付峥嵘，倪尚源，王耀辉，唐宁远，马满英，刘岳林

（1.湖南工业大学 土木工程学院，湖南 株洲 412007；2.株洲华晟环保技术有限公司，湖南 株洲 412007）

0 引言

城市化发展使城区不透水地面比例持续增大，容易导致严重的城市内涝与非点源污染问题[1]，亟需有效的措施控制和管理城市雨水径流。随着城市点源污染得到有效控制，非点源污染问题越来越突出，已成为众多城市水体受到污染的根本原因[2]。为了减轻城市化的负面影响，发达国家譬如美国已提出并实施低影响开发理念、设施来解决或缓解非点源污染带来的水量和水质问题，广泛利用了屋顶绿化、生物滞留池和多孔人行道等低影响开发控制设施[3]。生物滞留池通过植物-土壤-微生物系统渗滤雨水径流，可有效控制水量，改善雨水径流水质，并已经在发达国家得到广泛应用[4]。

传统的生物滞留系统由种植层、过渡层、砂砾层和底部排水收集装置组成，并未考虑设置缺氧区，不具备反硝化脱氮功能，因此对N 的去除效果波动较大、不稳定[5-6]。不同的填料特性对系统氮、磷去除有着至关重要的作用。填料的种类、材质不同，对污染物的去除效果也不同，选择合适的填料对提升生物滞留系统N 去除效果很重要[7]。

本研究构建了1 个对照柱（Z1）和3 个装有不同改良填料层（麦饭石、沸石、蛭石）的生物滞留柱（Z2、Z3 和Z4），均设置了35 cm 的淹没区，探究4 个生物滞留柱对氨氮、TP（total phosphorus，TP）、COD（chemical oxygen demand，COD）、硝态氮的去除效果，并对生物滞留柱出水进行分层取样，在此基础上，分析了生物滞留柱对氨氮、总磷、化学需氧量、硝态氮的去除机理，为生物滞留设施的设计、应用提供数据支撑。

1 材料与方法

1.1 材料

1.1.1 试验原料

本研究中，生物滞留池所用的主要填料为麦饭石、蛭石、沸石。种植土为校园内绿化带土壤和草炭土混合填料。

1.1.2 主要试剂

钼酸铵(NH4)6Mo7O24·4H2O、硝酸钾KNO3、酒石酸锑钾KSbC4H4O7·1/2H2O、磷酸二氢钾 KH2PO4、重铬酸钾K2Cr2O7、硫酸汞HgSO4、乙酸乙酯C4H8O2、次硫酸钠Na2S2O4。试剂均，均为化学分析纯，购自于阿拉丁试剂公司。

1.1.3 主要仪器

紫外-可见光分光光度计，UV-1800，上海美谱达仪器有限公司；超声清洗仪，SB-3200DT，宁波新芝生物科技有限公司；高压蒸汽灭菌锅，YXQLS-500SII，上海博讯医疗生物仪器股份有限分司；精密大流量蠕动泵，BT100-2J，保定兰格恒流泵有限公司。

1.2 试验装置

生物滞留柱由PP 材料制成，高度为1 000 mm，内径为300 mm。该装置外部从各填料层底部区域埋设穿孔取样管，进行分层取样，便于研究各填料柱的水质情况。底部出水采用穿孔排水管，保证出水顺畅。该装置内部结构从上到下依次为种植土（100 mm）、承托层（300 mm）、改良填料层（200 mm）、砾石层（200 mm），如图1所示。

图1 试验装置结构示意图Fig.1 Schematic diagram of test device

种植土层采用草炭土与校园内绿化带土壤按照体积比为2:1 的比例混合而成，土壤粒径范围小于1.0 mm；承托层采用市购的河沙；改良填料层分别采用麦饭石、沸石和蛭石进行装填；砾石层采用火山岩，目的是充分利用火山岩的大孔隙率的特性来存续水量以及对水中污染物质进行后续吸收处理，生物滞留柱内填料的理化性质见表1，详细结构见表2。

表1 填料理化性质参数表Table 1 Physical and chemical property parameters of fillers

表2 生物滞留柱填料结构Table 2 Packing structure of biological retention columns

1.3 试验方法

1.3.1 进水水质与水量

试验用水参考校园道路地表径流各项实测数据进行半人工配制，进水中各污染物浓度与配制药剂如表3所示。参考《海绵城市建设技术指南》，全年的降雨事件中，绝大部分为中小雨量的降雨事件，本次试验进水量相当于一场累积雨量为18.1 mm 的中雨。生物滞留设施与不透水下垫面的面积比一般为5%～10%，本次试验中取5%，径流系数按照0.9 计算，单次进水量为23.0 L。

表3 进水水质与来源Table 3 Influent water quality with its source

1.3.2 试验方法

为保证植物正常生长及填料中微生物的活性，同时降低种植土填料的淋洗作用对生物滞留柱污染物去除效果的影响，在正式试验前，用自来水对Z1～Z4进行淋洗，单次进水量为25 L，间隔时间为2 d，淋洗持续时间为14 d。淋洗期后正式试验，每次试验取样完成后干燥5～6 d，共进行10 次试验。

取样时间视柱子出水速度而定，一般为0.5,1,2,3,4,5,8,12,16 h。采集上层和底部的出水水样。通过对出水水质的检测结果来观察不同停留时间对生物滞留柱出水效果的影响。

1.4 分析方法

本次试验主要检测的水质指标为COD、氨氮（NH4+-N）、硝态氮（NO3--N）、TP。采用重铬酸钾氨氮法检测COD 浓度，采用纳氏试剂分光光度法检测氨氮浓度，采用紫外分光光度法监测硝态氮浓度，采用钼酸铵分光光度法检测TP 浓度。

采用统计软件SPSS 对进水和出水污染物浓度、生物滞留柱污染物去除效率进行处理分析。

2 结果与分析

2.1 出水流量

渗透速率是生物滞留设施水量、水质控制性能的重要影响因素。

图2为生物滞留柱Z1～Z4 的出流量和累积出流量。

图2 生物滞留柱Z1～Z4 的出流量和累积出流量曲线Fig.2 Discharge and cumulative discharge of biological retention columns Z1～Z4

从图2a 可以看出，Z1、Z2、Z3 和Z4 柱出流峰值分别为10.0,8.3,6.9,5.4 cm/h。图2b 累积出流量中，Z1～Z4 在前8 h 的累积出流量分别占到各柱子总累积出流量的99.7%,96.00%,92.09%,85.52%。Z4 的出流时间较其他柱子晚，出流速率峰值也低于其他柱子，这可能和Z4 的蛭石填料层的粒径分布有很大关系，其均匀系数（d80/d10）较其他柱子对应层填料高，填料中小颗粒挤占大颗粒孔隙，影响了整个柱子的出水流速。

2.2 TP

图3为Z1～Z4 的出水TP 浓度变化和上层10 cm取样口出水浓度变化曲线。

图3 Z1～Z4 的出水TP 浓度变化和上层10 cm 取样口出水浓度变化曲线Fig.3 Changes of TP concentration in the effluent of the biological retention column Z1～Z4 and the change of the effluent concentration of the upper 10 cm sampling port

如图3a 所示，Z1～Z4 生物滞留柱的TP 出水浓度分别为0.19,0.19,0.21,0.13 mg/L，显著低于试验模拟进水总磷浓度（p＜0.05），表明各生物滞留柱均对模拟径流中TP 具有明显的去除效果。各生物滞留柱对TP 的去除率范围分别在75.5%～78.6%、76.6%～81.8%、72.22%～81.11% 和88.33%～88.89%，其中蛭石填料的Z4 对TP 的去除效果最佳。图3b 给出了各生物滞留柱的上层取样结果。结果表明，生物滞留柱表面200 mm 填料可以去除大部分的TP，因为在雨水径流中磷的存在形态主要是颗粒态磷，主要通过填料过滤截留去除，并且水流流速越低，除磷效果越好，张小玲等学者也得出类似结果[8]。Z4 对磷的去除效果好于其他柱子，与柱子装填的蛭石有关，方媛媛等[9]研究发现蛭石对磷的吸附效果好于其他填料。试验期间Z1～Z4 装置对总磷的去除率有所下降的原因猜测是由于随着时间的增长会使填料的有效吸附位点数量逐渐减少[10]。

2.3 COD

图4为Z1～Z4 的出水COD 浓度变化曲线和平均出水浓度。

图4 Z1～Z4 的出水COD 浓度变化曲线和平均出水浓度Fig.4 Concentration change and average concentration of COD in the effluent of the biological retention column

试验阶段，除Z1 外其他生物滞留柱对COD 的去除率均达90%以上，如图4所示，说明本试验选取的3 种填料柱子（Z2、Z3、Z4）都提升了生物滞留柱对COD 的去除能力，显著低于试验模拟进水COD 浓度（p＜0.05）。国内多位学者[11]研究显示雨水径流中COD 与SS 具有很大相关性，由于填料的过滤拦截，大部分颗粒态污染物得到了较好的处理。而溶解态COD 则主要通过填料的吸附、生物降解得到了很好的去除。因此，本试验的植物以及填料均对COD 的去除产生了不同程度的促进作用。

2.4 氨氮

图5为Z1～Z4 的出水氨氮浓度变化和分层取样浓度。

图5 Z1～Z4 的出水氨氮浓度变化和分层取样浓度Fig.5 Changes in the concentration of NH4+-N in the effluent of the biological retention column Z1～Z4 and the concentration of stratified sampling

随着试验的进行，Z1～Z4 试验装置对氨氮的去除能力随时间逐渐下降，逐渐趋于稳定，平均出水浓度分别为(0.70±0.19),(0.55±0.0.21),(0.41±0.11),(0.37±0.13) mg/L。4 个柱子对于氨氮的去除效率没有显著差异（p＞0.05）。结合图5b 的氨氮分层取样结果，表明进水过程中，表层填料对进水中氨氮具有较好的吸附作用，大部分氨氮被表层填料吸附，试验间歇期间通过微生物的硝化作用将表层填料上吸附的氨氮转化为硝态氮，表层填料氨氮吸附能力得到恢复，A.M.O'reilly 等[11]也报道了类似结果。Z2～Z4 生物滞留柱淹没区内装填了对氨氮具有较好吸附能力的麦饭石、蛭石、沸石，试验初期Z2～Z4 生物滞留柱取得了较好的处理效果，因为淹没区残存液中溶解氧比较少，空气中的氧也难以输送到淹没区，在试验间隔淹没区内麦饭石、蛭石、沸石上吸附的氨氮，仅有少量通过硝化作用转化为硝态氮，随着试验的进行，麦饭石、蛭石、沸石的吸附能力逐渐饱和，试验后期Z2～Z4 生物滞留柱氨氮去除效果下降，并趋于稳定。

2.5 硝态氮

生物滞留柱Z1～Z4 的出水硝态氮浓度变化和上层10 cm 取样口出水浓度变化如图6所示。

图6 Z1～Z4 的出水硝态氮浓度变化和上层10 cm 取样口出水浓度变化曲线Fig.6 Changes of NO3--N concentration in the effluent of the biological retention column Z1～Z4 and the change of the effluent concentration of the upper 10 cm sampling port

从图6b 中可知，Z1～Z4 装置在试验初期的硝态氮的上层出水浓度异常升高，与试验间隔表层填料吸附的氨氮转化为硝态氮有关。下层取样口硝态氮的平均出水浓度为(0.66±0.22),(0.57±0.19),(0.44±0.23)mg/L 和(0.36±0.18) mg/L，并且4 个柱子对于硝态氮的去除率没有显著差异（p＞0.05），从图6a 中可以看出在最初进水的4 h 内，4 个装置底部出水中硝态氮浓度很低，这部分出水主要源自淹没区内填料孔隙中残存液，在试验间隔，通过反硝化作用残存液中硝态氮得到很好的去除，因此底部最初出水水样中，硝态氮浓度很低。

在随后的出水中，由于上层填料中高浓度硝态氮随着进水进入淹没区，导致接下来几个小时内，出水中硝态氮浓度急剧上升，甚至超过了进水浓度。

随着上层填料高浓度的淋洗液流出，接下来的出水中主要为本次进水，进水在淹没区的停留时间比较短，在进水过程中，进水中硝态氮很难通过反硝化完全得以去除，因此出水中硝态氮接近或低于进水浓度[12]。其中，根据4 个柱子的出水流速过程线，可知蛭石出水速度低于其他3 个柱子，可能是因和蛭石粒径小，且蛭石粒径的不均匀系数较高，导致装填蛭石的生物滞留柱出水流速较慢，进水在蛭石填料柱淹没区内的停留时间较其他几个柱子长，出水中硝态氮浓度也低于其他柱子，对硝态氮整体去除效果也好于其他柱子。

3 结论

1）通过装填不同的改良填料来分析不同生物滞留池模拟装置对污染物质的去除效果，在设置的35 cm 淹没区高度下4 个试验装置对TP、COD、氨氮、硝态氮的去除率分别为76.7%～85.6%、87.78%～94.19%、76.7%～87.67%和78%～88%。

2）在试验期间，3 种填料在氨氮和硝态氮的去除效果上均有提升，其中蛭石填料的硝态氮N 去除率相较于河沙填料的硝态氮去除率提升了10%，氨氮的去除率相较于河沙填料提升了20%，由于Z4 柱子的均匀系数较其他柱子对应层填料高，填料中小颗粒挤占大颗粒孔隙，影响了整个柱子的出水流速，使得蛭石的去除率提升了不少。

3）随着面源污染问题的日趋严重，改良生物滞留设施的填料能够提高设施对于污染物的处理效果，更有效的控制污染源头。综合本研究得出结论，由于蛭石填料对磷的去除效果好，在富营养化高的地区可采用蛭石填料加强对磷的去除，同时在实际工程应用中应结合场地的使用面积综合考虑选择生物滞留池的填料，实际工程现场若有充足的使用面积，可以使用均匀系数更低的填料，反之若实际工程场地有限，可以使用均匀系数高的蛭石填料。

本研究为生物滞留设施填料的优化设计提供了参考，对实现海绵城市建设发展有一定的推进作用。未来的研究应着重关注生物滞留设施填料中长期使用情况，以及不同运行工况下设施的处理效果。