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本文作者：鄧文珊李田作者單位：同濟(jì)大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院

1生物蓄滲設(shè)施的構(gòu)造與作用

生物蓄滲又稱雨水花園[1]，是城市暴雨徑流最佳管理措施（BMPs）最常用的設(shè)施之一，也是低影響開發(fā)（LID）的重要組成部分。生物蓄滲設(shè)施常用來(lái)控制小范圍不透水鋪面內(nèi)的污染徑流，比如停車場(chǎng)、道路周邊以及屋面等。生物蓄滲設(shè)施是在小塊凹地上回填由土壤和有機(jī)物組成的高滲透性介質(zhì)，填充的介質(zhì)應(yīng)使系統(tǒng)的入滲性能良好，并支持植物生長(zhǎng)。典型的生物蓄滲設(shè)施包括具有一定坡度的植草緩沖帶（在繁華地段一般不設(shè)置）、種有植物的溢流區(qū)、覆蓋層、0.75~1.0m的填料介質(zhì)和一層薄的砂濾層[2]。生物蓄滲設(shè)施的出水可用于補(bǔ)充地下水，在土壤不適合用生物蓄滲下滲水補(bǔ)給的場(chǎng)合，一般設(shè)置礫石層或者暗渠，暗渠連入城市排水系統(tǒng)，使出水最終進(jìn)入地面水體。生物蓄滲設(shè)施的填料介質(zhì)承擔(dān)污染負(fù)荷去除的作用，覆蓋層起保持土壤濕度和消解污染的作用，而砂濾層的作用是進(jìn)行二次過(guò)濾以及作為填料介質(zhì)和暗渠/地下土壤的過(guò)渡帶。生物蓄滲設(shè)施具有多種功能包括：基流和地下水補(bǔ)給，污染預(yù)防與控制，河道侵蝕控制，峰值流量削減[3]。國(guó)外二十年的研究顯示生物蓄滲設(shè)施出水的懸浮固體、營(yíng)養(yǎng)鹽、碳?xì)浠衔镆约爸亟饘俸慷驾^低，系統(tǒng)還能有效控制病原菌、熱污染、油脂等其他問(wèn)題，并且對(duì)水量的削減作用明顯，可以判斷進(jìn)水污染負(fù)荷的降低是徑流量減少和污染物濃度降低的綜合作用結(jié)果如圖1所示。

2生物蓄滲技術(shù)的運(yùn)行效果

2.1生物蓄滲技術(shù)的水質(zhì)改善

2.1.1懸浮固體（SS）

主要是自然或人為活動(dòng)產(chǎn)生的一些細(xì)顆粒，比如粘土、細(xì)沙、植物殘骸、交通工具磨損下來(lái)的顆粒、機(jī)器脫落下來(lái)的皮革粒子、病原菌等，并且顆粒上還可能攜帶有毒或某些重要的污染物。若以SS作為唯一的目標(biāo)污染物，有過(guò)渡層和暗渠以防止細(xì)顆粒滲漏的土壤過(guò)濾裝置可達(dá)到90%以上的去除率[4]。深度過(guò)濾和濾餅過(guò)濾是去除SS的兩大機(jī)制，因?yàn)榻橘|(zhì)具有微小尺寸，使得大部分的顆粒通過(guò)物理攔截作用被去除。SS的直徑恰好是介質(zhì)孔徑的1.2倍時(shí)最有利于過(guò)濾作用的發(fā)生，且間歇進(jìn)水方式比連續(xù)進(jìn)水方式對(duì)顆粒的捕集能力更強(qiáng)[4]。室內(nèi)模擬試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)進(jìn)水SS不能滲透到介質(zhì)深度5~10cm以下，若是現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)裝置，則不能滲透到大約20cm以下。這表明若以去除徑流中的SS為主要目標(biāo)，20cm的介質(zhì)深度已經(jīng)足夠，這也被作為介質(zhì)更換的深度標(biāo)準(zhǔn)。SS可能攜帶有毒的或是其他種類的污染物，因此有必要認(rèn)識(shí)污染物的空間配置，這樣有助于處理設(shè)施和維護(hù)措施的選擇，比如是否應(yīng)該部分或全部替換介質(zhì)。

2.1.2氮（N）

生物蓄滲設(shè)施對(duì)TN的去除率為30%~60%，對(duì)NH+-N4的去除率為70%以上，NO--N3去除率為-254%~90%。對(duì)NO--N3的去除效果波動(dòng)很大，因NO--N3本身的陰離子特性，使其不易為介質(zhì)保持，在系統(tǒng)中遷移性很強(qiáng)[5]。在生物蓄滲設(shè)施中，徑流中的N通常是先經(jīng)氨化，然后在有氧條件下轉(zhuǎn)化為NOX-N，再通過(guò)反硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為N2而除去，TN的降低可以部分歸因于此。生物蓄滲設(shè)施截留的NH+-N4和有機(jī)N在間歇期被氧化為NO--N3，可能導(dǎo)致下次降雨過(guò)程中發(fā)生出水NO--N3濃度高于進(jìn)水的情況，如果生物蓄滲介質(zhì)通過(guò)工程改善或在自然條件下保持一定時(shí)間的濕潤(rùn)狀態(tài)，則可發(fā)生NO--N3的部分反硝化過(guò)程[6]。Davis[7]研究證實(shí)碎報(bào)紙是促進(jìn)反硝化反應(yīng)的最佳碳源之一，它能有效降低出水NO--N3的濃度，對(duì)NO--N3的去除率可達(dá)到80%。馬里蘭州的兩個(gè)生物蓄滲設(shè)施（一個(gè)包含厭氧區(qū)，另一個(gè)沒有）對(duì)NO--N3去除率分別高達(dá)90%和95%，二者在NO--N3的去除方面并無(wú)顯著差異，因?yàn)閮上到y(tǒng)的土壤均自然形成具有反硝化潛能的厭氧飽和區(qū)。為了提高生物蓄滲設(shè)施對(duì)NO--N3的去除效果，建議在設(shè)施的底部創(chuàng)造厭氧條件以促進(jìn)反硝化作用的發(fā)生。厭氧區(qū)通過(guò)兩種方式實(shí)現(xiàn)，一是以上彎方式出水，使水不從底部流出，而是具有一定的水頭高度；二是使用上層高滲下層低滲的介質(zhì)來(lái)實(shí)現(xiàn)，使水分在上層蓄積達(dá)到強(qiáng)化脫氮的效果[8]。同時(shí)添加3%~5%有機(jī)質(zhì)（如木屑、草炭、鋸末、腐殖質(zhì)、碎報(bào)紙等）為反硝化反應(yīng)提供碳源。

2.1.3磷（P）

對(duì)P的去除主要是通過(guò)植物吸收和介質(zhì)的滲濾作用實(shí)現(xiàn)。生物蓄滲試驗(yàn)研究顯示了對(duì)P的去除率為70%~85%，而現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)顯示P的去除效果波動(dòng)很大。生物蓄滲設(shè)施介質(zhì)的初始P含量對(duì)P的去除效果影響很大，北卡羅來(lái)納州的調(diào)查顯示對(duì)P的去除率為-240%~65%[9]。介質(zhì)的P指數(shù)高（86~100），表明介質(zhì)中P已經(jīng)達(dá)到飽和，P的出水濃度因介質(zhì)中P的滲漏反而增加；P指數(shù)低（10~30）能使介質(zhì)具有更多的可交換離子總量，對(duì)出水P濃度的降低可能有利。使用低P指數(shù)介質(zhì)的設(shè)施表現(xiàn)出更好的P去除效果，但是P指數(shù)過(guò)低（低于10），將導(dǎo)致植物無(wú)法成活。因此，若P是目標(biāo)污染物，那么有必要對(duì)介質(zhì)進(jìn)行檢測(cè)，確保其指數(shù)為10~30[10]。在介質(zhì)不含過(guò)量有機(jī)物的情況下，即使不種植物的生物蓄滲設(shè)施對(duì)P的去除率也高達(dá)80%。若生物蓄滲設(shè)施的介質(zhì)含有高有機(jī)質(zhì)成分，則會(huì)因磷酸根的凈產(chǎn)出使得P的處理效果下降約40%左右[11]。雨水的pH變化（高于或低于中性條件）會(huì)造成土壤表面P的流失，但是P的出水濃度并不因pH變化而受影響。飛灰是一種具有巨大P吸附潛力的物質(zhì)，可以作為輔助添加劑[12]。為提高P的去除效果，有必要控制介質(zhì)中有機(jī)質(zhì)的含量不超過(guò)10%，并適當(dāng)添加粉煤灰、陶粒、飛灰等吸附劑。實(shí)際應(yīng)用時(shí)，可預(yù)先分析徑流中溶解態(tài)與顆粒態(tài)P的分布，若顆粒態(tài)P的比例高，采用普通的過(guò)濾介質(zhì)就可以達(dá)到較好的P去除效果；若溶解態(tài)P的比例高，可以考慮選擇富P植物或者向介質(zhì)中添加吸附劑。

2.1.4重金屬

生物蓄滲設(shè)施進(jìn)水中重金屬濃度不高，通常為μg／L水平，大部分的重金屬可在覆蓋層及介質(zhì)的上表層除去。通過(guò)截留顆粒態(tài)以及吸附溶解態(tài)的重金屬，生物蓄滲工藝對(duì)大部分重金屬都能有效去除。Davis等[13]研究不同性質(zhì)的雨水流經(jīng)生物蓄滲設(shè)施時(shí)的運(yùn)行效果，結(jié)果顯示進(jìn)水的pH、持續(xù)時(shí)間、強(qiáng)度和重金屬濃度對(duì)系統(tǒng)內(nèi)重金屬的去除效果影響很小，同時(shí)也發(fā)現(xiàn)顆粒態(tài)金屬如鋁和砷與溶解態(tài)金屬如銅和鋅的去除機(jī)理是不同的。Sun等[14]發(fā)現(xiàn)88%~97%的進(jìn)水重金屬被土壤攔截，只有0.5%~3.3%的重金屬在植物中積累，但仍可通過(guò)收割吸附重金屬達(dá)飽和的植物以去除重金屬。重金屬僅有小部分被植物吸收是由于植物的種植密度非常低，因此為防止重金屬在生物蓄滲設(shè)施中累積，可以提高植物的種植密度并且及時(shí)收割吸附重金屬達(dá)飽和的植物。

2.1.5病原菌

從理論上看，生物蓄滲設(shè)施收集和過(guò)濾雨水之后，逐漸干燥，細(xì)菌隨之暴露在干燥環(huán)境和陽(yáng)光刺激之下，大部分會(huì)被殺滅。Hunt等[15]早期對(duì)指示菌種的研究顯示生物蓄滲設(shè)施對(duì)它們有顯著的去除效果，總大腸桿菌和糞大腸桿菌的去除率都約70%，Rusciano等[16]的試驗(yàn)研究得到了高達(dá)91.6%的糞大腸桿菌平均去除率。吸附和過(guò)濾是細(xì)菌從污水中去除的兩大主要機(jī)制。（1）在孔隙大于細(xì)菌體積的介質(zhì)中，攔截細(xì)菌的主要機(jī)制是吸附作用，雙電層理論可用來(lái)解釋這種吸附反應(yīng)發(fā)生的過(guò)程。雙電層理論認(rèn)為顆粒相互吸引都發(fā)生在一個(gè)較短的距離（稱為初級(jí)最小：≤1nm）和一個(gè)較長(zhǎng)的距離（稱為二次最?。?~10nm）處，在這兩個(gè)最小距離之間則是靜電斥力最強(qiáng)的區(qū)域[17]。細(xì)菌吸附到固體表面時(shí)發(fā)生了兩個(gè)步驟：第一步是可逆吸附，發(fā)生在細(xì)菌與介質(zhì)表面的距離處于二次最小距離處，此時(shí)細(xì)菌克服其與表面的斥力，吸附到表面上；第二步是不可逆吸附，也稱為粘附，是一種需要大量能量的永久作用。（2）過(guò)濾機(jī)制則是細(xì)菌穿過(guò)孔徑小于細(xì)菌尺寸的孔道時(shí)發(fā)生的物理堵塞作用。因淤泥、粘土和細(xì)沙的孔徑在大多數(shù)細(xì)菌的尺寸范圍內(nèi)，故介質(zhì)的過(guò)濾作用可能成為阻止細(xì)菌進(jìn)入水體的主要途徑。土壤含有一些細(xì)顆粒（如粘土和細(xì)沙）可以促進(jìn)病原菌的物理攔截作用，因此可適當(dāng)增加填充介質(zhì)的細(xì)顆粒含量以去除病原菌[18]。酸性環(huán)境下，病原菌的死亡率可能升高，因此出水pH越低似乎越有利于去除細(xì)菌，但是低pH條件會(huì)損害受納水體的功能，新澤西州環(huán)保局提出pH的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)是6.5~8.5。目前認(rèn)為最有效的提高病原菌去除效果的方式就是優(yōu)化介質(zhì)的組成，可以參照標(biāo)準(zhǔn)和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)。

2.1.6油脂

采用進(jìn)水油脂濃度為20mg／L的人工合成雨水進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)生物蓄滲設(shè)施對(duì)油脂的平均去除率達(dá)96%[19]。覆蓋層中天然存在的細(xì)菌能在幾天內(nèi)降解掉生物蓄滲設(shè)施攔截的碳?xì)浠衔?，表明覆蓋層可能是生物蓄滲設(shè)施中一個(gè)持續(xù)穩(wěn)定的有機(jī)污染物控制點(diǎn)，Hong等[20]的試驗(yàn)論證使用草皮覆蓋層可減少碳?xì)浠衔锏姆e累。由于油脂一般為持久性污染物，當(dāng)生物蓄滲系統(tǒng)截留的油脂達(dá)到飽和時(shí)，系統(tǒng)對(duì)油脂的滯留作用可能消失，故需要考慮生物蓄滲系統(tǒng)油脂的積累問(wèn)題。當(dāng)設(shè)施運(yùn)行一段時(shí)間后，若系統(tǒng)對(duì)油脂的去除效果變差，可以考慮更換覆蓋層，覆蓋層宜選用成本不高的材料。

2.1.7多環(huán)芳烴（PAHs）、溫度、pH和溶解氧

Blasi等[21]以USEPA公布的16種優(yōu)先控制污染物（PAHs）為研究對(duì)象，發(fā)現(xiàn)生物蓄滲設(shè)施對(duì)PAHs的總?cè)コ蔬_(dá)90%。相對(duì)于取自更大深度的土壤樣品，生物蓄滲系統(tǒng)上部10cm處的樣品中PAHs濃度更大，排布更有序，從而可知為降低PAHs負(fù)荷，較淺的介質(zhì)深度已經(jīng)足夠。早期的研究顯示生物蓄滲設(shè)施可將進(jìn)水溫度降低5~10℃，證明生物蓄滲系統(tǒng)可降低但是無(wú)法消除雨水中的熱污染。Sam等[22]研究發(fā)現(xiàn)在降雨事件中，出水溶解氧的濃度呈上升趨勢(shì)。生物蓄滲設(shè)施的介質(zhì)具有將pH緩沖至6.0~8.0的巨大能力，故系統(tǒng)出水的pH并無(wú)明顯波動(dòng)。

2.2生物蓄滲技術(shù)的水力性能

生物蓄滲通過(guò)延遲或削減洪峰流量、降低出流體積、同時(shí)提高下滲水量，能夠有效消解因不透水路面引發(fā)的地表徑流。維拉諾瓦的現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查數(shù)據(jù)顯示雨水滲透作用在整個(gè)大暴雨降雨事件中持續(xù)存在。該場(chǎng)址設(shè)計(jì)徑流量為2.5cm，當(dāng)降雨量不超過(guò)5.7cm時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生溢流[23]。北卡羅萊納的生物蓄滲設(shè)施對(duì)3.8cm的暴雨洪峰徑流的削減率達(dá)99%，并且削減能力不受土壤滲透率和流量捕集大小的影響[24]。生物蓄滲在小降雨事件中通常有著良好的水力削減性能，但是在極端降雨情況下，運(yùn)行效果會(huì)下降。提高生物蓄滲設(shè)施表面積與排水區(qū)域面積的比例、增加介質(zhì)的深度，可在一定程度上提高生物蓄滲設(shè)施在大降雨事件中的表現(xiàn)。在我國(guó)徑流污染較重的情況下，建議采用滲透速率較大的介質(zhì)，以提高生物蓄滲設(shè)施在大降雨事件中的水力性能。

3生物蓄滲技術(shù)的設(shè)計(jì)

3.1生物蓄滲設(shè)施表面積的設(shè)計(jì)方法

生物蓄滲設(shè)施常用的設(shè)計(jì)方法有3種。（1）基于達(dá)西定律的滲濾法；（2）初期徑流容積法；（3）基于匯水面積的比例估算法。國(guó)內(nèi)初期雨水的污染問(wèn)題已經(jīng)得到廣泛的重視，將生物蓄滲技術(shù)作為初期雨水的控制措施，需要對(duì)當(dāng)?shù)爻跗谟晁匦约傲炕瘶?biāo)準(zhǔn)進(jìn)行研究，并根據(jù)初期雨水量確定設(shè)施規(guī)模。在有豐富的經(jīng)驗(yàn)時(shí)，采用比例估算法比較簡(jiǎn)單如表1所示。

3.2介質(zhì)選擇

選擇合適的介質(zhì)對(duì)污染物的有效去除起著關(guān)鍵作用。各個(gè)地區(qū)土壤性質(zhì)不同，介質(zhì)的具體組成也有差別。比如馬里蘭州使用50%砂、30%表層土以及20%有機(jī)質(zhì)（如木屑、腐葉）的混合介質(zhì)、而特拉華州使用1／3砂、1／3泥炭、1／3有機(jī)物的混合介質(zhì)，不過(guò)這兩種介質(zhì)的成本都較高；北卡羅萊納州采用的介質(zhì)由85%~88%的砂、8%~12%的粘土以及3%~5%的有機(jī)物組成，成本相對(duì)較低。在設(shè)計(jì)時(shí)要根據(jù)當(dāng)?shù)氐木唧w情況來(lái)選擇介質(zhì)，若當(dāng)?shù)赝寥李愋蜐M足粘土、有機(jī)質(zhì)、滲透速率和植物生長(zhǎng)的需要，可選擇單一的土壤作為填料介質(zhì)，否則應(yīng)采用混合介質(zhì)。因土壤添加物的成本通常較高，需根據(jù)當(dāng)?shù)夭牧系墓?yīng)能力而定，選擇最具成本效益的添加物類型。介質(zhì)的深度最好不低于0.6m，種植有樹木的介質(zhì)，其深度不得低于1.2m。近年來(lái)發(fā)現(xiàn)更多能在淺層土壤中生存的植物，因而介質(zhì)層的深度可以降低，提高了生物蓄滲系統(tǒng)在地下水位高的地區(qū)的適用性。目前介質(zhì)規(guī)范正在走向具體化與實(shí)用性。

3.3植物選擇

生物蓄滲設(shè)施中植物的工程效益沒有得到很好的定量，但是研究證實(shí)植物能通過(guò)多種途徑促進(jìn)設(shè)施的短期以及長(zhǎng)期運(yùn)行效果。植物選擇應(yīng)遵循以下原則：耐旱、且耐水淹時(shí)間在48h以上的陸生植物；根系發(fā)達(dá)的多年生本土植物，可以疏松土壤、增強(qiáng)滲透能力；考慮物種的合理規(guī)劃與搭配，兼顧景觀性與去污性?？晒┥镄顫B設(shè)施使用的植物品種包括濕生、水生植物及耐水濕的喬木品種，也可使用具有一定耐澇能力的草坪草和觀賞草。在我國(guó)可選植物如表2所示。

4結(jié)論

生物蓄滲工藝通過(guò)過(guò)濾、吸附以及生物等作用，能降低污染負(fù)荷，針對(duì)特定目標(biāo)污染物還能依靠裝置的設(shè)計(jì)、介質(zhì)的優(yōu)化和植物的選擇等來(lái)達(dá)到強(qiáng)化去除的效果。同時(shí)生物蓄滲技術(shù)能夠削減洪峰流量、控制徑流量，是目前較受歡迎的暴雨最佳管理措施。但有關(guān)生物蓄滲設(shè)施的設(shè)計(jì)與運(yùn)行參數(shù)需要進(jìn)一步研究和深化，逐步建立起囊括水質(zhì)、水量以及生命周期成本等各方面的有效設(shè)計(jì)導(dǎo)則。研究的方向包括預(yù)處理方式與暗渠系統(tǒng)的設(shè)置、介質(zhì)的深度與組成、植物選擇、維護(hù)措施與壽命估算、裝置設(shè)計(jì)的成本與效益等。