生物滞留池对雨水径流控制效果研究_俎海发.pdf
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1、生物滞留池作为一种海绵设施,在雨水径流控制中被广泛应用,其对洪峰径流量和径流污染有较好的调控效果1-2。国内外学者对生物滞留池的填料类型、填料层厚度、植物种类、水质净化效果等做了收稿日期:2023-01-11作者简介:俎海发,男,正高级工程师,学士,主要从事建筑给水排水工程、海绵城市设计工作。通讯作者:卢雯霖,女,工程师,硕士,主要从事给水排水设计工作。引文格式:俎海发,李金,沈晓荣,等.生物滞留池对雨水径流控制效果研究 J.市政技术,2023,41(5):212-218,225.(ZUHF,LIJ,SHENXR,et al.Study on control effect of biorete
2、ntion cells on stormwater runoff J.Journal of municipal technology,2023,41(5):212-218,225.)文章编号:1009-7767(2023)05-0212-08第41卷第5期2023年5月Vol.41,No.5May 2023DOI:10.19922/j.1009-7767.2023.05.212Journal of Municipal Technology生物滞留池对雨水径流控制效果研究俎海发1,李金1,沈晓荣1,卢雯霖2*,孙浩铭2,冯晓楠2,王宗平2(1.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司,浙江 杭州
3、310014;2.华中科技大学 环境科学与工程学院,湖北 武汉 430074)摘要:基于浙江省杭州市某地区雨水径流水质条件,设计构建了不同填料配比和过滤填料层厚度的生物滞留池,研究分析了不同填料类型、降雨强度和污染物负荷对雨水径流控制效果的影响,探究了生物滞留池中填料优化配比以及适宜的过滤填料层厚度。结果表明,在中小降雨强度下,当沸石和蛭石的比例从 10%增加到 20%,过滤填料层厚度为 800 mm 时,生物滞留池峰值削减率可达到 50%以上;径流污染物去除效果显著提高,TP 和 NH3-N 的总量削减率提高至 70%以上,COD 和 TN 的总量削减率提高至 40%以上。高通量测序分析表明
4、,生物滞留池不同种类填料中门水平的优势菌群主要有 10 种,其相对丰度总和占群落的93.46%98.48%;变形菌门和硝化螺旋菌门中含有大量硝化细菌,厚壁菌门和绿弯菌门中含有大量反硝化细菌,它们对雨水径流中 TN 的去除起到了重要作用。关键词:生物滞留池;雨水径流控制;影响因素;硝化;反硝化中图分类号:TU 992文献标志码:AStudy on Control Effect of Bioretention Cells on Stormwater RunoffZu Haifa1,Li Jin1,Shen Xiaorong1,Lu Wenlin2*,Sun Haoming2,Feng Xiaona
5、n2,Wang Zongping2(1.Huadong Engineering Corporation Limited,Hangzhou 310014,China;2.School of Environmental Science and Engineering,Huazhong University of Science and Technology,Wuhan 430074,China)Abstract:Based on the quality conditions of rainwater runoff in a certain area of Hangzhou,Zhejiang Pro
6、vince,thebioretention cells with different proportions and thickness of filler were designed to analyze the effect of filler type,rainfall intensity and pollutant concentration on rainwater runoff control effect and explore optimal proportions andsuitable filler thickness.The results show that the p
7、eak reduction rate of bioretention cells was more than 50%undermedium or small rainfall intensity when the proportions of zeolite and vermiculite increased from 10%to 20%and thefiller thickness is 800 mm.The remove rate of the pollutants can be significantly improved.The remove ratio of totalphospho
8、rus(TP)and ammonia nitrogen(NH3-N)were more than 70%,total reduction rate of chemical oxygen demand(COD)and total nitrogen(TN)was more than 40%.By high-throughput sequencing analysis,there are 10 predominantphyla in different kinds of filler in the bioretention cells with relative abundance accounts
9、 for 93.46%98.48%of thecommunity.Proteobacteria and Nitrospirae include many nitrification bacteria,while Firmicutes and Chloroflexi in鄄clude plenty of denitrification bacteria,which play an important role in TN removal in rainwater runoff pollution.Keywords:bioretention cells;control of stormwater
10、runoff;influencing factors;nitrification;denitrification第5期大量研究3-7,发现传统生物滞留池对COD、SS、TP等均有较好的去除效果,但抗冲击负荷能力及对TN的去除效果还有待加强,其内部反应机理还需深入研究8-10。通过对浙江省杭州市某地区的雨水径流水质进行分析,发现不同场景的雨水径流水质存在较大波动,给生物滞留池的径流控制效果带来很大挑战。因此,该研究通过模拟杭州市某地区雨水径流水质,探究沸石、蛭石、粗砂的优化配比以及适宜的过滤填料层厚度,分析其对径流污染物的去除效果以及生物滞留池抗冲击负荷能力,为生物滞留池的建设提供参考。1试验材
11、料与方法1.1试验装置生物滞留池采用自主设计搭建的矩形模拟试验装置(如图1所示),试验装置材料为有机玻璃,长、宽均为60 cm,高为130 cm。试验装置从上到下依次为覆土层、过滤填料层、过渡层、排水层,并且在排水层与过渡层之间、过渡层与过滤填料层之间设置透水土工布,防止填料下渗堵塞排水层。试验装置底部设置取样口,顶部设置溢流口。草炭土作为土壤改良剂以一定比例添加到田园土中构成覆土层,覆土层种植一定高度的麦冬草。基于生物滞留池填料需满足原料易得、产量丰富、价格便宜、环保等要求,试验所选取的填料为粗砂、蛭石、沸石11-14。粗砂是生物滞留池常用填料之一,传统生物滞留池采用砂壤土混合填料,粗砂可以
12、改善土壤的渗透性能。粗砂还可用于生物滞留池过渡层,防止上层填料下渗到排水层。粗砂具有价格便宜、含量丰富、易于获取等优点。沸石颗粒粒径大,表面粗糙多孔,具有很强的氨氮交换能力,因此对氨氮的去除效果较好,可用于改良土壤,也可添加至生物滞留池过滤填料层内提高生物滞留池的渗透性能,并提高对氮的去除效果。蛭石具有良好的阳离子交换性和吸附性,可改善土壤结构,提高土壤的透气性和含水性。蛭石对氨氮、重金属元素、磷酸盐、稀土离子、有机污染物等有明显的去除效果,具有储量丰富、价格低廉、吸附容量大、对环境无害且容易再生等优点。该研究中4组试验装置采用不同配比填料,如表1所示。1.2试验方法该试验包括生物滞留池对雨水
13、径流量的控制和对径流污染物的去除两个方面,研究分析填料类型、降雨强度、污染物负荷对雨水径流控制效果的影响。根据浙江省民用建筑雨水控制与设计利用导则可知该地区的降雨和径流污染物浓度范围,采用试验进水模拟该地区的降雨和径流,具体配水的水量和水质如表2、3所示。模拟降雨的雨量以年径流总量控制率75%和85%为控制目标,对应一场降雨的雨量分别为21.3 mm/h和30.9 mm/h;为考察不同重现期对生物滞留池的影响,选取重现期分别为2 a和30 a,对应雨量分别为46.8 mm/h和86.4 mm/h,结合该地区的降雨特点,降雨历时采用60 min。为保证试验条件一致,每次试验后采用自来水浸润试验装
14、置,并在自然条件下晾晒2 d后再开始试验。该试验装置表面积为0.36 m2,实际工程应用中生物滞留池所容纳的雨水径流量由自身接纳的降雨量和周围汇水面积的雨水径流量两部分构成,该试验设定生物滞留池表面积与周围汇水面积的比值为11015,则周围汇水面积为3.6 m2。图1试验装置示意图Fig.1 Schematic diagram of experimental devices试验装置编号过滤填料层厚度/mm123470%70%70%70%80%80%80%60%10%10%10%20%10%10%10%20%500600800600覆土层田园土过滤填料层粗砂蛭石沸石30%30%30%30%草炭土
15、表1试验装置特性Tab.1 Characteristics of experimental devices降雨工况降雨历时/min降雨强度/L/(shm2)汇水面积/hm2降雨进水量/L径流进水量/L年径流总量控制率75%年径流总量控制率85%重现期2a重现期30 a6060606059.2986.01130.26240.480.000 360.000 360.000 360.000 367.6811.1516.8831.1753.7878.02118.17218.16表2模拟进水水量Tab.2 Simulated water inflow俎海发等:生物滞留池对雨水径流控制效果研究213Jou
16、rnal of Municipal Technology第41卷进水污染物负荷CODTP硝态氮NH3-NTN降雨径流高中低255003001000.13.01.50.51.5201261.0151042.5352210表3模拟进水水质Tab.3 Simulated water qualitymg/L1.3采样及检测方法试验时确保降雨和径流进水全部纳入试验装置内,不从外边缘流出。试验装置开始产流时,在取样口采集一次水样,之后每隔10 min采集一次水样,直至产流结束,并记录每分钟的产流量。该试验分析的水质指标包括COD、TP、TN、NH3-N,检测方法采用国家标准测试方法。试验装置运行一段时间对
17、污染物的去除效果趋于稳定后,从试验装置过滤填料层的粗砂、蛭石、沸石中分别采集填料样本,将采集好的样本送至专业公司进行微生物群落结构检测。微生物群落结构检测过程包括样品预处理、DNA提取、PCR扩增、Illumina平台测序。2试验结果与分析2.1雨水径流量控制效果影响因素研究2.1.1填料类型对雨水径流量控制效果的影响以装置1在年径流总量控制率75%目标下,降雨雨量为21.3 mm/h、降雨历时为60 min的产流情况为例,累计产流过程和瞬时产流过程如图2所示。从图2a)可以看出,当降雨量达到3.67 L,即雨量为10.19 mm时,装置1开始产流,这个产流临界雨量对应杭州地区的年径流总量控制
18、率为51%。降雨初始,蓄水量不断增加,随着降雨的持续进行,降雨量减小,蓄积的雨水不断流出,蓄水量开始减少。产流结束后,装置1最终蓄水量为8.65 L。从图2b)可以看出,在降雨开始后的第38分钟,装置1的产流洪峰流量为1 625 mL/min,洪峰削减率达到了45.4%。在相同降雨工况下,即降雨雨量为21.3 mm/h、降雨历时为60min时,各装置的雨量控制特性如图3所示。a)累计产流过程b)瞬时产流过成图2装置1在21.3 mm/h降雨强度下的产流过程图Fig.2 Outflow process of device 1 under rainfall of 21.3 mm/ha)装置的雨量控
19、制特性b)装置峰值径流量(率)及峰值削减率图3相同降雨工况下不同装置的雨量控制特性Fig.3 Rainfall control characteristics of different devices under the same rainfall intensity214第5期从装置1、2、3的雨量控制特性分析可知,随着过滤填料层厚度的增加,雨量调控效果逐渐变好,当过滤填料层厚度从500 mm增加到600 mm时,装置蓄水量从8.1L增加至13.2L,雨量调控效果提升不明显,装置的产流临界降雨量和蓄水量分别提高了7%和60%。当过滤填料层厚度从600mm增加到800mm时,装置蓄水量从13.
20、2 L增加至29.7 L,装置的产流临界降雨量和蓄水量分别提高了68%和115%,雨量调控效果提升显著。装置2和装置4的沸石和蛭石投加比例分别为10%和20%,过滤填料层厚度都为600mm,装置4的雨量调控效果优于装置2,这主要是因为沸石和蛭石投加比例提高后填料的孔隙率变大,过滤填料层的渗透性能提高,从而使得雨量调控效果得到提升。在21.3 mm/h的降雨雨量下,装置3和装置4的产流临界降雨量分别为18.3 mm和16.3mm,最终分别可蓄积29.75L和26.73L水量,均能达到杭州地区市政道路类年径流总量控制率65%的总控制目标。从图3b)可以看出,装置3和装置4的峰值削减率分别为60.6
21、9%和56.99%,都对降雨洪峰有较好的削减效果。这表明生物滞留池采用适宜的过滤填料层厚度以及填料投加比例可以明显提升对雨量的调控效果。2.1.2降雨强度对雨水径流量控制效果的影响基于杭州地区的降雨特点,选取4种不同大小的降雨强度进行试验,不同降雨强度下各装置的雨量控制特性如图4所示。从图4可以看出,在不同的降雨强度下,装置3和装置4的峰值削减率都能达到55%以上;不同装置在不同降雨强度下的雨量调控效果主要受过滤填料层厚度和填料孔隙率影响,对比各装置可以发现,装置3和装置4的过滤填料层厚度和填料孔隙率最优,因此装置3和装置4的雨量控制特性优于装置1和装置2。随着降雨强度增大,各装置的蓄水量整体
22、呈上升趋势,这是因为随着降雨强度增大,装置纳入的进水量增大,相应装置的横截面上每分钟通过的水量较之前有所增加。在试验过程中,保证降雨和径流进水全部纳入装置的前提下,发现在强降雨条件下,雨水无法很快渗透出流,装置表面会产生大量积水,从而延长产流时间,增加蓄水量。2.2径流污染物去除效果影响因素研究2.2.1降雨强度对径流污染物去除效果的影响4个装置在不同降雨强度下模拟低负荷进水时出水水质特性如图5所示。从图5可以看出,降雨强度不同,出水水质的变化趋势也不同。在年径流总量控制率75%和85%对应的中小降雨强度21.3 mm/h和30.9 mm/h下,各装置对TP和NH3-N的总量削减率变化趋势稳定
23、,分别为84.75%95.52%和93.69%97.54%,TP和NH3-N的去除主要依靠植物吸收与填料吸附固定作用,蛭石和沸石具有很好的阳离子交换性与吸附c)装置蓄水量图4不同降雨强度下各装置的雨量控制特性Fig.4 Rainfall control characteristics of each device underdifferent rainfall intensitya)产流临界降雨量b)峰值削减率俎海发等:生物滞留池对雨水径流控制效果研究215Journal of Municipal Technology第41卷图5不同降雨强度下各装置的污染物总量削减率Fig.5 Total p
24、ollutant reduction rate of each device under different rainfall intensitiesa)COD总量削减率b)NH3-N总量削减率c)TN总量削减率d)TP总量削减率性,能有效地去除水中的NH3-N。在重现期2a和30 a对应的降雨强度46.8 mm/h和86.4 mm/h下,各装置对TP和NH3-N的总量削减率变化趋势较大,这是因为降雨强度增大后,雨水并不能快速从填料空隙渗出,而是在装置表面产生大量积水,覆土层的草炭土中氮、磷含量过高,造成严重淋洗现象,导致NH3-N和TP的出流质量浓度增大。在不同的降雨强度下,装置3对NH3-
25、N、装置4对TP都有较好的去除效果,这可能是因为装置3的过滤填料层厚度大,受降雨强度变化影响小,而装置4中沸石和蛭石的比例高,对径流污染物有较好的去除效果。各装置在不同降雨强度下对COD和TN的去除效果变化趋势大,中小降雨强度下装置对COD和TN的总量削减率分别能达到60%和40%以上,一方面沸石和蛭石通过物理和化学吸附作用对雨水中的氮类污染物和COD进行去除,另一方面装置底部的填料处于缺氧环境,硝态氮由反硝化细菌在缺氧条件下通过反硝化作用转化为含氮气体而被去除,同时COD还可以为反硝化反应提供碳源而被部分去除。而大降雨强度下装置对COD和TN的总量削减率低至20%,这可能是因为降雨强度增大导
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