王淼 李秀玉 胡玖坤 田亮

摘要：指出了生物滞留池作为海绵城市的重要技术之一，可以有效地防止面源污染和控制雨水径流。研究监测了一个参照澳大利亚《雨水生物滞留系统设计导则》建设的雨水生物滞留池，分析了其对自然降雨事件中水量和水质的控制效果，验证了其在中国的应用。结果表明：此类雨水生物滞留池对降雨量小于lOmm的中小型降雨具备很好的径流控制能力，能有效地延缓洪峰流量。同时，该系统对TSS、TP、TN、COD、BOD5以及粪大肠茵群均有较好的去除效果。此外，生物滞留池植物的生长和进水负荷会对污染物的去除效果产生一定的影响。

关键词：生物滞留池;面源污染;海绵城市;径流削减;污染物去除

中图分类号：X522 文献标识码：A 文章编号：1674-9944（2019）18-0061一05

1引言

随着城市化进程的加快，硬化路面比例的增大，地表雨水径流显著增加，大量雨水径流通过市政雨水管网直接排入自然终端水体。然而，由于地表雨水径流污染现象日益严重，所形成的面源污染已经成为终端水体恶化的主要因素。美国国家环境保护局（USEPA）的报告中也将城市雨水径流和雨水管网排水列为河流第四大污染源（13%），湖泊第三大污染源（18%）以及河口第二大污染源（32%）。因此，面源污染的治理也成为水环境治理的重要组成部分，雨水污染物的去除对黑臭水体防治、水资源再利用有重大的意义。为了控制雨水径流、防治面源污染，缓解终端水体水质恶化的问题，海绵城市（Sponge City）作为一种新型城市水环境规划理念，旨在使用不同的低影响开发（LID）设施，实现资源与环境的协调发展。

作为海绵城市重要的设施之一，雨水生物滞留池（Bioretention），又叫生物滤池（Biofilter）或雨水花园（Rain Garden），是利用自身的结构、填料的组成以及种植的植物，对雨水径流进行蓄存，并可以对污染物进行去除的海绵城市设施，其在削减径流峰值、提升水质方面具有良好的效果。因雨水生物滞留池还具备设计灵活、运行维护成本低的特点，已经在欧美等西方国家开展广泛应用。

在澳大利亚，雨水生物滞留池已经进行了多年的实验室研究，并形成了《雨水生物滞留系统设计导则》（Adoption Guidelines for Stormwater Biofiltration Sys-tems）（以下简称《导则》），有效地促进了该技术在澳洲以及其它国家（如新加坡、以色列等国）的推广和应用。国内对于雨水生物滞留池的研究起步相对来说较晚，因雨水生物滞留池是基于自然生态的处理系统，处理能力受不同的气候条件、植物选择的影响，因此其在中国的应用需要基于一定的本土化研究。本研究根据《导则》并结合当地的气候、植物等情况，在江苏镇江建设了一处大型中试雨水生物滞留池，用来收集和处理周边屋面和路面雨水径流。本文通过对该系统的水质和水量展开监测，以验证其对污染物的去除能力以及径流控制能力。

2实验方法

2.1生物滞留池介绍

本研究生物滞留池位于江苏东恒空港高新技术产业园。系统功能区域表面积为87m²，主要收集处理附近屋面和路面的雨水径流，总汇水面积约为2864m²。雨水经处理后收集至蓄水井蓄存以作绿化灌溉或洗车等回用用途。

生物滞留池采用侧壁不可渗透的分层设计方法，其剖面图如图1所示，从上至下依次为，滞留层（250mm）、过滤层（500mm）、淹没层（400mm，包括过渡层250mm、排水层150mm），各层介质的物理化学性质参考《导则》的标准进行筛选，具体各层介质如表1所示。生物滞留池底部设置直径100mm排水盲管，将处理的洁净雨水导入蓄水池。系统中淹没层的设置可保证在长期干旱情况下为植物生长提供水源，也可形成厌氧区，创造反硝化条件，强化除氮效果。

生物滞留池内部选择种植的植物为江苏本地常见的耐早、耐澇植物，种植密度为16株/m²。所种植植物主要分为3种：（1）已经经过验证的对于雨水中污染物有处理能力的植物，如狼尾草、灯芯草、美人蕉、石菖蒲、鸢尾;（2）正在实验室进行测定有潜在污染物去除效果的植物，如麦冬、千屈菜、南天竹、凤尾竹、针叶芒;（3）主要为景观功能考虑种植的植物，如大吴风草、旱伞草、紫叶鸭舌草、蓝羊茅、兰花三七、矾根等。其中已经经过验证的有污染物处理性能的植物和正在实验室进行实验的植物总数约占生物滞留池内所有植物总数的60%。

2.2监测方法

本研究的监测系统设置如图2所示。为保证在每次降雨事件中样本采集的准确性和及时性，对生物滞留池安装了水质、水量的监测系统，包括记录降雨特性的雨量计（RM、Young 52203翻斗式），用于进、出水流量监测的电磁流量计（优量LDBB-150S-M2FO-190）、出水三角堰和液位计（美控MIK-P260-1M-D），采集进、出水样的自动采样器（聚创JC-8000），以及整个监测系统的中枢控制设备的数据采集器（CampbellCRl000X）。数据采集器是，不仅实时记录进出水水量和降雨量，还可以通过数据采集器内部的编程向进出水自动采样器发出采样指令。其中，数据采集器对于各个监测设备的扫描频率为1s/次，即每隔1s对数据（降雨量、瞬时进水流量、瞬时出水液位）扫描一次，数据的记录频率为5s/次，即每隔5s对扫描数据的平均值进行记录，并通过内部程序自动计算出累加值。

2.3取样及分析

本研究在2019年2月至5月期间开展了五次降雨事件的采样（详细降雨和采样情况见表2）。采样所用的自动采样器配备有24个1L容量的采样瓶，对进、出水样品根据流量进行采样。最终采集的水样，根据流量加权，获得每次降雨的事件平均年浓度（Event MeanConcentrations，EMCs）。检测的指标包括总固体悬浮颗粒（TSS）、总氮（TN）、总磷（TP）、化学需氧量（COD）、五日生化需氧量（BOD5）以及粪大肠菌群等，检测方法按照《地表水环境质量标准》中所规定的标准方法进行检测。

3结果和讨论

3.1径流控制及洪峰削减能力

由表2可见，在5次降雨事件中，总出水水量均低于进水水量，表明生物滞留池对于径流流量总量削减的能力。此外，在五次降雨事件中均没有观测到溢流的发生，可见对于中小型降雨事件（降雨量<10mm），该系统有较高的径流控制率（达100%）。

通过对每场降雨事件的水量及流量按照时间的变化进行分析，发现生物滞留池可在不同程度上削减洪峰流量和和延缓洪峰到达时间。图3给出了第五次降雨事件的具体进、出水量和流量随时间的变化情况变化。由表2及图3所示，进出水速率曲线趋势相似，从时间上看，出水流量曲线较进水延缓了约15min，峰值到达时间延缓了14min;而在其他降雨事件中，洪峰延迟时间也在10～58min之间，证明生物滞留池可以有效地延缓雨洪峰值到达的时间，为市政排水管网减轻压力。从进、出水洪峰流量来看，第五次降雨事件进水峰值流量可达41.5m³·h^-1;对于出水流速来讲，虽也随降雨强度相应改变，但是变化趋势相对平缓，在降雨强度较强、进水流量较大时，其出水流量波动相对较小，且较进水流量比有着明显的降低，最大出水流量仅约19.4m³·h^-1（即洪峰削减达53.5%），证明该生物滞留池对缓解径流强度有明显的效果。

3.2污染物去除能力

表3总结了5次监测事件中的进出水污染物浓度和去除率。本研究生物滞留池对TSS的去除率不高，这主要是由于场地污染输入较低、系统前置沉降井，进水中TSS浓度较低导致的（7～18mg/L，远低于江苏省城市雨水中TSS的平均浓度一约251mg/L）。同时该系统的出水中TSS浓度也较低（8～11mg/L），低于国内外同类研究结果（详见表4）。

在5次采样事件中，出水中TP浓度均有一定程度的下降，前4次降雨事件出水浓度均小于0.2mg·L^-1，可达到地表水Ⅲ类以上水质标准（≤0.2mg·L^-1）。图4给出了五次降雨事件中进出水TP浓度的比较，总体来说，出水浓度随进水浓度的升高稍有提升。其中第5次降雨事件进、出水均为最高，该降雨事件前期晴天数仅一天，而且在所有降雨中雨量最大，因此生物滞留池的进水负荷较大，属于较为极端的情况。通过与同类研究相比可知，本研究中生物滞留池出水TP浓度（0.07～O.29mg·L^-1）相对低于其他类型生物滞留池（0.16～3mg·L^-1，表5）。

对于TN来说，除第1次和第5次降雨事件中去除率相对较低，其余三次均达到>60%。分析原因可知，第1次和第5次降雨事件均为连续降雨后的采样（前期晴天数1d），进水TN浓度均较低（<2.0mg·L^-1），且生物滞留池的污染物处理负荷较大，所以导致去除率相对较低;此外，第1次降雨事件处于冬季（二月中旬），生物滞留池内植物生长停滞，所以污染物去除能力较弱。随着气温升高，植物开始生长，从第2次降雨事件（3月底）开始污染物处理效果也相对提升（TP的去除效果也有相似的情况，图4）。由此可见，生物滞留池中植物对氮、磷化合物的去除十分重要。总体来看，出水中TN浓度均可达到地表Ⅳ类水水质标准（≤1.5mg·L^-1），通过与其他生物滞留池出水水质相比可知（2.72～8.11mg·L^-1表5），本研究系統的出水中TN浓度更低。

从实验结果（表3）看出，生物滞留池对于COD的去除能力较好前四次采样事件中COD去除比例均在40%以上，最高可达81%（第3次采样事件）。除第2次采样事件中出水COD浓度稍高，其余均可达到地表水IV类水质标准（≤30mg·L^-1）。其中第2、3、4次采样事件均为超过一周干旱期后的降雨事件，进水COD浓度明显升高，去除率也相应有所提升。BOD5去除效果表现与COD类似，通过比较不难发现，在长期干旱后的降雨事件中的进水BOD5浓度明显升高，去除率也相应提升。

另外，生物滞留池对于大肠菌群的去除效果较好。除第三次事件中出水大肠菌群浓度较高外（5300个·L^-1），可达到地表Ⅲ类水质标准（≤10000个·L^-1），其余事件中出水水质均达到地表I类水水质标准（≤200个·L^-1）。

4结论

目前生物滞留池已经成为应用最为广泛的海绵城市设施之一。本文通过利用《导则》在江苏镇江设计建设生物滞留池并对其进行了自然降雨事件监测，得到了以下结论：对于中小型降雨（<10mm），本研究生物滞留池能够达到100%径流控制率;生物滞留池对延缓雨洪峰值，缓解径流强度有显著的效果;生物滞留池对TSS、TP、TN、COD、BOD5以及粪大肠菌群均有较好的去除效果;生物滞留池中植物的生长影响系统整体的污染物去除能力;生物滞留池对污染物的去除效率在一定程度上受进水负荷的影响。研究表明此类型生物滞留池在径流控制和污染物去除方面均有较好的能力，可以适用于国内海绵城市的建设和推广。在未来的研究中，还需要对更多的降雨事件进行取样和监测，以更为清楚地了解生物滞留池对雨水处理的性能，提升生物滞留池的雨水处理能力。