生物滯留設(shè)施植物·填料·微生物研究進(jìn)展

阮添舜 李家科

摘要 總結(jié)了生物滯留設(shè)施對污染物質(zhì)的凈化效果與機(jī)制；從生物滯留系統(tǒng)植物選擇、填料優(yōu)化、高效微生物篩選3個(gè)方面論述了國內(nèi)外主要研究進(jìn)展和成果。結(jié)合植物的選擇原則和作用，對植物進(jìn)行了歸類對比和區(qū)域劃分；討論了現(xiàn)有填料的組成及不足，提出了填料的優(yōu)化措施；歸納了重金屬和有毒有機(jī)物高效降解菌的篩選情況，以推動(dòng)應(yīng)用微生物技術(shù)在生物滯留系統(tǒng)中的研究。

關(guān)鍵詞 生物滯留；去除效果；植物選擇；填料優(yōu)化；微生物

中圖分類號(hào) S182 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 0517-6611（2017）18-0063-07

Abstract The purification effect and mechanism of bioretention facilities on pollutant were sum up. The main achievements at home and abroad of bioretention system were discussed from three aspects， including plant selection， packing optimization， and efficient microbial screening. The classification comparision and regional classification of plants were carried out according to the principles and functions of plant selection.Composition and shortcomings of the existing fillers were discussed， and the optimization measures of filler were proposed.The screening situation of efficient degrading bacteria of heavy metals and toxic organic compounds were summarized in order to promote the research of microbial technology in the bioretention system.

Key words Bioretention；Removal effect；Plant selection；Filler optimization；Microorganism

隨著城市化進(jìn)程的加快，由雨水引發(fā)的城市洪澇災(zāi)害、非點(diǎn)源污染等問題日益凸顯。針對該問題，國內(nèi)外學(xué)者探索了諸多雨洪管理措施，其中低影響開發(fā)（low impact development，LID）技術(shù)得到了廣泛關(guān)注與推廣。生物滯留便是基于源頭控制理念的一種城市雨水LID技術(shù)，在徑流水量、水質(zhì)調(diào)控方面具有較好效果[1]，已被美國、瑞典、新西蘭、加拿大、日本、澳大利亞、韓國等廣泛采用。它是通過增加水分的蒸發(fā)與滲透來模擬自然的水文過程，從而達(dá)到對雨水的滯留與凈化[2]，主要用于對小概率暴雨和高頻率小降雨事件的初期雨水進(jìn)行處理，而超出生物滯留系統(tǒng)處理能力的雨水則可由溢流系統(tǒng)進(jìn)行排放[3-5]。

植物對生物滯留池有著直接和間接的雙重影響[6]。直接影響包括降解有機(jī)物、吸收營養(yǎng)物質(zhì)和重金屬及保持土壤長期處于多孔結(jié)構(gòu)等。特別是夏季和春季，植物生長過程中吸收的氮和磷通過植物收割可徹底去除。間接影響在于植物通過為生物滯留池提供有機(jī)物、改變土壤pH、改善干燥期和水分滯留環(huán)境等方式，對土壤根際和非根際區(qū)域的微生物種群產(chǎn)生影響[7]。

填料對生物滯留系統(tǒng)功能的發(fā)揮起著關(guān)鍵作用，尤其在保持生物滯留設(shè)施內(nèi)的排水性、磷素的有效去除及植物的正常生長具有重要意義[8]。國外已有生物滯留相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范和關(guān)于填料的選擇標(biāo)準(zhǔn)，同時(shí)，也對填料做了進(jìn)一步改良。但是，國內(nèi)大多仍借鑒國外研究經(jīng)驗(yàn)對填料進(jìn)行改良。早期，設(shè)施內(nèi)的填料比較單一，主要為天然種植土，它們的滲透性大多較好，如砂壤土[9]。隨著相關(guān)研究和實(shí)踐的發(fā)展，混合填料成為生物滯留設(shè)施的推薦填料，主要有沙、表層土和有機(jī)物料及改良劑的混合填料等。

目前，國內(nèi)外大量專家致力于研究生物滯留設(shè)施對水質(zhì)的凈化問題，其中微生物扮演著重要角色。微生物參與氨化、硝化、反硝化作用，從而達(dá)到脫氮除COD的目的，它還能富集水中的磷，從而達(dá)到除磷的目的；在微生物對重金屬的轉(zhuǎn)化中，可以借鑒土壤污染微生物修復(fù)經(jīng)驗(yàn)，利用微生物代謝活動(dòng)，降低土壤環(huán)境中的重金屬含量，或通過改變重金屬在土壤中的化學(xué)形態(tài)來降低重金屬對生物的毒性[10]。雨水徑流中還含有一些難降解的有毒有機(jī)物，而微生物技術(shù)具有其他技術(shù)手段無法比擬的優(yōu)勢，已成為世界各國科學(xué)家改良和修復(fù)生物滯留系統(tǒng)研究的前沿領(lǐng)域之一[11]。

筆者在總結(jié)近些年研究成果的基礎(chǔ)上，主要就植物選擇、填料優(yōu)化、高效微生物篩選等進(jìn)行了總結(jié)和分析，歸納并提出了關(guān)于生物滯留系統(tǒng)亟待解決的關(guān)鍵問題，以期為生物滯留系統(tǒng)的改進(jìn)、優(yōu)化和提效提供參考。

1 生物滯留池對徑流中污染物質(zhì)的凈化效果與機(jī)理

生物滯留池包括植被層、種植土層、填料層和礫石層，主要依靠植物的同化吸收作用、土壤中微生物的修復(fù)作用、填料的物理過濾、吸附、離子交換以及礫石層的固體沉淀作用等來凈化徑流雨水中的污染物質(zhì)[12]。生物滯留池對徑流中總懸浮顆粒物、重金屬、油脂類及致病菌等污染物有較好的去除效果且較為穩(wěn)定，而對氮、磷等營養(yǎng)物質(zhì)的去除效果相對不穩(wěn)定（表1）。

對氮的研究結(jié)果表明，生物滯留系統(tǒng)對NH+4-N的去除效果較好，去除率均在60%以上；而對TN和NO-3-N的去除率波動(dòng)較大。有學(xué)者研究表明，TN、NO-3-N不但沒有得以去除，而且出現(xiàn)了出水濃度高于進(jìn)水的現(xiàn)象[28]。雨水徑流中氮的賦存形態(tài)包括有機(jī)氮和無機(jī)氮，具體可分為顆粒有機(jī)氮（particulate organic nitrogen，PON）、溶解有機(jī)氮（dissolved organic nitrogen，DON）和無機(jī)氮（dissolved inorganic nitrogen，DIN），而無機(jī)氮主要有NH+4-N、NO-2-N和NO-3-N3種形式。在生物滯留池中，PON主要隨徑流中的TSS，通過過濾、沉淀和吸附等作用被滯留[29]；DON則可在微生物的作用下，最終轉(zhuǎn)化為NH+4-N或NO-3-N。在無機(jī)氮去除方面，生物滯留池中的土壤顆粒帶負(fù)電荷，NH+4-N帶正電容易被吸附；同時(shí)，植物根系的氧氣傳輸作用以及種植土層與填料層的較大顆?？紫叮墒股餃舫貎?nèi)處于好氧狀態(tài)，更有利于硝化反應(yīng)，因此對NH+4-N的去除效果較好。與NH+4-N相比，生物滯留池對NO-3-N的去除難度較大。研究發(fā)現(xiàn)，在底部設(shè)置淹沒厭氧區(qū)并投加碳源，可使生物滯留系統(tǒng)對NO-3-N的去除率提高至75%；而無這種設(shè)置，去除率僅為13%，但碳源的加入量必須嚴(yán)格控制，否則會(huì)造成填料中的氮營養(yǎng)物本底值過高，導(dǎo)致淋洗作用下出流水質(zhì)惡化[30]。研究還發(fā)現(xiàn)，若沒有反硝化反應(yīng)或沒有足夠的反硝化作用，在持續(xù)干旱后NO-3-N的淋洗效果會(huì)更強(qiáng)，而設(shè)置淹沒厭氧區(qū)和投加碳源會(huì)抵抗這種不利影響[31]。氮在生物滯留系統(tǒng)內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化見圖1。

對磷的研究結(jié)果表明，生物滯留池對TP 的去除效果與TN、NO-3-N類似，波動(dòng)性較大。城市徑流中的磷按物理形態(tài)可分為顆粒態(tài)磷（particulate phosphorus，PP）和溶解態(tài)磷（dissolved phosphorus，DP）。PP隨著徑流中的TSS，主要依靠過濾、吸附和沉淀作用去除；DP相對于PP較難去除，主要通過填料吸附、植物吸收及微生物轉(zhuǎn)化等作用去除。研究表明，DP易與填料中的金屬物質(zhì)反應(yīng)，生成顆粒態(tài)金屬鹽沉淀得以去除[32-33]。因此，生物滯留池中填料對磷的去除影響較大，尤其是填料中磷的本底值及后期被吸附DP的解吸。磷在生物滯留系統(tǒng)內(nèi)的遷移轉(zhuǎn)化如圖2所示。

2 生物滯留設(shè)施的植物選擇

2.1 植物選擇的原則

生物滯留系統(tǒng)作為一種有效的雨水收集和凈化系統(tǒng)，應(yīng)符合以下原則：優(yōu)先選用本土植物，對不同生長環(huán)境都有一定的適應(yīng)能力；選用莖葉茂盛、根系發(fā)達(dá)、凈化能力強(qiáng)的植物；選用既耐澇又具有一定抗旱性的植物；選擇生物量大、生長周期短的植物；有經(jīng)濟(jì)價(jià)值和景觀效果，不是入侵物種[34]。

2.2 適宜生物滯留設(shè)施的植物

生物滯留設(shè)施通過植物、土壤的作用對地面徑流進(jìn)行滯留、凈化、滲透及排放。在生物滯留設(shè)施中，根據(jù)土壤等級(jí)及蓄水池位置的不同分為2個(gè)區(qū)塊，緩沖區(qū)：只需要承受季節(jié)性水淹，被淹時(shí)間較短，同時(shí)具有較強(qiáng)的抗旱和抗雨水沖刷能力；淹沒區(qū)：應(yīng)能耐周期性水淹、根系發(fā)達(dá)、凈化污水能力強(qiáng)，且有一定的抗旱能力[35]。按特性、不同區(qū)塊、適用地域劃分的適宜生物滯留設(shè)施的植物見表2。

3 生物滯留系統(tǒng)填料的選擇

3.1 填料的組成及配比

由于不同地區(qū)土壤類型的不同，所選填料組成及配比也會(huì)有差異。選擇填料時(shí)，應(yīng)綜合考慮填料的滲透系數(shù)及對污染物負(fù)荷的去除效果等。國外設(shè)計(jì)手冊最初選用高滲透率的天然土壤，認(rèn)為壤質(zhì)砂土、砂質(zhì)壤土、壤土是生物滯留系統(tǒng)的最佳土壤類型[41]。而如今，推薦使用滲透性能良好的土壤為基底，并含一定有機(jī)質(zhì)的填料混合物[22]。國內(nèi)外一些研究及設(shè)計(jì)規(guī)范推薦的填料組成及配比見表3。

胡愛兵等[42]研究提出，當(dāng)營養(yǎng)土含量為5%～10%時(shí)，對雨水徑流中SS、TN、NH+4-N、TP和COD的去除效果較好。潘國艷等[43]推薦的粗砂和炭土的組合成本相對較低，但去除效果不明顯；美國特拉華州和馬里蘭州[44-45]推薦的填料組成為砂壤土、樹葉堆肥與覆蓋物的混合物，對污染物的去除效果較差，且成本相對較高。美國北卡羅來納州[46]及澳大利亞莫納什大學(xué)生物滯留技術(shù)推廣協(xié)會(huì)（FAWB）[47]推薦的填料配比，其中有機(jī)質(zhì)和礦物質(zhì)添加過多，導(dǎo)致氮及磷的本底值過高，甚至出現(xiàn)淋洗現(xiàn)象，造成硝氮及磷的出流濃度高于入流濃度。

3.2 填料的改良和優(yōu)化

生物滯留系統(tǒng)對硝態(tài)氮及TP的去除效果不穩(wěn)定，為了提高生物滯留池中脫氮除磷效果的技術(shù)研究，各國專家致力于研究不同填料組合并加入不同配比的改良劑，以達(dá)到更好地去除污染物的效果。近年來國內(nèi)外主要填料優(yōu)化措施及效果見表4。

Ergas等[48]研究發(fā)現(xiàn)，分別添加硫粒+牡蠣殼及楓樹木屑+樺樹木屑2種條件下，生物滯留設(shè)施對農(nóng)業(yè)徑流中TN的去除效果較好。Randall等[49]以含發(fā)酵木材或未發(fā)酵木材的砂壤土為基礎(chǔ)，進(jìn)行添加吸附介質(zhì)試驗(yàn)對比，結(jié)果表明，在添加質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.7%碎報(bào)紙及14.0%含鑭膨潤土后，NO-3-N的去除率可高達(dá)98%以上。Bratieres等[50]利用砂壤土作為填料，并加入珍珠巖及蛭石的混合物，對污染物有較好的凈化效果，表明珍珠巖和蛭石可能對去除重金屬有較好的效果。Wei等[52]在比例為98%砂、2%黏土填料中，添加5%粉煤灰，TP去除率可達(dá)85%，且很少有磷從填料中解吸。ONeill等[53]將5%給水混凝鋁污泥、3%碎硬木樹皮、71%砂壤土、22%砂（質(zhì)量比）混合，發(fā)現(xiàn)對TP的去除率可達(dá)88.5%，出流濃度小于25 μg/L。Lucas等[54]研究發(fā)現(xiàn)，生物滯留池去除磷的機(jī)制是PO3-4與填料間的吸附或沉淀反應(yīng)。侯立柱等[21]推薦填料組合為無砂混凝土+中粉質(zhì)壤土、中砂+砂礫料+中粉質(zhì)壤土，NH+4-N、TN、TP去除率分別達(dá)80%、90%、50%以上，出水達(dá)到地表水二類水質(zhì)排放標(biāo)準(zhǔn)。周棟等[55]使用比例為3∶7的沸石和麥飯石的混合填料，發(fā)現(xiàn)TN去除率為85.28%，TP去除率為94.59%，且效果穩(wěn)定。王建軍等[56]以95%～96%基礎(chǔ)介質(zhì)（30%土壤、 65%建筑黃砂、5%木屑）、4%給水混凝鋁污泥（質(zhì)量比）為填料連續(xù)運(yùn)行210 d后，得出出水TP濃度小于0.05 mg/L，優(yōu)化后填料吸附能力增強(qiáng)。此外，粉煤灰對磷的去除效果很好[57]，90%河沙、5%粉煤灰及5%有機(jī)質(zhì)組成的混合填料，對TP去除率高達(dá)92.06%～97.10%，且吸附效果穩(wěn)定[58]。還有研究發(fā)現(xiàn)，添加碳源且有450 mm內(nèi)部存水區(qū)的土柱對硝氮去除率高達(dá)100%，總氮去除率始終超過70%[59-60]。生物滯留池添加的有機(jī)碳源主要包括棉花、麥秸稈、樹皮、報(bào)紙、豌豆稈、糖漿木屑、落葉堆肥、鋸末等，無機(jī)碳源則主要采用元素硫及硫-石灰混合物[61-62]。Zhu等[63]在12種填料中研究發(fā)現(xiàn)，Ca的含量與磷吸附量相關(guān)性最強(qiáng)，且表面電荷較多、比表面積較大的氧化鋁或氧化鐵，也可作為磷的吸附介質(zhì)[64]。同時(shí)，為了提高填料的吸附能力，建議向填料中添加一些吸附能力強(qiáng)、比表面積大、通透性好的介質(zhì)，如粉煤灰、沸石、鋼絲絨、石灰石及蛭石等[65]。

4 生物滯留系統(tǒng)中高效微生物研究

雨水徑流中含有難降解有毒有機(jī)物（如多環(huán)芳烴、多氯聯(lián)苯、多氯苯酚、多氯苯胺、苯酚等）、重金屬，學(xué)者為了降低生物滯留系統(tǒng)中土壤污染程度和地下水污染風(fēng)險(xiǎn)，逐漸重視對難降解污染物的高效微生物的培養(yǎng)、馴化等研究工作[66]。

微生物不但在脫氮除磷方面有著很好的效果[67]，而且具有特定功能的微生物通過生物代謝產(chǎn)物能促使重金屬在土壤中的化學(xué)形態(tài)發(fā)生改變，從而影響其遷移性和生物有效性，使重金屬固定或毒性降低[68]。重金屬的形態(tài)被Tessier等[69]劃分為鐵錳氧化物結(jié)合態(tài)、有機(jī)物結(jié)合態(tài)、碳酸鹽結(jié)合態(tài)、可交換態(tài)和殘?jiān)鼞B(tài)5種形態(tài)，不同形態(tài)的重金屬?zèng)Q定了其遷移性和有效性。微生物對重金屬的修復(fù)機(jī)制主要通過生物富集和轉(zhuǎn)化作用，在重金屬的轉(zhuǎn)化過程中，還可以借鑒土壤污染的治理和修復(fù)。

在降解有毒有機(jī)物方面，微生物在生物滯留系統(tǒng)中起著重要作用?，F(xiàn)今，學(xué)者已經(jīng)篩選出了一些針對難降解有機(jī)有毒污染物的高效降解菌。關(guān)于重金屬轉(zhuǎn)化和有機(jī)污染物降解的高效菌見表5。

在篩選高效的污染物降解菌方面，國內(nèi)外學(xué)者采用了多種有效技術(shù)，如傳統(tǒng)分離與馴化、誘變技術(shù)、細(xì)胞融合技術(shù)、基因重組技術(shù)等，已發(fā)現(xiàn)包括梭菌、脈胞菌、假單胞菌等細(xì)菌和真菌均具有降解甲基化汞的能力；銅綠假單胞菌、金黃色葡萄球菌、大腸埃希式菌等能使無機(jī)汞和有機(jī)汞轉(zhuǎn)化為單質(zhì)汞[70]。夏利江等[71]研究發(fā)現(xiàn)，假單胞桿菌K-62能分解無機(jī)汞和有機(jī)汞。As3+、Fe2+、Mn2+等能被假單胞菌桿菌氧化且活性降低。土壤中含有大量的產(chǎn)堿菌屬、腸桿菌屬、棒桿菌屬、芽孢桿菌屬、微球菌屬和假單胞菌屬等，陰溝腸桿菌H01菌株可以使Cr6+（毒性高）還原為Cr3+（毒性低）[72]。曹德菊等[73]利用大腸桿菌（Escherichia coli）、枯草桿菌（Bacillus subtili）、酵母菌（Saccharom sp.）對重金屬離子Cu、Cd進(jìn)行了生物修復(fù)試驗(yàn)，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，修復(fù)性能與重金屬含量有關(guān)，當(dāng)環(huán)境中Cu、Cd低于5 mg/kg時(shí)，微生物具有良好的修復(fù)效果。黑根霉（Rhizopus nigricans）可大量快速地吸附多種重金屬離子，如Cu2+、Ni2+、Pb2+、Zn2+、Cd2+等[74]。Amoroso等[75]研究發(fā)現(xiàn)，汞礦附近土壤的菌根菌和腐殖質(zhì)分解菌能夠大量富集土壤中的Hg。4環(huán)以上PAHs的高效降解菌多為真菌菌株，主要有白腐菌（Whiterot fungi）、煙管菌（Bjerkandera adusta）等。大量研究表明，白腐菌能夠產(chǎn)生胞外和胞內(nèi)酶，如木素過氧化物酶、錳過氧化物酶、漆酶等，具有降解多環(huán)芳烴的能力[76-77]。在具有多氯聯(lián)苯的水體中投放（Arthrobacter sp.B1B和Rhodococcus sp.M5），持續(xù)監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，多氯聯(lián)苯含量明顯呈下降趨勢[78-79]。分別比較接種三氯苯胺降解菌（Comamonas testosteroniI2）的強(qiáng)化系統(tǒng)與非接種的強(qiáng)化系統(tǒng)受到三氯苯胺沖擊時(shí)，前者明顯有很強(qiáng)的抗沖擊性[80]。Tartakovsky等[81]研究表明，Desulfitobacterium frappieri PCP1對五氯苯酚具有一定的降解作用。Farrell等[82]研究了投加二氯酚復(fù)合高效降解菌的強(qiáng)化系統(tǒng)和不加降解菌的對照系統(tǒng)受到（2，4-二氯酚）間歇性負(fù)荷沖擊時(shí)，前者有明顯的對污染物的響應(yīng)及系統(tǒng)穩(wěn)定性。Da等[83]和Deeb等[84]研究發(fā)現(xiàn)，（Methanogenic consortia，Rhodococcus sp.RR1，Rhodococcus sp.RR2）對苯、甲苯、乙苯、二甲苯的混合物有較好的降解效果。Rousseaux等[89]研究表明Atrazine Chelatobacter heintziiCit1對除草劑有較好的去除效果。

5 展望

目前，國內(nèi)對生物滯留系統(tǒng)的凈化效果、植物的選擇和填料的優(yōu)化以及微生物的篩選都有研究，雖然生物滯留技術(shù)的研究已取得較大進(jìn)展，但仍有一些問題有待進(jìn)一步的研究：

（1）關(guān)于植物選擇方面，由于植物的地域性特征和類型不同，且對生物滯留池中氮、磷等污染物的去除效果差異明顯，因此應(yīng)加強(qiáng)對本土植物進(jìn)行篩選研究，獲得耐旱、耐澇、凈化能力強(qiáng)等高效植物。

（2）在填料優(yōu)化方面，生物滯留系統(tǒng)內(nèi)填料的組成及配比非常重要，是系統(tǒng)功能發(fā)揮的關(guān)鍵因素。應(yīng)結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，研究生物滯留系統(tǒng)適宜的填料類型，并且在填料中加入不同配比的改良劑。除筆者指出的改良劑，還可以考慮黏土礦物、生物炭、納米顆粒和表面活性劑等新型改良劑。這些是該技術(shù)在推廣應(yīng)用的關(guān)鍵問題之一。

（3）關(guān)于微生物方面，需要改進(jìn)篩選和馴化高效微生物降解菌的技術(shù)，研究提高微生物降解菌存活能力和降解活性的方法，以及檢測其代謝產(chǎn)物的安全性技術(shù)；加大力度將高效生物降解菌應(yīng)用于生物滯留系統(tǒng)的水質(zhì)凈化與土壤修復(fù)；進(jìn)一步開展高效復(fù)合菌的研究及其與應(yīng)用技術(shù)相結(jié)合的發(fā)展研究。

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