生物滯留設(shè)施對地表徑流中磷去除效果的研究述評

李海燕，羅艷紅，馬 玲

(1.北京建筑大學 城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點實驗室，北京 100044；2.中北大學(朔州校區(qū))，山西 朔 州 036000； 3.石家莊市環(huán)境監(jiān)測中心，河北 石家莊 050022)

1 研究背景

城市地表徑流是非點源污染的主要來源，而其中的磷被認為是水體富營養(yǎng)化的最主要因素。城市雨水徑流中的磷主要來自于綠地肥料、大氣沉降、動物糞便和洗滌劑等[1]。磷按其物理形態(tài)可分為顆粒態(tài)磷(粒徑<0.45 μm)和溶解態(tài)磷(粒徑>0.45 μm)。顆粒態(tài)磷主要隨著徑流中的TSS(總懸浮固體)，通過過濾和沉降去除；正磷酸鹽是溶解態(tài)磷中最主要的形態(tài)(磷酸氫根或磷酸二氫根)[2]，主要通過雨水處理設(shè)施中填料的吸附和植物的吸收去除。

生物滯留設(shè)施是一種新興的低影響開發(fā)(Low Im-pact Development，簡稱LID)原位雨水徑流控制措施，有很好的徑流污染控制效果、徑流體積削減效果和峰值流量控制效果[3]。該設(shè)施主要通過反應(yīng)介質(zhì)的吸附、置換和沉淀以及微生物的作用去除雨水徑流中的污染物，對TSS、重金屬、致病菌等均有很好的凈化效果，且基建費用低、運行維護簡單，應(yīng)用靈活、不受場地限制，還具有生物多樣性豐富、易由城市綠化帶改造而成等優(yōu)點，從而被歐美一些國家和地區(qū)推崇，可應(yīng)用于城市新建或改建的高密度建筑區(qū)、住宅區(qū)、偏遠郊區(qū)等不同區(qū)域，以控制建筑屋面、停車場、廣場及道路等不透水區(qū)域的徑流污染[4]。

我國落后的雨洪管理體系導致了一系列嚴重的生態(tài)問題，隨著城市的快速發(fā)展，傳統(tǒng)的雨水、污水處理方法已經(jīng)不能滿足生態(tài)環(huán)境保護的需求。本文對生物滯留技術(shù)的結(jié)構(gòu)、除磷機理、除磷影響因素及國內(nèi)外除磷現(xiàn)狀進行了較為細致、深入的研究和分析，著重闡述了提高生物滯留設(shè)施除磷效果的方法，為該技術(shù)今后的設(shè)計和推廣應(yīng)用提供了有效的借鑒和參考，對減輕我國城市地表徑流污染和地表水體的富營養(yǎng)化有重要意義。

2 生物滯留設(shè)施的結(jié)構(gòu)

典型的生物滯留設(shè)施結(jié)構(gòu)如圖1[5]。對于進水污染負荷較高的情況，還可以增加預處理措施，如植被淺溝、沉淀池等。一般應(yīng)鼓勵徑流下滲以回補地下水，若土壤的排水能力較差，可在生物滯留設(shè)施底部設(shè)置穿孔收集管，以防設(shè)施長時間處于淹水狀態(tài)。一般設(shè)計面積為匯水區(qū)域的4%～7%，其處理的集水區(qū)面積一般不大于0.5 hm2，存儲水深為200～300 mm，還應(yīng)留有100 mm的超高；種植土層宜選用滲透系數(shù)較大的砂質(zhì)土壤，厚度根據(jù)植物類型而定，一般為250 mm；填料層為75～100 cm的土壤、沙子和有機物的混合填料；應(yīng)選取多年生的可短時間耐水耐旱的植物，如羊茅草、馬蹄蓮等；礫石排水層主要用于保護穿孔管，防止堵塞，并提供一個暫時的貯存空間，礫石層由粒徑為12～35 mm的礫石組成，最大不超過50 mm，厚度為200～300 mm，在其中埋置的穿孔管收集管直徑為100 mm，穿孔孔徑為6～12 mm，穿孔排水管需有0.5%的縱向坡度，經(jīng)過滲濾的雨水由此管排放到市政排水系統(tǒng)或河流。為增加雨水的滯留量，滲透與半滲透型生物滯留設(shè)施的礫石排水層下面還可增加300 mm厚的礫石調(diào)蓄層[6]。另外，還需設(shè)置溢流口。

圖1 生物滯留設(shè)施的結(jié)構(gòu)

3 生物滯留設(shè)施去除雨水徑流中磷的機理

生物滯留設(shè)施主要通過反應(yīng)介質(zhì)(包括種植土層和人工填料層)的滲透、過濾、吸附、離子交換、植物吸收以及微生物攝取等聯(lián)合作用去除雨水徑流中的磷，可概括為以下兩方面：

(2)微生物和植物的吸收固定作用。微生物能夠?qū)搅髦械膽腋∥?、膠體和溶解性污染物進行降解。根據(jù)微生物種類和形成生物膜的不同，分為好氧過程和厭氧過程[8]：在土壤表層氧含量較豐富易形成好氧膜，聚磷菌附著在其表面吸附大量的磷，從而達到去除效果；在遠離植物的根部或土壤深層，氧含量較少形成厭氧環(huán)境，厭氧微生物將難降解的有機物分解成易降解無機物。植物在生長過程中會吸收利用反應(yīng)介質(zhì)中的磷，剩余的磷殘留在植物中，通過植物的收割得到去除。

4 影響生物滯留設(shè)施除磷效果的主要因素

在生物滯留設(shè)施運行過程中，有很多因素會影響磷的去除效果，最主要的因素是填料種類及性質(zhì)和徑流流過填料的路徑和形式。

4.1 pH值

大量研究表明，不同的pH值條件下磷的存在形態(tài)不同，生物滯留設(shè)施對磷的去除效果也不同。過高或過低的pH值會影響表層填料中磷的解吸和釋放，使磷隨徑流下滲[9]。pH值還會嚴重影響磷與A13+、Fe2+的反應(yīng)沉降及磷酸鈣的沉淀。田玉紅等[10]的研究表明，偏酸和偏堿性條件下，反應(yīng)介質(zhì)對磷酸根的吸附都較差：當pH值為1～4.5時，反應(yīng)介質(zhì)對磷酸根的吸附率隨pH值的增大而增大，pH值在4.5～6之間吸附率出現(xiàn)峰值，之后隨著pH值的增加吸附率反而下降。Barrow[11]認為，當pH值為6～8時，溶解態(tài)磷主要以活躍的正磷形態(tài)存在，很容易被植物吸收，從而有較好的去除效果。Davis等[12]研究表明，填料能顯著地緩沖進水pH值到6.0～8.0。綜合以上，生物滯留設(shè)施在中性條件下除磷效果較好。

4.2 進水中磷的污染負荷

生物滯留系統(tǒng)對磷的吸附能力隨進水中磷負荷的增加而逐漸減弱，最終達到吸附飽和，當進水磷污染負荷很高時，易導致出流中磷的濃度較高。污染負荷很低的情況下，設(shè)施也能有效滯留住磷[9]。Hsieh等[13]指出進水磷負荷為8.5 g/(m2·a) 時，設(shè)施對總磷的良好去除效果最好可穩(wěn)定保持5年。Dietz等[14]對美國康涅狄格州兩座雨水花園的監(jiān)測表明，設(shè)施的穿孔收集管出水中磷濃度隨運行時間的增加而以指數(shù)速率降低，總出水口處磷的濃度則隨著運行時間的增加呈線性降低。

4.3 水力停留時間

4.4 填料的性能

選擇合適的填料對磷的去除至關(guān)重要。有研究表明，氮和溶解態(tài)磷對填料的性能很敏感[15]，如果填料對磷沒有足夠的沉淀和吸附能力，磷便會從填料中解析成自由態(tài)的正磷酸鹽，導致磷的去除率大大降低。

生物滯留設(shè)施填料中磷的初始含量對磷在其中的傳輸有很大影響[16]。含磷指標高的填料，對磷的吸收容量較小，含磷指標接近飽和時，會嚴重增加出水中磷的濃度[17]。應(yīng)選擇含磷指標適中的填料，以便既能保證植物正常生長，又能收到較好的除磷效果。有研究證實，通過提高填料的陽離子交換能力(CEC)可降低填料的含磷指標，CEC以大于10為宜[18]。

通過向填料中添加金屬(如鋁、鈣、鐵等)或有機物，可提高設(shè)施的除磷效果[19]。Richardson等[20]指出生物滯留系統(tǒng)中磷的去除主要依靠填料中鐵氧化物的吸收，并且填料吸附磷的能力受填料中鐵含量的影響。但土壤中含較多的磷和鐵會使處理出水水質(zhì)變差[21]；Bratieres等[22]指出添加腐殖土后填料中的含磷指標大大增加，出現(xiàn)了嚴重的淋洗現(xiàn)象。因此，應(yīng)嚴格控制填料中金屬和有機物的添加量。

綜上，不同的影響因素和工況條件，都會在一定程度上影響生物滯留設(shè)施的除磷效果。為此，在實際應(yīng)用中，應(yīng)盡可能選取適宜的運行條件：①盡量保持生物滯留設(shè)施在溫度適中、pH值偏中性的條件下運行。溫度適中，植物和微生物比較活躍，對徑流中的污染物去除效率高；pH值呈中性時，徑流中的磷以正磷形態(tài)存在，正磷是唯一能被植物直接吸收的磷的形態(tài)，因此能取得較好的除磷效果。②進水磷污染負荷過高時可設(shè)置前置塘、植被過濾帶等前處理設(shè)施，這樣能有效去除顆粒態(tài)磷，減緩流速，減輕設(shè)施的負擔并能夠延長其運行壽命。北卡羅來納州要求有1～1.5 m寬的植被過濾帶、洼地作為預處理設(shè)施[23]。若設(shè)計時未考慮預處理設(shè)施，可在種植土表層覆蓋一層樹皮[24]，也能收到較好的效果。③應(yīng)使徑流以片流形式進入設(shè)施中，以保證布水均勻。道路徑流可通過多個路牙石豁口流入設(shè)施中，也可經(jīng)過植被淺溝或管渠集中流入設(shè)施內(nèi)。④盡量選取根系比較發(fā)達、耐旱耐澇的本地草本植物，同時盡量選用根系較淺的草類，這樣所需的填料厚度小，池深也淺，既節(jié)約了材料費和人工費，也降低了設(shè)施堵塞的風險，易于管理維護。

5 生物滯留設(shè)施除磷的運行效果研究

5.1 國內(nèi)外利用生物滯留設(shè)施除磷的現(xiàn)狀

國內(nèi)外學者通過實驗室研究(圓柱實驗)、場地試驗等對生物滯留設(shè)施進行了大量的研究和運行監(jiān)測，部分研究結(jié)果如表1。

表1 生物滯留池對城市雨水徑流中磷的去除實例

5.2 目前存在的主要問題

雖然生物滯留設(shè)施對徑流中的大部分污染物都有較好的去除效果，且經(jīng)濟適用，可廣泛應(yīng)用于城市低空間的綠化，但對磷的處理存在去除率偏小、去除率波動范圍較大、運行效果不夠穩(wěn)定等問題，應(yīng)用于工程中的生物滯留設(shè)施除磷效果更差，有時還出現(xiàn)出水污染負荷高于進水的情況。究其原因，一是徑流水質(zhì)、水量變化的隨機性和復雜性對處理效果穩(wěn)定性有影響，不同的研究得到的結(jié)果不同；二是應(yīng)用于工程的生物滯留設(shè)施多選取本地土壤，缺乏對填料優(yōu)化及設(shè)施的結(jié)構(gòu)改進等的深入研究；三是缺乏對設(shè)施運行的跟蹤監(jiān)測、管理與養(yǎng)護，不能保證穩(wěn)定的運行條件和效果。

5.3 對生物滯留設(shè)施除磷效果改進的研究

5.3.1 填料的優(yōu)化

選擇合適的填料對生物滯留設(shè)施良好的排水性、磷的去除、植物的生長都很重要，可考慮從以下幾方面做改進。

5.3.1.1 填料組成的優(yōu)化

早期生物滯留設(shè)施選用的填料主要是滲透性較好的天然土[29]，如砂壤土，隨后美國的喬治王子郡推薦選用沙、表層土、有機物料的組合，特拉華州選用砂、泥炭土、切碎的覆蓋物各1/3的混合填料，但這兩種混合填料的造價都較高。之后，北卡羅來納州推薦采用85%～88%的砂、8%～12%的細骨料(黏土和淤泥的混合物)以及3%～5%的有機物組成的混合填料，其原材料易得且成本較低。

對填料的改進和性能優(yōu)化的方法有很多。O’Neill等[30]在0.9 m高的圓柱中，用5%的水處理殘渣和3%碎硬木樹皮改良壤砂土，研究設(shè)施的除磷效果，結(jié)果表明：填充了改良介質(zhì)的設(shè)施使出水中磷的質(zhì)量比進水中的減少了88.5%，總磷的平均出流濃度小于25 μg/L，最大僅為70 μg/L；而使用沒有添加改良介質(zhì)的填料的對照實驗出水中磷則增加了71.2%。Zhang Wei等[31]選取泥炭、石灰土、沙和粉煤灰等作為生物滯留設(shè)施的填料來測試其對徑流中磷的去除效果，泥炭因較高的含磷指標而除磷效果最差，石灰土和沙對磷的去除效果一般，而粉煤灰則由于透水性低、滯蓄時間長，在所選填料中除磷效果最好；另外，沙中摻雜5%的粉煤灰是最理想的混合填料，對磷的去除率可達到85%，且很少有磷從混合填料中解吸出來，而未添加粉煤灰的沙質(zhì)填料處理出水中則有42%的磷被解吸。周棟等[32]取沸石與麥飯石以5 ∶5、7 ∶3和3 ∶7三種不同體積比組成填充柱進行除磷試驗，得出3 ∶7為最佳配比，其填充柱在兩個運行周期內(nèi)對磷的去除效率分別達到96.73%和94.59%，另兩種比例的填充柱去除效率的上升速率相似，最大去除效率也類似，說明沸石對總磷的去除效果較好、速率較快。

5.3.1.2 填料的改性

(1)添加黏土。無論是單一填料還是混合填料都應(yīng)有一定的黏土含量。黏粒含量高的填料對磷的吸附效果較好，但含量過高會影響系統(tǒng)的滲透性能。美國設(shè)計手冊推薦黏土含量應(yīng)小于5%，EPA規(guī)定為10%～25%，澳大利亞莫納什大學生物滯留技術(shù)推廣協(xié)會(FAWB)規(guī)定應(yīng)小于3%。

(2)添加金屬。含鋁、鈣和鐵的填料對磷有更高的去除能力，且金屬含量的不同會導致不同的除磷效果[33]?？稍谔盍现刑砑右恍┖瑲溲趸F、氧化鐵或鋁基團的天然礦物質(zhì)或能促進鈣磷形成的含鈣礦物質(zhì)。藻礫中含80%的碳酸鈣和10%的碳酸鎂，經(jīng)實驗測得對磷的吸收能力最大為1 184 mg/kg[34]；Brooks等[35]在填料中添加了氧化鈣含量接近50%的硅鈣石，磷的去除效果得到了明顯的改善，其中大量的鈣與磷反應(yīng)生成穩(wěn)定的礦物沉淀磷酸鈣。

(3)添加有機質(zhì)。美國的設(shè)計手冊中大都建議添加20%～30%的腐殖質(zhì)來改良土壤，如樹皮、落葉堆肥等。然而，有機質(zhì)的造價較高且易出現(xiàn)磷從填料中解吸的現(xiàn)象。因此，應(yīng)嚴格控制填料中的有機質(zhì)含量。阿拉巴馬州、康涅狄格州的設(shè)計手冊建議填料中有機質(zhì)含量為1.5%～3%，F(xiàn)AWB規(guī)定最多不超過5%。

(4)為提高吸附能力，也可在填料中添加一些滲透性好、吸附磷能力強的介質(zhì)，如沸石、蛭石、石英砂、鋼絲絨等。在填料中摻加2%的鋼絲絨可使系統(tǒng)對總磷的去除率保持在80%以上[35]。由于混合填料中添加物的成本通常較高，且某些添加物大量使用有風險，實際應(yīng)用中應(yīng)因地制宜加以選擇。

總體來講，生物滯留設(shè)施所選填料應(yīng)具有含磷指標低、吸附磷能力強和滲透性能適中的特點。 FAWB規(guī)定填料中磷含量應(yīng)小于80 mg/kg，如種植了對磷敏感的植物則磷含量應(yīng)小于20 mg/kg。若所選填料含磷指標過高，可用硅砂清洗。

5.3.2 生物滯留設(shè)施結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

為提高生物滯留設(shè)施去除污染物的效率，國內(nèi)外學者不僅對生物滯留設(shè)施的運行條件、填料、植物等進行了研究和優(yōu)選，還對設(shè)施的結(jié)構(gòu)進行了改進，如表2所示。綜合考慮，第一種設(shè)計較適合于我國的現(xiàn)狀，基建成本低，生物多樣性豐富，極具景觀價值，在實際應(yīng)用中應(yīng)綜合考慮用途、場地、投資等情況。

5.3.3 良好的養(yǎng)護

后期的管理和維護對設(shè)施的正常運行和除磷效果的保證至關(guān)重要，因此要做到：①經(jīng)常修剪、鋤草，清理設(shè)施表層、進水口、出水口、溢流口的雜物，保證設(shè)施的正常運行。②更換填料，定期一小換，5年一大換。因為填料層堵塞主要發(fā)生在表層，且表層中的污染物也最容易飽和，所以國外推薦的填料更換深度為25～50 cm[39]；一般填料大約5年后就充滿了各種污染物，此時應(yīng)徹底更換。③暴雨過后檢查覆蓋層及植物的受損情況，及時更換受損的覆蓋層與植被，定期清除雜草；因植物的吸收同化作用賦存了大量的磷，故通過收割植物可以徹底去除生物滯留設(shè)施中的磷。

6 結(jié) 論

國外對生物滯留設(shè)施去除徑流中磷的效果的研究已如火如荼，而在我國的雨水利用與管理工程中，多采用濕地、滯留塘、森林公園、傳統(tǒng)草溝等BMP技術(shù)，LID措施在我國尚屬新課題，對生物滯留設(shè)施的應(yīng)用目前還處于從國外引進、介紹、設(shè)計、建造示范工程的階段。關(guān)于生物滯留設(shè)施，目前還有以下問題沒有得到較好的解答：①磷在生物滯留設(shè)施中的去除機理很復雜，且去除效果不穩(wěn)定、去除率波動范圍很大，目前并未找到有效的辦法，增加厭氧區(qū)有一定的凈化效果，但是運行不穩(wěn)定，對水力特性的影響也不確定；②國內(nèi)在建造生物滯留設(shè)施時，多數(shù)情況下直接選用挖方土作為設(shè)施的填料，造成了填料含磷本底值過高，出現(xiàn)了嚴重的淋洗現(xiàn)象；③大部分關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)仍采用國外的經(jīng)驗值，如最大蓄水層高度、填料層厚度、安全系數(shù)等，缺乏適用于我國生物滯留設(shè)施的設(shè)計參數(shù)的實驗數(shù)據(jù)支持；③目前也有不少投入運行的生物滯留設(shè)施實例，但缺乏實際運行效果的數(shù)據(jù)統(tǒng)計。

表2 對生物滯留設(shè)施結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究

針對上述問題，今后應(yīng)重點開展以下幾方面的工作：①加強磷在生物滯留設(shè)施中的遷移轉(zhuǎn)化規(guī)律研究，重點研究磷的最終去向，為改善設(shè)施的除磷效率提供有效的理論指導；②對已建成的生物滯留設(shè)施要進行長期監(jiān)測，收集實際運行資料，分析對比，得出該設(shè)施適用于我國的最佳設(shè)計標準；③對各種單一填料、混合填料的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)進行深入研究，綜合考慮填料的除磷效果、價格和材料的易得性，實際應(yīng)用中具體項目具體分析；④在生物滯留設(shè)施構(gòu)造方面多做探索，如借鑒多層土壤滲濾系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，采用雙層填料或多層填料結(jié)構(gòu)，以使該技術(shù)能更好地滯蓄地表徑流中的磷；⑤在生物滯留設(shè)施大量推廣和應(yīng)用中，“建設(shè)”和“維護”要雙管齊下；⑥目前公眾關(guān)于保護地表徑流水質(zhì)的意識較為薄弱，應(yīng)加大技術(shù)和管理維護等方面的宣傳教育。

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