杨杰
成都西南交通大学设计研究院有限公司 四川 成都 610000
摘要：在经济高速发展的背景下，海绵城市建设受到了国家和人民群众的高度关注，在海绵城市中生物滞留设施是分散式雨水处理和利用的重要条件，但就当前实际情况来看，海绵城市生物滞留设施仍然存在不足，其寿命和效率也会随之受到影响。本文以海绵城市生物滞留设施关键技术分析为题，分别介绍生物滞留设施填料改良、生物滞留设施工艺参数设计和生物滞留设施填料污染修复，希望通过本次研究，为相关行业提供借鉴。
关键词：海绵城市；生物滞留设施；填料改良
引言：我国城市化在近些年呈高速发展的态势，但在城市经济发展的同时，城市内涝、水资源短缺等问题却逐渐出现。加强对城市水资源的控制和利用，则有助于上述问题的解决。在查阅文献资料后得知，城市雨水径流中的污染物含量较多，在利用雨水之前，需要对这些污染物进行控制，这是回收利用水资源的前提条件。海绵城市生物滞留设施适用于分散式雨水处理和利用，但其存在的不足，却影响了设施的运行效率和寿命。因此，对此项课题进行研究，具有十分重要的意义。
一、海绵城市滞留设施设计建设的必要性
在城市化进程不断推进的背景下，硬质下垫面逐渐增加，城市雨水径流污染愈发严重，尤其是初期径流，其污染物浓度严重超标，远远超出饮用水标准，最终使城市环境受到严重威胁。在查阅文献资料后得知，我国部分大中型城市的初期雨水径流主要污染物浓度如表1所示。
表 1 国内部分大中型城市初期雨水污染物浓度 单位：毫克/升
现有研究成果表明，城市绿地在消减城市雨水地表径流量和径流污染时，可以发挥重要的作用，与下沉式绿地相比，生物滞留设施能够通过主动性设计，并依靠复合系统对雨水径流中的污染物进行截留、蓄渗和净化，这种复合系统的组成部分包括植被、土壤和微生物。在国际上生物滞留设施又被称为生物过滤系统和生物植草沟。鉴于其实际应用效果和经验，生物滞留设施建设对于我国海绵城市建设发展而言至关重要。具体表现在以下方面：
（一）生物滞留设施有利于控制年径流总量
美国法律要求地方政府，对占地面积超过465平方米的项目进行雨水径流控制，控制目标为95%的径流总量，为实现这一目标，美国政府部门应用生物滞留技术，究其原因，主要是与其他技术相比，这种技术具有高效性的特征，属于控制年径流总量最有效的手段。
（二）有利于去除雨水径流污染
国外研究机构的研究结果表明，应用强化生物过滤设计的生物滞留设施，在处理雨水时，对钙、锌等重金属元素的去除率可达90%以上，除磷率也超过80%。与其他设施相比，生物滞留设施对钙的去除效果极为显著。生物滞留设施如图1所示。
图 1 生物滞留设施
二、海绵城市生物滞留设施关键技术研究
（一）生物设施填料改良技术
填料对于生物滞留设施而言至关重要，究其原因，主要是填料会直接影响设施水量削减和水质净化功能的实现。为促进设施运行效果的提升，改良填料已经受到研究人员的高度关注，现有填料主要分为两种，一种是混合填料，另一种是分层填料。相较于国内而言，国外在填料选择和研发上，已经投入了大量的资金，同时将混合式填料作为主要填料，而国内填料研究则处于落后地位，多以借鉴国外研究经验为主。在改良生物滞留填料时，需要对以下影响因素进行考虑[1]。
1.生物滞留设施填料改良对水量削减作用
结合上文可知，生物滞留设施能够依靠负荷系统对城市雨水径流进行截留和蓄滞，从而有效减少洪峰流量，降低城市给排水管道的压力，城市内涝现象也会得到缓解。近些年，国内外研究者为提升填料的渗透性和持水能力展开了大量研究，其中，国外学者利用砂质土壤、有机质和5%黏土作为混合填料，研究结果表明，这种混合填料的渗透性和持水能力较强，且造价较低，具有良好的应用前景。另有一部分学者在试验后发现，土壤和填料渗透率会随着水力负荷的增加而下降，整体下降趋势为降低-稳定-快速下降。再加上水体压实和沉积物产生的联合作用，导致填料被堵塞，填料渗透系数也随之减少。为改良填料性能，研究者结合已有经验，将改良剂添加到填料之中，试验结果表明，在填料中添加草炭土、珍珠岩等改良剂，可以促进填料持水性能的提升，在填料持水性提升后，生物滞留设施储水量和植物生长情况显著增强。总之，填料至关重要，是海绵城市生物滞留设施的关键性技术之一，在研究过程中，必须予以高度重视。
2.生物滞留设施填料改良对水质净化的作用
城市雨水径流中含有大量的污染物，如何去除这些污染物，成为了研究的热门话题，在查阅文献资料后得知，传统生物填料对污染物的去除效果一般，无法满足雨水处理的要求。有鉴于此，国外研究机构开展了填料改良研究，简言之，就是通过使用改良剂的方式，增强填料的水质净化效果。改良剂选择必须符合经济性和实用性原则，目前，应用范围较为广泛的改良剂包括给水污泥和蒙脱石等。
就事实而言，生物滞留设施在处理悬浮物和油脂类污染物时，所表现出的效果较为显著。究其原因，主要是雨水在流经生物滞留设施后，其悬浮固体会被填料所滞留、沉淀和吸收。尤其是植生滞留槽、雨水花园对雨水径流中总悬浮固体负荷的削减率更是高达90%，且稳定性极强[2]。
但在对比后得知，传统生物滞留设施在去除营养物时，所表现出的效果却相对一般。为弥补其缺陷，研究人员将硬木屑、草秆等外部碳源添加其中，从而使填料吸收营养物的能力提升。另有研究人员指出，氮源添加和设置内部蓄水区，是提升生物滞留设施去除营养物的重要措施。总之，填料作为海绵城市生物滞留设施关键性技术之一，国内外学者都对此展开了深入研究，但国内研究尚处在落后的位置，在填料选择时依然以借鉴国外经验为主，但由于国外气候条件和土壤类型与国内差别显著，因此，国外的填料选择方式，很难被国内直接应用。为此，建议我国学者将改良填料生物滞留设施长期水质净化效果作为研究方向，以此为城市面源污染控制提供可行的思路和方法。
（二）生物滞留设施工艺参数设计
在海绵城市建设阶段，需要考虑不同城市的环境特点和地质条件，并在此基础上提出不同的雨水控制要求，而生物滞留设施水量和水质模拟模型的构建，有助于最佳参数的获取。
1.生物滞留设施污染物迁移转化原理
生物滞留设施水量和水质模拟模型建设的前提条件就是明确污染物迁移转化原理，现阶段，国内外研究人员已经进行了大量研究。其中国外学者在研究后发现，在经过WTR改良后，生物滞留系统去除溶解性活性磷和溶解性有机磷的能力大幅度增强，能够有效规避颗粒态磷的淋浴现象。另有研究结果表明，填料内的污染物浓度与污染物背景和负荷存在密切的关联，在系统初次运行阶段，部分污染物的淋浴量远远超出积累量，在系统运行中期，浸出量少于污染物积累量。就实际情况而言，国内外对于生物滞留设施污染物迁移转化原理的研究尚未透彻，建议研究人员将同位素示踪法引入其中，以强化研究的效果。
2.生物滞留设施模型模拟
现阶段，有关生物滞留设施的模型包括以及等，国内外学者均对上述模型进行了研究。国内学者以为基础，对生物滞留设水文特性进行了模拟，研究结果表明，生物滞留池面积会影响径流削减幅度、积水时间和地下水补给幅度。而国外学者依托于模型，模拟了不同地区的生物滞留设施，结果表明，模拟地区的生物滞留设施具有良好的排水和蒸发能力。另有学者基于模型，研究雨水花园蓄水层深度和运行效果之间的关系，结果表明，蓄水层深度越深，雨水花园净化能力越强，反之则亦然。总之，想要进一步增强海绵城市生物滞留设施的雨水处理效果，构建高精度、高灵敏性和应用范围广泛的机理模型至关重要[3]。
（三）生物滞留设施填料修复技术
自进入21世纪以来，国内外学者将研究重点放在了生物滞留设施去除污染物效果方面，但去除过程、生态毒性和修复却是研究薄弱点。
1.生物滞留设施有机微污染物的去除过程
在海绵城市建设后，雨水径流污染处理方式发生了变化，在处理过程中生物滞留设起到了关键性的作用。但雨水径流中的有机微污染物难以有效去除，故建议研究人员加强对去除过程的研究，现有研究结果表明，生物滞留设施在去除有机微污染物时，主要运用的方式包括植物吸收、微生物降解和填料吸附。其中填料吸附的作用最为显著，可达70%左右，生物降解的作用为12%，而植物吸收的作用为18%。部分研究人员在监测后发现，雨水花园在去除多环芳烃时，可以取得良好的效果，年平均负荷削减率不低于85%。建议国内研究机构开展对生物滞留设施有机微污染物去除过程的深入研究，并通过关键技术的应用，使生物滞留设施有机微生物处理效率提升，避免这些污染物质渗入地下水，破坏水循环系统。
2.生物强化修复技术
伴随着设施运行时间的延长，其性能会持续下降，影响设施性能的因素包括植物入侵、管道堵塞、地质条件变化等。在众多影响因素中，对生物滞留设施污染处理性能影响最为严重的因素是有机污染物累积，具体表现为污染物的大量累积，会导致土壤板结和堵塞，从而使设施运行效果受到严重影响。针对此类现象，建议采用生物强化修复技术。目前，国内外应用普遍的修复技术是微生物修复、植物修复和联合修复。所谓的微生物修复是指利用微生物方法增强设施的处理效果。比如：应用单胞菌、弧菌等。但在对比后得知，微生物+植物联合修复属于行之有效的修复方法，有助于生物滞留设施污染物处理效果的增强。
结论：综上所述，生物滞留设施是海绵城市的重要组成部分，在处理雨水污染物时，可以发挥重要的作用。针对其存在的不足，本文建议研究人员在今后研究过程中，加强对生物设施填料改良技术、生物滞留设施填料修复技术、生物滞留设施工艺参数设计等关键技术的研究，从而发挥出生物滞留设施的最大价值。
参考文献：
[1]张军,宋萌萌.生物炭对生物滞留基质性能的影响与机理分析[J].净水技术,2020,39(09):144-149.
[2]潘俊奎,刘燕,屈昱安,等.复合填料生物滞留设施对径流污染物去除效果[J].人民黄河,2020,42(08):93-99.
[3]李家科,张兆鑫,蒋春博,等.海绵城市生物滞留设施关键技术研究进展[J].水资源保护,2020,36(01):1-8+17.
作者简介:杨杰(1967.8-)，男，汉族，本科，河北望都人，高级工程师，主要研究方向:给排水方向。