海綿設施中植物對水凈化的研究

彭 亮 丁絡維 孫 琴 方 麗

（中機國際工程設計研究院有限責任公司，湖南長沙 410000）

海綿設施應用于城市雨水管理設計中，不僅可以有效削減徑流和洪峰，而且可以有效改善雨水的徑流水質；主要通過植物-土壤填料的作用滲濾徑流雨水，凈化后的雨水滲透補充地下水或通過系統底部的穿孔收集管輸送到市政系統或后續處理系統。通過蒸發和滲透模擬自然水文過程達到滯留、凈化雨水的目的，主要用于處理高頻率的小降雨以及小概率暴雨事件的初期雨水，超過處理能力的雨水通過溢流系統排放。

雨水徑流中主要包括懸浮固體顆粒物、營養物質、有機質、有毒物質、油脂類物質等多種污染物。進入海綿設施的雨水徑流攜帶的污染物，首先通過覆蓋層與種植土層的沉淀作用下去除大顆粒污染物，再通過植物的同化吸收、填料層的吸附沉淀、微生物降解作用將污染物去除。海綿設施對雨水的凈化主要是通過植物及土壤（換填料）共同作用，植物-土壤系統通過物理、化學、生物共同去除雨水污中的染物，這三方面的作用使海綿設施維持良好性能及顯著的生態效益。

1 海綿設施中植物對TSS 去除研究

多數研究結果表明，海綿設施對城市雨水徑流中的TSS 有較好去除效果。位于美國馬里蘭大學帕克學院停車場的兩個正常運行的海綿設施對TSS 的去除率分別為47%和61.8%。位于美國新罕布什爾州大學雨洪研究中心的海綿設施的運行結果顯示，雨水徑流中97%的TSS 能夠被有效去除，這一結果和位于美國維拉諾瓦大學的海綿設施的運行結果相近。Hsieh 等[1]的實驗室土柱試驗結果表明，海綿設施對城市綜合雨水徑流中TSS 的去除率為29%～96%。

相關研究表明，百慕大、馬尼拉、黑麥草和空白對照反應器對TSS 均有較好的去除效果，平均去除率分別為：81.00%、80.25%、82.96%和72.25%，最高去除率分別為：95.28%、92.68%、95.31%和94.04%。百慕大、馬尼拉和黑麥草反應器對TSS 去除趨勢和去除效果基本相同，無植被對照組在運行穩定前TSS 去除率較低，主要是由于植被可以起到減緩流速、減小沖刷的作用，運行初期，土壤比較疏松，水土流失嚴重，TSS 去除率較低，但運行穩定后，土層由于沉降對TSS 的截留作用增強，TSS 去除率回升。

海綿設施中植物對TSS 的去除具有一定作用，主要包括表層對TSS 的攔截，同時植物的根系生長發育也有利于土壤孔隙率的增加，有利于土壤層對TSS 的吸收。

2 海綿設施中植物對氮去處研究

海綿設施對N 的去處原理水體中氮素的存在的主要形式有下三種：有機氮（包括有機氨氮和有機硝氮）、氨氮、硝氮（包括硝態氮和亞硝態氮）。在濕地中氮素的最終轉化有三種途徑：

（1）微生物和植物體直接吸收作用：有機氮和有機氨氮被水體中微生物和植物體吸收并轉變為有機個體的一部分；

（2）氨氮揮發作用：氨氮在pH＞8 的條件下自發向大氣中揮發；

（3）硝化反硝化過程：有機氨氮經過礦化作用轉變為氨氮，而水體中氧氣的存在提供了有氧條件，氨氮在好養條件下經過亞硝化和硝化作用轉變為NO3-和NO2-，水體中氧氣消耗完便創造出缺氧環境，NO3-和NO2-在有機碳的參與下，經過反硝化作用還原為N2，最終以氣體的形式離開水體。

有學者提出植物對生物滯留系統的除氮有直接和間接作用。直接作用主要指氮素的同化作用和植物吸收，因降雨過程中徑流在系統內的停留時間非常短，對進入系統內的氮素進行快速固定非常重要，植物根系對氮素的吸收和吸附作用十分重要，尤其是根系茂密發達的植物作用更加顯著。間接作用主要指作物涵養水源、影響土壤pH，提高硝化和反硝化作用的速率等，相關研究也表明在炎熱夏天的雨季濕地植物的反硝化作用明顯強于旱季?？傊谙到y內植物的同化作用和微生物硝化反硝化作用共同進行，相輔相成。

3 海綿設施中植物對磷去處研究

雨水徑流中的磷在生物滯留設施中主要通過植物、微生物的吸收降解及填料層中所含的有機質的礦化作用下轉化成Fe（OH）2、Al（OH）3和Ca3（PO4）2沉積物后經過濾、吸附和沉淀作用下去除的。其中，顆粒態的磷主要隨著徑流中懸浮固體，經過濾和沉淀截留在土壤中，成為生物滯留設施中的一部分；溶解態磷中最主要的正磷酸鹽，通過填料的吸附和植物的吸收而去除。張建強等[2]認為，雨水徑流中的顆粒態磷經過濾和沉淀被截留在土壤中，溶解態磷與土壤或填料中的有機質在礦化作用下生成磷酸鈣等沉淀物或經過填料介質的吸附及植物的吸收而被去除，因此顆粒態磷比溶解態磷更容易去除。

孟瑩瑩等[3]研究表明海綿設施對于TP 的去除率為73.9%。Davis 等[4]通過室內實驗研究表明海綿設施對TP 的去除率可達70%～85%，場地實驗對磷的去除率為77%～79%。

Hsieh 等[1]通過室內模擬實驗結果顯示：海綿設施對TP 的去除率為4%～99%。向璐璐等在通過監測以雨水花園為主要處理單元的生物滯留設施，結果表明：TP 的去除率-86.3%～76.0%，波動性大，對PO43-無任何去除效果，甚至出水中磷的濃度高出進水中5 倍多。分析認為海綿城市設施出現磷去除率負值的現象，一方面是系統本身含磷量較大，在徑流沖刷作用下淋洗出較多的磷；另一方面，雨水在系統內停留時間過長，導致吸附飽和的填料解吸附現象明顯，且連續降雨使得降雨間隔期變短，導致每場降雨出水PO43-濃度均大于進水中的濃度，系統未能及時消化吸收的磷，影響了對出水中TP 的去除效果

種植土壤對磷的吸附是有效的去除機制，且植物根系也能吸收一部分磷。但是植物層去除TP 較為不穩定，但總體上植物層與系統層的去除率呈正相關。Read J[5]針對不同植物種類對雨水中N、P 的去除能力，進行了研究，試驗結果表明，不同植物去除污染物的能力具有顯著差異，而植物根系是否發達也會對植物氮及磷去除率產生20%～37%的差異。

4 海綿設施中植物對微生物影響的研究

地表徑流中的病原微生物主要包括細菌、病毒、原生動物和蠕蟲4 類。相關研究表明，生物滯留系統對地表徑流病原微生物具有良好的去除效果。生物滯留系統可以有效去除城市徑流中的產氣莢膜梭菌、F-RNA 大腸桿菌噬菌體等病原微生物[6]。植物生長在生物滯留系統頂部，通過氧、糖類、氨基酸和有機酸等根系分泌物保持根際微生態系統活力，因其具有發達的根系，根際周圍的微生物數量要比無植物根際系統中的微生物數量高很多。同時，植物可促進填料孔隙的形成而促進污染物的去除和保持介質的濕度。另外，填料植被及植物根際分泌物分泌的抗菌化合物在一定程度上可抑制病原微生物的生長繁殖，提高系統去除效果。

生物滯留系統主要通過過濾、填料吸附、微生物群落間的競爭、捕食等作用有效去除地表徑流中的病原微生物。生物滯留系統的設計條件（植物類型、過濾介質的選擇和淹水區的設置）以及工藝條件（干燥期和濕潤期的間歇性，氣候變化，操作時間，以及降雨量、降雨強度、降雨時長）等因素不同程度的影響系統對病原微生物的凈化效果。

5 結語

海綿設施主要通過腐殖質、土壤、微生物、植物、填料等物理、化學和生物的綜合作用凈化雨水，包括過濾沉淀、物理吸附、離子交換化學吸附、微生物吸收轉化與降解、植物同化吸收、揮發、蒸發等。因此，海綿設施的植物、填料種類、微生物的繁殖情況等將不同程度地影響污染物的去除效果。此外，海綿設施的土壤滲透能力及降雨間隔時間、水力負荷、污染負荷、溫度等也是影響海綿設施污染物去除能力的重要因素。