生物滯留池凈化雨水徑流中氮磷的研究進展

周 龍 姜應和

(武漢理工大學土木工程與建筑學院，湖北 武漢 430070)

0 引言

城市化的迅速發(fā)展帶來一系列城市水環(huán)境問題。不透水下墊面的增加導致雨水徑流流量增加。增加的徑流會沖刷攜帶更多的污染物，使得受納水體的水質變差，城市地表徑流污染是僅次于農業(yè)污染的第二大面源污染。為實現(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，在對雨水徑流水質凈化方面呈現(xiàn)良好的處理效果。

氮和磷被認為是造成水體富營養(yǎng)化的關鍵元素。雨水徑流中氮素主要包括溶解性無機氮、溶解性有機氮和顆粒態(tài)有機氮；溶解性無機氮包括銨、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(又稱可溶性無機磷或正磷酸鹽)以及可溶性有機磷。生物滯留池主要通過填料的吸附作用、微生物和植物的轉化實現(xiàn)雨水徑流中氮和磷的去除[1]。

生物滯留池對氮和磷的去除過程受到較多因素的干擾，因此傳統(tǒng)生物滯留池對氮和磷的去除易出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象[2]。為強化生物滯留池對氮和磷的去除能力，一些研究者著手對生物滯留池進行改良，并通過實驗驗證了改良型生物滯留池對氮和磷良好的去除效果。

已有較多學者總結過生物滯留池對雨水徑流中氮和磷的凈化機理，但是在生物滯留改良方式和運行效果方面，系統(tǒng)性歸納闡述較少。本文通過分析傳統(tǒng)生物滯留池對氮和磷的凈化效果，引出生物滯留池常見改良方式，并歸納分析改良型生物滯留池對雨水徑流中氮和磷的凈化效果。

1 傳統(tǒng)生物滯留池對氮磷的凈化效果

生物滯留池于1990年代初期由喬治王子縣(Prince George’s County)設計，用于解決因土地開發(fā)造成不透水路面增加對降雨徑流水質和水量的影響。生物滯留池主要有簡易型和復雜型兩種[3]，其構造圖如圖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部分組成[2]，其中填料層是決定生物滯留池運行效果的關鍵因素之一。

1.1 對不同形態(tài)氮素的凈化效果

表1列出了近些年生物滯留池對不同形態(tài)氮素的去除效果。總體而言，無論是實驗室模擬實驗，還是現(xiàn)場實驗，傳統(tǒng)生物滯留池對雨水徑流中氨氮的去除效果較好而且相對穩(wěn)定，氨氮的平均去除率一般可達到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壤土有關。一方面土壤帶負電，易吸附雨水徑流中的呈陽性的銨離子；另一方面，砂質壤土滲透性能較好，土壤常處于好氧狀態(tài)，有利于氨氮通過硝化作用轉化為硝態(tài)氮。

反觀硝態(tài)氮，一方面，由于土壤帶負電，對陰離子有排斥作用；另一方面，傳統(tǒng)的生物滯留池無法較好地形成缺氧環(huán)境，難以通過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化作用[4]。因此，傳統(tǒng)生物滯留池對硝態(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、干濕條件、降雨強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，會導致出水TN的去除效果不穩(wěn)定。

1.2 對不同形態(tài)磷的凈化效果

磷在生物滯留池中的滯留機理涉及到物理、化學和生物過程。顆粒態(tài)磷通過過濾去除；溶解態(tài)磷則主要通過植物吸收、微生物同化和過濾介質的吸附去除[13]，其中，填料對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

生物滯留池對顆粒態(tài)磷去除效果較好，對溶解性磷去除效果不穩(wěn)定。當磷凈化效果較好時，溶解性磷的去除效果可達90%以上；當磷凈化效果差時，可能會出現(xiàn)溶解性磷淋溶現(xiàn)象[14-17]。水力負荷、水力停留時間、填料內源磷含量、填料有效吸附位點的數(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化途徑

為解決傳統(tǒng)生物滯留池對氮和磷去除能力不足的問題，研究者通過對生物滯留池進行改良，進而提升生物滯留池對氮和磷的凈化效果。目前，常見的改良手段有生物滯留池填料組成改良和生物滯留池結構改良等。

2.1 填料組成改良

填料對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其對污染物的去除。

2.1.1強化脫氮

在脫氮方面，主要思路為改良填料以增強填料對氮素的吸附或強化填料層反硝化反應。趙倩[19]在傳統(tǒng)填料(土壤+中砂，按質量比為3∶7均勻混合)基礎上摻混一定比例生物炭，實驗結果表明，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，實驗結果表明，填料中加入35%沸石對TN的去除效果最好，去除率可達62.7%，填料中加入35%蛭石對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碳源含量低，反硝化時常存在碳源不足的問題。為此，堆肥、木屑、報紙、木塊和樹皮等常作為生物滯留池填料，可彌補反硝化時碳源的不足。萬哲希等[21]采用黃沙、土壤和木屑(75∶20∶5，質量比)組成填料加入現(xiàn)場生物滯留池中，經過長期穩(wěn)定運行發(fā)現(xiàn)，使用木屑作為填料有機成分對TN和硝態(tài)氮的平均去除率能達到37.8%和18.6%，效果明顯優(yōu)于其他研究者設計的同類型的不摻混木屑的現(xiàn)場設施。較多的研究證明，在設施中添加碳源能強化設施脫氮。然而，碳源的添加量仍有待進一步研究確定，因為過量添加碳源會導致有機物的淋溶。

2.1.2強化除磷

生物滯留池對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，用于增強生物滯留池對磷的去除。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施的填料，實驗結果顯示由于泥炭的內源磷含量較高，導致除磷效果最差；添加粉煤灰后，填料滲透系數(shù)下降，雨水滯留時間長，除磷效果顯著增強。Zinger等[24]在河沙中分別添加5%的粉煤灰和有機質，TP去除率可達到92.06%～97.10%。

2.1.3強化同步脫氮除磷

為了強化生物滯留池同步脫氮除磷功效，研究者通常通過多種填料組合的方式來實現(xiàn)。蒙怡筱[25]按照一定比例設置了兩種不同填料級配的改良生物滯留池(1號填料層為沸石∶麥飯石∶鋁污泥=5∶3∶2；2號填料層為沸石∶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。實驗結果表明，不同污染物負荷下，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%。仇付國等[26]將沸石和鋁污泥按85∶15(質量比)的比例混合，作為生物滯留池填料。改良后的生物滯留池對氨氮、硝態(tài)氮、TN和TP的平均去除率分別可達97%,36%,72.3%和98%。

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

2.2 生物滯留池結構改良

2.2.1底部設置存水區(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)做法是抬高設施出水口位置，在設施底部形成一定高度存水區(qū)，進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)的設立，可有效促進反硝化作用，增強生物滯留池對硝態(tài)氮和TN的去除能力。Palmer等[27]研究了存水區(qū)的設置對硝態(tài)氮去除的影響，實驗結果表明，若不設置存水區(qū)，生物滯留池對硝態(tài)氮的去除率僅有33%；設置存水區(qū)后，硝態(tài)氮的去除率上升到71%。Dietz等[28]也進行了生物滯留池是否設置存水區(qū)的對比試驗，結果表明設置存水區(qū)后，生物滯留池對TN的去除率提高了18%。

在存水區(qū)高度對生物滯留池氮素去除影響方面，同樣有較多研究者對此進行過研究。仇付國等[29]對比分析了設置200 mm和600 mm的存水區(qū)對氮素的去除能力，結果表明，設置600 mm存水區(qū)對硝態(tài)氮的去除效果較好。Wang等[30]的試驗結果類似，對硝態(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

除底部設立存水區(qū)外，通過分層裝填填料的形式在設施底部形成缺氧環(huán)境，進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，水力停留時間延長，一方面填料和微生物與雨水徑流中氮和磷有充分的時間接觸；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)氮質量去除率可從16%提高至56%。侯立柱等[32]設計了兩種多層滲濾介質系統(tǒng)，1號系統(tǒng)填料組成自上而下為0.2 m無砂混凝土+1.0 m中粉質壤土，2號系統(tǒng)為0.1 m中砂+0.2 m砂礫料+1.0 m中粉質壤土，對北京市機動車路面雨水徑流污染物進行了凈化效果研究，結果表明TP的去除率達50%以上，TP的出水濃度可達到地表水Ⅱ類水質標準。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%有機物+5%粉煤灰或粘土)對雨水徑流中氮和磷的去除能力，結果表明該設施對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，分層結構除強化污染物去除外，也可緩解生物滯留池填料堵塞的問題。

3 研究不足與展望

3.1 研究不足

對生物滯留池進行改良，較大程度上增強了其對氮和磷的去除能力，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養(yǎng)元素的去除，同步脫氮除磷的研究相對較少。填料組成改良的生物滯留池對磷的吸附效果較好，但對硝態(tài)氮的去除效果一般，且部分介質會加大填料的滲透能力，不利于硝態(tài)氮的去除。存水區(qū)的設置，提高了硝態(tài)氮去除率，但是存水區(qū)的設置對除磷有一定的負面影響，存在很大爭議。李明翰等[34]研究發(fā)現(xiàn)，在生物滯留池中設有存水區(qū)后，對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立一定高度淹沒區(qū)后，對除磷效果的改善程度有限，甚至出現(xiàn)下降的趨勢。聚磷菌在厭氧條件下會釋磷，底部存在缺氧區(qū)或厭氧區(qū)時是否會導致生物釋磷現(xiàn)象的發(fā)生暫未達成共識。底部存水區(qū)的設置是否會導致填料吸附的污染物二次淋溶仍有待進一步研究。

2)各學者研究的邊界條件迥異。目前，對生物滯留池控污能力的評估僅以污染物去除率作為衡量標準，但影響生物滯留池對污染物去除的影響因素較多，例如：填料的性質、裝填方式、粒徑級配、水力停留時間、進水方式、植物種類、存水區(qū)高度等，不同研究者構建的改良生物滯留池各有特色，實驗過程及邊界條件也不盡相同，因此難以對各學者的研究成果進行量化對比評估，難以建立統(tǒng)一的改良技術規(guī)程，為改良型生物滯留池的工程應用進行理論指導。

3)缺少運行周期較長設施實驗研究和工程實際應用。在實驗室條件下，改良型生物滯留池對污染物的去除與傳統(tǒng)生物滯留池相比，效果較為顯著。但實驗室條件較為可控，在實際環(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，實驗周期較短，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題。

3.2 展望

基于目前的研究進展，筆者認為下列一些問題仍待進一步深入研究：

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雨水徑流中氮和磷的去除能力方面簡單可行的措施不多。因此，尋求簡單、有效且經濟的技術措施，同步改善其脫氮除磷效果是今后的研究方向之一。

2)目前對于生物滯留池的研究大多在實驗室進行，且一般運行周期均較短。因此，在后續(xù)的研究中，宜注重對現(xiàn)場生物滯留池進行長期運行監(jiān)測，考察在全壽命周期中，生物滯留池對污染物吸附、轉化、累積能力的變化，以便對生物滯留池運行效果進行較為全面的評估。

3)深入調查研究生物滯留池現(xiàn)有科研成果，對影響生物滯留池運行的關鍵性參數(shù)進行進一步討論分析，編制相關的生物滯留池設計指導，對未來不同規(guī)模的改良型生物滯留池的構建方法、技術參數(shù)進行歸納總結，以利于改良型生物滯留池的推廣應用。