试述不同填料对生物滞留设施效果的影响

陈会杰

(南昌大学建筑工程学院，江西 南昌 237000)

引言

生物滞留池是随着近年来城市洪涝灾害频繁发生而衍生出的比较有效的LID措施之一。随着城市化进程的推进，城市中下垫面的不透水系数增加，城市中管道的排洪防涝能力不足。因此，人们期望利用城市中的绿化区域设置生物滞留设施来调节雨水对管网的压力。通过生物滞留设施底部填料对雨水的吸收、过滤功能以达到净化雨水水质的目的。近几年对生物滞留设施的研究主要包括三个方面：填料、结构以及植被，其中填料是对水质影响较大的因素。随着城市化进程的推进，导致城市的下垫面不透水性迅速上升。与此同时，由于城市下垫面透水性下降使得洪涝灾害、水资源紧缺以及城市湖泊河流的面源污染等一系列生态环境问题凸现[1]。为了缓解这些城市化进程带来的负面影响，城市中的生物滞留设施应运而生。通过对不同材质填料的选择、组合，生物滞留设施对雨水中各种污染物的去除效果也不相同。近年来，通过不断地筛选填料、优化填料配比，生物滞留设施净化水质的功能也在不断强化。

1 生物滞留池的组成及功能

生物滞留设施(也称生物滞留池)是LID措施(低影响发展的雨洪调控措施)其中的一种。其主要是为了充分发挥城市绿地、道路、水系等对雨水的吸纳、蓄渗、缓释作用，在城市绿化区域种植特定植被的一种生物设施。由于其在延缓降雨径流、降低污染物负荷方面的良好效果，且造价低、相对较易实施，因此，近年来不断探索和发展，生物滞留设施已经成为了建设海绵城市的重要保障。

生物滞留设施一般包括缓冲带、蓄水层、有机覆盖层、植物生长层、植被、排泄层和砂砾卵石层[1]。生物滞留设施最主要的功能就是从水量和水质两个方面对雨水进行调节。它相当于一个能够截留一定量雨水的收集器，能够减少一部分暴雨洪涝期的地面径流量，同时，生物滞留池内的各组成部分相当于一个过滤器，能够在雨水下渗的过程中通过过滤、吸附等作用去除一些氮、磷等污染物，从而达到净化水质的目的。并且，生物滞留池内生长的有一定量的植物，在植物生长过程中会吸收一些水中的有机物、氮磷等作为养分以满足自身生长需求，这也是对水质的一种净化。

2 生物滞留池去除雨水中污染物的原理

2.1 生物滞留池对污染物的去除原理

生物滞留池主要通过渗透、过滤吸附、离子交换、植物吸收以及微生物摄取等协同作用进行脱氮除磷。同时，植物生长需要分解吸收土壤中的有机质，如果在填料中增加处理过后的有机质可以促进植物生长以促进植物对污染物质吸收。

2.2 生物滞留设施脱氮除磷的机理

一般雨水中的磷都以颗粒态磷(PP)和溶解态磷(DP)这两种形式存在，雨水中的氮主要以氨氮和有机氮两种形式存在。两种形态的磷经矿化作用转成沉积物，然后经填料的过滤、吸附和沉淀作用去除。雨水中的有机氮经过氨化作用转化成氨氮，氨氮经过好氧硝化作用转化成硝态氮，也可被土壤颗粒和有机质吸附，最终通过反硝化作用以N2O或 N2的形式被去除。当然，生物滞留设施对水质的净化不仅限于氮和磷，有机污染和重金属污染也是非常重要的指标。

3 结果与讨论

3.1 生物滞留设施填料现存的问题

海绵城市建设中，存在最大的问题就是填料，一方面是填料的吸附效果是否能达到预期，一方面是经过一段时间的使用后填料层的更换问题。填料层的吸附效果我们可以通过不同填料的结合、配比，或是研制新型高性能材料等方法解决。

3.2 常见填料类型和几种新型填料

一般来说，生物滞留设施的填料有以下几种：活性炭、沸石、海绵铁、珍珠岩、陶粒等。除了这几种常规材料之外，也有一些新型材料已经应用到海绵城市的建设之中。比如，江西省萍乡市海绵城市建设中采用了透水混凝土作为新型滤层材料。透水混凝土是一种新型多孔透气性材料，经特定级配的骨料碎石、胶结料、添加剂、水泥、水和掺合料等，按一定比例以特定工艺制成。采用特殊工艺制成的新型混凝土相较于传统填料具有渗透性强、透气性好等优点[2]。同济大学万哲希，刘雨童，李田的研究表明采用发酵木屑作为植物的有机填料可以显著降低出水中的有机物含量[3]。该课题组通过两年的现场实验对上海市内环高架某路段下方的生物滞留设施进行持续监测，结果显示基质中木屑降解淋出量在下降，出水中的氮磷均能够得到有效控制。发酵木屑是指在木屑里加入植物性或动物性蛋白，发酵以后变成小分子，更适宜植物吸收的木屑。在种植花草时加入一定量的发酵木屑作为有机肥料可以促进植物生长。通过以上两个例子中使用的新型填料和传统填料的对比，可以发现在生物滞留设施中主要还是利用多孔性填料的吸附特性去截留水中的污染物。同时，填料的改进可以考虑添加一些有机物以促进植物的生长，以提高生物对氮磷的吸收。

3.3 填料研究方向

如果想使用吸附效果较好的填料，比如多孔活性炭，那么相应的成本会迅速上升。何珊，王慧峰，张永祥等的研究中表明：活性炭和蛭石可以作为反应介质，对于复合污染地下水中硝酸盐和重金属有较好的去除作用[5]。目前，海绵城市建设中填料的发展，一方面在研究更加疏松多孔、吸附性强的方向前进，另一方面各类研究在不断尝试各种新型配比，添加一些相对价廉质优常见的物质以提高材料的综合性能。在施工中根据工程材料选用原则，要考虑材料的使用性能、工艺性能和经济性能。填料的选择在填料效果相同或是效果差别不大的情况下需要优先考虑价格低廉更加常见的的材质。

为更长远的发展考虑，填料层的更换和优化问题更加迫切。生物滞留设施建成后的五到十年之间填料会达到一个吸附饱和的状态，此时生物滞留设施可能会从一个净化水质的手段变成城市内水质劣化的污染源。生物滞留池中填料层的更换是一个难题，吸附饱和的填料必须经过统一处理，也必须有一套完整的处理流程以应对生物滞留设施有可能面临的一系列问题。如果由于吸附饱和问题使生物滞留设施失去了对水质水量的调节能力，那么之前投入的基建费用最终也都付之东流，生物滞留设施也失去了最初的建设意义。

4 结论

综上所述，生物滞留设施作为一种调控措施，对于城市内水质水量的调节有着很重要的作用，但它的发展过程中仍然存在各种问题需要我们不断完善。同时，生物滞留池现存的研究结果也仅有实验室研究和室外研究两种，尚不足以作为大面积推广生物滞留设施的依据。想要真正完善这项调控技术，仍需要我们继续努力。

总之，生物滞留设施的研究可以主要从以下几个方向来考虑：各种新型填料和不同配比之间的影响，高效低成本的填料研发，新的生物滞留设施工艺的研发，从实验室规模研究逐渐发展到实际绿化工程的运行，理论与实践相结合，解决径流雨水在生物滞留设施中净化的问题，扩大相关研究的实践意义。