生物滞留设施的水质与水量控制效果分析

杨正，郭大炜，张孟强，苏晋国，张新玉，于艳艳

(1.北京雨人润科生态技术有限责任公司，北京100089；2.北京建工建筑设计研究院，北京100044；3.北京建筑大学，北京100044；4.青岛市李沧区城市管理局，山东 青岛266100）

1 引言

生物滞留设施是典型的LID/GSI 设施，在海绵城市建设中应用广泛。国外早已对生物滞留设施开展了系统的研究和工程应用，如美国马里兰大学的Davis，北卡罗来纳大学的Hunt等，通过总结分析存在的问题与经验，可为其在我国的推广应用提供借鉴。

2 定义与分类

不同地区对生物滞留设施的定义略有不同，主要从结构、净化机理和功能等方面对其进行描述：生物滞留设施一般建造在地势低洼处（高位花坛除外），通过蓄水沉淀，土壤、植物、微生物渗滤等过程实现水质净化、削峰减量等功能[1]。

按结构分为预处理设施、蓄水层、树皮覆盖层、植物、种植土和填料层和砾石层（自上而下），需回用或集中排放时可在砾石层中埋置集水穿孔管。根据外观、大小、建造位置和适用范围分为雨水花园、种植池、滞留带和树池4 种[2]。

3 水质控制效果

3.1 总体控制效果

参照美国马里兰州生物滞留设施设计手册，其对典型污染物去除效率如表1 所示。虽然该设施在发达国家已广泛应用，但仍存在一些问题，如对氮、磷的去除效果不稳定等。

表1 生物滞留设施的污染物去除效率

3.2 氮的去除

生物滞留设施中氮的去除经历了氨化、硝化、反硝化的过程，最终转化为氮气去除。首先，径流中的有机氮很容易发生氨化作用转化为氨氮，氨氮的去除主要通过硝化作用转化为硝酸氮，挥发和吸附会去除极少量的氨氮。Hatt 等研究发现，在径流中NH4-N 转化为NH3-N 的过程只有在pH 高于7.5～8的情况下才可能发生，同时，土壤颗粒会优先吸附铁、锰、钙等金属离子，而造成对NH4-N 的吸附能力较弱。

硝化反应即氨氮在有氧的条件下转化为硝酸氮的过程。但由于NO3-不易被土壤吸附，在反硝化效率不高的情况下，2 场降雨的间隔期内，在土壤中易发生硝化反应产生的NO3-N滤出，进而发生第二场降雨出水NO3-N 浓度大于进水的情况。

生物滞留池中的氮最终通过反硝化作用去除，但由于普通生物滞留池很难满足一定时间的厌氧条件，所以，反硝化反应效率较低，造成对NO3-N 的去除效果较差。

近年来，Davis 等人对设施的除氮效果进行了研究，发现在室内或室外监测的总氮去除效果都不稳定，去除效率为-312%～58.4%，对硝酸氮的去除效率尤其不稳定，为-650%～84.6%。

针对厌氧条件难以保证使得反硝化反应难以发生，造成生物滞留设施除氮效果较差的情况，Kim 等人提出，通过对出流管的改造来创造生物滞留池内部淹没区，可以保证一定的停留时间来创造厌氧条件，提高反硝化反应效率。

此外，反硝化的进行还需要一定的碳源作为电子供体，因此，可以在填料中添加不同的有机物来增加碳源，Kim 等在2003 年的研究中得出合适的添加物包括：树皮、碎报纸、锯末、麦秸和木屑等。

3.3 磷的去除

雨水径流中的磷主要来源于肥料、汽车尾气、洗涤剂等，以有机态或无机态等形式存在，循环转化过程包括溶解与析出、吸附与解析、植物吸收等过程。

少部分磷呈颗粒态，吸附在悬浮物表面，通过土壤的过滤作用去除。绝大部分的磷以溶解性磷酸盐形式存在，通过化学吸附沉淀到土壤填料中。土壤填料对磷的吸附能力与其中Ca、Al、Fe 等金属离子的含量密切相关，且随进水负荷的增加，对磷的吸附能力会逐渐减弱，最终会达到吸附饱和状态。

一些国外研究者研究了设施的除磷效果，发现磷的去除效率在-240%～79%，去除效果极不稳定，且由于磷的释放，同样会发生水浓度大于进水的情况。有研究表明，若土壤填料中所含磷的本底值过高，则容易造成磷的释放，Chrysostome 等通过研究，得出可以用磷的饱和指数PSI 来衡量土壤中磷的吸附能力和释放风险。

为提高土壤填料对磷的吸附能力，可向填料中添加适当的添加物，自来水厂脱水铝污泥（Al-WTR）已被证明为提高磷去除效率的有效添加物。添加到生物滞留池中的量一般可为填料总质量的6%～10%。其他有效的添加物包括红泥（精炼铝土矿到铝的副产品）、炉渣、石英砂、钢丝绒等。

4 水量控制效果

由于降雨的随机和地域性差异，以及措施的规模和设计不同，针对生物滞留设施对径流流量的控制，不同地区有不同的数据。例如，Hunt 等对美国北卡罗来纳州夏洛特市市政服务中心旁的生物滞留设施进行实验监测，在2004—2005 年期间选取16 场降雨，降雨量为2.0～39.9mm，实验数据显示对峰值削减至少可达到96.5%。

在生物滞留设施设计过程中，可借用模型对它的水文效应进行分析，RECARGA 是由Wisconsin 大学研发的专门针对生物滞留池的水文性能进行分析和设计的软件，具有界面友好、操作简单等特点。可以通过RECARGA 软件对生物滞留池在径流削减、地下水入渗补给、积水时间、总处理水量等方面进行模拟，从而为生物滞留设施的合理设计提供理论依据。

5 结语

生物滞留设施目前在美国等发达国家已进行了大量的研究和应用，但在进行实验研究和实际工程中都发现生物滞留技术还存在诸如氮磷去除效果不稳定等问题，虽然提出了相应的技术改进方案，但仍需要在实际工程中对其长期的运行效果进行考察和验证。借鉴国外已有的研究成果，可以优化生物滞留设施设计，使其在海绵城市建设过程中更好地发挥对雨水径流水质与水量的控制效果。