鳶尾和馬藺對生物滯留柱水力特性及污染物去除效果比較研究

李冰冰，劉海榮，王漫冰，趙瀟汀，齊力海

（1.天津農(nóng)學(xué)院 園藝園林學(xué)院，天津 300384；2.天津市園林建設(shè)工程監(jiān)理有限公司，天津 300191）

隨著城市的快速發(fā)展，城市地表徑流帶來的雨洪及污染問題越來越受到重視，借鑒國際城市采用低影響開發(fā)、可持續(xù)發(fā)展的城市建設(shè)理念[1-2]，中國提出建設(shè)海綿城市的設(shè)計理念。通過海綿城市的建設(shè)希望城市能夠像海綿一樣下雨時吸水、儲存水，無雨時能夠?qū)Υ娴乃尫懦鰜聿⒓右岳肹3-4]。生物滯留池是海綿城市建設(shè)的設(shè)施之一，其通過基質(zhì)及植物構(gòu)成的過濾系統(tǒng)[5-6]，對地表徑流中的懸浮物、總磷、氨氮等有顯著的去除效果[7-8]。目前，多數(shù)研究主要針對生物滯留基質(zhì)的配置、不同植物去除污染物效果比較等方面[9-10]，而對于植物對生物滯留池出水量隨時間的變化規(guī)律、總磷濃度和氨氮濃度隨出水時間的變化規(guī)律未見報道。因此本研究以生物滯留柱模擬生物滯留池的試驗方法，研究不同植物對生物滯留柱出水規(guī)律的影響以及總磷濃度和氨氮濃度隨出水時間的變化規(guī)律，為生物滯留池功能植物選擇提供科學(xué)依據(jù)，為生物滯留池的科學(xué)設(shè)計提供數(shù)據(jù)支持。

1 材料和方法

1.1 試驗設(shè)計

生物滯留柱：選用直徑為25 cm，高為75 cm的塑料容器，下留4個直徑為0.5 cm的排水孔，將該塑料容器置于直徑為40 cm，高15 cm的集水盤中，集水盤距上沿2 cm處，設(shè)溢水孔一個，直徑0.5 cm，上接有溢水管，溢水管的水由燒杯進(jìn)行收集。塑料容器從下至上依次為礫石層（粒徑＜3 cm）5 cm、土工布層、沙層5 cm、填料層（填料層為園土、蛭石、草炭體積比為1∶1∶1混合而成）55 cm、覆蓋層（樹皮）5 cm、蓄水層5 cm。該試驗裝置于2017年3月于天津農(nóng)學(xué)院植物實驗室內(nèi)制作完成。

植物準(zhǔn)備：2017年4月于天津市曹莊花卉市場選擇生長健壯，株高為10～15 cm的馬藺和鳶尾同期土培苗（育苗缽高10 cm，直徑10 cm）作為試驗材料。取5個生物滯留柱，每個土柱以相等間距栽植7小缽鳶尾，另取5個生物滯留柱，每個土柱以相等間距栽植7小缽馬藺，設(shè)5個空白對照不種任何植物。試驗在均勻的光照條件下進(jìn)行，避免雨淋。

地表徑流：試驗用地表徑流取自天津市西青區(qū)津靜路，分別在徑流的起漲段、峰頂段、退水段各取樣3次，試驗前將徑流水混合均勻后立即取樣，并開始試驗。

試驗方法：采用蒸餾水對生物滯留柱進(jìn)行淋洗，直至出水水質(zhì)各項指標(biāo)基本穩(wěn)定。通過淋洗穩(wěn)定植物滯留柱填料層結(jié)構(gòu)，估算生物滯留柱的平均進(jìn)水量，共進(jìn)行5次，間隔3 d進(jìn)行1次，需15 d。以地表徑流對生物滯留柱進(jìn)行澆灌，在1 h內(nèi)均勻進(jìn)水3.5 L，待土柱開始排水后，每隔10 min收集水樣1次，每次水樣單獨存放，待10 min間隔出水小于20 mL，停止收集單次水樣。待出水完全停止，收集全部剩余水樣，并單獨存放，將水樣帶到實驗室進(jìn)行相關(guān)指標(biāo)測定，同步監(jiān)測進(jìn)出水時間間隔，滲水速率等指標(biāo)。

注：在不下雨的落干期采用蒸餾水進(jìn)行日常養(yǎng)護。

1.2 數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析

生物滯留柱對污染物的負(fù)荷去除率（RL）計算公式為：

式中：M進(jìn)為進(jìn)水污染物的重量，單位mg；M出為出水污染物的重量，單位mg；C進(jìn)為進(jìn)水污染物濃度，單位為mg·L-1；V進(jìn)為進(jìn)水量，單位L；C出為出水污染物濃度，單位為mg·L-1；V出為出水量，單位L。

生物滯留柱滯留水量計算公式為：

式中：V滯為滯留水量，單位L；V進(jìn)為進(jìn)水量，單位L；V出為出水量，單位L。

總磷、氨氮參照《水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版）》進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 出水特征比較分析

2.1.1 水力停留時間比較分析 種植不同植物的生物滯留柱從開始進(jìn)水至開始出水經(jīng)歷時間不同，種植馬藺的生物滯留池進(jìn)水后40 min開始出水，種植鳶尾的生物滯留池進(jìn)水34 min后開始出水，而不種植任何植物的對照明顯早于二者于進(jìn)水27 min后開始出水，說明種植植物能夠延長地表徑流在生物滯留柱中的水力停留時間，與種植鳶尾相比，種植馬藺的效果更加明顯，較長的水力停留時間可以為污染物的去除爭取更多的時間，有利于污染物的去除。

2.1.2 出水速度比較分析 隨著進(jìn)水量的增加，各滯留柱出水量也逐漸增加，至60 min時最后1次進(jìn)水結(jié)束，進(jìn)水量累計達(dá)到3 500 mL，單次出水量也達(dá)到最大對照435 mL、鳶尾296 mL、馬藺274.5 mL，平均出水速度為對照27.77 mL·min-1、鳶尾20.12 mL·min-1、馬藺20.45 mL·min-1。停止進(jìn)水后，各滯留柱依然有水持續(xù)滲出，單次出水量逐漸減少，試驗進(jìn)行至60～85 min時，單次出水量表現(xiàn)為對照＞鳶尾＞馬藺，85～120 min，對照和鳶尾單次出水量差別不大，馬藺單次出水量低于對照和鳶尾，120 min后，各滯留柱單次出水量為20～40 mL，并逐漸趨于一致。從滯留柱開始出水至10 min間隔出水小于20 mL，歷時約2.5 h，平均出水速度為對照9.22 mL·min-1＞鳶尾8.08 mL·min-1＞馬藺6.80 mL·min-1。對照大于鳶尾和馬藺的出水速度，說明種植植物可以降低生物滯留柱的出水速度，延遲洪峰出現(xiàn)時間，這可能與對照土壤水分主要以土層表面的少量蒸發(fā)為主，試驗過程中對照生物滯留柱一直維持較高土壤含水量有關(guān)。另外，鳶尾出水速度高于馬藺出水速度，這可能是由于鳶尾的肉質(zhì)根更易發(fā)生溝流或短流現(xiàn)象，使地表徑流在進(jìn)入土壤層的過程中產(chǎn)生不均勻的流動從而打開了一條阻力比較小的流動通道，使地表徑流以更快的速度下滲。

2.1.3 滯水能力比較分析 單個滯留柱累計進(jìn)水量均為3 500 mL，累計出水量分別為對照2 437 mL，占進(jìn)水量的69.63%，鳶尾2 082 mL，占進(jìn)水量的59.49%，馬藺1 708 mL，占進(jìn)水量的48.80%。鳶尾和馬藺出水量分別為對照的85.43%和70.09%，馬藺出水量為鳶尾的82.04%,可見生物滯留柱約一半以上的地表徑流被排出，這將影響污染物的去除效果。3種生物滯留柱滯留水量馬藺51.20%＞鳶尾40.51＞對照30.37%，說明植物能夠加速土壤水分的消耗，使土壤含水量降低，從而能夠提高生物滯留柱的滯水能力，有利于雨季地表徑流的消耗和利用，對排除城市內(nèi)澇起到一定的緩解作用。種植馬藺的生物滯留柱滯留水量明顯大于種植鳶尾的生物滯留柱，這說明與鳶尾相比，馬藺更有利于提高生物滯留柱的滯水能力。

2.2 入滲速率比較分析

通過入滲速率的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，馬藺入滲速率為250 mm·h-1，鳶尾為125 mm·h-1，二者入滲速率介于500～100 mm·h-1,入滲性良好，對照為57.69 mm·h-1，介于70～30 mm·h-1，入滲性較弱，說明植物有助于提高土壤的入滲速率，與鳶尾相比馬藺效果更明顯。這可能與馬藺大量分布的須根，形成導(dǎo)流作用有關(guān)。

2.3 出水總磷濃度及氨氮濃度比較分析

2.3.1 出水總磷濃度比較分析 隨著實驗的進(jìn)行，出水總磷濃度呈逐漸增加的特點，試驗前1 h內(nèi)，3種生物滯留柱出水總磷濃度相差不大，1 h后出水總磷濃度逐漸拉開距離，其中對照滯留柱出水總磷濃度一直維持較高水平，而鳶尾和馬藺一直并肩前進(jìn)，最后5次試驗，鳶尾出水總磷含量高于馬藺。

圖2 總磷濃度隨時間變化規(guī)律

2.3.2 出水氨氮濃度比較分析 與總磷濃度相比，氨氮濃度變化較大整體呈波浪形升高的趨勢，試驗的前1.5 h，3種生物滯留柱差異不大，隨著時間的推移，三者逐漸拉開距離，其中對照和鳶尾維持較高水平，而馬藺相對來說氨氮濃度比較低。

圖3 氨氮濃度隨時間變化規(guī)律

2.3.3 出水累計總磷與氨氮含量比較分析 累計進(jìn)入生物滯留柱的總磷為0.97 mg，累計排出總磷對照4.11 mg、鳶尾2.13 mg、馬藺1.71 mg,對照、鳶尾、馬藺的去除率分別為-323.64%、-119.89、-76.07%，說明生物滯留柱總磷以輸出為主，植物對總磷有一定去除效果，與鳶尾相比，馬藺去除效果更好。進(jìn)入生物滯留柱的氨氮為5.27 mg，各生物滯留柱排出的氨氮對照5.39 mg，鳶尾4.18 mg和馬藺3.03 mg，三者的去除率分別為-2.23%，20.67%和42.44%，說明基質(zhì)中有一部分氨氮的析出，植物對氨氮去除效果較好，與鳶尾相比，馬藺的去除效果更好。

圖4 累計去除總磷和氨氮量

3 結(jié) 論

以生物滯留池功能植物選擇為目的，采用生物滯留柱模擬試驗方法，通過進(jìn)出水情況的監(jiān)測，對栽種不同植物的生物滯留柱水力特性及污染物去除效果進(jìn)行研究。試驗結(jié)果表明：未種植植物的生物滯留柱出水時間早、水力停留時間短、滯留水量小、入滲速率低；鳶尾出水時間中等、水力停留時間中等、滯留水量中等、入滲速率中等；馬藺出水時間晚、水力停留時間長、滯留水量大、入滲速率高。總磷去除率對照為-323.64%、鳶尾為-119.89，馬藺為-76.07%，氨氮去除率對照為-2.23%，鳶尾為20.67%，馬藺為42.44%，種植植物有助于污染物的去除，與鳶尾相比，馬藺對地表徑流中的總磷、氨氮去除效果更好，生物滯留柱對氨氮去除效果一般，而總磷主要以輸出為主，去除效果不理想。