生物滯留池去除雨水徑流中氮磷的現(xiàn)狀分析

徐雪婧，王 欣

(1.中國電建集團(tuán)江西省電力設(shè)計(jì)院有限公司，南昌 330031；2.中國電建集團(tuán)江西省電力設(shè)計(jì)院有限公司，南昌 330031)

引言

近年來，城市化的迅速發(fā)展導(dǎo)致不透水路面的增多，從而帶來一系列的水環(huán)境問題。在城市面對(duì)強(qiáng)降雨天氣時(shí)，雨水無法及時(shí)排出造成城市內(nèi)澇，城市地表也因雨水所帶的污染物所污染，周龍[1]指出城市地表的污染僅次于農(nóng)業(yè)污染的第二大面源污染。為了號(hào)召國家可持續(xù)發(fā)展的戰(zhàn)略，越來越多的雨水處理措施應(yīng)用在實(shí)際中。生物滯留池作為一個(gè)典型的雨水處理措施，對(duì)雨水徑流水質(zhì)方面具有良好的處理效果。本文就生物滯留池的組成及功能進(jìn)行簡單的介紹，分析了生物滯留池強(qiáng)化去除氮磷的途徑，并對(duì)生物滯留技術(shù)提出展望。

1 生物滯留池簡介

生物滯留池是指利用植物、微生物以及土壤之間的關(guān)系來處理雨水中的污染物，包括沉淀、過濾、還原、微生物作用等，是集物理、化學(xué)、生物為一體的過程[2]。生物滯留池包括蓄水層、植被層、填料層以及排水層，如圖1[3]。

圖1 生物滯留池構(gòu)造示意圖

1.1 蓄水層

蓄水層作為生物滯留池的首層結(jié)構(gòu)，主要的作用是儲(chǔ)存并且預(yù)先處理要流入的雨水[4]，給雨水提供暫時(shí)滯留的空間，并且對(duì)于整個(gè)結(jié)構(gòu)起到一個(gè)緩沖的作用。

1.2 植被層

植被層作為生物滯留池結(jié)構(gòu)的第二層，對(duì)蓄水截污有一定的影響，一方面可以攔截在雨水沖刷下的顆粒，并且防止土壤被沖刷造成水土流失，另一方面，植被層可以減緩形成雨水徑流的速度，有一定蓄水能力。在選擇植物種類的時(shí)候，應(yīng)考慮選用根系發(fā)達(dá)穩(wěn)固、耐澇耐旱的植物，有學(xué)者提出八寶景天和鳶尾[5]對(duì)生物滯留池出水效果較好且應(yīng)用廣泛。

1.3 填料層

填料層作為生物滯留池中最為重要的一層，它不僅能作為植物的載體，還具有一定的吸附截留作用。常見的填料類型有沸石、蛭石、珍珠巖等[6]，許航等[6]通過對(duì)這幾種常見的填料進(jìn)行吸附效果研究，試驗(yàn)結(jié)果表明蛭石和沸石對(duì)氨氮、總氮、總磷等的吸附效果較好。王玉冰等[7]用沸石作為填料來探討除污效果，研究表明沸石對(duì)TP的去除率較低，可能的原因是填料對(duì)TP的吸附性較差，另一方面也可能是因?yàn)樘盍媳旧碛蠵析出，甚至去除率出現(xiàn)負(fù)值。

1.4 排水層

排水層起到臨時(shí)儲(chǔ)存水的作用，在生物滯留池的底部設(shè)立穿孔管接雨水灌渠[8]，能為雨水提供儲(chǔ)蓄空間，并作為最后一道過濾工序，設(shè)置排水管直徑為50 mmm-100 mm，最后雨水排入水管后再進(jìn)行循環(huán)利用。

2 生物滯留池強(qiáng)化去除氨氮途徑

傳統(tǒng)的生物滯留池對(duì)氨氮去除效果有一定的限制，有學(xué)者提出通過對(duì)生物滯留池進(jìn)行改良，來提高對(duì)氮磷的去除效果。至今研究的改良技術(shù)，需要結(jié)合經(jīng)濟(jì)及技術(shù)兩方面來看。在適應(yīng)當(dāng)?shù)赝寥赖那疤嵯?，再考慮其改良技術(shù)的建設(shè)成本，因此改良技術(shù)需要結(jié)合改良材料以及施工技術(shù)。目前，常見的改良手段包括改變填料配比、添加生物炭、內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化等[9]。

2.1 改變填料配比

為了提高生物滯留池對(duì)雨水徑流的凈化效果，填料的單一性往往不能滿足研究學(xué)者對(duì)好的效果的追求，在此基礎(chǔ)上，愈來愈多的研究重點(diǎn)放在幾種不同配比填料上。李大超等[10]考察火山巖、沸石、草炭土以及凹凸棒粉末這四種填料不同配比對(duì)氨氮和COD的去除效果，結(jié)果表明沸石能在一定的程度上去除氨氮，草炭土的去除效果明顯。填料對(duì)污染物的去除主要是以離子交換和吸附為主，有學(xué)者[11]提出沸石去除氨氮的原理是溶液與沸石表面形成的氨氮濃度差，造成氨氮向沸石遷移，從而達(dá)到去除氨氮的效果。萬哲希等[12]使用發(fā)酵木屑作為基質(zhì)的有機(jī)成分，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明對(duì)徑流中的總氮、總磷等污染物具有較好的去除效果，其中對(duì)總氮的平均去除率能達(dá)到37.8%。雷曉玲等[13]選取蛭石、火山石、沸石這三種除氮性能較好的填料按照不同的體積比混合，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明在于土壤混合時(shí)，蛭石為35%、沸石為35%和火山巖為20%時(shí)的配比為最佳配比，對(duì)氨氮的去除率可高達(dá)95%左右。

2.2 添加生物炭

相關(guān)的研究表明，生物炭可以用于土壤中，可以幫助土壤保持水分并且去除污染物[14]。在生物滯留池中添加生物炭的技術(shù)措施研究較少，這項(xiàng)技術(shù)作為一種改良技術(shù)也逐步地應(yīng)用于海綿城市生物滯留池中。湯逸帆等[15]就添加生物炭進(jìn)行對(duì)照實(shí)驗(yàn)，試驗(yàn)表明添加生物炭后的土壤填料對(duì)凈化雨水徑流的效果有大幅度的提高，這也初步判定了生物炭作為土壤填料的可行性。饒凱[16]采用生物炭作為改良填料應(yīng)用于生物滯留池中，試驗(yàn)表明生物炭占比的因素影響顯著，對(duì)填料蓄水性能的影響可以用下式表示：生物炭占比>土壤占比≈生物炭種類。生物炭作為土壤填料的可行效果得到一致的認(rèn)可后，但基于經(jīng)濟(jì)和技術(shù)的綜合性因素考慮，有學(xué)者[17]將鐵改性生物炭和普通生物炭進(jìn)行對(duì)比研究，試驗(yàn)結(jié)果表明添加普通生物炭的生物滯留池的性能較差，平均去除率不到60%，相反鐵改性生物炭的生物滯留池性能較好。更有學(xué)者提出生物炭組合的強(qiáng)化方式來探究生物滯留池對(duì)COD、NH4+-N、TN、TP的去除效果，引入了活性炭、導(dǎo)線、活性炭加導(dǎo)線和內(nèi)加催化鐵這四種方式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明添加了活性炭的實(shí)驗(yàn)組的吸附能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于未添加的，對(duì)總氮的去除率提高了10%～20%[18]。

2.3 內(nèi)部結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

為了使反應(yīng)更好的進(jìn)行，通過改造生物滯留池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)來促進(jìn)反應(yīng)的進(jìn)行。促進(jìn)硝化反應(yīng)，可以改善上層填料的結(jié)構(gòu)，形成好氧條件；促進(jìn)反硝化反應(yīng)，可在下層填料中形成好氧條件[19]。此外，生物滯留池存在介質(zhì)堵塞的問題，在其長期運(yùn)行的過程中，顆粒固體、雜質(zhì)等在其某些介質(zhì)中堵塞，從而影響滲透性能。針對(duì)這個(gè)問題，有學(xué)者指出設(shè)置預(yù)處理措施，現(xiàn)研究的措施包括設(shè)置前置池、截污筐、截污掛籃等[20]。而在內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化這方面，除了改良填料，還可以對(duì)排水管進(jìn)行改良，在傳統(tǒng)的生物滯留池的底部會(huì)設(shè)置穿孔排水管，袁瑜蔓[21]選擇在礫石層結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上做出改良，首先控制礫石粒不超過30 mm，在排水管圈外包裹一層透水土工布，再將PVC材質(zhì)的排水管換成雙壁波紋滲透管，結(jié)果表明在到達(dá)礫石層時(shí)除了少量的泥沙和水外，污染物較少，說明內(nèi)部結(jié)構(gòu)層優(yōu)化后，對(duì)處理效果大大提升。

3 結(jié)論及展望

生物滯留池作為雨水管理的重要措施之一，提高其蓄水能力和水質(zhì)凈化效果是研究的重點(diǎn)。大部分學(xué)者從生物滯留池的基本結(jié)構(gòu)去剖析，其中就包括了填料的配比及改性、基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)的改良等等，這些措施對(duì)于生物滯留池都具有較好的指導(dǎo)意義。在結(jié)合國內(nèi)外對(duì)生物滯留池的研究趨勢(shì)，建議未來的研究重點(diǎn)可以從以下幾個(gè)方面考慮。

(1)生物滯留池作為海綿城市重要雨水措施，應(yīng)該充分發(fā)揮出“滯、蓄、滲、凈”這四大功效。在進(jìn)行改良填料時(shí)，應(yīng)重點(diǎn)考慮改良填料的耐久性、是否會(huì)引起二次污染、填料的堵塞等方面；在進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)優(yōu)化時(shí)，要對(duì)其結(jié)構(gòu)滲透過程有一個(gè)詳細(xì)的研究，要凸顯生物滯留池各層的優(yōu)點(diǎn)，有效蓄水和凈水。

(2)在添加生物炭的改良措施中，應(yīng)該考慮生物滯留池在長期運(yùn)行中，生物炭的吸附能力是否減弱，生物炭本身是否村子結(jié)塊、壓實(shí)等情況，這些因素往往影響生物滯留池處理雨水徑流的效能。因此在今后的研究中可以加入對(duì)改良填料的使用壽命的研究。

(3)深入研究已有成果，對(duì)生物滯留池運(yùn)行的關(guān)鍵性的因素進(jìn)行探討，在未來的生物滯留池的設(shè)計(jì)中，如何通過控制關(guān)鍵因素的變化來實(shí)現(xiàn)其蓄水能力及凈化水質(zhì)能力的最大化，這是生物滯留池推廣運(yùn)用的關(guān)鍵問題所在。