基于“海绵城市”理念下生物滞留设施的研究进展

基于“海绵城市”理念下生物滞留设施的研究进展摘要：随着我国城市化进程的加快，由城市下垫面改变和降水径流引发的环境问题日益严重，作为低影响开发措施之一，生物滞留技术对于消纳、净化降水径流具有重要作用[1-2]。

通过对生物滞留系统去除污染物存在的问题和国内外现在研究的解决方案综合分析。

为进一步深入研究生物滞留系统提供参考性建议。

关键词：生物滞留设施；雨水污染；雨洪管理随着城市化进程加快，由雨水引发的城市水质恶化、洪涝灾害等问题日益凸显。

一方面，由于城市开发不合理，可渗透地表面积越来越少，由暴雨径流产生的面源污染已成为城市水环境恶化的重要原因。

降雨径流中含有悬浮物、耗氧物质、营养物质、有毒物质、油脂类物质等多种污染物，这些污染物随径流流进江河湖泊，造成了水污染[4]。

美国国家环保署把城市降雨径流列为导致全美河流、湖泊污染第三大污染源，城市雨水径流对河流污染的贡献占9%，129种重点污染物中约有50%在城市径流中出现，在一些州，城市径流和其他非农业的面源被列为主导污染源，城市水体BOD年负荷40%-80%来自雨水径流[5]。

我国90%以上城市水体污染严重，很多城市水体有黑臭或水华现象发生，严重影响社会经济可持续发展。

针对城市径流污染及相应的雨洪管理，传统的末端治理设施占地面积大、建设集中、却无法改善城市环境。

受全球气候变化影响，强降雨引发的城市地表径流强烈波动，使城市洪涝问题面临不断加剧的风险。

目前，城市发展迫切需要可持续性的雨洪管理新策略，低影响开发就是目前国际上城市水环境保护和可持续发展的于洪管理新策略[6]。

低影响开发（low impact development,简称LID）就是目前国际上城市水环境保护和可持续发展的雨洪管理新策略。

LID措施于20世纪90年代发源于美国马里兰州，主要采用分散[7]。

多样。

小型、本地化的技术从源头上储存、渗滤、蒸发以及截留雨水，最大程度地保护开发改造地区水文机制，减少负面环境影响，其主要包括生物滞留、绿色屋顶、可渗透路面铺装等措施，均是通过减少不透水面积、增加雨水渗滤，利用雨水资源实现可持续雨洪管理。

其中，生物滞留技术目前较流行，其净化水质效果在美国及其他发达国家得到广泛认同和应用，但在国内尚属于新兴领域。

1 生物滞留设施内涵生物滞留技术指在地势较低的区域，通过植物、土壤和微生物系统蓄渗、净化径流雨水的技术。

生物滞留设施分为简易型生物滞留设施和复杂型生物滞留设施，按应用位置不同又称作雨水花园如图1、生物滞留带、高位花坛、生态树池等。

生物滞留系统如图2所示，由表面雨水滞留层、种植土壤覆盖层、植被及种植土层、砂率层和雨水收集等部分组成[8]：（1）表面雨水滞留层在系统表面留有一定低于周边地表标高的空间，用以收集径流雨水以及当径流量大时暂时储存雨水。

（2）种植土壤覆盖层在种植土表层铺树叶、树皮等覆盖物，防止雨水径流对表面土层的直接冲刷，减少水土流失。

还可以使植物根部保持潮湿，为生物生长和分解有机物提供媒介，并过滤污染物。

（3）砂率层在砂率层和种植土层间添加土工布防治土层被侵蚀进入砂率层堵塞渗管。

渗管开孔率不小于2%，砂率层采用黄豆大小的滤料。

图1 雨水花园图2 生物滞留设施典型结构2 生物滞留对水质净化效果2.1对氮的去除效果LucasW C,GreenwayM[10]研究得出生物滞留技术对NH+4 - N的去除效果最好, 去除率大多在70%以上; 分析认为生物滞留系统中硝化反应的发生以及土壤颗粒的吸附作用对氨氮的去除起到了重要作用。

对TN的去除率大多在30%—60%; 对NO-3 - N 的去除效果最不稳定, 去除率为54%-90%。

2.2对SS的去除效果通常情况下, 在沉淀和过滤的作用下, 运行稳定、成熟的生物滞留系统对SS 的去除非常有效。

针对SS的去除率较低或出水负荷高于进水的情况, 在[10-11]中提到可能是填料填充时间较短, 在没有完全稳定的情况下细骨料被冲出造成的。

2.3对磷的去除效果系统中的磷主要通过植物吸收、微生物同化及填料吸附过滤去除, 其中填料起到主要作用。

粘粒含量较高的粘土对磷的吸附效果较好,但粘土含量过高会影响系统的渗透性能。

为了提高生物滞留系统对TP的去除能力,Fletcher[11-12]等发现填料未添加腐殖土时( TP含量为150mg /kg) , 对P的去除率高达86% ~88%, 而添加腐殖土后( TP含量达380 mg /kg )出现了严重的淋洗现象, 这表明添加有机质造成填料中磷本底值过高, 反而使出水水质恶化, 因此应严格控制有机质的添加量。

此外, 粘粒含量较高的粘土对磷的吸附效果较好, 但粘土含量过高会影响系统的渗透性能。

所以要根据当地的降雨量、雨水水质、地势等情况选择合适的填料以及合适的填料比例。

不同地区这些参数不一样。

但是可以通过实验给出情况相似地区的参数值范围。

2.4重金属和其他污染物去除对重金属的去除效果：有关资料提到生物滞留系统对Cu、Pb、Zn、Cd等4种金属的去除率都很高, 平均去除率在60% 以上, 绝大部分重金属在填料表层20—25 cm 内被去除, 颗粒态金属被过滤截留吸附, 溶解态金属则被吸附或被植物吸收。

有关资料证明提到，在装置底部设置淹没厌氧区及添加碳源的方法对于持续干旱条件下重金属的去除同样有效, 对Cu 的去除率提高了12%, 取得最佳去除效果的淹没厌氧区深度是450 mm 或600 mm。

长期运行的生物滞留系统, 由于表层重金属的富集, 可能会对植物生长构成威胁, 应定期更换表层填料进行维护[13]。

重金属和P一样，除了植物吸收利用，其余的均富集在土壤里面，这样指标不治本，所以植物的选择至关重要，从环境的角度看，植物的选择、种植对N、P、重金属等等污染物的去除是最重要的。

对油脂类与致病菌的去除效果，相关研究[13]表明径流中油脂类污染物主要来自汽油燃烧及润滑油的泄漏，生物滞留系统对油脂类的去除率> 90%, 并指出覆盖层的截留吸附起到了主要作用。

油脂类与SS 较好的相关性是其去除的主要原因。

3 生物滞留系统去除污染物改善措施对TN、NO-3 -去除建议设置淹没厌氧区，由于该系统不具备反硝化发生的条件, 因此对硝态氮的去除效果较差。

Hunt通过在设施底部设置淹没厌氧区, 使生物滞留系统对NO-3 - N的去除率提高至75% (无这种设置时对硝态氮的去除率仅为13% )[14]。

对TP污染物去除效果改善措施：更换填料①Erickson在研究中掺加石英砂、石灰石、钢丝绒等介质以增大吸附面积, 并得出添加2% 的钢丝绒可使系统对TP的去除率保持在80%。

②现在设计中较为推荐使用渗透性能良好、以土壤为基底、含一定有机质的填料混合物。

在美国设计手册中几乎都提到添加20% ~ 30% 的腐殖质(通常为硬木屑、草杆、落叶堆肥等)来调理土壤。

但这会使填料中的有机物含量高达35% ~ 65%, 致使营养物本底值过高而出现强烈的淋洗作用。

目前这个问题已逐渐得到重视, 如阿拉巴马州、康涅狄格州的最新设计手册都规定填料土壤中有机质含量为1.5% -3%, FAWB[15]规定最多不超过5%。

此此外, 对填料中营养物含量也提出了要求, 如FAWB 规定氮含量< 1 000 mg /kg, 磷含量< 80 mg /kg, 如种植了对磷敏感的植物,则磷含量应小于20mg /kg。

③植物作用：植物的作用非常巨大, 尤其是较为发达的根系可以促进污染物的吸收、吸附, 而且根系可以提供微生物生长附着的载体, 旺盛的微生物活动也可以大大提高对污染物的降解去除。

对于氮和磷, 根系发达与否会产生20% ~ 37% 的去除率差异。

有研究表明, 在长期的高负荷进水后, 未种植植物的系统其去除能力会逐渐衰减甚至完全消失, 而种有植物的系统即使有部分吸附饱和现象发生, 也可以维持较好的除污能力。

通常植物根系需要占有一定的空间后才能发挥效果, 而这也是系统成熟、稳定的标志，FAWB 的研究者认为至少需要7个月的时间。

如果有成熟的植被, 有维护较好的植物根区, 可以大大提高生物滞留系统的除污效能, 因此设计时要选择耐旱、耐涝、根系发达的植物类型, 注意对植物的养护等。

千屈菜是适宜的植物物种：多年生草本，根茎横卧于地下，粗壮；茎直立，多分枝，高30-100厘米，生于河岸、湖畔、溪沟边和潮湿草地。

喜强光，耐寒性强，喜水湿，对土壤要求不严，在深厚、富含腐殖质的土壤上生长更好。

适合潮湿、雨水多的南方地区。

复杂型生物滞留设施典型构造示意图4 生物滞留设施设计计算生物滞留设计内容：生物滞留池面积、生物滞留池容积、生物滞留池组成构造的设计（植物选择、蓄水深度、填料层设计、排水层设计）。

（1）生物滞留池面积的确定早期有两种方法，一种是采用可以处理汇水面上1.25cm径流量所需的面积，另一种是用汇水面积与径流系数乘积的5%-7%作为设施面积，这两种方法较为简单。

生物滞留池合理容积的确定在实际操作中一般是确定达到某一可以接受的污染物控制率。

发达国家提出了“水质控制体积”（WQV）[14]式（1）所示的概念，WQV指为了达到控制径流污染、保证水质目标所需处理的雨水的体积。

10=（1）WQVψHFWQV—水质控制体积，m3;H—设计降雨量，mm;ψ—径流系数；F—汇水面积，hm2;显然，WQV的确定即转化为设计降雨量H的合理确定，而H是一个具有统计学意义且主要取决于当地的降雨条件。

（2）蓄水深度的确定蓄水层深度是影响设施储水能力的主要因素，蓄水层越深，储水能力越强。

早期的设计手册要求设施蓄水深度为150 mm，马里兰州、特拉华州最新设计手册允许300 mm、450 mm 的最大蓄水深度。

蓄水层积水深，积水时间长对植物的选择提出了更高要求，同时易造成蚊蝇滋生。

一般要求积水在24 h 内排干，如蓄水层深度增加则要求更高渗透能力；同时蓄水深度增加，不利于植物生长和景观质量。

建议设计时选择最大蓄水深度为150~300 mm，具体深度可根据当地降雨特性、原状土壤渗透性能选定。

在土壤粘粒含量较高、渗透性能较差的地区，建议选取150 mm 作为最大蓄水深度。

（3）填料层设计填料层是雨水花园的主体部分，设施通过填料的物理、化学和其中微生物综合作用削减径流污染。

早期的设计手册推荐用渗透速率较高的砂质土壤作为填料，马里兰州、卡罗莱纳州相继提出50%砂、30%土壤、20%有机质；85%~88%砂、8%~12%粘土和粉砂、3%~5%有机质作为改良填料。

对粘粒含量高的土壤，需要添加大量砂以改善其渗透速率。

土壤掺砂会降低土壤的保水能力，不利于植物生长。

因此，除了向土壤添加砂以外，还应添加锯末、木屑等有机质，提高保水性能，提供适宜植物生长的条件[15]。