文_劉早紅 蔡官軍 徐晨 南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院

水體富營(yíng)養(yǎng)化已成為我國(guó)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(yíng)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(jì)90 年代初期在美國(guó)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(guó)各地逐漸廣泛發(fā)展應(yīng)用起來。

生物滯留池具有諸多優(yōu)點(diǎn)：對(duì)雨水徑流高效的截留能力、對(duì)水質(zhì)有著較好的控制能力以及對(duì)污染物總量削減能力等，因此得到廣泛研究與推廣應(yīng)用。然而，在生物滯留系統(tǒng)中，脫氮除磷的過程是非常復(fù)雜的，因?yàn)榈椎拇嬖谛螒B(tài)的多樣性，而生物滯留池內(nèi)部仍然存在著許多復(fù)雜的物理化學(xué)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(dǎo)致磷的出水濃度高于進(jìn)水濃度，這也正是導(dǎo)致系統(tǒng)對(duì)磷的去除效果變化較大的原因。目前，采取增設(shè)淹沒區(qū)、優(yōu)選植物種類、補(bǔ)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(duì)于磷的去除，填料性能特別是化學(xué)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?jiān)蛘吡蛩徜X來改良填料以提高磷的去除效果。

目前，國(guó)內(nèi)已有對(duì)生物滯留系統(tǒng)去除氮素的研究評(píng)述以及生物滯留設(shè)施對(duì)磷去除的研究評(píng)述，而對(duì)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(chǔ)上，主要就生物滯留池技術(shù)結(jié)構(gòu)、脫氮除磷機(jī)理、國(guó)內(nèi)外脫氮除磷現(xiàn)狀進(jìn)行了較為細(xì)致深入的研究和分析，歸納并提出了幾個(gè)亟需解決的關(guān)鍵問題，為生物滯留池技術(shù)的設(shè)計(jì)與推廣應(yīng)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(dāng)集水區(qū)面積不大于0.5hm2時(shí)，生物滯留池設(shè)計(jì)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(yīng)留有100mm 的超高；種植土層的厚度一般為250mm，但應(yīng)根據(jù)系統(tǒng)所選植物類型而定，土壤應(yīng)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(jī)物的混合材料，所選材料應(yīng)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(yīng)埋置的穿孔管，為系統(tǒng)排水所用。

2 生物滯留設(shè)施去除雨水中氮磷的機(jī)理

在道路徑流雨水通過生物滯留池時(shí)，雨水中氮磷等化學(xué)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(duì)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(jìn)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(huì)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(jī)氮和無機(jī)氮。有機(jī)氮由尿素、氨基酸和蛋白質(zhì)組成，無機(jī)氮由銨、硝酸鹽和亞硝酸鹽組成。無機(jī)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(yīng)過程，如氨化、硝化和反硝化。另外，無機(jī)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(jī)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?dú)忉尫诺娇諝庵校袡C(jī)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(duì)雨水徑流中磷的去除可分為兩個(gè)方面：介質(zhì)層的物理化學(xué)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(yīng)和慢反應(yīng)。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(duì)徑流雨水中的磷進(jìn)行降解轉(zhuǎn)化無機(jī)鹽，植物生長(zhǎng)發(fā)育過程將吸收利用這部分無機(jī)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(guó)內(nèi)外許多專家和學(xué)者都做了大量關(guān)于生物滯留池對(duì)氮、磷污染物去除的優(yōu)化技術(shù)研究，主要重點(diǎn)集中在生物滯留池結(jié)構(gòu)改進(jìn)技術(shù)、填料組成和性能優(yōu)化、植物優(yōu)選等方面。對(duì)于脫氮性能的影響因素，主要有以下幾個(gè)方面的研究：填料改性，設(shè)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(yán)格厭氧條件和保證充足碳源，難以實(shí)現(xiàn)反硝化過程。因此，如何在生物滯留池內(nèi)構(gòu)建嚴(yán)格的厭氧反硝化條件和補(bǔ)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(guó)等為提高系統(tǒng)對(duì)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(shè)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(duì)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(duì)磷的去除主要依靠植物和填料對(duì)徑流雨水中磷的吸附、過濾等物理作用以及化學(xué)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(duì)磷的去除能力，結(jié)果表明重金屬的含量與其對(duì)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(dá)0.9。因此為提高填料對(duì)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(dá)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(duì)氮磷等污染物的去除產(chǎn)生影響。然而Claire P 等在實(shí)驗(yàn)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(shè)置

在生物滯留池底部設(shè)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(duì)系統(tǒng)整體脫氮除磷的提高有多大的貢獻(xiàn)程度這一問題還沒有得到解決，因此還應(yīng)深入探究厭氧區(qū)設(shè)置對(duì)脫氮除磷進(jìn)程的影響。另外，在設(shè)置厭氧區(qū)時(shí)還應(yīng)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(diǎn)問題。如何在營(yíng)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(zhǎng)周期達(dá)到持續(xù)處理的效果，同時(shí)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(zhǎng)和對(duì)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(duì)提高生物滯留池處理效能具有十分重要的實(shí)際意義。

4.4 系統(tǒng)修復(fù)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(dāng)?shù)匚廴疚镞_(dá)到較高的閥值，填料達(dá)到飽和值以后，如何對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)也是值得研究的問題。