>粗砂>建筑垃圾；建筑垃圾的粒徑越小，對徑流雨水中污染物凈化效果越好。基于上述結(jié)果，對各單元出水水質(zhì)進行回用風(fēng)險評估，黏土復(fù)合介質(zhì)滯留單元的出水回灌地表水的風(fēng)險最��；各單元出水均可滿足綠地灌溉（GB/T 25499-2010）水質(zhì)標準。
關(guān)鍵詞：低影響開發(fā)；生物滯留；徑流污染；雨水同用；風(fēng)險評估
隨著城市污水處理的日趨完善，由雨水徑流帶來的非點源污染逐漸成為環(huán)境水體污染物的重要來源之一，一些城市在暴雨過后水體污染事件頻發(fā)就是很好的例證。城市雨水徑流中的污染主要來自城市不透水表面人類活動帶來的各種污染物，如COD、氮、磷、重金屬等，上述污染物在雨水徑流的沖刷作用下，最終排人城市水體。其中，氮磷污染物可加速水體富營養(yǎng)化，而重金屬難以在環(huán)境中降解，并且具有富集性，當其在環(huán)境中累積到一定濃度時，就會對環(huán)境、生物產(chǎn)生毒害作用。因此，為改善城市水環(huán)境質(zhì)量，實現(xiàn)環(huán)境水體污染物總量控制，必須對城市雨水徑流污染進行有效控制。
生物滯留能夠有效去除徑流中的污染物，常用于緩解城市開發(fā)導(dǎo)致的徑流量增加和水質(zhì)污染等問題，是一項被美國和其他許多發(fā)達國家廣泛采用的最佳暴雨管理措施之一。有研究表明，生物滯留對徑流中的氮、磷等污染物的去除率可達40%以上；通過實驗室模擬和對已建成設(shè)施的監(jiān)測表明，生物滯留設(shè)施對徑流中的重金屬污染物亦有明顯的去除效果，幾乎可達到100%。國內(nèi)外學(xué)者對生物滯留去除污染物的機理及影響去除能力的因素做了較多研究，普遍認為介質(zhì)類型是影響污染物去除的主要因素之一。
本研究選擇細沙、粗砂、黏土、建筑垃圾為基本材料，設(shè)計了10個生物滯留單元，比較了各單元對氮、磷、重金屬等污染物的去除效果，并根據(jù)實驗結(jié)果，對各單元的出水水質(zhì)進行了回用風(fēng)險評估，以期為生物滯留技術(shù)應(yīng)用提供科學(xué)依據(jù)。
1實驗材料與方法
1.1實驗裝置
實驗裝置外形尺寸為1.5 mx0.6 mx0.7 m，通過隔板將其分為10個0.3 mx0.3 mx0.7 m的獨立單元(如圖1(a)所示）。每個單元上部均設(shè)有溢流口，下部設(shè)有滲透孔板，單元內(nèi)部填充介質(zhì)從上到下依次為種植土層、介質(zhì)層、卵石層，單元底部設(shè)有取樣口，取樣口上設(shè)有閥門(如圖1(b)所示）。為防止徑流滲透發(fā)生短路，單元內(nèi)壁進行了粗糙化處理。
1.2實驗材料
各生物滯留單元介質(zhì)構(gòu)成及填充方式如表1所示。實驗用黏土取自浙江省嘉興市，實驗用粗砂、細沙及建筑垃圾均取自北京當?shù)亍Ｃ總�單元滯留介質(zhì)表層用0.1 m草炭土（種植土）覆蓋，并在草炭土上種植多年生草本植物馬藺。馬藺的葉狹長，簇生，開紫色花，具有一定的景觀效果；馬藺的根系十分發(fā)達，具有耐高溫、干旱、水澇、鹽堿等特性，是一種適應(yīng)性極強的地被植物，故選擇馬藺為生物滯留單元的種植植物。
根據(jù)北京市道路雨水徑流污染物濃度平均值，人工配制模擬道路雨水徑流的實驗用水，配制方法及污染物的測定方法見如表2所示。
1.3實驗過程
1.3.1滲透系數(shù)的測定
為了解各生物滯留單元介質(zhì)的滲透特性，采用常水頭法，測定各單元的滲透系數(shù)。通過調(diào)節(jié)進水處蠕動泵的流量，使各單元水頭始終保持為8 cm，即水位始終保持在溢流口下方，待出水10 min后，出水量基本穩(wěn)定，開始取樣，取樣時間為15 min，取樣后用量筒量取樣品的體積并計算滲透系數(shù)。重復(fù)以上操作6次，取平均值，其計算結(jié)果如圖2所示。10個實驗單元中，5#、6#、7#的滲透系數(shù)較低，分別為5.78xlO-5、2.09x10q、1.05x10-; m/s，說明黏土復(fù)合介質(zhì)的滲透性能較差，且黏土中摻人粗砂的滯留單元滲透性能優(yōu)于摻人細沙的單元，這可能是由于粗砂的粒徑較大的緣故；1#、2#單元的滲透系數(shù)分別為3.90x10-4、2.32 x10_4．說明細沙、粗砂分層填裝的介質(zhì)滲透性能優(yōu)于細沙、粗砂均勻混合；8#、9#、10#單元的滲透系數(shù)較高，分別為4.438x10-4、6.03x10-、8.751x104 m/s，說明建筑垃圾的滲透性較好，且粒徑級配越大，滲透系數(shù)越高。
1.3.2生物滯留出水水質(zhì)的測定
測定滯留單元出水水質(zhì)時，首先將人工配置的雨水加入水箱，定容并混合均勻，并用500 mL PVC采樣瓶取原水樣保存待測。根據(jù)北京市暴雨強度公式，模擬重現(xiàn)期為1a，降雨歷時為2h的降雨事件，其降雨強度如圖3所示。按照降雨強度的變化調(diào)節(jié)進水處蠕動泵的流量。待取樣口開始出流后，用500mL PVC采樣瓶取樣，取樣后將樣品置于4℃的冰箱冷藏待測。
2結(jié)果
2.1 生物滯留單元對污染物的去除效果
2.1.1常規(guī)污染物的去除效果
10個生物滯留單元對TN、NO。--N、NH。+-N、TP、COD的去除效果如圖4所示，平均去除率分別為62.2%、62.6%、80.9%、83.3%、63.9Vo，由結(jié)果可知，NH4+-N、NO。--N去除率均高于TN，這可能是因為生物滯留單元出水中亞硝態(tài)氮等其他含氮物質(zhì)的存在，影響了TN的去除效果。而N03 -N的去除率低于NH4+-N可能是由于介質(zhì)內(nèi)部缺少反硝化細菌必需的缺氧條件，NH4+-N被消耗，而產(chǎn)生大量NO。--N，導(dǎo)致NO。--N去除率降低。朋四海等以黏土、建筑黃沙和木屑為介質(zhì)，研究了生物滯留設(shè)施對常規(guī)污染物的去除效果，同樣得到NH。+-N .TP的去除效果較好，而TN \COD的去除效果較差的結(jié)論，且去除率范圍與本實驗相近。Davis等以沙壤土為介質(zhì)，研究了生物滯留單元對徑流中氮、磷的去除效果，同樣得到N0.3- -N去除效果較差而磷的去除效果較好的結(jié)果，且TP去除率范圍為70%—85%，與本研究所得范圍相近。
以建筑垃圾為介質(zhì)的8#、9#、10#單元對常規(guī)污染物的去除率低于其他單元，這是由于建筑垃圾的粒徑均大于其他介質(zhì)，而常規(guī)污染物的去除效果受介質(zhì)粒徑的影響較大。此外，也有研究表明，生物滯留設(shè)施對常規(guī)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響。
2.1.2重金屬的去除效果
各生物滯留單元對重金屬的去除效果如圖5所示。各單元出水中Zn的濃度均低于檢測限值，去除率及其去除效果的穩(wěn)定性均優(yōu)于其他4種重金屬，SamA Trowsdale等對生物滯留設(shè)施污染物去除效果進行的研究也表明，生物滯留設(shè)施對Zn的去除效果優(yōu)于對其他重金屬的去除。各單元出水中Pb、Cu和Cr平均濃度分別為1.39、5.14和2.28ug/L，去除率變化范圍分別為95.0%—9 8.0%、96.0%—99.0%和85.1%~96.3%，平均去除率也均超過90%; Cd的去除效果波動較大，出水最高濃度為15.00 ug /L，最低濃度為0.43 ug /L，去除率變化范圍為56.4%—91.8%。K Bratieres等的研究也表明，生物滯留設(shè)施對Cd的平均去除率為77.2%，而對其他4種金屬的去除率均大于90%。也有研究表明雨水徑流中的重金屬大多以顆粒態(tài)存在，故流經(jīng)生物滯留單元時大部分可被介質(zhì)攔截和去除；而Cd在介質(zhì)中的溶解度和移動性受pH值和微生物等的影響較大，所以其去除效果波動較大。
2.2 不同因素對污染物去除效果的影響
2.2.1介質(zhì)類型對污染物去除效果的影響
選擇3#、4#、7#、8#生物滯留單元為研究對象，比較了細沙、粗砂、黏土和建筑垃圾對污染物去除效果的影Ⅱ向，結(jié)果如圖6所示。細沙對TN、NO。--N、NH。+一N、TP、COD的去除效果較好，去除率分別為81.6% .81.3%、78.09% .90.1%和79.70x)；建筑垃圾的效果較差，去除率分別為46.2cYo、41.4%、70.5% .81.2%和32.7%。對重金屬而言，除Cd的去處率較低外，其他4種的去除率均在90%左右，且以7#單元的去除效果較好。結(jié)果表明，常規(guī)污染物和Cd的去除效果受介質(zhì)類型影響較大，而Cu、Pb、Cr、Zn的去除受介質(zhì)類型影響較小。
2.2.2介質(zhì)填充方式對污染物去除效果的影響
為研究介質(zhì)填充方式對生物滯留單元污染物去除能力的影響，以1#~4#生物滯留單元為研究對象。4個單元對污染物的去除效果如圖7所示，TN、NO；--N、TP、COD的去除率變化趨勢一致，3#單元去除效果較好，4#單元較差，去除率分別為56.0%、56.4% .80.5%和60.8%，對常規(guī)污染物去除能力依次為：細沙>細沙與粗砂分層填裝>細沙與粗砂混合填裝>粗砂。Cd的去除效果較差，在71.6%以下；Cu、Pb、Cr和Zn的去除率較穩(wěn)定，均在92.8%以上。結(jié)果表明，常規(guī)污染物及Cd的去除率受介質(zhì)填充方式的影響較大，Cu、Pb、Cr、Zn的去除率受介質(zhì)填充方式的影響較小。
2.2.3復(fù)合介質(zhì)對污染物去除效果的影響
黏土對污染物有較好的去除效果，但其透水性較差，因此在黏土中摻入細沙或粗砂后，研究復(fù)合介質(zhì)對水質(zhì)凈化效果的影響。選擇5#、6#和7#單元為研究對象，污染物去除效果如圖8所示，TN.NO。--N、TP的去除率變化趨勢一致，5#單元去除效果較好，去除率分別為85.6%、85.8%和87.4Vo；NH。+-N、COD和Cd的去除率變化趨勢一致，7#單元去除效果較好，去除率分別為90.9cYo、76.5%和91.30A；其余4種重金屬去除率較穩(wěn)定且各單元去除率均大于94.7%�？芍�，黏土中所摻人介質(zhì)的種類和比例對常規(guī)污染物和Cd的去除效果影響較大，對其他4種重金屬的影響較小。劉強等的研究也表明土壤中摻人改良劑的種類和比例對氮、磷污染物的去除有較大影響。
2.2.4粒徑級配對污染物去除效果的影響
建筑垃圾具有一定的吸附性，可被用作生物滯留介質(zhì)，不同粒徑級配的建筑垃圾去除污染物的效果也不同。選擇8#、9#、10#單元為研究對象，研究了滯留介質(zhì)粒徑級配對污染物去除效果的影響，結(jié)果如圖9所示，TN、N0;3--N、NH4+-N、COD和Pb均以9#單元的去除效果較好，去除率分別為55.2(Yo、49.6Vo、86.5%、72.6%和97.90A：TP、Cu、Cd、Cr均以10#單元的去除效果較好，去除率分別為83.50A，98.2Vo、91.8%和92.40A。結(jié)果表明，粒徑級配對污染物去除效果有影響，粒徑級配較小的建筑垃圾對污染物的去除效果較好。
2.3生物滯留出水回用風(fēng)險評估
生物滯留介質(zhì)對污染物的去除主要是通過介質(zhì)的物理攔截和植物根系的吸附，長期運行面臨著介質(zhì)內(nèi)部污染物累積飽和的問題，存在潛在的風(fēng)險。對不同介質(zhì)的生物滯留出水進行風(fēng)險評估對于介質(zhì)篩選具有指導(dǎo)意義。
2.3.1 回用作地表水的風(fēng)險評估
國內(nèi)外對于雨水利用風(fēng)險評估往往局限于單一因子，而影響生物滯留出流水質(zhì)的因素往往是多方面的，為了更全面、準確地對水質(zhì)進行評估，為雨水回用提供準確依據(jù)，有學(xué)者將綜合風(fēng)險指數(shù)法( compositerisk index, CRI)引入雨水利用風(fēng)險評估中。綜合風(fēng)險指數(shù)法可將不同性質(zhì)、不同單位的指標轉(zhuǎn)化為一個綜合指標，綜合評估各項工作中潛在的風(fēng)險，具有快速、準確等優(yōu)點，在我國早已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于醫(yī)療、金融、礦產(chǎn)等領(lǐng)域，其數(shù)學(xué)表達式為：
式中，F(xiàn)表示控制指標的分值，各項指標所得分值之和為綜合風(fēng)險指數(shù)，得分越高，回灌地表水的風(fēng)險越小。地表水環(huán)境質(zhì)量標準中規(guī)定了24項基本項目標準限值，其中9項涉及到本實驗所測的污染物。各生物滯留單元出水污染物平均濃度如表3所示。
將出水水質(zhì)與地表水環(huán)境質(zhì)量標準比較，各項指標評價分值標準及綜合風(fēng)險等級如表4所示。考慮到水質(zhì)每降低一個等級，對地表水的影響將大大加劇，所以給各指標賦值時，采用等差遞減的方法，達到地表水I類標準的指標可加10分，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、V類分別加9分、7分、4分和0分，超V類減5分。實驗所測10種污染物分別作為10項評價指標。分別對每個生物滯留單元出流的10項指標進行評分，將各指標得分相加，得到每個生物滯留單元的CRI值，滿分為100分。地表水Ⅲ類水質(zhì)為飲用水安全的最低限值，故各類污染物均按Ⅲ類水質(zhì)的得分計算，即CRI為70分為一個限值，得分>70，則認為風(fēng)險較低；得分在50—70之間，則風(fēng)險水平居中；得分<50，則認為回灌地表水風(fēng)險較高。各單元出水CRI值分布如圖10所示，由圖可知，7#單元的出水回灌地表水的風(fēng)險最小，而3#單元和5#單元次之，可知以細沙和黏土為介質(zhì)的單元回用風(fēng)險較小，這可能與細沙和黏土的粒徑較小、介質(zhì)滲透系數(shù)小、水力停留時間較長有關(guān)。盡管各生物滯留單元對COD、TN和Cd的去除率均達到620x,以上，但各單元出流中的這3項指標仍較高，均接近或不同程度超標，為高風(fēng)險因子。
2.3.2 回用作地下水和綠地灌溉用水的風(fēng)險評估
將各單元出水分別與地下水回灌水質(zhì)標準f矧和綠地灌溉水質(zhì)標準進行比較，10個生物滯留單元出水的COD濃度超出地下水回灌標準約2—6倍，生物滯留出水不能直接用于地下水回灌，但各生物滯留單元出水的各項指標均符合綠地灌溉水質(zhì)標準，可回收用于灌溉綠地，以節(jié)約日益緊張的水資源，實現(xiàn)資源的可持續(xù)。
3結(jié)論
(1)各生物滯留設(shè)施對TP和NH。+-N的去除效果較好，平均去除率分別為83.3%、80.9%；COD和N03一-N去除率分別為63.9%和62.6%；對Cd的去除率較低，為77.23%;其他重金屬平均去除率都在90%以上。
(2)4種介質(zhì)中，細沙和黏土的去污效果較好；介質(zhì)分層填裝的去污效果好于均勻混合填裝；黏土復(fù)合介質(zhì)中添加物的種類和比例對去污效果有較大影響；粒徑級配越小，污染物去除效果越好。
(3)介質(zhì)類型、填裝方式、黏土復(fù)合介質(zhì)中添加物的比例和粒徑級配等影響因素對生物滯留出水的回用風(fēng)險也有重要影響。以黏土和細沙作介質(zhì)的生物滯留單元的出水用于回灌地表水的風(fēng)險最小；各生物滯留單元出水水質(zhì)均可滿足綠地灌溉要求，回用風(fēng)險較小。
