基于多目标评价的市政道路径流污染控制生物滞留设施填料优化

赵云云，李骐安，陈正侠，周国华，贾海峰

(1.清华大学环境学院，北京 100084; 2.农业农村部规划设计研究院，北京 100125;3.天津生态城市政景观有限公司，天津 300486)

生物滞留设施作为最重要的一类低影响开发技术，已被广泛应用于海绵城市建设中的城市径流控制[1-2]，但如何提升其对污染物的去除效果仍是研究的热点和难点[3-4]。生物滞留设施的填料配置是影响其径流污染控制效果的关键因素[5]。目前，国外已有生物滞留设施的设计规范和相关填料的选择标准，而国内还没有形成成熟的技术规范，在设计时结合当地的实际情况，主要考虑填料的渗透性能、污染物去除效果以及经济成本等因素[6]。早期生物滞留设施的填料种类比较单一，主要为天然的壤质砂土、砂质壤土和壤土等[7]。这些填料的渗透性能较好，成本也相对较低，但对污染物的去除效果欠佳。而对于黏粒含量高的黏土，虽然这些填料对污染物的去除效果好，但是渗透性能差，容易产生堵塞。Singh等[8]通过在土壤中掺砂的同时添加木屑、草炭土等有机质来优化填料的颗粒级配，以维持土壤的保水及渗透性能。随着城市化进程中面源污染问题的日益严峻，包含天然土壤、有机质及土壤改良剂等介质的混合填料逐渐用于生物滞留设施的改良[9]。已有研究表明，生物滞留设施对悬浮性颗粒物的去除率基本都能够超过90%，对COD的去除率能达到60%以上；而对氮、磷的去除效果则不稳定[10-12]。在填料中添加比表面积大、吸附能力强的介质，如沸石、蛭石、生物炭等，能够提高氮、磷的去除率[13]。考虑到填料的经济成本和固废资源化利用，也通过添加河道底泥和给水厂污泥等来提高氮、磷的去除率[14-15]。

为提升生物滞留设施的污染物去除效果、降低设施建设成本和提高固废资源化利用效率，可对生物滞留设施填料进行改良，但仍缺乏对填料基于渗透性能、污染物去除效果及经济成本等因素的综合评价及优化配置。同时，生物滞留设施在干旱和寒冷气候条件下的运行效果仍存在不确定性，亟待进一步研究。本文以华北地区的天津中新生态城为例，通过在实验室搭建生物滞留柱装置，结合研究区的地理特征及市政道路径流污染特征等实际情况，配置多种填料组合并设计人工模拟降雨试验，通过采用多目标评价方法对填料组合的渗透性能、污染物去除效果及经济成本进行综合评估，旨在为研究区域生物滞留设施填料的优化配置提供科学依据，也为其他类似地区生物滞留设施的优化设计提供参考。

1 材料与方法

1.1 生物滞留柱试验设计

本研究的试验流程及装置如图1所示，主要由4部分组成：①生物滞留柱(以下简称试验柱)。每个试验柱代表一种填料组合，每种填料组合采用不同的填料配比均匀混合配置，共设计8组；②人工合成降雨径流。根据天津市典型场次降雨的水质特征，人工配置模拟降雨径流；③蠕动泵。通过控制蠕动泵的流量，将模拟降雨径流泵入各试验柱中，作为试验柱的进水；④出水收集装置。在试验柱末端采集出流水样，检测出流中的SS、CODCr、TN、NH3-N和TP等指标，以评估填料的水质净化效能。

试验柱高1 200 mm，直径100 mm，采用亚克力材质，出水阀为球形阀。试验柱分为上下两层，上层是填料层，高600 mm；下层是由砾石组成的承托层(粒径3～6 mm)，高200 mm，与填料层之间布设土工布。为避免植物干扰，试验柱中不种植物。本研究在文献调研的基础上，结合天津生态城的土壤条件、当地原料的来源及价格，选用6种填料配置不同质量比的填料组合，包括天然土壤、河沙、草炭土、蛭石、沸石、给水厂污泥。6种填料的粒径、干密度和孔隙度见表1。

(a) 试验流程

表1 填料的物理性质

首先利用土壤、河沙和草炭土3种填料按照 5∶4∶1 的质量比配置成自然包。自然包作为试验的对照组，既要满足植物生长的基本需求，同时组成配比要尽量与植物生长的自然环境相近。填料组合1全部采用自然包，作为试验的对照组；填料组合2～8增加不同质量比的蛭石、沸石和给水厂污泥，如表2所示。从组合1～8，自然包的含量逐渐减小，其他填料的含量逐渐增加，其中组合2、3、4用于分析不同含量的蛭石和沸石对污染物去除效果的影响，组合5、6用于对比含铁盐和含铝盐的给水厂污泥对污染物的去除效果，组合7、8用于分析沸石含量增加对水质净化效果的影响。

1.2 人工模拟降雨设计

选用一年一遇降雨历时60 min、降水量41.4 mm的设计降雨作为试验柱的进水。根据2014年发布的《海绵城市建设技术指南——低影响开发雨水系统构建(试行)》，该设计降雨满足天津年径流总量控制率85%的要求(对应降水量 37.8 mm)。假设汇水面积与试验柱面积比例为10∶1，则得到单根试验柱的模拟降雨流量为0.8 mL/s，每次进水 2.9 L。根据研究区域的降雨特征及市政道路的径流污染特征，共模拟了8场降雨事件，模拟降雨频率为每周2次，其中4场降雨的雨前干期为2 d，另外4场降雨的雨前干期为3 d，相应的降雨径流水质及配水投加的物质如表3所示。每场降雨的污染物去除率采用试验柱进出水污染物质量浓度计算得出。

表2 各试验柱中填料的质量比

表3 人工模拟降雨径流水质及投加物质

1.3 填料优化筛选

采用常用的多目标评价方法——层次分析法(analytic hierarchy process， AHP)来筛选最优的填料组合，即筛选出渗透性能、污染物去除效果和经济性都理想的填料组合。建立的多指标层次分析结构如图2所示，其中指标层包含渗透系数、污染物去除率和填料价格3个一级指标；污染物去除率指标又根据5类污染物分为5个二级指标。各指标对筛选理想填料的相对重要性，即指标的权重，通过专家打分确定。专家打分过程充分考虑了专家的研究背景和方向，咨询了包括相关领域的技术专家、当地决策者和公众代表等在内的多位利益相关者，总共采集专家打分样本40份。通过在同一级指标间构造基于专家打分的两两比较判断矩阵，得到被比较指标的相对权重。判断矩阵的一致性比率均小于0.1，表明判断矩阵通过一致性检验，得到的权重具有可靠性。最终得到，渗透系数、SS、CODCr、TN、NH3-N、TP和填料价格的综合权重分别为0.31、0.13、0.25、0.09、0.04、0.02和0.16。

图2 填料优化筛选的层次分析结构

2 结果与分析

2.1 填料渗透性能

采用渗透系数反映填料的渗透性能，渗透系数越低，渗透性能越差，反之则越好。随着时间的增加，填料逐渐被压实，最终各试验柱稳定后的渗透系数在50～106 mm/h之间，平均达到 77 mm/h。这与文献[16]建议的渗透系数范围相符(50～200 mm/h)，表明各试验柱符合生物滞留设施对渗透系数的要求。

2.2 填料污染物去除效果

生物滞留设施常用于处理降雨径流中的固体颗粒、有机物及氮磷等物质。污染物去除效果如图3所示。

a. SS。各试验柱对SS的去除效果显著，除对照组(1号试验柱)外，其余试验柱的SS平均去除率在87.9%～91.7%范围内。对照组的SS平均去除率最低，而且去除效果不稳定；其余试验柱的SS去除率均超过85%。SS的去除主要是通过填料的吸附、沉淀和过滤等作用实现，已有研究也表明生物滞留设施能够对SS高效去除[2]。对照组较低的SS去除率一方面是由于缺少蛭石和沸石等吸附能力强的填料，另一方面也与填料中的细骨料随径流被冲出有关。

b. CODCr。除对照组外，各试验柱对CODCr的平均去除率在62.5%～83.0%范围内。平均去除率最高的为8号试验柱，能够达到83%。这主要是由于8号试验柱中沸石的占比在各试验柱中达到最高(20%)[16]。仇付国等[17]的研究也表明沸石能够高效去除径流中的CODCr。相比之下，对照组中只含有土壤、河沙和草炭土，没有添加蛭石和沸石等污染物去除效果好的填料。

c. TN。各试验柱对TN的去除效果均不理想且极不稳定，除对照组外，平均去除率在-129.3%～-58.2% 范围内。与其他污染物指标不同，对照组的TN平均去除率为23.1%，远高于其他试验柱。2～7号试验柱的TN平均去除率都为负值，表明降雨径流通过生物滞留设施后，污染物浓度不降反升。该结论也得到Lopez-Ponnada等[4]研究的证实。这主要是由于一方面填料本身氮的本底值较高，另一方面生物滞留设施不具备发生反硝化作用的缺氧条件，导致硝态氮难以被有效去除；同时，硝态氮带负电荷，很难通过填料的吸附作用被去除。

(a) SS

d. NH3-N。各试验柱对NH3-N的去除效果较好，平均去除率在58.6%～94.4%范围内。对比各试验柱，3号试验柱对NH3-N的去除效果维持在较高的水平，平均去除率达到94.4%，表明蛭石在去除NH3-N方面表现良好。相较于2号和4号试验柱，3号试验柱的蛭石含量最高，4号试验柱次之。8号试验柱的蛭石和沸石含量最高，对NH3-N的去除效果明显优于7号试验柱。通过填料的吸附有效去除NH3-N也在已有研究中得到了证实[17]。此外，相比于硝态氮，NH3-N带正电荷，因此容易被生物滞留设施中带负电荷的土壤颗粒吸附。同时，由于典型的生物滞留设施填料有利于硝化反应的进行，使NH3-N也能够通过转化为硝态氮而得到去除。

e. TP。除对照组外，2～8号试验柱对TP的去除效果都维持在很高的水平，平均去除率在97.6%～98.6%范围内。对照组的TP去除率为负值，可能与填料中磷的释放有关。虽然各试验柱中都添加了草炭土这类有机质，但除对照组外，其他试验柱还加入了吸附能力强的蛭石和沸石，以及富含铁盐和铝盐的给水厂污泥。降雨径流中颗粒态的磷会附着在SS上，并在生物滞留设施填料中通过吸附、沉淀和过滤作用随SS一起被截留；而溶解态的磷则能够通过填料的吸附作用被去除。同时，溶解态的磷也通过与填料中的铁、铝等金属离子发生反应生成沉淀物而被有效去除。总体上，生物滞留设施对TP的去除效果较TN更稳定，这与Palmer等[18]的研究结果相一致。

2.3 填料经济成本分析

填料的经济成本以购买单位体积填料组合的价格为依据计算得到，其中3号试验柱的填料成本最高，是对照组的2.3倍。试验柱的填料平均成本为730元/m3，其中1号、2号和7号试验柱的成本低于平均值，经济性较好。

2.4 填料综合性能比选

渗透系数采用设施稳定后的测定结果，污染物去除率采用8场降雨的平均污染物去除率进行计算，结果如表4所示。

为消除各指标的量纲和数量级对综合评价的影响，首先采用0～1极差标准化方法对各指标的原始数据进行标准化处理。填料的渗透系数和污染物去除率越高，标准化后的数值越接近1，填料单价则相反。将渗透系数、污染物去除率和填料单价的标准化数值采用加权求和的方法得到8种试验柱填料组合的综合得分，如表5所示。5号试验柱中其填料土壤、河沙、草炭土、给水厂污泥、蛭石和沸石的质量比为30∶24∶6∶20∶10∶10，其中给水厂污泥主要含铝盐，综合效果优于含铁盐的给水厂污泥(6号试验柱)。4号试验柱与5号试验柱的综合得分很接近，两者填料组合的差别仅在于给水厂污泥和自然包含量的不同。5号试验柱中的给水厂污泥含量较4号试验柱更多，其渗透性能较4号试验柱更好，填料价格也更低。对照组的填料成本虽然最小，但填料的渗透性能和污染物去除效果均不理想，导致综合得分最低。

表4 各试验柱的性能和填料经济成本

表5 各试验柱的综合得分及排序

3 结 语

随着我国城市化进程的快速推进，面源污染和固体废弃物排放等问题日益严峻，基于多目标评价方法优化生物滞留设施填料，能够从源头有效控制径流污染并提高固废资源化利用效率。试验期内，8组试验柱的渗透系数最终稳定在50～ 106 mm/h 范围内，符合生物滞留设施对渗透系数的要求。除对照组外，其余试验柱对SS、CODCr、NH3-N、TP的平均去除率分别处在87.9%～91.7%、62.5%～83.0%、58.6%～94.4%、97.6%～98.6%范围内。各试验柱对TN的去除效果不理想且极不稳定。研究结果表明，5号试验柱的综合性能最优，其填料组合能够维持较好的渗透性能，在污染物去除效果良好的同时，具有填料本地化和资源化的特点，经济性好。在实际工程应用中建议多采用蛭石和沸石等吸附能力强的填料，以及富含铝盐的给水厂污泥等经济性好的填料。

本文研究成果可为面向市政道路径流污染控制的生物滞留设施填料的优化配置提供参考，今后的研究应着重关注生物滞留设施填料中氮、磷的淋失和应对策略，以及环境变化对设施性能的影响，以探究优化的生物滞留设施填料组合在实际应用中对市政道路径流污染的处置能力。