生物滯留池對氮磷去除的研究

文_劉早紅 蔡官軍 徐晨 南昌大學建筑工程學院

水體富營養(yǎng)化已成為我國目前面臨的重大水環(huán)境問題之一，而氮和磷是引發(fā)水體富營養(yǎng)化的主要元素。由于受到降雨徑流中氮和磷的污染，大部分的河流水環(huán)境水文和水質(zhì)功能退化。所以，高效控制氮磷污染意義十分重大。

為了解決這些問題，生物滯留系統(tǒng)（一種新興的LID 調(diào)控措施）于20 世紀90 年代初期在美國被提出，它作為一種能從源頭控制雨洪規(guī)模的最佳管理方法(BMPs)在全國各地逐漸廣泛發(fā)展應用起來。

生物滯留池具有諸多優(yōu)點：對雨水徑流高效的截留能力、對水質(zhì)有著較好的控制能力以及對污染物總量削減能力等，因此得到廣泛研究與推廣應用。然而，在生物滯留系統(tǒng)中，脫氮除磷的過程是非常復雜的，因為氮磷的存在形態(tài)的多樣性，而生物滯留池內(nèi)部仍然存在著許多復雜的物理化學和生物作用過程，包括吸附、過濾、沉淀、礦化和生物同化等。另外，填料層和植被中的磷析出可能導致磷的出水濃度高于進水濃度，這也正是導致系統(tǒng)對磷的去除效果變化較大的原因。目前，采取增設淹沒區(qū)、優(yōu)選植物種類、補充碳源、優(yōu)化填料配比等手段，是為提高氮磷去除效果采用的主要措施。有研究表明，為了提高氮素去除率，在生物滯留池底部創(chuàng)建淹沒區(qū)可構(gòu)成反硝化條件；另外通過選擇合適的種植植物也可以提高氮磷的綜合去除效果。對于磷的去除，填料性能特別是化學吸附特性是決定生物滯留池除磷效果的最主要因素，有研究通過添加水處理殘渣或者硫酸鋁來改良填料以提高磷的去除效果。

目前，國內(nèi)已有對生物滯留系統(tǒng)去除氮素的研究評述以及生物滯留設施對磷去除的研究評述，而對生物滯留池同步去除氮磷的研究較少。因此，本文在總結(jié)近幾年的研究成果基礎上，主要就生物滯留池技術(shù)結(jié)構(gòu)、脫氮除磷機理、國內(nèi)外脫氮除磷現(xiàn)狀進行了較為細致深入的研究和分析，歸納并提出了幾個亟需解決的關(guān)鍵問題，為生物滯留池技術(shù)的設計與推廣應用提供了有效的借鑒和參考。

1 生物滯留池結(jié)構(gòu)

一般情況，當集水區(qū)面積不大于0.5hm2時，生物滯留池設計面積為集水區(qū)面積的4%～7%。生物滯留池的結(jié)構(gòu)主要分為五層，從上到下依次為蓄水層、種植土層、人工填料層、礪石排水層。蓄水層厚度為100 ～250mm，還應留有100mm 的超高；種植土層的厚度一般為250mm，但應根據(jù)系統(tǒng)所選植物類型而定，土壤應該選用滲透性較好的砂質(zhì)土壤；人工填料層一般為50 ～120cm，填充土壤、沙子和有機物的混合材料，所選材料應有滲濾速度較大，凈化效果較好等性質(zhì)；礫石層厚度一般為200 ～300mm，由粒徑為12 ～35mm 的礫石顆粒組成，在其中應埋置的穿孔管，為系統(tǒng)排水所用。

2 生物滯留設施去除雨水中氮磷的機理

在道路徑流雨水通過生物滯留池時，雨水中氮磷等化學污染物的去除主要是降雨期間被截留和間隔期被同化。在降雨期間，系統(tǒng)對氮磷等污染物的吸收和去除主要是截留作用。降雨初期的徑流雨水帶走大氣中灰塵、沖刷屋頂和路面后的沉積物，隨后進入生物滯留池。大顆粒的雜質(zhì)在蓄水層中逐漸沉淀到底部，而植物、土壤和填料的作用都會在雨水下滲后將溶解污染物截留去除。在降雨間隔期，污染物主要在植物根系發(fā)生同化作用，在填料層發(fā)生離子交換吸附和系統(tǒng)中的微生物吸收轉(zhuǎn)化和降解作用得到去除。

2.1 氮的去除原理

徑流雨水中的氮元素主要分為兩大類：有機氮和無機氮。有機氮由尿素、氨基酸和蛋白質(zhì)組成，無機氮由銨、硝酸鹽和亞硝酸鹽組成。無機氮一般不容易被生物滯留系統(tǒng)除去，它經(jīng)歷了一系列的生物反應過程，如氨化、硝化和反硝化。另外，無機氮可以先被植物或微生物同化和固定化，在生物的作用下轉(zhuǎn)化為有機氮，再通過浸出、生物死亡等途徑返回氮循環(huán)系統(tǒng)，再通過礦化作用釋放，然后釋放的氮可被微生物迅速吸收。氨氮被氧化成硝酸鹽，硝酸鹽在缺氧的環(huán)境下得到電子，然后再通過反硝化作用硝酸鹽轉(zhuǎn)化成氮氣釋放到空氣中，而有機氮的化合物則在微生物的一系列作用下轉(zhuǎn)化為氨氮。

2.2 磷的去除原理

徑流雨中的磷主要分為顆粒態(tài)磷PP 和溶解態(tài)磷DP。在生物滯留池中，磷的去除主要由系統(tǒng)的滲透、過濾、吸附離子交換、植物吸收、微生物攝取、揮發(fā)、蒸發(fā)等聯(lián)合作用。對雨水徑流中磷的去除可分為兩個方面：介質(zhì)層的物理化學作用和生物的吸收同化作用。通常介質(zhì)層吸附磷的過程分為快反應和慢反應。填料表面吸附捕獲PP以及介質(zhì)中的金屬離子與DP 結(jié)合成磷酸鹽，最后更換介質(zhì)表層即可去除滯留的磷。生物的吸收同化作用則主要為微生物通過好氧過程和厭氧過程對徑流雨水中的磷進行降解轉(zhuǎn)化無機鹽，植物生長發(fā)育過程將吸收利用這部分無機鹽，最后固化在植物中的磷元素則可通過收割植物的方式得到去除。

3 去除氮磷技術(shù)優(yōu)化研究

目前，國內(nèi)外許多專家和學者都做了大量關(guān)于生物滯留池對氮、磷污染物去除的優(yōu)化技術(shù)研究，主要重點集中在生物滯留池結(jié)構(gòu)改進技術(shù)、填料組成和性能優(yōu)化、植物優(yōu)選等方面。對于脫氮性能的影響因素，主要有以下幾個方面的研究：填料改性，設置淹沒區(qū)及增加碳源。目前，大部分生物滯留池結(jié)構(gòu)無法為反硝化創(chuàng)造嚴格厭氧條件和保證充足碳源，難以實現(xiàn)反硝化過程。因此，如何在生物滯留池內(nèi)構(gòu)建嚴格的厭氧反硝化條件和補充充足的碳源，這是提高生物滯留池脫氮效率的關(guān)鍵。

3.1 填料改性

仇付國等為提高系統(tǒng)對硝氮的去除效果，嘗試采用沸石作為滯留系統(tǒng)的基質(zhì)填料，并在系統(tǒng)底部設置淹沒區(qū)創(chuàng)造缺氧環(huán)境，結(jié)果表明系統(tǒng)氨氮的去除均沒有大的變化，但對系統(tǒng)中硝態(tài)氮的平均去除率則上升為74%。也有相關(guān)研究結(jié)果表明，系統(tǒng)對磷的去除主要依靠植物和填料對徑流雨水中磷的吸附、過濾等物理作用以及化學作用。Zhu 等在5 種輕質(zhì)填料中在加入重金屬鎂、鈣、鋁、鐵探究填料對磷的去除能力，結(jié)果表明重金屬的含量與其對磷的吸附量的關(guān)系最為密切，并且在這幾種重金屬中，磷的吸附量與填料中鈣含量的相關(guān)性最好，相關(guān)系數(shù)可高達0.9。因此為提高填料對磷的吸附能力，可在填料中添加含鈣、鐵、鋁等天然礦物質(zhì)等以達到效果。

3.2 植物優(yōu)選

研究表明，植物可以通過直接或者間接作用對氮磷等污染物的去除產(chǎn)生影響。然而Claire P 等在實驗中發(fā)現(xiàn)TP 的去除與植物無關(guān)，植物能顯著影響NO3的去除。

4 結(jié)論與展望

4.1 厭氧區(qū)的高度設置

在生物滯留池底部設置淹沒區(qū)能夠提供反硝化所需的條件穩(wěn)定的厭氧條件，盡可能的為雨前干旱期提供穩(wěn)定的有利條件。然而反硝化作用對系統(tǒng)整體脫氮除磷的提高有多大的貢獻程度這一問題還沒有得到解決，因此還應深入探究厭氧區(qū)設置對脫氮除磷進程的影響。另外，在設置厭氧區(qū)時還應考慮到硝化作用和反硝化作用的速率平衡問題。

4.2 脫氮與除磷的平衡

脫氮與除磷之間的矛盾始終是生物滯留池系統(tǒng)中的難點問題。如何在營造厭氧區(qū)的情況下避免除磷效果的惡化這一問題也值得深度研究。

4.3 植物品種選擇

在生物滯留系統(tǒng)中，植物可以起到吸收污染物質(zhì)的作用，并且隨著植物的生長周期達到持續(xù)處理的效果，同時又豐富了系統(tǒng)的生物多樣性，起到美觀作用。但是植物的生長和對污染物的吸收受到植物的種類、氣候的變化、系統(tǒng)的土質(zhì)等多種因素綜合影響，因此如何選擇合適的植物，對提高生物滯留池處理效能具有十分重要的實際意義。

4.4 系統(tǒng)修復問題

生物滯留池中的填料，無論是吸附氮磷還是其他污染物質(zhì)，都是具有一定的吸附能力，一旦當?shù)匚廴疚镞_到較高的閥值，填料達到飽和值以后，如何對系統(tǒng)進行修復也是值得研究的問題。