生物滯留設(shè)施處理地表徑流污染物的試驗(yàn)研究

張海江 陳研 楊天宇 周峰

摘 要：在鎮(zhèn)江市室外配制3種不同質(zhì)量比的種植介質(zhì)，建設(shè)3個(gè)生物滯留設(shè)施，使用河水模擬地表徑流進(jìn)行中試試驗(yàn)，檢驗(yàn)生物滯留設(shè)施處理地表徑流污染物的效果。結(jié)果表明：3個(gè)生物滯留設(shè)施對(duì)污染物的消減效果差異不大; 在每一次試驗(yàn)中，其出水中的總磷和氨氮濃度較為穩(wěn)定，總氮濃度或穩(wěn)定或較大幅度地波動(dòng)，化學(xué)需氧量的濃度基本呈現(xiàn)先減小后增大的趨勢(shì)，總固體懸浮物的濃度呈現(xiàn)先下降后持平的趨勢(shì);在總共12次試驗(yàn)中，每次試驗(yàn)出水中總磷的平均濃度符合地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的Ⅱ類或Ⅲ類，氨氮符合Ⅱ類，總氮超出Ⅴ類，化學(xué)需氧量處于Ⅱ—Ⅳ類;對(duì)總磷、氨氮、總氮、化學(xué)需氧量和懸浮物的平均濃度消減率分別為81%～96%、78%～99%、-146%～98%、-27%～75%和14%～54%;氨氮的平均濃度消減率隨進(jìn)水濃度的增大而增大;總氮的平均濃度消減率基本呈現(xiàn)正負(fù)交替趨勢(shì)，隨進(jìn)水濃度相對(duì)增大而增大。本研究為在海綿城市建設(shè)中應(yīng)用涉及以土、椰糠和砂為材料的生物滯留設(shè)施提供一定參考。

關(guān)鍵詞：生物滯留設(shè)施;種植介質(zhì);椰糠;污染物指標(biāo);消減率

Abstract：In order to test the performance of bioretention system in treating surface runoff pollutants， three bioretention systems with three kinds of mass ratios of planting medias were designed and constructed outdoors in Zhenjiang City， then mesocosms of bioretention system were implemented by river water to simulate surface runoff. The results showed that there was no significant difference among the three bioretention systems in terms of pollutant reduction. The concentrations of total phosphorus （TP） and ammonia nitrogen （NH+4-N） in the effluent of the bioretention systems were relatively stable in one test， and the concentration of total nitrogen （TN） was relatively stable or fluctuated greatly. The concentration of chemical oxygen demand （COD） basically decreased and then increased， while the concentration of total suspended solids （TSS） decreased and remained the same. In a total of 12 tests， environmental quality standards for surface water of TP， NH+4-N， TN， COD were respectivelyⅡor Ⅲ，Ⅱ， exceedsⅤandⅡ～Ⅳ. The average reduction rates of TP， NH+4-N， TN， COD and TSS were 81%-96%， 78%-99%， -146%-98%， -27%-75% and 14%-54%. The average reduction rate of NH+4-N increased with the increased of the concentration of inflow. The average concentration reduction rate of TN basically showed a positive and negative alternating trend， which increased with the relative increase from the concentration of the inflow. This study provided a certain reference for the application of bioretention system composed of soil， coconut coir and sand in the construction of the sponge cities.

Keywords：Bioretention system; planting media; coconut coir; pollutant indicator; reduction rate

0 引言

生物滯留設(shè)施（以下簡稱“設(shè)施”）是指在地勢(shì)較低的區(qū)域，利用植物、土壤和微生物系統(tǒng)通過入滲方式控制地表徑流污染、消減徑流總量和徑流峰值的設(shè)施，被應(yīng)用于我國海綿城市建設(shè)中[1]。地表徑流沿著不同路徑流入河流湖泊，其攜帶的物質(zhì)可能引起水體污染，形成水體富營養(yǎng)化，甚至黑臭水體，直接影響人類的生產(chǎn)和生活。檢驗(yàn)設(shè)施處理地表徑流污染物的功能對(duì)我國海綿城市建設(shè)具有一定意義。

生物滯留設(shè)施早在1993年被應(yīng)用于雨水徑流的處理，并編制了實(shí)踐手冊(cè)，直至2001年才有公開的試驗(yàn)研究成果，表明其具有較好的消減雨水徑流污染物的功能[2]。Hsieh等[3]利用砂和砂壤土配制不同比例的種植介質(zhì)，并在其上面鋪設(shè)有機(jī)質(zhì)覆蓋層，在蓄水層15 cm常水頭條件下設(shè)施對(duì)總磷（TP）的消減率為63%～85%。Lucas等[4]利用合成雨水徑流和三級(jí)污水負(fù)荷定量地驗(yàn)證植物在砂、壤土和砂礫3種種植介質(zhì)中對(duì)TP、總氮（TN）和氮氧化物的消減效果。郭娉婷[5]采用種植土層和以沸石、細(xì)沙、砂土和石英砂外摻10%木質(zhì)素作為處理介質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)研究，表明設(shè)施對(duì)化學(xué)需氧量（chemical oxygen demand，COD）、TP、氨氮（ammonia nitrogen，NH+4-N）的去除效果較好，對(duì)TN的去除效果較差，其中以填充細(xì)沙和石英砂的消減效果較好。李磊等[6]利用極細(xì)沙、細(xì)沙、中砂、中粗砂、粗砂和細(xì)礫疊合作為填充介質(zhì)進(jìn)行試驗(yàn)研究，表明水力負(fù)荷提高對(duì)設(shè)施處理NH+4-N影響不大，對(duì)TP、TN有一定影響。

在鎮(zhèn)江市（主城區(qū)）海綿城市建設(shè)中，設(shè)施的種植介質(zhì)由土、砂和椰糠經(jīng)混合攪拌而成，是一種混合介質(zhì)，與傳統(tǒng)多層介質(zhì)疊合（組合）構(gòu)成種植介質(zhì)不同，在國內(nèi)外都具有一定特色。但截至目前，上述種植介質(zhì)的設(shè)施處理污染物的效果一直未得到檢驗(yàn)，也未見公開發(fā)布相關(guān)數(shù)據(jù)。為此，筆者利用鎮(zhèn)江市內(nèi)含有一定污染物的河水進(jìn)行設(shè)施的入滲試驗(yàn)，通過模擬地表徑流的方式檢驗(yàn)設(shè)施處理污染物的能力，以期為我國長三角地區(qū)的海綿城市建設(shè)提供參考。

1 試驗(yàn)和方法

1.1 試驗(yàn)裝置

本文所用的3個(gè)設(shè)施的試驗(yàn)裝置及其內(nèi)部構(gòu)造層完全相同，如圖1所示。試驗(yàn)裝置由200 L儲(chǔ)水罐改裝而成，長、寬、高分別約為0.45、0.45、1.20 m，容量0.2 m3。內(nèi)部構(gòu)造層由上向下為200 mm蓄水層，600 mm種植介質(zhì)層，100 mm過渡層，300 mm碎石層（底部中間設(shè)置直徑100 mm穿孔HDPE（高密度聚乙烯）排水管）;種植介質(zhì)是表土、椰糠、中粗砂拌成的混合物，過渡層由50 mm的米子（粒徑2.36～4.78 mm碎石）和50 mm的瓜子（粒徑5～10 mm碎石）片混合、攪拌制成，碎石層的碎石粒徑：30～50 mm。

在編號(hào)為1、2、3試驗(yàn)裝置中，碎石層和過渡層的填料相同，種植介質(zhì)層的表土、椰糠、中粗砂的質(zhì)量比分別為2∶2∶6、3∶2∶5、4∶6∶9。在填充構(gòu)造層前，米子、瓜子片和碎石經(jīng)自來水沖洗干凈，椰糠分批分次經(jīng)發(fā)泡和烘干處理，表土經(jīng)風(fēng)干并過4.75 mm土壤篩，中粗砂經(jīng)晾曬風(fēng)干，測定的表土和中粗砂的含水率分別為5%和2%。裝置建于室外，建成于2017年6月份。在2018年4月9日，在每個(gè)裝置內(nèi)種植9株鳶尾，采用自來水灌溉培養(yǎng)。

1.2 試驗(yàn)方法

入滲試驗(yàn)為恒定進(jìn)水速率條件下積水高度不斷升高的試驗(yàn)[7]。進(jìn)水速率根據(jù)鎮(zhèn)江市短時(shí)強(qiáng)降雨特征設(shè)定：在匯流面積4 m2條件下，針對(duì)2 h降雨量為48.9 mm的兩年一遇降雨，總進(jìn)水量為195.6 L，進(jìn)水速率為0.027 L/s;針對(duì)2 h降雨量為64.0 mm的五年一遇降雨，總進(jìn)水量為256 L，進(jìn)水速率為0.034 L/s。進(jìn)水采用鎮(zhèn)江市勝利港河的河水作為水源，儲(chǔ)存在HDPE儲(chǔ)水罐中。使用精密蠕動(dòng)泵（保定蘭格恒流泵有限公司BT 600-2J驅(qū)動(dòng)器配YZⅡ25型泵頭，24#和36#軟管）控制進(jìn)水速率。當(dāng)蓄水層積水高度達(dá)200 mm左右時(shí)停止進(jìn)水，否則發(fā)生溢流。

1.3 水樣分析方法

未將不同時(shí)間點(diǎn)采集的水樣混合，單獨(dú)測定每個(gè)水樣的污染物指標(biāo)（簡稱“指標(biāo)”）。水樣分析方法為[8]：TP采用鉬酸銨分光光度法;NH+4-N采用納氏試劑比色法;TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法;COD采用重鉻酸鹽法;總固體懸浮物（total suspended solids，TSS）采用重量法[9]。

1.4 統(tǒng)計(jì)方法與計(jì)算方法

采用格拉布斯準(zhǔn)則判斷指標(biāo)的異常值。指標(biāo)濃度消減率的計(jì)算公式：

2 結(jié)果與分析

2.1 指標(biāo)濃度隨時(shí)間變化規(guī)律

入滲試驗(yàn)始于2018年8月30日，止于2018年11月。從每個(gè)裝置的4次試驗(yàn)結(jié)果看，3個(gè)裝置出水中的指標(biāo)濃度隨時(shí)間變化規(guī)律基本一致。限于篇幅，本部分僅以1#裝置為主進(jìn)行闡述。

2.1.1 總磷（TP）

由圖2可知，進(jìn)水中的TP濃度為0.465～0.829 mg/L，出水中的濃度為0.03～0.132 mg/L，后者濃度比前者小。出水中的TP濃度較為穩(wěn)定，前期存在一定差異，后期基本相同，呈遞增趨勢(shì)。設(shè)施主要通過吸附和沉淀機(jī)制去除磷元素，通常在介質(zhì)表面以下幾十毫米范圍內(nèi)就可以去除溶解性磷和顆粒狀磷，除磷能力較為穩(wěn)定，去除率較高[10]。由于試驗(yàn)經(jīng)過或長或短的進(jìn)水間隔期（干燥期），介質(zhì)表面吸附能力得到一定恢復(fù)，進(jìn)水初期介質(zhì)表面的快速吸附點(diǎn)位逐漸被占據(jù)，造成出水中指標(biāo)濃度緩慢增大[11]。

2.1.2 總氮（TN）

由圖3可知，進(jìn)水中的TN濃度為1.22～9.54 mg/L，出水中的TN濃度為0.46～18.1mg/L。出水中的TN濃度有時(shí)穩(wěn)定（如在9月24日試驗(yàn)中），有時(shí)波動(dòng)較大（如8月30日試驗(yàn)）。在將9月2日試驗(yàn)的第2個(gè)采集點(diǎn)作為異常值剔除情況下（格拉布斯準(zhǔn)則判斷該采集點(diǎn)為異常值），TN在2次試驗(yàn)中發(fā)生淋出現(xiàn)象（在進(jìn)水的淋溶作用下排出設(shè)施[12] 以下簡稱"淋出"），在每次試驗(yàn)中存在2個(gè)淋出采集點(diǎn)，表明設(shè)施脫氮效果不穩(wěn)定。

雖然進(jìn)水持續(xù)和蓄水層積水高度不斷增加導(dǎo)致介質(zhì)飽和層由上向下延伸，但由于過渡層和排水層的滲透系數(shù)遠(yuǎn)大于種植介質(zhì)的滲透系數(shù)[13]，且排水層始終通過穿孔排水管與外部空氣聯(lián)通，種植介質(zhì)層不具備完全缺氧脫氮條件，同時(shí)進(jìn)水對(duì)介質(zhì)也有一定的淋溶作用，這可能是其脫氮不穩(wěn)定的重要原因[12]。通過離子交換作用，設(shè)施對(duì)氨氮有較高消減率，但滯留的氨氮在干燥期易被轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，而硝態(tài)氮不容易被土壤或者多孔填料吸附，在進(jìn)水時(shí)被淋出[12]。

2.1.3 氨氮（NH+4-N）

由圖4可知，進(jìn)水中的NH+4-N濃度為0.25～7.58 mg/L，出水中的NH+4-N濃度為0.09～3.25 mg/L;除9月9日試驗(yàn)外，出水中的濃度比進(jìn)水中的小。出水中的NH+4-N濃度較為穩(wěn)定，在前期存在一定差異，后期基本相同，為0.4 mg/L左右。

因?yàn)镹H+4-N帶有正電荷，土壤帶有負(fù)電荷，所以前者很容易被后者吸附[14]。砂和椰糠對(duì)NH+4-N都具有一定的吸附作用，且有效吸附時(shí)間可達(dá)24 h以上[15]，有助于設(shè)施保持較好的消減率和穩(wěn)定性。

在9月2日試驗(yàn)中第2次采集點(diǎn)的濃度異常，可能是與8月30日試驗(yàn)的間隔時(shí)間較短有關(guān)，滯留在介質(zhì)中的NH+4-N在水流較大時(shí)被淋出。格拉布斯準(zhǔn)則判斷該采集點(diǎn)為異常值。9月9日試驗(yàn)淋出現(xiàn)象的主要原因是進(jìn)水中的NH+4-N濃度低，為0.25 mg/L，進(jìn)水相當(dāng)于天然降雨[16]，對(duì)介質(zhì)有淋溶作用，導(dǎo)致NH+4-N隨水流淋出。

2.1.4 總固體懸浮物（TSS）

由圖5可知，進(jìn)水中的TSS濃度為52～89 mg/L，出水中的濃度為20～64 mg/L，后者中的濃度比前者中的小。出水中的TSS濃度基本穩(wěn)定，整體上呈遞減、持平趨勢(shì)。設(shè)施主要通過沉積和過濾作用消減TSS[17]。懸浮物在介質(zhì)內(nèi)的沉積，顆粒空隙不斷減小，比表面積增大，水力停留時(shí)間增加，故對(duì)懸浮物的去除率提高[18]。

2.1.5 化學(xué)需氧量（COD）

由圖6可知，進(jìn)水中的COD濃度為17～49 mg/L，出水中的濃度為4～41 mg/L，后者中的濃度比前者中的小。出水中的COD的濃度基本呈現(xiàn)先減小后遞增的趨勢(shì)，且后期與進(jìn)水中的濃度基本呈正比例關(guān)系。

研究表明[15]，在靜態(tài)吸附試驗(yàn)中，椰糠在進(jìn)水后半個(gè)小時(shí)左右基本完成COD吸附過程，砂需要大概2 h，且其吸附速率較為穩(wěn)定。入滲率增大，水力停留時(shí)間減小，進(jìn)水與土壤顆粒接觸反應(yīng)不充分[14]。隨著進(jìn)水的持續(xù)，椰糠和土壤顆粒的吸附作用逐漸減小，進(jìn)水中COD的濃度和砂的吸附速率保持不變，導(dǎo)致出水中COD濃度逐漸增加。

在五年一遇進(jìn)水速率條件下2#和3#裝置出水中的COD存在淋出現(xiàn)象。COD淋出原因之一是2#裝置表土多3#裝置椰糠多，腐爛的有機(jī)物被進(jìn)水淋溶帶出[19];原因之二是在五年一遇進(jìn)水速率條件下的入滲率較大，水力停留時(shí)間減少，與介質(zhì)接觸不充分[14]。

2.2 地表水質(zhì)量環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)

由表1和表2比較可知，進(jìn)水中的TP濃度屬于超出地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，NH+4-N、TN的濃度大部分屬于超出Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)，COD的濃度從Ⅱ類到超出Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn);出水中的TP平均濃度符合地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅱ和Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，NH+4-N的平均濃度符合Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，COD的平均濃度符合Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，TN的平均濃度除3#裝置的第1次試驗(yàn)外均超出地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。綜合來看，出水中的TP和NH+4-N平均濃度較為理想，都符合地表水Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn);裝置對(duì)COD和TN的消減效果不理想;在地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)方面，3個(gè)裝置對(duì)污染物的消減效果基本上是相同的。

2.3 平均濃度消減率

由表3可知，裝置對(duì)TP的平均消減率為81%～96%;除1#裝置第3次試驗(yàn)外，對(duì)NH+4-N的平均消減率為78%～99%;對(duì)TN的平均消減率分別為-146%～98%;對(duì)1#裝置COD的平均消減率為41%～48%，對(duì)2#和3#裝置COD的平均消減率分別為-17%～68%和-27%～75%;對(duì)TSS的平均消減率為14%～54%。在本試驗(yàn)中TSS的消減率小，可能與進(jìn)水中TSS的濃度較低有關(guān)[20]。整體而言，裝置對(duì)TP和NH+4-N的消減效果較為理想，其消減效果優(yōu)于TN、COD和TSS，對(duì)徑流中TN和NH+4-N有一定的消減作用。從平均濃度消減率來看，3個(gè)裝置對(duì)污染物的消減效果差異不大;考慮在2#和3#裝置中COD存在淋出現(xiàn)象，1#裝置消減污染物的效果較優(yōu)。

2.4 進(jìn)水濃度對(duì)氮素消減率的影響

由表1和表3可知，當(dāng)進(jìn)水濃度較低時(shí)，NH+4-N濃度消減率較小，反之，濃度消減率較大。NH+4-N的平均濃度消減率隨進(jìn)水濃度增大而增大。出水中NH+4-N的平均濃度為0.2 ～ 0.47mg/L，與進(jìn)水濃度（1.45～24.6 mg/L）相比，是相對(duì)比較穩(wěn)定的;在采用公式（1）計(jì)算時(shí)，其相當(dāng)于定值，因此NH+4-N的平均濃度消減率隨進(jìn)水濃度的增大而增大。

由表3可知，TN的平均濃度消減率基本呈現(xiàn)正負(fù)交替趨勢(shì)，與進(jìn)水中的TN濃度高低、進(jìn)水次序保持一致。研究表明，設(shè)施出水中指標(biāo)濃度和負(fù)荷是進(jìn)水負(fù)荷和設(shè)施內(nèi)部處理過程的函數(shù)。而且淋失的氮素負(fù)荷受以前進(jìn)水事件特征和干旱期的天氣情況等因素影響。前期進(jìn)水中的氮素在干旱期內(nèi)轉(zhuǎn)化為硝酸鹽，后者被隨后進(jìn)水淋出[21]。當(dāng)前次進(jìn)水中的TN濃度較高時(shí)，在干旱期積累的硝酸鹽較多，加之進(jìn)水濃度較低，導(dǎo)致平均濃度消減率較小，甚至因?yàn)榱艹龆鵀樨?fù)值。在2#裝置第2次試驗(yàn)中，最后2個(gè)采集點(diǎn)的TN濃度已經(jīng)接近進(jìn)水濃度，其濃度消減率為1%。當(dāng)前次進(jìn)水中的TN濃度較低時(shí)，出水中總氮濃度較低，其濃度消減率較大。因?yàn)樵诒驹囼?yàn)中進(jìn)水濃度基本呈高低交替輸入設(shè)施，所以平均濃度消減率呈現(xiàn)正負(fù)交替趨勢(shì)。這說明TN濃度消減率受進(jìn)水濃度影響，隨進(jìn)水濃度相對(duì)增大而增大，相對(duì)減小而減小。

3 結(jié)論

（1）在每一次試驗(yàn)中，隨著進(jìn)水的持續(xù)，出水中的TP濃度較為穩(wěn)定，未發(fā)生淋出現(xiàn)象;NH+4-N濃度較為穩(wěn)定，即便在淋出條件下;TN濃度或穩(wěn)定，或因?yàn)榱艹龆▌?dòng)較大;COD濃度呈現(xiàn)先減小后遞增趨勢(shì)，在2#和3#設(shè)施中存在淋出現(xiàn)象;TSS濃度基本呈先下降后持平趨勢(shì)，未發(fā)生淋出現(xiàn)象。

（2）出水中TP的平均濃度符合地表水環(huán)境質(zhì)量Ⅱ和Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，NH+4-N的平均濃度符合Ⅱ類標(biāo)準(zhǔn)，COD的平均濃度符合Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn)，TN的平均濃度除3#裝置的第1次試驗(yàn)外均超出地表水Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。

（3）設(shè)施對(duì)TP和NH+4-N平均消減率分別高達(dá)81%～96%和78%～99%，對(duì)TN平均消減率為-146%～98%，對(duì)COD平均消減率為-27%～75%，對(duì)TSS的平均消減率為14%～54%。結(jié)合地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，3個(gè)裝置對(duì)污染物的消減效果基本上是一樣的;考慮在2#和3#裝置中COD存在淋出現(xiàn)象，因此1#裝置消減污染物的效果較優(yōu)。

（4）NH+4-N的濃度消減率隨進(jìn)水濃度增大而增大;TN的濃度消減率基本呈現(xiàn)正負(fù)交替趨勢(shì)，隨進(jìn)水濃度相對(duì)增大而增大，相對(duì)減小而減小。

（5） 氮磷是導(dǎo)致水體發(fā)生富營養(yǎng)化的關(guān)鍵控制性因子[22-24]。設(shè)施出水中的TP符合地表水Ⅱ類和Ⅲ類標(biāo)準(zhǔn)，根據(jù)Liebig的最小值原理[25]，即“植物的生產(chǎn)決定于外界供給它所需養(yǎng)分中數(shù)量最少的那一種”，表明設(shè)施對(duì)防止水體富營養(yǎng)化具有一定作用。為實(shí)現(xiàn)消減TN濃度目的，可以嘗試儲(chǔ)水式生物滯留設(shè)施[13]，但其處理效果需要試驗(yàn)和實(shí)踐檢驗(yàn)[10]。

（6）本研究采用河水模擬地表徑流，兩者存在一定的差異。后期研究應(yīng)多以實(shí)際降雨和地表徑流為研究對(duì)象，尤其要考慮TSS對(duì)其他污染物消減效果的影響。

致謝：污染物指標(biāo)測定工作由鎮(zhèn)江市建設(shè)工程質(zhì)量檢測中心有限公司的韋平云、魏澤生、林明霞、金青等完成。在此聲明，以表對(duì)他們辛苦工作的謝意。

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