改良型生物滞留池在海绵城市雨水处理中的研究与应用

冉阳,付峥嵘*,马满英,于东盛，詹令美,廖辉,韦程宸

1.湖南工业大学土木工程学院 2.重庆三峡环保(集团)有限公司 3.重庆侨恩创源建筑设计有限公司

城市化的发展和城区硬化面积的增加，使城市地表渗透性下降，雨水降落到地表后易形成雨水径流，城市雨水径流中往往携带大量的污染物，未经净化排入受纳水体，会引发水环境污染问题[1]。雨水地表径流污染己成为仅次于农业污染的第二大面污染源[2]，而道路径流污染是城市雨水径流污染的主要来源[3]。城市传统的雨水排放系统通过建造雨水管道系统、扩大不透水面积排除雨水径流，使径流量增大，峰现时间提前，加剧了城市内涝的产生[4]。每逢大雨，雨水径流导致自然水体等地表水污染严重，甚至出现恶臭现象。海绵城市建设通过保护和重新创造自然景观特征，最大限度地减少地表渗透，并创造功能性的场地排水[5]。随着海绵城市建设的日益兴起，城市快速排水模式逐步被替代。作为海绵城市改造建设的内容之一，生物滞留设施将雨水收集处理后排放，能消除因排水设施不足而一雨就涝、污水横流的顽疾，缓解雨水径流污染等引发的水环境问题，同时推动解决城市内涝、雨水收集利用和黑臭水体治理等问题。

生物滞留池是城市雨水低影响开发技术中的一种雨水处理设施，其既可以通过内部结构和土壤基质材料的吸附性滞蓄雨水，使雨水的洪峰流量和径流量得到有效衰减，又可以通过沉淀、过滤、微生物过程和植物吸收改善雨水水质[6]。传统生物滞留池可以有效地去除雨水中总悬浮固体(TSS)、重金属类金属、病原体和油脂。研究表明[7]，传统生物滞留池可以去除29%～99%的TSS和98%的油污，还能有效去除锌、铜和铅等重金属，年平均去除率分别为98%、99%和81%，但其对氮、磷的去除效果不佳，有时生物滞留池中基质填料甚至会出现氮、磷流失现象，使生物滞留池出水中总氮和总磷浓度升高[8]。为克服传统生物滞留池在海绵城市雨水处理中去除氮、磷效果不佳的缺点，改良型生物滞留池得到了研究和发展。

1 生物滞留池的改良途径

传统生物滞留池填料比较单一，不具备良好吸附性和渗透性；此外，生物滞留池内部既没有形成有效蓄水深度，也没有相对严格的厌氧和好氧区域。为提高对氮、磷的去除效果，传统生物滞留池需要在基质土壤、复合填料、厌氧环境、结构优化、有效蓄水深度、入渗率、流动方向等方面进行改良，并使生物滞留系统能达到长期稳定的运行条件。填料方面的改良主要包括加入基质土壤改良剂，采用复合填料、高入渗率材料等；结构方面的改良主要是增加有效蓄水深度，局部改变水流流动方向等。脱氮、除磷效果差是传统生物滞留系统固有的缺陷，其中脱氮一直是水处理中的技术挑战，其原因是含氮物质(如亚硝酸盐和硝酸盐)的高溶解性和普通介质对其很差的吸收能力[9]。为提高传统生物滞留池对氮的去除效果，宜在结构方面进行改良；为提高磷的去除效果，主要应在填料方面进行改良。由于有对多种污染物联合去除的需求，因此，对生物滞留池应多方位进行综合性改良。

1.1 加入基质土壤改良剂

为提高对雨水中磷的去除效果，常在生物滞留池基质土壤中加入相关的改良剂。给水厂铝污泥、水处理残渣、铁改性生物炭、明矾、蒙脱土、蛭石等都被证实是有效的基质土壤改良剂[10]。土壤改良剂中含有大量的铁或铝等金属离子，可与磷发生沉淀反应而将其去除；同时，土壤改良剂粗糙的外观形貌和较大的比表面积，有利于对雨水中磷的吸附。添加土壤改良剂可增加基质表面吸附率和土壤中基质的离子浓度，使雨水中的污染物进一步得到去除；此外，植物生长也需要相应的土壤改良剂，以维持整个生物滞留系统的生态平衡。

1.2 采用复合填料

单一填料对总磷吸附效果不强且较为不稳定，而不同配比的复合填料具有较强的吸附性，与磷的结合更稳定且饱和解吸率较低，能够显著提高磷的去除效果。以砂土、煤渣、石英砂、粉煤灰和铝污泥按不同比例组合后作为改良型生物滞留池复合填料[11]，复合填料的性能对磷的去除效果有较大影响，填料中所含磷的本底值对磷去除稳定性也有很大影响[12]。

1.3 营造厌氧环境

传统的生物滞留池并未考虑设置缺氧区，不具备反硝化脱氮功能，这可能是其脱氮效能不稳定的重要因素[13]。改良型生物滞留池有厌氧土壤层或通过提高生物滞留池出水口的位置营造厌氧环境，有利于微生物反硝化过程；在生物滞留池底部增加存水区或形成稳定饱水区从而制造厌氧环境；或在生物滞留池中设置间歇区促进反硝化过程，从而改善硝氮和总氮的去除效果(去除率约为85%和75%)[14]。

1.4 优化内部结构

设计上下层渗透率不同的内部结构，其中在上层填料中改善填料内部结构形成好氧条件，有利于硝化反应的进行，在下层填料中形成厌氧条件，有利于反硝化进行；改进生物滞留池的布水方式，改变水流方向和流速分布，最终达到强化生物滞留池的脱氮效果。倒置生物滞留池[15]是结构优化方式的一种，其在原有生物滞留池的基础上，将种植层和填料层交换位置，使出水稳定，同时便于后期填料的更换。增加前置雨水预处理装置，可有效抵抗生物滞留池对泥沙和大块杂质的冲击负荷，延长生物滞留池使用寿命和提高氮的去除率。

1.5 形成有效蓄水深度

砾石层排出系统上方生物滞留介质内的水深对入渗率有影响，无论填料介质的入渗能力如何，雨水入渗速率都随其上水位的升高而增大，一定的积水深度会引起压头，从而提高水力流动性。生物滞留池入渗率随砾石-土界面上水深的增加而增加[16]，同时有效蓄水深度能形成饱和区，为反硝化过程创造厌氧条件。在生物滞留系统中饱和和非饱和区植物吸收脱氮效能不同[17]，其中饱和区有利于植物生长，从而增强植物对氮的直接吸收。如Xiong等[18]通过试验证明了在生物滞留池填充含铁生物炭，并设置饱和区，有效改善了径流水质。

1.6 提高入渗率

生物滞留池需结合当地水量、水质情况加以设计和运用，而有些地区的土壤等相关介质渗透率很低，加之降水较少，对生物滞留池介质渗透率影响较大。Feng等[19]研究表明，高渗透率和低渗透率的土壤等介质都可填充至入渗系统中，但高入渗率系统对径流截留和悬浮固体去除效果好，与低入渗率系统相比，高入渗率系统对径流的捕获能力受降水深度和入渗速率的影响更大，故生物滞留池应采用抗干旱、高渗透率的介质材料。

1.7 改变雨水流动方向

传统生物滞留池收纳的雨水流动方向一般为下流式，即水流方向从上至下。有研究者提出改变水的流向和流道的方法，即采用上流式和混流式生物滞留系统，可以延长水力停留时间，有利于反硝化作用，使雨水中氮去除效果得到改善，其中以混流式效果为最好(总氮去除率可提高30%)[20]。如Zhang等[21]将改变柱流向和流道2种方法应用于传统的生物滞留系统的改进中，有效控制了氮、磷等污染物浓度，论证了上流式和混流式生物滞留系统的径流滞留和除氮性能以及其应用的可行性，为生物滞留池提供了有效改良的技术措施。

2 改良型生物滞留池处理对象、工艺及污染物去除机理

2.1 处理对象及污染特征

城市雨水中的污染物主要包括固体悬浮物(SS)、重金属、化学需氧量(COD)、不同形态的氮和磷、氯化物、油脂、致病菌、毒性和非毒性有机物等[22]。城市雨水污染物来源及组成见表1。城市雨水中污染物浓度是随时变化的，初期雨水中污染物浓度较高，生物滞留池主要用于对初期雨水中污染物的去除。生物滞留池内部能够滞蓄雨水，具有调蓄雨水的作用，对雨水中污染物浓度变化具有较好的耐受性。由于传统生物滞留池对SS、重金属、COD、氯化物、油脂、致病菌、毒性和非毒性有机物均有较好的去除效果，故改良型生物滞留池主要目标是提高对不同形态氮和磷的去除效果[23]。城市地表径流中污染物的进水浓度是影响磷去除效果的最大因素[24]，由于雨水中磷浓度往往不高，传统生物滞留池基本能满足磷的去除要求，但若要进一步提高磷的去除效果，则需通过添加土壤改良剂和改良填料基质来实现。通过设计厌氧土壤区和淹没区高度，同时优化改良结构可提高氮去除效果，但由于该方法不能显著提升氮去除效果，一般采取多种方法联用。

2.2 处理工艺

改良型生物滞留池内部结构由超高层、淹没层(蓄水层)、覆盖层、复合填料层、砾石层组成。雨水通过地表径流或引流进入生物滞留池，水流方向从上而下，依次经过超高层、淹没层、覆盖层、复合填料层，最后从砾石层排出。超高层上部设置有溢流管，便于及时排放超过处理能力的雨水；淹没层对雨水量起到一定的调节作用，以便于后续的截污、滞留和渗滤；覆盖层由树皮等有机质组成；复合填料层是生物滞留系统的核心，对水质净化和滞留起着决定性作用；砾石层为生物滞留池的排水系统，其填充的砾石粒径为12～35 mm，最大粒径不超过50 mm。图1显示了典型的改良型生物滞留池在总体结构和填料层方面与传统生物滞留池的区别。在结构方面，改良型生物滞留池在滞留池底部提高砾石排出层出水管高度，形成有效蓄水深度，从而提供相对的厌氧层和好氧层；在填料方面，其采用的复合填料层能去除特定污染物，对污染物的去除效果更佳。

表1 城市雨水中污染物来源及组成

图1 传统生物滞留池与改良型生物滞留池对比Fig.1 Comparison of traditional and modified bioretention tanks

2.3 不同污染物的去除机理

2.3.1SS、重金属、COD

与传统生物滞留池相似，改良型生物滞留池也是通过物理、化学以及生物作用去除SS、重金属、COD等，其中物理和化学作用占主导地位。雨水中的大部分SS、重金属、COD等可在生物滞留池覆盖层通过物理化学作用被吸收[28]。由于传统生物滞留池对SS、重金属、COD去除效果较好，去除率可达80%～95%，再加上改良型生物滞留池填料具有一定的吸附能力，因此，改良型生物滞留池对SS、重金属、COD去除效果较传统生物滞留池有所提升，去除率达90%以上[29]。改良型生物滞留池种植的植物所产生的吸附作用是重金属去除的另一途径，植物根系的释放物会吸附重金属离子，使其转化为根际的表面附着物，然后通过细胞作用转化到植物根际内，供植物生长。

2.3.2氮

雨水中的氮分为有机氮和无机氮，其中有机氮主要通过物理化学吸附、沉淀和过滤等作用得以去除，而无机氮主要通过硝化和反硝化作用去除。由于改良型生物滞留池在结构内部形成了好氧区和厌氧区，填料中也有外加碳源，为硝化反应和反硝化反应创造了条件，从而更利于无机氮的去除。此外，生物滞留池中种植植物的生长对氮的去除也具有积极作用。

2.3.3磷

雨水中的磷主要包括颗粒态磷和溶解态磷[30]。与传统生物滞留池主要通过填料基质和植物吸附作用去除磷不同，改良型生物滞留池去除磷的主要机制是复合填料的截留、吸附和化学沉淀作用[31]。如果土壤中添加的改良剂中含有铁、铝、钙等金属离子，溶解态磷可与这些金属离子发生反应，生成溶解度较小的金属盐沉淀[32]。改良型生物滞留池中磷去除是土壤改良剂和复合填料共同作用的结果。

3 改良型生物滞留池的研究、应用与发展

3.1 改良型生物滞留池的设计及应用

目前，改良型生物滞留池处于理论研究和小试阶段，已在道路、建筑小区及广场公园雨水的收集、净化和再生利用等方面开展了一些小试研究(表2)。改良型生物滞留池设计时，应注意设计规模、填料组成与深度、植物作用、目标污染物等因素[33]。当处理对象为道路路面径流雨水时，应针对其水质情况，根据道路现状条件，确定是否在进水口处设置预沉池，是否提高填料厌氧高度等。设置预沉池的目的是削减径流雨水中的悬浮物等较大颗粒，提高填料厌氧高度是为了更好地脱氮。当处理对象为建筑小区雨水时，应在考虑蓄水和污染物去除效果的同时，注重小区景观设计，使出水水质满足建筑小区雨水回用的要求。当处理对象为广场公园雨水时，若广场公园的面积较大，应考虑削减面源污染、滞蓄雨水并缓解热岛效应；若涉及老城区雨污合流管道改造，则运用海绵城市理念，通过生物滞留池达到对雨水的有效处理和排放，在减少洪涝灾害的同时美化环境。

表2 改良型生物滞留池净化雨水小试研究的污染物去除效能

3.2 改良型生物滞留池处理效果

生物滞留池经改良后，克服了传统生物滞留池的缺点，对污染物的去除效果得到了较大的提升，其中SS、重金属、COD等去除率可达90%以上；总氮、总磷的去除效果更加稳定，去除率增长30%，最高去除率可达95%。如胡爱兵等[42]研究表明，传统生物滞留池对雨水径流中氮、磷的去除效果不稳定，而改良型生物滞留池能稳定提高对总氮、硝氮和总磷的去除效果，并对氨氮、TSS、重金属、油脂类及致病菌等保持较好的去除效果；仇付国等[43]证明了在生物滞留系统的砂土基质中添加铝污泥，能有效解决传统生物滞留系统除磷效果不稳定的难题，同时还保留了对TSS、COD、氨氮等传统径流污染物优良的去除效果；熊家晴等[44]通过试验得出，铁改性生物炭改良填料生物滞留池在设有一定高度淹没区条件下对雨水径流中磷具有很好的去除效果，并对不同落干期变化具有较强的适应性；朱志强[45]通过研究不同填料高度的带有厌氧区的改良型生物滞留池，提高了生物滞留池对雨水径流中氮、磷、COD等污染物的去除效果；You等[46]证实了碱式固体废物改良型生物滞留系统可有效增强雨水径流中污染物的去除效率；Li等[25]研究发现，在生物滞留池中加入吸附溶解态有机氮的过滤介质或在介质底部形成厌氧区能够增强脱氮性能；彭博[47]将强化后的淀粉类可降解餐盒加入到经过结构优化设计的生物滞留池中，出水水质COD和氨氮能达到GB 3838—2002《地表水环境质量标准》Ⅲ类水质；赵倩等[48]将生物质炭加入传统生物滞留池后，发现生物滞留池对氮的去除效果和径流量削减能力明显提高；Qiu等[29]采用添加水处理残渣和对内储水区进行改良，发现是否改良都能去除大于90%的氨氮，但不改良对总氮和硝氮的去除效果要差得多，同时改良的生物滞留池对磷的吸附去除率大于99%，且效果尤为显著；Yan等[49]用铝基水处理残渣和蒙脱土对生物滞留池的土壤介质进行了添加明矾处理，发现能够提高磷的吸附能力；Tian等[50]通过生物炭和零价铁的中试双层生物保留系统，证明了生物炭和零价铁能提高雨水中硝酸盐的去除率。总之，改良型生物滞留池能有效提高对氮、磷的去除效果，缓解生物滞留池基质填料中氮、磷的淋失，增加对环境的抵抗力，并能维持生物滞留池长期稳定运行。

3.3 改良型生物滞留池发展趋势

目前，改良型生物滞留池主要用于初期雨水处理及城市老城区建筑小区雨污合流管道改造中，未来会加大对中后期雨水处理的研究，形成完备的海绵城市雨水处理体系。未来在改良型生物滞留池设计中，应充分融入海绵城市建设理念，强化生物滞留池的自然生物特征和植被属性，与景观设计进一步配合，有效蓄水、净水。为提高脱氮效率，改良型生物滞留池往往采用低有机物的过滤介质和在内部设置局部厌氧淹没区，今后应加强能控制城市雨水量及能有效、稳定地去除大部分污染物的生物滞留池的研究；加大对雨水前置预处理的研究，设置前处理装置(如涡流池)等；采用多雨季和少雨季2种设计规模，以应对降水量不同的情况，即在多雨季保持设施的正常运行，有效排水和有效处理相统一，抵制洪涝灾害的产生，而在少雨季有效截水，维持系统正常的水量。

4 结语

生物滞留池的改良集中在基质土壤、复合填料、厌氧环境、结构优化、有效蓄水深度、入渗率、水力流动方向等方面开展研究。与传统生物滞留池相比，改良型生物滞留池有非常显著的优势，其对污染物的去除效果比较稳定，除对雨水径流中的TSS、重金属、油脂类及致病菌等有较好的去除效果外，还能有效去除氮和磷。目前对改良型生物滞留池的研究不够深入、全面，尤其在改良复合填料的耐久性、填料中污染物浸出引起的二次污染、复合填料堵塞与功能丧失等方面还需进一步开展研究。另外，在海绵城市雨水处理设计中，应针对不同城市雨水的水质和水量，结合各地实际情况对生物滞留池进行改良研究。