生物滞留池对降雨径流控制研究

王玉冰 许吉现 姜凤超

摘  要：采用人工模拟雨水试验研究生物滞留池对降雨径流水文、水质控制效能。结果表明：生物滞留池对COD、NH4+-N和TP的平均去除率分别在24.5%～86.7%、49%～92.7%和-60%～71.6%范围，对径流总量控制率为 18.4%～20.4%。

关键词：生物滞留池;降雨径流;去除效能;蓄水能力

中图分类号：X52 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）25-0080-03

Abstract： The artificial simulated rainwater test was used to study the effectiveness of the biological retention pond on rainfall runoff hydrology and water quality control. The results showed that the average removal rates of COD， NH4+-N and TP in the biological detention pool were 24.5%-86.7%， 49%-92.7% and-60%-71.6%， respectively. And the total control rate of runoff was 18.4%-20.4%.

Keywords： biological retention pool; rainfall runoff; removal efficiency; water storage capacity

随着城市不透水面积的增加和环境污染的加剧，大量的污染物经降雨冲刷后随雨水径流一同汇入地表水体和城市管网中，造成水体污染，对雨污合流管道而言，还会加重污水处理厂的运行负荷。为了缓解降雨径流水量和水质问题，近年来，“海绵城市”建设在国内大力倡导[1]。生物滞留系统是一种基于渗透理论的最佳雨水管理措施，由覆盖层、种植土层、填料层、砾石层及穿孔排水管组成[2]。据研究表明：生物滞留池对COD的平均去除率达到60%以上，而对N、P的去除效果存在不确定性[3]。在生物滞留系统中，填料的性能是决定其运行效果的主要因素，目前大量的学者已经把研究方向转移到对其填料的研究上。

本研究采用人工模拟雨水试验，研究沸石填料对生物滞留池蓄水能力和除污能力的控制效能。

1 材料与方法

1.1 試验材料及装置

所有设计参数均依据长治市降雨径流，见表1。

本试验装置包括配水系统和生物滞留池主体结构两部分，如图1所示。

1.2 试验过程及分析方法

于水桶中进行相应污染物浓度的人工雨水配置过程，连接提升泵和输水管，试验时开启水泵，待底部排水管有稳定出流时开始计时取样，前20min，每10min取样一次，20～60min，每20min取样一次，此后改为每30min取样一次，至出流结束为止。水样保存于200mL聚乙烯瓶内，24小时内完成污染物浓度分析，各指标分析方法均依照国家标准[4]。

2 结果与讨论

2.1 生物滞留池除污能力

2.1.1 对COD的去除效能

生物滞留池对COD的去除效能如图2所示。可见，不同试验条件的COD去除效果随时间变化呈现相似规律，0～120min内，COD的去除率呈逐渐减小的趋势，A～I组实验COD的去除率分别在37.5%～75%、66.7%～80%、66%～96.5%、66.7%～80%、22.5%～70%、29%～70%、22.5%～35%、37.5%～52.5%、80%～90%范围。在120～150min期间，出水COD浓度逐渐稳定。A～I组实验对COD的平均去除率分别为47.5%、71.1%、71%、38.9%、47.5%、34.5%、24.5%、35%、86.7%。在生物滞留系统中，COD的去除主要依靠填料的吸附和生物滞留池渗滤系统的截流作用，通常具有孔隙率低、密实的结构有利于COD的去除。

2.1.2 对NH4+-N的去除效能

生物滞留池对NH4+-N的去除如图3所示。可见，不同实验组合对NH4+-N的去除效能存在差异性。在0～60min期间，不同试验条件的NH4+-N的去除效能随时间逐渐变差，去除率分别在70%～89.15%、75.49%～89.90%、83.73%～97.55%、32.18%～67%、42.22%～80.85%、61.16%～82.59%、8.21%～82.10%、40.21%～61.96%、87.23%～95.53%范围。60～120min，各组实验对NH4+-N的去除效能逐渐增大，其中试验D的变化幅度最剧烈，可能是因为生物滞留系统中填料对NH4+-N的吸附受外界条件的影响，导致去除率达到最低后迅速升高。A～I组实验平均去除率分别为70.6%、80.3%、79.7%、52.7%、49%、60.1%、64.5%、56%、92.7%。对NH4+-N而言，生物滞留池对初期雨水的净化效果优于后期降雨，可能由于生物滞留池的吸附能力有限，降雨后期，已被截留和吸附的NH4+-N被雨水冲刷出来，导致降雨后期NH4+-N去除率有所下降。

2.1.3 对TP的去除效能

生物滞留池对TP的去除效能如图4所示。可见，0～90min内，生物滞留池对TP的去除效果较稳定，A～I组TP的去除率分别在1.1%～64.3%、31.2%～40.5%、74.2%～80.2%、3.4%～29.9%、-69.3%～-45.5%、59.98%～75.53%、53.0%～60.8%、-24.3%～-16.4%、11.37%～29.89%范围。90～150min内，TP的去除波动较大，150min以后，又呈现稳定趋势。A～I组实验TP的平均去除率分别为：70%、32.5%、71.6%、40%、-60%、32.5%、41.7%、-20.3%、45%。雨水中的P主要以H3PO4、H2PO4-、HPO4-的形式存在，有研究表明，生物滞留池对P的去除主要取决于填料的化学吸附性能，由图4可以看出，生物滞留池对低浓度的TP去除率最差，甚至出现负值，一方面可能是因为沸石填料对低浓度P的吸附能力差，另一方面可能由于沸石填料自身有P的析出效应。

2.2 生物滞留池蓄水能力

生物滞留池蓄水能力如图5所示。整体来看，除A组试验外，其余试验生物滞留池蓄水水量远小于出水水量，分析原因可能因为A组实验为本装置第一次运行，前期晴天天数较长，生物滞留系统内含水量低，降雨后，对雨水的吸收能力和储存能力较强。G、H、I三组实验，生物滞留池的蓄水能力相当，蓄水率分别为18.4%、18.6%、20.4%。当进水量为0.648m3时，D和F的蓄水能力相当，分别为31%和33.5%，而E的保水率较差，仅为15.1%，E组实验前期干燥天数只有两天，渗滤系统中自身含水量较高。生物滞留池对小水量雨水径流蓄水能力存在不确定性，A、B、C三组实验的蓄水能力存在较大的差别，蓄水率分别为67%、29.6%和20.2%。总体来讲，试验条件下生物滞留的场次径流总量控制率为 15.1%～67%，与潘国艳[5]得到的研究结果基本一致，对雨水径流总量具有一定的削减作用。

3 结论

（1）生物滯留池对COD和NH4+-N的去除效果较好，出水COD和NH4+-N的平均去除率分别在24.5%～86.7%和52.7%～92.7%范围。对TP的去除效果不稳定，平均去除率在-60%～71.6%范围。

（2）生物滞留池对降雨径流总量有一定程度的控制作用，且对径流量大的控制效果最佳。

参考文献：

[1]Su D， Zhang Q H， Ngo H H， et al.Development of a water cycle management approach to Sponge City construction in Xi'an， China.[J]. The Science of the total environment，2019，685.

[2]张建强，许萍，何俊超.生物滞留池去除道路径流雨水中氮磷的原理及研究现状[J].市政技术，2015，33（03）：128-132.

[3]许萍，黄俊杰，张建强，等.模拟生物滞留池强化径流雨水中的氮磷去除研究[J].环境科学与技术，2017，40（02）：107-112.

[4]国家环境保护总局.水和废水监测分析方法[M].4版.北京：中国环境科学出版社，2002：243-246，254-255，276-279.

[5]潘国艳，夏军，张翔，等.生物滞留池水文效应的模拟试验研究[J].水电能源科学，2012，30（5）：13-15.