杨方灿 ，郭飞宇 ，王若飞 ，李荣彪

（1.中交路桥建设有限公司，北京 100027；2.中交路桥南方工程有限公司，北京 101101）

1 引言

近年来，内陆城市不断发生内涝，主要原因是暴洪雨水瞬时涌进排水管道，导致排水系统崩溃。因此，为了保障排水管道排水畅通，必须采取有效措施适当削减洪峰，减少雨水径流速率以及适当延长雨水滞留时间。另外，城市雨水径流通常携带大量的污染物，主要包括悬浮固体、有机物、营养物质、重金属以及病原体，如果将暴洪雨水直接排放将无法满足水质排放标准。国外对城市雨水管理的实践与研究起步较早，对暴洪雨水排放日益严格的管理要求促进了最佳管理实践措施的发展，已形成相对成熟、理念先进的雨水管理模式，如澳大利亚的水敏感城市设计、美国的低影响开发、新西兰的低影响城市设计与开发等。这些系统主要用来减少暴洪雨水对下游水质扰动以及把暴洪雨水变成可利用的水资源，城市雨水径流生物滞留系统因此日益受青睐。

城市雨水生物滞留系统采用过滤、吸附、植物吸收以及生物转化等自然过程来降低暴洪雨水径流速率、减少径流量以及在暴洪雨水流入受纳水体前滞留污染物【1】。如图1 所示，雨水生物滞留系统的一般设计包括过滤层、过渡层以及碎石层。位于底层的是碎石层，碎石层主要作用是加快排水速率。因此，过滤层在去除污染物的过程中起到非常重要的作用。过滤介质通常包括以泥土为主的材料（以砂壤土最常见）、有机物质以及其他一些以各种比例混入滤料中的材料（如蛭石、珍珠岩等），过滤介质为排水提供充足的水力传导性、去除污染物以及支撑植物的生长【2】。不同过滤介质将会影响系统的运行周期、雨水的滞留时间、污染物的去除效果以及滤料层的维护保养。为此，本文将分别从滞留时间、污染物去除效能和滤料层堵塞等方面分析讨论几种不同类型的过滤介质，并试图提出新型生物滞留系统滤料层构建方案，以期为国内海绵城市的建设以及相应的研究提供技术支撑及理论基础。

图1 常规城市雨水径流生物滞留系统结构示意图

2 系统过滤介质对雨水滞留时间的影响

2.1 雨水滞留时间的确定

通常采用质心法确定系统的雨水滞留时间，如式（1）所示：

式中，Tin与Tout分别表示从进水或出水水位曲线的开始点到质心所需时间，min，Tin与Tout根据如下公式确定。

式中，Qout，t为 t 时刻的出水流量，L/min；Qin，t为 t 时刻的进水流量，L/min；t 为暴雨历时，即从水位曲线开始的时间，min。

2.2 过滤介质对雨水滞留时间的影响

系统过滤介质的水力传导性随时间的演变规律与过滤介质种类、滤料层厚度、植物种类以及系统规模等关键设计参数有关。不同过滤介质的滞留系统都能有效削减洪峰，但削减程度随不同过滤介质而存在很大的差异。而当以椰子纤维、堆肥以及供水厂剩余污泥等材料作为系统的过滤介质时，由于自身具备良好的多孔性以及水力渗透性，故而这些物质作为过滤介质具有较大的渗透速率。但是，渗透速率的增加会减少雨水径流的滞留时间，将会导致系统对污染物的去除效率变小【3】。故而，城市雨水生物滞留系统过滤介质的选择必须要同时考虑雨水的滞留时间以及系统对污染物的去除效果。

3 系统过滤介质对污染物去除效率的影响

城市雨水径流中的污染物主要有：SS、重金属、COD、TN、TP、氨氮、氯化物、油和脂等。在城市雨水生物滞留系统中，过滤介质材料主要通过沉淀、过滤、离子交换、表面吸附以及络合作用去除雨水径流中的污染物。

3.1 污染物的去除效率计算

滞留系统对污染物的去除效率可由式（4）确定：

式中，Cout，t表示 t 时刻出水中污染物的浓度，mg/L; Cin表示进水中污染物的浓度，mg/L；Δt 表示相邻两次取样间隔时间值，min。

3.2 过滤介质对重金属去除效能的影响

一些有机废弃材料（如椰子纤维、供水处理产生的污泥、茶渣、稻壳等）可以用来做生物过滤系统的滤料，它们通过离子交换、表面吸附以及络合作用能够去除重金属等污染物。供水处理产生的污泥一般都是采用废渣填埋法处理，这种污泥具有很大的表面积与体积比率、高度活性的表面以及能够通过再生可重复利用【4】，因而其具有很强的重金属去除能力。

Lim 等考察了单种不同过滤介质材料下系统对重金属的去除情况，由试验结果得，陶瓷土、堆肥、商业混合材料以及供水厂剩余污泥对金属（Cu、Zn、Cd、Pb）的去除能力表现相当；相对于其他过滤介质材料而言，椰子纤维对所测验金属的去除效果较差。分析认为，这是椰子纤维自身多孔性与非均匀性的结构造成的。堆肥、椰子纤维以及给水处理过程产生的污泥富含溶解态有机物，而陶瓷土不含溶解态有机物，故而堆肥等这些物质相对于陶瓷土而言，对Cu 的去除效果较差。

3.3 过滤介质对营养物及有机污染物去除效能的影响

国内关于生物滞留系统过滤介质的研究主要集中于传统的无机材料。高晓丽等【5】考察了壤土、砂等单种不同材料作为系统滤料时，滞留系统对COD、SS、TN、TP、氨氮等污染物的去除效果，试验结果如表1 所示。由试验结果得，相比其他材料而言，壤土对TP 及COD 的去除效果最好，去除率分别为91.13%和52.93%，而砂对氨氮的去除效果最好，去除率高达61.22%。但是，在其研究中也暴露出这些传统无机滤料自身固有的缺陷，如对COD、氮磷等污染物的吸附容量有限。

表1 不同填料下生物滞留系统对污染物的去除率 %

3.4 过滤介质对病原菌去除效能的影响

城市雨水生物滞留系统去除病原菌的机理与慢滤系统去除病原菌的机制基本一致，待处理的液体以一定流速通过处理装置， 液体中的各种菌类及线虫等与过滤介质充分作用，发生过滤、吸收等物理化学作用，达到抑菌的目的。

芦珊珊等【6】对慢滤系统中采用沸石、石英砂及活性炭3种过滤介质抑制病原菌的效果进行了吸附除菌研究。分析认为，主要原因可能为：一是在吸附介质吸附的过程中，除了简单的物理吸附以外，还存在分子间的色散力吸附、静电力吸附、毛细力吸附以及离子交换力吸附等；二是试验所用的病原菌菌液不同于一般净水处理系统中的吸附质。

尽管吸附介质粒径越大，介质对病原菌的吸附效果越好，但雨水生物滞留系统的主要环保功能是去除城市径流中的氨氮、磷、SS 以及COD 等污染物。因此，选择生物滞留系统过滤介质时，不能盲目追求其对病原菌的去除能力，更应注重其对营养物及有机污染物的去除效能。

4 不同过滤介质下过滤层的堵塞及维护情况

城市雨水径流含有大量细泥沙（通常直径小于6mm），这些细泥沙可能会堵塞过滤介质，故而滤料的水力传导性会随着系统运行时间减小，以往研究表明，雨水径流生物滞留系统的堵塞主要是泥沙沉积物沉淀造成【7】，堵塞的程度由城市雨水径流的含沙量和水力特性决定。

相关研究【8】已证实，当以椰子纤维、堆肥以及供水厂的剩余污泥等材料作为过滤介质时，系统对重金属的去除以及堵塞主要发生在过滤层表面的5cm 处；而以陶瓷土作为过滤介质时，系统对重金属的去除以及堵塞主要发生在滤料层的底部。如果用椰子纤维作为滤料，当其体积随着系统的运行明显收缩时，就必须用新的椰子材料来替换。替换出来滤料含有大量重金属，酸里面的氢离子可以替换结合在滤料上面的重金属。因此，可用酸（如盐酸、硝酸、醋酸等）使其再生，重复利用。

5 新型生物滞留系统滤料层构建方案

总体而言，泥土颗粒去除污染物的能力最强，但随着生物滞留系统的运行，泥土过滤层将快速被压实，表现出较差的排水性能，将会导致系统蓄水或者溢流，进而导致系统对污染物处理效果变差，严重影响系统运行。

黏土颗粒对污染物的吸附容量有限，而氧化铁颗粒具有专性吸附作用，对污染物的吸附容量及吸附速率均优于黏土颗粒。但是，氧化铁颗粒作为滤料，除了能促进污染物吸附，也更易造成堵塞的过早发生。因此，笔者建议，将椰子纤维混合氧化铁颗粒作为系统滤料，具有多孔结构的椰子纤维不仅可以延缓堵塞，而且可以减缓“淋洗”出氧化铁中铁离子。

图2 新型雨水生物滞留系统滤料层构建方案示意图

为了使城市雨水生物滞留系统能够具有较长的工作周期、取得更佳污染物去除效果以及保持足够的排水速率且便于维护保养，雨水生物滞留系统过滤层的较佳构造方案（见图2）可能为：以氧化铁颗粒为主要成分混合椰子纤维作为过滤层表层5～10cm 内的滤料，另外，以砂壤土为主要成分混合堆肥（堆肥有利于促进土壤固粒结构的形成，能增加土壤保水、保温、透气）作为系统过滤层表层5～10cm 以下的过滤介质。椰子纤维的多孔结构可以增强过滤层的水力传导性，同时也会降低城市雨水径流中细泥沙堵塞表面层的可能性，延缓过滤层堵塞。过滤层表层的椰子纤维对Cu 和Pb 等污染物较差的去除效果可以由过滤层表层以下的混合滤料补充。

6 研究展望

生物滞留系统在实际应用中面临着许多问题，如温度、pH、有机物降解产生的溶解有机碳（Dissolved Organic Carbon，DOC）以及根部系统产生的酸性物质等，这些因素的变化可能会使已经吸附在滤料的污染物再次鼓动起来，产生的溶解有机碳会影响金属（如Cu 等）的流动性，同时也会促进营养物质流出滤料层。此外，氧化铁中铁离子不可避免地被雨水径流“淋洗”出。为此，需要开展详细的试验来考察氧化铁颗粒与椰子纤维以及砂壤土与堆肥间的配比系数。