趙云云，李騏安，陳正俠，周國華，賈海峰

(1.清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院，北京 100084; 2.農(nóng)業(yè)農(nóng)村部規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，北京 100125;3.天津生態(tài)城市政景觀有限公司，天津 300486)

生物滯留設(shè)施作為最重要的一類低影響開發(fā)技術(shù)，已被廣泛應(yīng)用于海綿城市建設(shè)中的城市徑流控制[1-2]，但如何提升其對污染物的去除效果仍是研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)[3-4]。生物滯留設(shè)施的填料配置是影響其徑流污染控制效果的關(guān)鍵因素[5]。目前，國外已有生物滯留設(shè)施的設(shè)計(jì)規(guī)范和相關(guān)填料的選擇標(biāo)準(zhǔn)，而國內(nèi)還沒有形成成熟的技術(shù)規(guī)范，在設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，主要考慮填料的滲透性能、污染物去除效果以及經(jīng)濟(jì)成本等因素[6]。早期生物滯留設(shè)施的填料種類比較單一，主要為天然的壤質(zhì)砂土、砂質(zhì)壤土和壤土等[7]。這些填料的滲透性能較好，成本也相對較低，但對污染物的去除效果欠佳。而對于黏粒含量高的黏土，雖然這些填料對污染物的去除效果好，但是滲透性能差，容易產(chǎn)生堵塞。Singh等[8]通過在土壤中摻砂的同時(shí)添加木屑、草炭土等有機(jī)質(zhì)來優(yōu)化填料的顆粒級配，以維持土壤的保水及滲透性能。隨著城市化進(jìn)程中面源污染問題的日益嚴(yán)峻，包含天然土壤、有機(jī)質(zhì)及土壤改良劑等介質(zhì)的混合填料逐漸用于生物滯留設(shè)施的改良[9]。已有研究表明，生物滯留設(shè)施對懸浮性顆粒物的去除率基本都能夠超過90%，對COD的去除率能達(dá)到60%以上；而對氮、磷的去除效果則不穩(wěn)定[10-12]。在填料中添加比表面積大、吸附能力強(qiáng)的介質(zhì)，如沸石、蛭石、生物炭等，能夠提高氮、磷的去除率[13]。考慮到填料的經(jīng)濟(jì)成本和固廢資源化利用，也通過添加河道底泥和給水廠污泥等來提高氮、磷的去除率[14-15]。

為提升生物滯留設(shè)施的污染物去除效果、降低設(shè)施建設(shè)成本和提高固廢資源化利用效率，可對生物滯留設(shè)施填料進(jìn)行改良，但仍缺乏對填料基于滲透性能、污染物去除效果及經(jīng)濟(jì)成本等因素的綜合評價(jià)及優(yōu)化配置。同時(shí)，生物滯留設(shè)施在干旱和寒冷氣候條件下的運(yùn)行效果仍存在不確定性，亟待進(jìn)一步研究。本文以華北地區(qū)的天津中新生態(tài)城為例，通過在實(shí)驗(yàn)室搭建生物滯留柱裝置，結(jié)合研究區(qū)的地理特征及市政道路徑流污染特征等實(shí)際情況，配置多種填料組合并設(shè)計(jì)人工模擬降雨試驗(yàn)，通過采用多目標(biāo)評價(jià)方法對填料組合的滲透性能、污染物去除效果及經(jīng)濟(jì)成本進(jìn)行綜合評估，旨在為研究區(qū)域生物滯留設(shè)施填料的優(yōu)化配置提供科學(xué)依據(jù)，也為其他類似地區(qū)生物滯留設(shè)施的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

1 材料與方法

1.1 生物滯留柱試驗(yàn)設(shè)計(jì)

本研究的試驗(yàn)流程及裝置如圖1所示，主要由4部分組成：①生物滯留柱(以下簡稱試驗(yàn)柱)。每個(gè)試驗(yàn)柱代表一種填料組合，每種填料組合采用不同的填料配比均勻混合配置，共設(shè)計(jì)8組；②人工合成降雨徑流。根據(jù)天津市典型場次降雨的水質(zhì)特征，人工配置模擬降雨徑流；③蠕動泵。通過控制蠕動泵的流量，將模擬降雨徑流泵入各試驗(yàn)柱中，作為試驗(yàn)柱的進(jìn)水；④出水收集裝置。在試驗(yàn)柱末端采集出流水樣，檢測出流中的SS、CODCr、TN、NH3-N和TP等指標(biāo)，以評估填料的水質(zhì)凈化效能。

試驗(yàn)柱高1 200 mm，直徑100 mm，采用亞克力材質(zhì)，出水閥為球形閥。試驗(yàn)柱分為上下兩層，上層是填料層，高600 mm；下層是由礫石組成的承托層(粒徑3～6 mm)，高200 mm，與填料層之間布設(shè)土工布。為避免植物干擾，試驗(yàn)柱中不種植物。本研究在文獻(xiàn)調(diào)研的基礎(chǔ)上，結(jié)合天津生態(tài)城的土壤條件、當(dāng)?shù)卦系膩碓醇皟r(jià)格，選用6種填料配置不同質(zhì)量比的填料組合，包括天然土壤、河沙、草炭土、蛭石、沸石、給水廠污泥。6種填料的粒徑、干密度和孔隙度見表1。

(a) 試驗(yàn)流程

表1 填料的物理性質(zhì)

首先利用土壤、河沙和草炭土3種填料按照 5∶4∶1 的質(zhì)量比配置成自然包。自然包作為試驗(yàn)的對照組，既要滿足植物生長的基本需求，同時(shí)組成配比要盡量與植物生長的自然環(huán)境相近。填料組合1全部采用自然包，作為試驗(yàn)的對照組；填料組合2～8增加不同質(zhì)量比的蛭石、沸石和給水廠污泥，如表2所示。從組合1～8，自然包的含量逐漸減小，其他填料的含量逐漸增加，其中組合2、3、4用于分析不同含量的蛭石和沸石對污染物去除效果的影響，組合5、6用于對比含鐵鹽和含鋁鹽的給水廠污泥對污染物的去除效果，組合7、8用于分析沸石含量增加對水質(zhì)凈化效果的影響。

1.2 人工模擬降雨設(shè)計(jì)

選用一年一遇降雨歷時(shí)60 min、降水量41.4 mm的設(shè)計(jì)降雨作為試驗(yàn)柱的進(jìn)水。根據(jù)2014年發(fā)布的《海綿城市建設(shè)技術(shù)指南——低影響開發(fā)雨水系統(tǒng)構(gòu)建(試行)》，該設(shè)計(jì)降雨滿足天津年徑流總量控制率85%的要求(對應(yīng)降水量 37.8 mm)。假設(shè)匯水面積與試驗(yàn)柱面積比例為10∶1，則得到單根試驗(yàn)柱的模擬降雨流量為0.8 mL/s，每次進(jìn)水 2.9 L。根據(jù)研究區(qū)域的降雨特征及市政道路的徑流污染特征，共模擬了8場降雨事件，模擬降雨頻率為每周2次，其中4場降雨的雨前干期為2 d，另外4場降雨的雨前干期為3 d，相應(yīng)的降雨徑流水質(zhì)及配水投加的物質(zhì)如表3所示。每場降雨的污染物去除率采用試驗(yàn)柱進(jìn)出水污染物質(zhì)量濃度計(jì)算得出。

表2 各試驗(yàn)柱中填料的質(zhì)量比

表3 人工模擬降雨徑流水質(zhì)及投加物質(zhì)

1.3 填料優(yōu)化篩選

采用常用的多目標(biāo)評價(jià)方法——層次分析法(analytic hierarchy process， AHP)來篩選最優(yōu)的填料組合，即篩選出滲透性能、污染物去除效果和經(jīng)濟(jì)性都理想的填料組合。建立的多指標(biāo)層次分析結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中指標(biāo)層包含滲透系數(shù)、污染物去除率和填料價(jià)格3個(gè)一級指標(biāo)；污染物去除率指標(biāo)又根據(jù)5類污染物分為5個(gè)二級指標(biāo)。各指標(biāo)對篩選理想填料的相對重要性，即指標(biāo)的權(quán)重，通過專家打分確定。專家打分過程充分考慮了專家的研究背景和方向，咨詢了包括相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)專家、當(dāng)?shù)貨Q策者和公眾代表等在內(nèi)的多位利益相關(guān)者，總共采集專家打分樣本40份。通過在同一級指標(biāo)間構(gòu)造基于專家打分的兩兩比較判斷矩陣，得到被比較指標(biāo)的相對權(quán)重。判斷矩陣的一致性比率均小于0.1，表明判斷矩陣通過一致性檢驗(yàn)，得到的權(quán)重具有可靠性。最終得到，滲透系數(shù)、SS、CODCr、TN、NH3-N、TP和填料價(jià)格的綜合權(quán)重分別為0.31、0.13、0.25、0.09、0.04、0.02和0.16。

圖2 填料優(yōu)化篩選的層次分析結(jié)構(gòu)

2 結(jié)果與分析

2.1 填料滲透性能

采用滲透系數(shù)反映填料的滲透性能，滲透系數(shù)越低，滲透性能越差，反之則越好。隨著時(shí)間的增加，填料逐漸被壓實(shí)，最終各試驗(yàn)柱穩(wěn)定后的滲透系數(shù)在50～106 mm/h之間，平均達(dá)到 77 mm/h。這與文獻(xiàn)[16]建議的滲透系數(shù)范圍相符(50～200 mm/h)，表明各試驗(yàn)柱符合生物滯留設(shè)施對滲透系數(shù)的要求。

2.2 填料污染物去除效果

生物滯留設(shè)施常用于處理降雨徑流中的固體顆粒、有機(jī)物及氮磷等物質(zhì)。污染物去除效果如圖3所示。

a. SS。各試驗(yàn)柱對SS的去除效果顯著，除對照組(1號試驗(yàn)柱)外，其余試驗(yàn)柱的SS平均去除率在87.9%～91.7%范圍內(nèi)。對照組的SS平均去除率最低，而且去除效果不穩(wěn)定；其余試驗(yàn)柱的SS去除率均超過85%。SS的去除主要是通過填料的吸附、沉淀和過濾等作用實(shí)現(xiàn)，已有研究也表明生物滯留設(shè)施能夠?qū)S高效去除[2]。對照組較低的SS去除率一方面是由于缺少蛭石和沸石等吸附能力強(qiáng)的填料，另一方面也與填料中的細(xì)骨料隨徑流被沖出有關(guān)。

b. CODCr。除對照組外，各試驗(yàn)柱對CODCr的平均去除率在62.5%～83.0%范圍內(nèi)。平均去除率最高的為8號試驗(yàn)柱，能夠達(dá)到83%。這主要是由于8號試驗(yàn)柱中沸石的占比在各試驗(yàn)柱中達(dá)到最高(20%)[16]。仇付國等[17]的研究也表明沸石能夠高效去除徑流中的CODCr。相比之下，對照組中只含有土壤、河沙和草炭土，沒有添加蛭石和沸石等污染物去除效果好的填料。

c. TN。各試驗(yàn)柱對TN的去除效果均不理想且極不穩(wěn)定，除對照組外，平均去除率在-129.3%～-58.2% 范圍內(nèi)。與其他污染物指標(biāo)不同，對照組的TN平均去除率為23.1%，遠(yuǎn)高于其他試驗(yàn)柱。2～7號試驗(yàn)柱的TN平均去除率都為負(fù)值，表明降雨徑流通過生物滯留設(shè)施后，污染物濃度不降反升。該結(jié)論也得到Lopez-Ponnada等[4]研究的證實(shí)。這主要是由于一方面填料本身氮的本底值較高，另一方面生物滯留設(shè)施不具備發(fā)生反硝化作用的缺氧條件，導(dǎo)致硝態(tài)氮難以被有效去除；同時(shí)，硝態(tài)氮帶負(fù)電荷，很難通過填料的吸附作用被去除。

(a) SS

d. NH3-N。各試驗(yàn)柱對NH3-N的去除效果較好，平均去除率在58.6%～94.4%范圍內(nèi)。對比各試驗(yàn)柱，3號試驗(yàn)柱對NH3-N的去除效果維持在較高的水平，平均去除率達(dá)到94.4%，表明蛭石在去除NH3-N方面表現(xiàn)良好。相較于2號和4號試驗(yàn)柱，3號試驗(yàn)柱的蛭石含量最高，4號試驗(yàn)柱次之。8號試驗(yàn)柱的蛭石和沸石含量最高，對NH3-N的去除效果明顯優(yōu)于7號試驗(yàn)柱。通過填料的吸附有效去除NH3-N也在已有研究中得到了證實(shí)[17]。此外，相比于硝態(tài)氮，NH3-N帶正電荷，因此容易被生物滯留設(shè)施中帶負(fù)電荷的土壤顆粒吸附。同時(shí)，由于典型的生物滯留設(shè)施填料有利于硝化反應(yīng)的進(jìn)行，使NH3-N也能夠通過轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮而得到去除。

e. TP。除對照組外，2～8號試驗(yàn)柱對TP的去除效果都維持在很高的水平，平均去除率在97.6%～98.6%范圍內(nèi)。對照組的TP去除率為負(fù)值，可能與填料中磷的釋放有關(guān)。雖然各試驗(yàn)柱中都添加了草炭土這類有機(jī)質(zhì)，但除對照組外，其他試驗(yàn)柱還加入了吸附能力強(qiáng)的蛭石和沸石，以及富含鐵鹽和鋁鹽的給水廠污泥。降雨徑流中顆粒態(tài)的磷會附著在SS上，并在生物滯留設(shè)施填料中通過吸附、沉淀和過濾作用隨SS一起被截留；而溶解態(tài)的磷則能夠通過填料的吸附作用被去除。同時(shí)，溶解態(tài)的磷也通過與填料中的鐵、鋁等金屬離子發(fā)生反應(yīng)生成沉淀物而被有效去除?？傮w上，生物滯留設(shè)施對TP的去除效果較TN更穩(wěn)定，這與Palmer等[18]的研究結(jié)果相一致。

2.3 填料經(jīng)濟(jì)成本分析

填料的經(jīng)濟(jì)成本以購買單位體積填料組合的價(jià)格為依據(jù)計(jì)算得到，其中3號試驗(yàn)柱的填料成本最高，是對照組的2.3倍。試驗(yàn)柱的填料平均成本為730元/m3，其中1號、2號和7號試驗(yàn)柱的成本低于平均值，經(jīng)濟(jì)性較好。

2.4 填料綜合性能比選

滲透系數(shù)采用設(shè)施穩(wěn)定后的測定結(jié)果，污染物去除率采用8場降雨的平均污染物去除率進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如表4所示。

為消除各指標(biāo)的量綱和數(shù)量級對綜合評價(jià)的影響，首先采用0～1極差標(biāo)準(zhǔn)化方法對各指標(biāo)的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化處理。填料的滲透系數(shù)和污染物去除率越高，標(biāo)準(zhǔn)化后的數(shù)值越接近1，填料單價(jià)則相反。將滲透系數(shù)、污染物去除率和填料單價(jià)的標(biāo)準(zhǔn)化數(shù)值采用加權(quán)求和的方法得到8種試驗(yàn)柱填料組合的綜合得分，如表5所示。5號試驗(yàn)柱中其填料土壤、河沙、草炭土、給水廠污泥、蛭石和沸石的質(zhì)量比為30∶24∶6∶20∶10∶10，其中給水廠污泥主要含鋁鹽，綜合效果優(yōu)于含鐵鹽的給水廠污泥(6號試驗(yàn)柱)。4號試驗(yàn)柱與5號試驗(yàn)柱的綜合得分很接近，兩者填料組合的差別僅在于給水廠污泥和自然包含量的不同。5號試驗(yàn)柱中的給水廠污泥含量較4號試驗(yàn)柱更多，其滲透性能較4號試驗(yàn)柱更好，填料價(jià)格也更低。對照組的填料成本雖然最小，但填料的滲透性能和污染物去除效果均不理想，導(dǎo)致綜合得分最低。

表4 各試驗(yàn)柱的性能和填料經(jīng)濟(jì)成本

表5 各試驗(yàn)柱的綜合得分及排序

3 結(jié) 語

隨著我國城市化進(jìn)程的快速推進(jìn)，面源污染和固體廢棄物排放等問題日益嚴(yán)峻，基于多目標(biāo)評價(jià)方法優(yōu)化生物滯留設(shè)施填料，能夠從源頭有效控制徑流污染并提高固廢資源化利用效率。試驗(yàn)期內(nèi)，8組試驗(yàn)柱的滲透系數(shù)最終穩(wěn)定在50～ 106 mm/h 范圍內(nèi)，符合生物滯留設(shè)施對滲透系數(shù)的要求。除對照組外，其余試驗(yàn)柱對SS、CODCr、NH3-N、TP的平均去除率分別處在87.9%～91.7%、62.5%～83.0%、58.6%～94.4%、97.6%～98.6%范圍內(nèi)。各試驗(yàn)柱對TN的去除效果不理想且極不穩(wěn)定。研究結(jié)果表明，5號試驗(yàn)柱的綜合性能最優(yōu)，其填料組合能夠維持較好的滲透性能，在污染物去除效果良好的同時(shí)，具有填料本地化和資源化的特點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)性好。在實(shí)際工程應(yīng)用中建議多采用蛭石和沸石等吸附能力強(qiáng)的填料，以及富含鋁鹽的給水廠污泥等經(jīng)濟(jì)性好的填料。

本文研究成果可為面向市政道路徑流污染控制的生物滯留設(shè)施填料的優(yōu)化配置提供參考，今后的研究應(yīng)著重關(guān)注生物滯留設(shè)施填料中氮、磷的淋失和應(yīng)對策略，以及環(huán)境變化對設(shè)施性能的影響，以探究優(yōu)化的生物滯留設(shè)施填料組合在實(shí)際應(yīng)用中對市政道路徑流污染的處置能力。