曹世玮，李木子，庹 菁

(南京林业大学 土木工程学院，江苏 南京 210037)

1 引言

随着城市建设快速发展，城市不透水面积大幅增加，城市内涝问题频频发生[1]。生物滞留系统(Bioretention Cell, BRC)在解决城市内涝、削减面源污染、净化水质、增加景观效应等方面具有显著优势，是一种被广泛应用的低影响开发设计雨洪控制管理设施[2]。渗透性能是影响BRC水文控制效果的重要因素之一，与植物种类及填料颗粒级配等因素有密切关系[3]。随着时间的推进，多种因素影响效应得到放大，导致渗透系数急剧降低和填料层堵塞，最终影响整个系统的使用寿命。目前，由于BRC在污水处理整个周期内渗透性能的研究比较少[4]，本文针对以松树皮为覆盖层、粉煤灰陶粒为中部基质层，选用植物为旱伞竹，探究了基质层结构与不同基质配比在运行过程中渗透系数的变化规律，以期为通过提高渗透性能从而增强BRC对污染物去除能提供参考。

2 装置与方法

2.1 生物滞留池试验装置

BRC装置是由透明的有机玻璃制成的圆柱体，内径120 mm，高180 mm。模拟生物滞留池的结构层，装置具有高出水口，提供蓄水空间，上部设溢流管，底部设置出水口排出过滤水。种植植物选用根系接触面广、生长性能好的旱伞竹，初次种植高度为320 mm。

2.2 装置运行

模拟生物滞留池的基质自上而下分别为松树皮、粉煤灰陶粒、碎轻石。松树皮容易获得且价格低廉，同时质量轻，有较好的吸水和吸附性能，同时高空隙率使其也可作为生物滤料，在生物处理系统中具有良好的吸附、水分截留和微生物承载效益，另外，松树皮作为一种木质纤维素物质，可被微生物分解为葡萄糖和低聚糖，其高有机质含量使其成为一种新型的反硝化碳源投加材料；粉煤灰陶粒表面粗糙，比表面积大，孔隙较多且结构丰富，有利于微生物的附着生长，很多研究成果给出了基础填料组合和配比，集中研究如何针对净化、渗透等不同目的的生物滞留池进行填料改良优化，并提出优化的填料配比组合模式，总结出以硅沙、粉煤灰、沙、板岩等为代表的天然填料和以炉渣、给水厂污泥、管道沉沙等为代表的人工合成填料，效果较好，特别是粉煤灰陶粒，其作为生物滞留池的陶粒具有较大的应用市场，此外，粉煤灰陶粒具有强度高，密度小，化学稳定性好等特点，不易受水力负荷和长期水流的影响而导致材料的破裂，同时其内部存在着铝、硅氧化物等活性点，具有良好的吸附性能；轻石质轻(比重0.3～0.4)可浮于水，硬度适中，空隙率在45%左右，轻石比重小，多孔且内部孔连通很好，是一种良好的微生物载体材料。其中，松树皮选择粒径9～12 mm，孔隙率70%；粉煤灰陶粒选择粒径3～5 mm，孔隙率60%；轻石选择粒径5～8 mm，孔隙率为45%。

为探讨不同基质层的高度对渗透系数影响，在装置中分别填装不同高度比例的松树皮，陶粒和轻石，并采用不同的进水特征进行试验。9种基质配比厚度见表1。

表1 不同基质配比厚度参数 cm

表1中基质层的高度单位为cm，模拟生物滞留池总高度在13～17 cm之间。种植的旱伞竹的生长高度每周测量，分析其生长速率与渗透系数的相关性。

2.3 试验方法

渗透系数测定试验采用常水头渗透法[5]，如式(1)。

KT=QL/AHt

(1)

式(1)中，KT为水温为T时试样的渗透系数，cm/s；Q为时间t秒时的渗出水量，cm3；L为试验装置高度，cm；A为试验装置截面面积，cm2；H为平均水位差，cm，可按(H1+H2)/2计算；t为时间，s。

3 结果与讨论

3.1 生物滞留池基质层结构对渗透性能的影响

松树皮、陶粒是近几年在实际工程中广泛使用的生物滞留池充填基质。不同配比的松树皮和陶粒充填进生物滞留池后，具有不同的孔隙率和初始渗透系数。针对表1中的9种基质配比厚度得出如图1所示的初始渗透系数和孔隙率结果，从图中可以看出，基质层总高度与渗透系数呈正相关性，总高度每增加1 cm，渗透系数平均增加0.015 cm/s。如松树皮∶陶粒∶轻石配比为3∶11∶3(cm)时，初始渗透系数最大，为0.0697 cm/s，而基质层高度为13cm的试验组渗透系数相对来说较小,仅为0.0064 cm/s。另一方面，在同一高度下，中间层和覆盖层厚度的增加，渗透系数也在变大，如基质高度为15 cm的试验组，松树皮∶陶粒∶轻石配比为2∶11∶2(cm)时的渗透系数要比基质配比为2∶9∶4(cm)的试验组要大，说明松树皮和陶粒较大的孔隙率使基质的初始渗透率更大；而在中间层和覆盖层厚度总和一定时，随着中间层厚度的增大，渗透系数更大，如基质厚度配比为1∶10∶4(cm)的试验组和2∶9∶4(cm)的试验组相比，中间层和覆盖层总厚度都为11 cm，但前者中间层厚度较大，渗透系数也较大，说明陶粒较高的颗粒圆度和颗粒表面及内部发达的孔隙结构[6]保证了更高的水力传导性能，使渗透性更好。

土壤孔隙度越大，连通性越好，渗透性也越好[7]，用环刀法对孔隙率进行测定[8,9]。所测得的数据与渗透系数相结合进行分析，其结果见图1，由图1中可以看出渗透系数与孔隙率成正比例关系，孔隙率小时，渗透系数也较小，孔隙率增大时，渗透系数也随之增大，且在松树皮∶陶粒∶轻石的比例为3∶11∶3(cm)时孔隙率最大，为39%。同时，笔者发现基质层组合后孔隙率小于单层基质的孔隙率[10]。如组合基质中最大的孔隙度为39%仍小于3种基质中单层孔隙度最小的轻石，孔隙度降低了13%,因此，混合基质有利于提高基质的滞水性从而有利于雨水的净化作用，但对后续基质的堵塞可能会有影响。

注：A、B、C、D、E、F、G、H、I分别表示松树皮：陶粒：轻石的配比为(A)1∶9∶3; (B) 1∶11∶2; (C) 2∶9∶4; (D) 1∶10∶4; (E) 2∶10∶3;(F) 3∶10∶2; (G) 2∶11∶2; (H) 3∶9∶4; (I) 3∶11∶3

3.2 不同基质厚度配比在运行过程中渗透系数的变化规律

不同基质层配比的生物滞留池在运行过程中渗透系数发生了变化，试验中固定了进水浊度和进水频率，选取3种基质配比。从图2中可以看出，在浊度为55.4，植物进水频率为2次/周下[11]，3种基质配比厚度下的渗透系数随运行时间的变化都是先上升后下降。渗透系数在前3周有所上升，之后开始下降并在第5周开始渗透系数进一步下降的速度变慢，即在基质运行初期，有效孔隙度并未显著减少，一是基质足够大的孔隙度可以将大部分悬浮颗粒滤过，二是在孔隙中沉积下来的颗粒诱导孔隙流速的增加使已沉积的颗粒释放从而减少了颗粒的沉积。而在3周后，比表面积大的陶粒对有机物的吸附作用、雨水中悬浮物在孔隙中的积累作用以及微生物的生长作用使基质层结构的孔隙度显著下降。在以往的试验中发现，当悬浮物的沉积到达一定限制时，由于进一步沉积的保留位点减少而使沉积过程停止，故在5周后渗透系数下降速率开始变慢并最后保持在一定的稳定值，基质不太可能完全堵塞[12]。

图2 不同基质厚度配比下渗透系数随时间的变化

在试验进行初期基质配比厚度为松树皮∶陶粒∶轻石为2∶10∶3(cm)的试验组渗透系数最大，为0.032 cm/s;其次为松树皮∶陶粒∶轻石为1∶10∶4(cm)的试验组，渗透系数为0.0261 cm/s；而填料配比为松树皮∶陶粒∶轻石为2∶9∶4(cm)的试验组渗透系数最小，为0.0191 cm/s。且随运行时间的变化，松树皮∶陶粒∶轻石为2∶10∶3(cm)的渗透系数依旧高于另外两种配置，渗透系数变化曲线一直处于最高的位置，说明初始渗透性高的基质配比中良好的孔隙度和结构使得基质堵塞机会减少，虽然随着运行时间的增加，堵塞不可避免，但陶粒层和松树皮层总厚度更高的试验组最后减小的渗透系数要少，最终能维持在0.02 cm/s左右，说明在该基质厚度配比下，其较大的孔隙结构能抵抗一定的堵塞作用，更利于生物滞留池的运行。

3.3 植物生长情况分析

试验期间，各组的旱伞竹长势良好，其中，基质配比厚度为松树皮∶陶粒∶轻石为2∶10∶3(cm)的旱伞竹生长状况最好，平均总生长高度为6.44 cm，其次为松树皮∶陶粒∶轻石为2∶9∶4(cm)，平均总生长高度为3.65 cm，最差的为松树皮∶陶粒∶轻石为1∶10∶4(cm)的试验组，平均总生长高度仅为1.40 cm。而在最佳的基质厚度配比下(松树皮∶陶粒∶轻石为2∶10∶3)，浊度为55.4，植物灌水频率为2次/周的植物生长速度最快，生长高度高达13 cm。

综上，旱伞竹在粉煤灰陶粒基质中生长适应性良好，在8周连续动态试验过程中均处于生长阶段。基质厚度配比的差异性导致了植物生长高度上较大的差异性[13]，试验研究表明松树皮∶陶粒∶轻石为2∶10∶3(cm)的基质厚度配置最适宜于植物的生长。

4 结论

针对以粉煤灰陶粒为主要基质，旱伞竹为种植植物的生物滞留池，分析了基质配比与渗透系数的相关性，探讨了生物滞留池渗透性能的影响因素。

(1)基质层高度对渗透系数有较大的影响，在一定范围内，基质层高度增加渗透系数会随之增加，总高度一定时，随着中间层和覆盖层厚度的增加，渗透系数也在变大。基质结构的孔隙率与渗透系数存在正比例关系，在松树皮∶陶粒∶轻石的比例为3∶11∶3(cm)时渗透系数和孔隙率均为最大，渗透系数为0.0697 cm/s,孔隙率为39.24%。

(2)在一定进水频率和进水浊度下，同一高度下不同基质厚度配比的渗透系数随时间变化先上升后下降最后趋于稳定，且在松树皮∶陶粒∶轻石为2∶10∶3(cm)的配置下渗透系数最终所稳定的数值最高，在0.02 cm/s左右，更适宜于生物滞留池的运行。

(3)旱伞竹的生长高度与基质厚度配比有着密切联系，中间层和覆盖层厚度越高，植物生长情况越好。其中：在基质厚度配比为松树皮∶陶粒∶轻石为2∶10∶3(cm)，进水浊度为55.4，进水频率为2次/周的配置下，植物的生长适应性最好，植物总生长高度达13 cm。