生物滯留池凈化雨水徑流中氮磷的研究進(jìn)展

周 龍 姜應(yīng)和

(武漢理工大學(xué)土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430070)

0 引言

城市化的迅速發(fā)展帶來(lái)一系列城市水環(huán)境問(wèn)題。不透水下墊面的增加導(dǎo)致雨水徑流流量增加。增加的徑流會(huì)沖刷攜帶更多的污染物，使得受納水體的水質(zhì)變差，城市地表徑流污染是僅次于農(nóng)業(yè)污染的第二大面源污染。為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，一系列理念和措施被提出。生物滯留池作為一種典型的雨水處理措施，在對(duì)雨水徑流水質(zhì)凈化方面呈現(xiàn)良好的處理效果。

氮和磷被認(rèn)為是造成水體富營(yíng)養(yǎng)化的關(guān)鍵元素。雨水徑流中氮素主要包括溶解性無(wú)機(jī)氮、溶解性有機(jī)氮和顆粒態(tài)有機(jī)氮；溶解性無(wú)機(jī)氮包括銨、硝酸鹽、亞硝酸鹽；磷主要以顆粒態(tài)磷和溶解態(tài)磷兩種形式存在，溶解態(tài)磷又分為可溶性活性磷(又稱可溶性無(wú)機(jī)磷或正磷酸鹽)以及可溶性有機(jī)磷。生物滯留池主要通過(guò)填料的吸附作用、微生物和植物的轉(zhuǎn)化實(shí)現(xiàn)雨水徑流中氮和磷的去除[1]。

生物滯留池對(duì)氮和磷的去除過(guò)程受到較多因素的干擾，因此傳統(tǒng)生物滯留池對(duì)氮和磷的去除易出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象[2]。為強(qiáng)化生物滯留池對(duì)氮和磷的去除能力，一些研究者著手對(duì)生物滯留池進(jìn)行改良，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了改良型生物滯留池對(duì)氮和磷良好的去除效果。

已有較多學(xué)者總結(jié)過(guò)生物滯留池對(duì)雨水徑流中氮和磷的凈化機(jī)理，但是在生物滯留改良方式和運(yùn)行效果方面，系統(tǒng)性歸納闡述較少。本文通過(guò)分析傳統(tǒng)生物滯留池對(duì)氮和磷的凈化效果，引出生物滯留池常見(jiàn)改良方式，并歸納分析改良型生物滯留池對(duì)雨水徑流中氮和磷的凈化效果。

1 傳統(tǒng)生物滯留池對(duì)氮磷的凈化效果

生物滯留池于1990年代初期由喬治王子縣(Prince George’s County)設(shè)計(jì)，用于解決因土地開(kāi)發(fā)造成不透水路面增加對(duì)降雨徑流水質(zhì)和水量的影響。生物滯留池主要有簡(jiǎn)易型和復(fù)雜型兩種[3]，其構(gòu)造圖如圖1，圖2所示，主要由蓄水層、植被層、種植土層、填料層和排水層五個(gè)部分組成[2]，其中填料層是決定生物滯留池運(yùn)行效果的關(guān)鍵因素之一。

1.1 對(duì)不同形態(tài)氮素的凈化效果

表1列出了近些年生物滯留池對(duì)不同形態(tài)氮素的去除效果。總體而言，無(wú)論是實(shí)驗(yàn)室模擬實(shí)驗(yàn)，還是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)生物滯留池對(duì)雨水徑流中氨氮的去除效果較好而且相對(duì)穩(wěn)定，氨氮的平均去除率一般可達(dá)到80%以上。良好的氨氮去除效果可能與傳統(tǒng)生物滯留池填料層主要為砂質(zhì)壤土有關(guān)。一方面土壤帶負(fù)電，易吸附雨水徑流中的呈陽(yáng)性的銨離子；另一方面，砂質(zhì)壤土滲透性能較好，土壤常處于好氧狀態(tài)，有利于氨氮通過(guò)硝化作用轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮。

反觀硝態(tài)氮，一方面，由于土壤帶負(fù)電，對(duì)陰離子有排斥作用；另一方面，傳統(tǒng)的生物滯留池?zé)o法較好地形成缺氧環(huán)境，難以通過(guò)反硝化的方式將硝態(tài)氮還原；硝態(tài)氮的去除主要依靠植物吸收和微生物的轉(zhuǎn)化作用[4]。因此，傳統(tǒng)生物滯留池對(duì)硝態(tài)氮去除效果較差，甚至出現(xiàn)淋溶現(xiàn)象。硝態(tài)氮去除效果的不確定性會(huì)間接影響TN的去除效果。雨水徑流含氮污染物濃度受到下墊面性質(zhì)、干濕條件、降雨強(qiáng)度等較多因素的干擾，因此在雨水徑流中，硝態(tài)氮占比不同，會(huì)導(dǎo)致出水TN的去除效果不穩(wěn)定。

1.2 對(duì)不同形態(tài)磷的凈化效果

磷在生物滯留池中的滯留機(jī)理涉及到物理、化學(xué)和生物過(guò)程。顆粒態(tài)磷通過(guò)過(guò)濾去除；溶解態(tài)磷則主要通過(guò)植物吸收、微生物同化和過(guò)濾介質(zhì)的吸附去除[13]，其中，填料對(duì)凈化雨水徑流中的磷起著重要作用。

表1 生物滯留池中不同形態(tài)氮素的凈化效果

生物滯留池對(duì)顆粒態(tài)磷去除效果較好，對(duì)溶解性磷去除效果不穩(wěn)定。當(dāng)磷凈化效果較好時(shí)，溶解性磷的去除效果可達(dá)90%以上；當(dāng)磷凈化效果差時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)溶解性磷淋溶現(xiàn)象[14-17]。水力負(fù)荷、水力停留時(shí)間、填料內(nèi)源磷含量、填料有效吸附位點(diǎn)的數(shù)量和被吸附的磷的解吸均是造成傳統(tǒng)生物滯留對(duì)雨水徑流中溶解性磷凈化效果不穩(wěn)定的重要因子[18]。

2 生物滯留池去除雨水徑流中氮磷效果強(qiáng)化途徑

為解決傳統(tǒng)生物滯留池對(duì)氮和磷去除能力不足的問(wèn)題，研究者通過(guò)對(duì)生物滯留池進(jìn)行改良，進(jìn)而提升生物滯留池對(duì)氮和磷的凈化效果。目前，常見(jiàn)的改良手段有生物滯留池填料組成改良和生物滯留池結(jié)構(gòu)改良等。

2.1 填料組成改良

填料對(duì)生物滯留池功能的發(fā)揮起著重要作用，合適的生物滯留池填料和組成能夠增強(qiáng)其對(duì)污染物的去除。

2.1.1強(qiáng)化脫氮

在脫氮方面，主要思路為改良填料以增強(qiáng)填料對(duì)氮素的吸附或強(qiáng)化填料層反硝化反應(yīng)。趙倩[19]在傳統(tǒng)填料(土壤+中砂，按質(zhì)量比為3∶7均勻混合)基礎(chǔ)上摻混一定比例生物炭，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，添加有生物炭的生物滯留池在TN和硝態(tài)氮的去除方面均有10%以上的提升。雷曉玲等[20]分別選用沸石、蛭石和火山巖與土壤按照不同體積比混合，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，填料中加入35%沸石對(duì)TN的去除效果最好，去除率可達(dá)62.7%，填料中加入35%蛭石對(duì)氨氮的去除效果最好，去除率穩(wěn)定在95%左右。

生物滯留池脫氮效果差的原因之一在于裝置內(nèi)碳源含量低，反硝化時(shí)常存在碳源不足的問(wèn)題。為此，堆肥、木屑、報(bào)紙、木塊和樹(shù)皮等常作為生物滯留池填料，可彌補(bǔ)反硝化時(shí)碳源的不足。萬(wàn)哲希等[21]采用黃沙、土壤和木屑(75∶20∶5，質(zhì)量比)組成填料加入現(xiàn)場(chǎng)生物滯留池中，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行發(fā)現(xiàn)，使用木屑作為填料有機(jī)成分對(duì)TN和硝態(tài)氮的平均去除率能達(dá)到37.8%和18.6%，效果明顯優(yōu)于其他研究者設(shè)計(jì)的同類型的不摻混木屑的現(xiàn)場(chǎng)設(shè)施。較多的研究證明，在設(shè)施中添加碳源能強(qiáng)化設(shè)施脫氮。然而，碳源的添加量仍有待進(jìn)一步研究確定，因?yàn)檫^(guò)量添加碳源會(huì)導(dǎo)致有機(jī)物的淋溶。

2.1.2強(qiáng)化除磷

生物滯留池對(duì)磷的去除主要依靠填料吸附作用。因此，研究者嘗試將不同類型的、具有高吸附性能的材料加入生物滯留池中，用于增強(qiáng)生物滯留池對(duì)磷的去除。目前，常用于生物滯留池中的填料有石英砂、建筑垃圾、黃沙、給水廠鋁污泥、粉煤灰等[22,23]。Zhang等[23]選取泥炭、石灰土、沙和粉煤灰等作為生物滯留設(shè)施的填料，實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示由于泥炭的內(nèi)源磷含量較高，導(dǎo)致除磷效果最差；添加粉煤灰后，填料滲透系數(shù)下降，雨水滯留時(shí)間長(zhǎng)，除磷效果顯著增強(qiáng)。Zinger等[24]在河沙中分別添加5%的粉煤灰和有機(jī)質(zhì)，TP去除率可達(dá)到92.06%～97.10%。

2.1.3強(qiáng)化同步脫氮除磷

為了強(qiáng)化生物滯留池同步脫氮除磷功效，研究者通常通過(guò)多種填料組合的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)。蒙怡筱[25]按照一定比例設(shè)置了兩種不同填料級(jí)配的改良生物滯留池(1號(hào)填料層為沸石∶麥飯石∶鋁污泥=5∶3∶2；2號(hào)填料層為沸石∶石英砂∶鋁污泥=5∶3∶2)，并將其用于處理西安地區(qū)的雨水徑流。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，不同污染物負(fù)荷下，2種生物滯留池氨氮去除率大于95%，硝態(tài)氮去除率大于47%，TN去除率大于68%，TP去除率大于54%。仇付國(guó)等[26]將沸石和鋁污泥按85∶15(質(zhì)量比)的比例混合，作為生物滯留池填料。改良后的生物滯留池對(duì)氨氮、硝態(tài)氮、TN和TP的平均去除率分別可達(dá)97%,36%,72.3%和98%。

基于目前有關(guān)的研究報(bào)告，改良后的生物滯留池對(duì)雨水徑流中氮和磷的去除有明顯加強(qiáng)。其中，填料組成的改良在對(duì)雨水徑流中磷類污染物去除效果強(qiáng)化更加顯著，對(duì)雨水徑流中氮素去除效果強(qiáng)化程度不及前者[18]。

2.2 生物滯留池結(jié)構(gòu)改良

2.2.1底部設(shè)置存水區(qū)

生物滯留池中是否存在缺氧或厭氧的環(huán)境是反硝化脫氮的關(guān)鍵因素。目前，在生物滯留池中形成缺氧環(huán)境的常規(guī)做法是抬高設(shè)施出水口位置，在設(shè)施底部形成一定高度存水區(qū)，進(jìn)而形成缺氧或厭氧的環(huán)境。大量的研究證明，底部存水區(qū)的設(shè)立，可有效促進(jìn)反硝化作用，增強(qiáng)生物滯留池對(duì)硝態(tài)氮和TN的去除能力。Palmer等[27]研究了存水區(qū)的設(shè)置對(duì)硝態(tài)氮去除的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，若不設(shè)置存水區(qū)，生物滯留池對(duì)硝態(tài)氮的去除率僅有33%；設(shè)置存水區(qū)后，硝態(tài)氮的去除率上升到71%。Dietz等[28]也進(jìn)行了生物滯留池是否設(shè)置存水區(qū)的對(duì)比試驗(yàn)，結(jié)果表明設(shè)置存水區(qū)后，生物滯留池對(duì)TN的去除率提高了18%。

在存水區(qū)高度對(duì)生物滯留池氮素去除影響方面，同樣有較多研究者對(duì)此進(jìn)行過(guò)研究。仇付國(guó)等[29]對(duì)比分析了設(shè)置200 mm和600 mm的存水區(qū)對(duì)氮素的去除能力，結(jié)果表明，設(shè)置600 mm存水區(qū)對(duì)硝態(tài)氮的去除效果較好。Wang等[30]的試驗(yàn)結(jié)果類似，對(duì)硝態(tài)氮的去除率而言，隨著存水區(qū)高度的增加有所增加。

2.2.2填料裝填方式改良

除底部設(shè)立存水區(qū)外，通過(guò)分層裝填填料的形式在設(shè)施底部形成缺氧環(huán)境，進(jìn)而提高生物滯留池脫氮能力，也是目前常用措施之一。通常，在生物滯留池上層裝填滲透性能較好的填料，下層裝填滲透性能較差的填料。下層滲透性差，水力停留時(shí)間延長(zhǎng)，一方面填料和微生物與雨水徑流中氮和磷有充分的時(shí)間接觸；另一方面，易形成缺氧環(huán)境，在一定程度上可起到存水區(qū)的功能，促進(jìn)反硝化作用。

Hsieh等[31]將不同滲透系數(shù)的填料分層裝填于生物滯留池中，上層為砂層、下層采用土壤層，與傳統(tǒng)填裝方式相比，硝態(tài)氮質(zhì)量去除率可從16%提高至56%。侯立柱等[32]設(shè)計(jì)了兩種多層滲濾介質(zhì)系統(tǒng)，1號(hào)系統(tǒng)填料組成自上而下為0.2 m無(wú)砂混凝土+1.0 m中粉質(zhì)壤土，2號(hào)系統(tǒng)為0.1 m中砂+0.2 m砂礫料+1.0 m中粉質(zhì)壤土，對(duì)北京市機(jī)動(dòng)車路面雨水徑流污染物進(jìn)行了凈化效果研究，結(jié)果表明TP的去除率達(dá)50%以上，TP的出水濃度可達(dá)到地表水Ⅱ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。羅艷紅等[33]考察了雙層填料生物滯留池(上層填料為550 mm石英砂，下層填料為200 mm混合填料，混合填料組成為90%河沙+5%有機(jī)物+5%粉煤灰或粘土)對(duì)雨水徑流中氮和磷的去除能力，結(jié)果表明該設(shè)施對(duì)雨水徑流中的不同形態(tài)氮素和TP去除能力均有提升，TN、硝態(tài)氮、氨氮和TP的平均去除率均大于80%。

此外，分層結(jié)構(gòu)除強(qiáng)化污染物去除外，也可緩解生物滯留池填料堵塞的問(wèn)題。

3 研究不足與展望

3.1 研究不足

對(duì)生物滯留池進(jìn)行改良，較大程度上增強(qiáng)了其對(duì)氮和磷的去除能力，但仍舊存在較多不足，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

1)同步脫氮除磷方面的研究較少。目前，較多改良型生物滯留池的研究常聚焦于氮磷中單一特定營(yíng)養(yǎng)元素的去除，同步脫氮除磷的研究相對(duì)較少。填料組成改良的生物滯留池對(duì)磷的吸附效果較好，但對(duì)硝態(tài)氮的去除效果一般，且部分介質(zhì)會(huì)加大填料的滲透能力，不利于硝態(tài)氮的去除。存水區(qū)的設(shè)置，提高了硝態(tài)氮去除率，但是存水區(qū)的設(shè)置對(duì)除磷有一定的負(fù)面影響，存在很大爭(zhēng)議。李明翰等[34]研究發(fā)現(xiàn)，在生物滯留池中設(shè)有存水區(qū)后，對(duì)氮和磷的去除率均有所提升。而Hsieh[35]、熊家晴等[36]研究發(fā)現(xiàn)，在生物滯留池出水設(shè)立一定高度淹沒(méi)區(qū)后，對(duì)除磷效果的改善程度有限，甚至出現(xiàn)下降的趨勢(shì)。聚磷菌在厭氧條件下會(huì)釋磷，底部存在缺氧區(qū)或厭氧區(qū)時(shí)是否會(huì)導(dǎo)致生物釋磷現(xiàn)象的發(fā)生暫未達(dá)成共識(shí)。底部存水區(qū)的設(shè)置是否會(huì)導(dǎo)致填料吸附的污染物二次淋溶仍有待進(jìn)一步研究。

2)各學(xué)者研究的邊界條件迥異。目前，對(duì)生物滯留池控污能力的評(píng)估僅以污染物去除率作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，但影響生物滯留池對(duì)污染物去除的影響因素較多，例如：填料的性質(zhì)、裝填方式、粒徑級(jí)配、水力停留時(shí)間、進(jìn)水方式、植物種類、存水區(qū)高度等，不同研究者構(gòu)建的改良生物滯留池各有特色，實(shí)驗(yàn)過(guò)程及邊界條件也不盡相同，因此難以對(duì)各學(xué)者的研究成果進(jìn)行量化對(duì)比評(píng)估，難以建立統(tǒng)一的改良技術(shù)規(guī)程，為改良型生物滯留池的工程應(yīng)用進(jìn)行理論指導(dǎo)。

3)缺少運(yùn)行周期較長(zhǎng)設(shè)施實(shí)驗(yàn)研究和工程實(shí)際應(yīng)用。在實(shí)驗(yàn)室條件下，改良型生物滯留池對(duì)污染物的去除與傳統(tǒng)生物滯留池相比，效果較為顯著。但實(shí)驗(yàn)室條件較為可控，在實(shí)際環(huán)境中能否同樣表現(xiàn)出優(yōu)異的效果仍然未知。此外，改良型生物滯留池主要依靠填料吸附，實(shí)驗(yàn)周期較短，難以判斷是否存在填料飽和、前期吸附污染物二次釋放等問(wèn)題。

3.2 展望

基于目前的研究進(jìn)展，筆者認(rèn)為下列一些問(wèn)題仍待進(jìn)一步深入研究：

1)盡管目前有較多方法可提高生物滯留池對(duì)氮和磷的去除，但這些方法或多或少存在一定缺陷。在同步提高生物滯留池對(duì)雨水徑流中氮和磷的去除能力方面簡(jiǎn)單可行的措施不多。因此，尋求簡(jiǎn)單、有效且經(jīng)濟(jì)的技術(shù)措施，同步改善其脫氮除磷效果是今后的研究方向之一。

2)目前對(duì)于生物滯留池的研究大多在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行，且一般運(yùn)行周期均較短。因此，在后續(xù)的研究中，宜注重對(duì)現(xiàn)場(chǎng)生物滯留池進(jìn)行長(zhǎng)期運(yùn)行監(jiān)測(cè)，考察在全壽命周期中，生物滯留池對(duì)污染物吸附、轉(zhuǎn)化、累積能力的變化，以便對(duì)生物滯留池運(yùn)行效果進(jìn)行較為全面的評(píng)估。

3)深入調(diào)查研究生物滯留池現(xiàn)有科研成果，對(duì)影響生物滯留池運(yùn)行的關(guān)鍵性參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步討論分析，編制相關(guān)的生物滯留池設(shè)計(jì)指導(dǎo)，對(duì)未來(lái)不同規(guī)模的改良型生物滯留池的構(gòu)建方法、技術(shù)參數(shù)進(jìn)行歸納總結(jié)，以利于改良型生物滯留池的推廣應(yīng)用。