生物滯留系統(tǒng)污染物去除機理及影響因素綜述

陳茜

摘 要：生物滯留技術(shù)在降雨徑流控制及污染物去除方取得顯著成果。本文就生物滯留系統(tǒng)去除污染物的機理以及影響其去除效果的因素進行了綜述，為進一步提高生物滯留系統(tǒng)去污效果提供參考。

關(guān)鍵詞：生物滯留;去除機理;影響因素

作為低影響開發(fā)技術(shù)之一的生物滯留技術(shù)，起源于1990年美國馬里蘭州喬治亞王子郡[1]，主要通過植物-土壤-微生物的作用攔截吸附徑流雨水中污染物，以此達到去除的目的。典型的生物滯留系統(tǒng)從上至下依次是：蓄水層、植物層、種植土壤層、填料層和礫石層[2]。根據(jù)其建設(shè)的復(fù)雜程度可將生物滯留設(shè)施分為簡易型和復(fù)雜型兩種。

1 生物滯留系統(tǒng)污染物去除機理

1.1 懸浮物的去除

懸浮物主要來源于屋面、大氣干濕沉降、工地場地等，依靠沉淀和填料過濾去除。一般而言，運行穩(wěn)定且成熟的生物滯留系統(tǒng)對懸浮物的去除效果是較好的，且在填料表層基本就被去除，但長時間運行會引起填料的堵塞，所以生物滯留系統(tǒng)運行一兩年后就需要檢查填料是否堵塞。

1.2 氮、磷的去除

氮、磷主要來自路面上的有機物、無機物以及降雨和有機質(zhì)中含有的少量氮物質(zhì)等。填料攔截、植物吸收、微生物固定、完全反硝化產(chǎn)氣以及不完全反硝化產(chǎn)氣等途徑可以達到去除氮的效果。然而生物滯留系統(tǒng)對硝氮的去除率一直不穩(wěn)定，主要是反硝化反應(yīng)對環(huán)境要求較高，需要在缺氧的條件下進行，且需要充足的碳源。此外，有機質(zhì)中的少量氮素也會經(jīng)過氨化、硝化，然后以硝酸鹽的形式浸出。磷按存在形態(tài)可分為顆粒態(tài)磷和溶解態(tài)磷。過濾、沉淀和吸附作用可以去除顆粒態(tài)磷，溶解態(tài)磷則通過填料吸附、植物吸收以及微生物攝取等作用去除[3]。如果填料中含有Fe、Al或Ca等金屬離子，溶解態(tài)磷還可與其反應(yīng)，生成顆粒態(tài)金屬鹽沉淀，然后過濾去除。沉淀和過濾去除顆粒態(tài)磷的效果很好，去除溶解態(tài)磷效果卻不太理想。

1.3 有機物的去除

道路徑流中有機物的成分較復(fù)雜，包括油脂、多環(huán)芳烴等[4]。碳氫化合物在生物滯留系統(tǒng)中主要依靠沉淀、吸附和生物降解去除，也可能通過揮發(fā)、植物吸收而去除，而可溶性有機物也可以通過植物吸收或植物氣孔蒸發(fā)去除。

1.4 重金屬的去除

雨水徑流中Cd、Cu、Pb、Zn等重金屬的來源于輪胎的磨損、汽車尾氣和道路瀝青等[5]。降雨徑流中，Cd和Zn主要以溶解態(tài)形式存在，而Cu和Pb只有小部分以溶解態(tài)的形式存在。溶解態(tài)的重金屬可以通過填料吸附或植物吸收得以去除，顆粒態(tài)的重金屬則通過沉降或過濾而被去除。

1.5 致病菌的去除

在雨水徑流中的糞大腸菌群和大腸桿菌等致病菌含量雖然沒有生活污水多，但也會對人體健康和受納水體產(chǎn)生危害。致病菌在生物滯留系統(tǒng)中被填料截留，然后在干旱條件下自然死亡，去除效果較好。

2 生物滯留系統(tǒng)污染物去除影響因素

生物滯留系統(tǒng)對污染物的去除在植物-土壤-微生物三者共同作用下完成的，涉及的物理化學(xué)生物反應(yīng)眾多。因此，影響生物滯留系統(tǒng)的去除效果有多種因素，主要有以下幾種：

2.1 植物

植物是生物滯留系統(tǒng)的重要組成部分，不僅影響系統(tǒng)的滲透速率，對pH和溶解氧也有一定影響。隨著時間推移，根系粗壯的植物滲透能力具有一定的持續(xù)性。另外，植物根系不僅可從生存環(huán)境中吸收營養(yǎng)和水分，也可向生存環(huán)境分泌質(zhì)子、離子和大量有機物[6]。

2.2 填料

生物滯留系統(tǒng)內(nèi)的填料是植物生長的基質(zhì)、微生物附著生存的地方，也是大多數(shù)反應(yīng)進行的場所。通常，典型的生物滯留系統(tǒng)包括50%～60%的砂和40%～50%的壤土/砂壤土/壤土砂的混合物，但應(yīng)減少黏土含量防止填料的滲透性能低而造成堵塞。填料的深度也會影響微生物附著生長的表面積、污染物吸附點的數(shù)量以及生物滯留系統(tǒng)的水力停留時間，較深的填料深度具有更長的通過路徑和停留時間，處理效果良好，可以提高生物滯留系統(tǒng)的水文性能。

2.3 水力停留時間

水力停留時間是生物滯留系統(tǒng)重要的參數(shù)之一，它表征著徑流污染物與填料接觸的時間長短，直接影響生物滯留系統(tǒng)凈化水質(zhì)效果的好壞。適當增加生物滯留系統(tǒng)的水力停留時間，不僅可以增強植物和聚磷菌對磷的吸收作用，也可增加填料中Fe、Al和Ca等離子與磷酸根離子的作用時間[7]，徑流中的磷可以得到更好的去除。因此，適當增加水力停留時間對生物滯留系統(tǒng)去除污染物有著重要的作用。

2.4 溫度

溫度通過影響微生物的活性和植物對營養(yǎng)物質(zhì)的攝取能力，進而影響生物滯留系統(tǒng)對污染物的去除效果。其中，微生物氨化作用的最宜溫度為溫度40℃～60℃、填料濕度為50%～70%、pH偏中性[8]。硝化細菌的硝化作用適宜溫度在30℃～36℃之間[9]，且隨著溫度的下降，硝化作用也減弱，可見硝化作用受溫度的影響最為明顯。反硝化作用也受環(huán)境溫度的影響，它最適宜的溫度在20℃～35℃之間。

2.5 厭氧區(qū)設(shè)置

大多數(shù)生物滯留系統(tǒng)內(nèi)部無法滿足反硝化多碳源、高度缺氧的環(huán)境條件，導(dǎo)致硝氮的去除率不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)污染物出水濃度比進水濃度高幾倍的情況，這可能就與是否設(shè)置厭氧區(qū)有關(guān)。設(shè)置厭氧區(qū)不僅可以提高對硝氮的去除效果，對懸浮物、氮磷、Cu、Zn的去除效果也顯著提高。另外，較長的雨前干旱期使填料干裂，孔隙增大，大量氧氣進入系統(tǒng)內(nèi)部致使大量的反硝化菌死亡，設(shè)置厭氧區(qū)不僅可以讓大量的反硝化菌存活，還可增加生物滯留系統(tǒng)對干旱期的一個適應(yīng)性。

2.6 雨前干旱期

雨前干旱期的長短也會影響生物滯留系統(tǒng)的去污能力。在不同的干旱期下，生物滯留系統(tǒng)具有不同的氧化還原環(huán)境，這些環(huán)境的變化又會影響污染物的降解、溶解性有機物質(zhì)和金屬的遷移以及植物對養(yǎng)分的吸收。隨著雨前干旱期的延長，生物滯留系統(tǒng)內(nèi)的含水率、溶解氧等也會發(fā)生改變。但設(shè)置厭氧區(qū)可以減緩較長干旱期對生物滯留系統(tǒng)帶來的不利影響。

3 總結(jié)

生物滯留技術(shù)具有很大的發(fā)展空間，不僅可以控制部分降雨量，延遲峰值時間，也可以去除部分降雨徑流帶入的污染物，但存在部分污染物的去除率不穩(wěn)定。我們可以根據(jù)各污染物的去除機理和影響因素，優(yōu)化生物滯留系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、填料的比例等，進一步提高污染物的去除效果。

參考文獻：

[1]周龍，姜應(yīng)和.生物滯留池凈化雨水徑流中氮磷的研究進展[J].山西建筑，2020，46（14）：146-149.

[2]仇付國，陳麗霞.雨水生物滯留系統(tǒng)控制徑流污染物研究進展[J].環(huán)境工程學(xué)報，2016，10（4）：1593-1602.

[3]張建強，許萍，何俊超.生物滯留池去除道路徑流雨水中氮磷的原理及研究現(xiàn)狀[J].市政技術(shù)，2015，33（3）：128-132.

[4]王東琦，單稼琪，李懷恩，等.生物滯留系統(tǒng)去除城市地表徑流中多環(huán)芳烴的研究進展[J].水資源與水工程學(xué)報，2016，27（5）：1-8.

[5]駱輝，章澤宇，胡小波，等.道路雨水徑流中重金屬特征研究進展[J].應(yīng)用化工，2019，48（10）：2456-2461.

[6]孟梁.根系分泌物及其在有機污染土壤修復(fù)中的作用[J].上海農(nóng)業(yè)學(xué)報，2013，29（2）：90-94.

[7]熊家晴，何一帆，白雪琛，等.改良填料生物滯留池對雨水徑流中磷的去除效果[J].環(huán)境工程學(xué)報，2019，13（09）：2164-2172.

[8]張榮新，劉瑞，焦玉恩，等.低溫對濕地填料內(nèi)微生物生長分布及處理效能的影響研究[J].環(huán)境污染與防治，2018（4）：26-30.

[9]董悅安.溫度變化對地下水中微生物影響的研究[J].勘察科學(xué)技術(shù)，2008（2）：15-18+64.