生物滞留设施处理地表径流污染物的试验研究

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　　摘 要：在镇江市室外配制3种不同质量比的种植介质，建设3个生物滞留设施，使用河水模拟地表径流进行中试试验，检验生物滞留设施处理地表径流污染物的效果。结果表明：3个生物滞留设施对污染物的消减效果差异不大; 在每一次试验中，其出水中的总磷和氨氮浓度较为稳定，总氮浓度或稳定或较大幅度地波动，化学需氧量的浓度基本呈现先减小后增大的趋势，总固体悬浮物的浓度呈现先下降后持平的趋势;在总共12次试验中，每次试验出水中总磷的平均浓度符合地表水环境质量标准的Ⅱ类或Ⅲ类，氨氮符合Ⅱ类，总氮超出Ⅴ类，化学需氧量处于Ⅱ—Ⅳ类;对总磷、氨氮、总氮、化学需氧量和悬浮物的平均浓度消减率分别为81%～96%、78%～99%、-146%～98%、-27%～75%和14%～54%;氨氮的平均浓度消减率随进水浓度的增大而增大;总氮的平均浓度消减率基本呈现正负交替趋势，随进水浓度相对增大而增大。本研究为在海绵城市建设中应用涉及以土、椰糠和砂为材料的生物滞留设施提供一定参考。
　　关键词：生物滞留设施;种植介质;椰糠;污染物指标;消减率
　　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
　　生物滯留设施（以下简称“设施”）是指在地势较低的区域，利用植物、土壤和微生物系统通过入渗方式控制地表径流污染、消减径流总量和径流峰值的设施，被应用于我国海绵城市建设中[1]。地表径流沿着不同路径流入河流湖泊，其携带的物质可能引起水体污染，形成水体富营养化，甚至黑臭水体，直接影响人类的生产和生活。检验设施处理地表径流污染物的功能对我国海绵城市建设具有一定意义。
　　生物滞留设施早在1993年被应用于雨水径流的处理，并编制了实践手册，直至2001年才有公开的试验研究成果，表明其具有较好的消减雨水径流污染物的功能[2]。Hsieh等[3]利用砂和砂壤土配制不同比例的种植介质，并在其上面铺设有机质覆盖层，在蓄水层15 cm常水头条件下设施对总磷（TP）的消减率为63%～85%。Lucas等[4]利用合成雨水径流和三级污水负荷定量地验证植物在砂、壤土和砂砾3种种植介质中对TP、总氮（TN）和氮氧化物的消减效果。郭娉婷[5]采用种植土层和以沸石、细沙、砂土和石英砂外掺10%木质素作为处理介质进行试验研究，表明设施对化学需氧量（chemical oxygen demand，COD）、TP、氨氮（ammonia nitrogen，NH+4-N）的去除效果较好，对TN的去除效果较差，其中以填充细沙和石英砂的消减效果较好。李磊等[6]利用极细沙、细沙、中砂、中粗砂、粗砂和细砾叠合作为填充介质进行试验研究，表明水力负荷提高对设施处理NH+4-N影响不大，对TP、TN有一定影响。 　　在镇江市（主城区）海绵城市建设中，设施的种植介质由土、砂和椰糠经混合搅拌而成，是一种混合介质，与传统多层介质叠合（组合）构成种植介质不同，在国内外都具有一定特色。但截至目前，上述种植介质的设施处理污染物的效果一直未得到检验，也未见公开发布相关数据。为此，笔者利用镇江市内含有一定污染物的河水进行设施的入渗试验，通过模拟地表径流的方式检验设施处理污染物的能力，以期为我国长三角地区的海绵城市建设提供参考。
　　1 试验和方法
　　1.1 试验装置
　　本文所用的3个设施的试验装置及其内部构造层完全相同，如图1所示。试验装置由200 L储水罐改装而成，长、宽、高分别约为0.45、0.45、1.20 m，容量0.2 m3。内部构造层由上向下为200 mm蓄水层，600 mm种植介质层，100 mm过渡层，300 mm碎石层（底部中间设置直径100 mm穿孔HDPE（高密度聚乙烯）排水管）;种植介质是表土、椰糠、中粗砂拌成的混合物，过渡层由50 mm的米子（粒径2.36～4.78 mm碎石）和50 mm的瓜子（粒径5～10 mm碎石）片混合、搅拌制成，碎石层的碎石粒径：30～50 mm。
　　在编号为1、2、3试验装置中，碎石层和过渡层的填料相同，种植介质层的表土、椰糠、中粗砂的质量比分别为2∶2∶6、3∶2∶5、4∶6∶9。在填充构造层前，米子、瓜子片和碎石经自来水冲洗干净，椰糠分批分次经发泡和烘干处理，表土经风干并过4.75 mm土壤筛，中粗砂经晾晒风干，测定的表土和中粗砂的含水率分别为5%和2%。装置建于室外，建成于2017年6月份。在2018年4月9日，在每个装置内种植9株鸢尾，采用自来水灌溉培养。
　　1.2 试验方法
　　入渗试验为恒定进水速率条件下积水高度不断升高的试验[7]。进水速率根据镇江市短时强降雨特征设定：在汇流面积4 m2条件下，针对2 h降雨量为48.9 mm的两年一遇降雨，总进水量为195.6 L，进水速率为0.027 L/s;针对2 h降雨量为64.0 mm的五年一遇降雨，总进水量为256 L，进水速率为0.034 L/s。进水采用镇江市胜利港河的河水作为水源，储存在HDPE储水罐中。使用精密蠕动泵（保定兰格恒流泵有限公司BT 600-2J驱动器配YZⅡ25型泵头，24#和36#软管）控制进水速率。当蓄水层积水高度达200 mm左右时停止进水，否则发生溢流。
　　1.3 水样分析方法
　　未将不同时间点采集的水样混合，单独测定每个水样的污染物指标（简称“指标”）。水样分析方法为[8]：TP采用钼酸铵分光光度法;NH+4-N采用纳氏试剂比色法;TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法;COD采用重铬酸盐法;总固体悬浮物（total suspended solids，TSS）采用重量法[9]。
　　1.4 统计方法与计算方法
　　采用格拉布斯准则判断指标的异常值。指标浓度消减率的计算公式：
　　2 结果与分析
　　2.1 指标浓度随时间变化规律
　　入渗试验始于2018年8月30日，止于2018年11月。从每个装置的4次试验结果看，3个装置出水中的指标浓度随时间变化规律基本一致。限于篇幅，本部分仅以1#装置为主进行阐述。
　　2.1.1 总磷（TP）
　　由图2可知，进水中的TP浓度为0.465～0.829 mg/L，出水中的浓度为0.03～0.132 mg/L，后者浓度比前者小。出水中的TP浓度较为稳定，前期存在一定差异，后期基本相同，呈递增趋势。设施主要通过吸附和沉淀机制去除磷元素，通常在介质表面以下几十毫米范围内就可以去除溶解性磷和颗粒状磷，除磷能力较为稳定，去除率较高[10]。由于试验经过或长或短的进水间隔期（干燥期），介质表面吸附能力得到一定恢复，进水初期介质表面的快速吸附点位逐渐被占据，造成出水中指标浓度缓慢增大[11]。
　　2.1.2 总氮（TN）
　　由图3可知，进水中的TN浓度为1.22～9.54 mg/L，出水中的TN浓度为0.46～18.1mg/L。出水中的TN浓度有时稳定（如在9月24日试验中），有时波动较大（如8月30日试验）。在将9月2日试验的第2个采集点作为异常值剔除情况下（格拉布斯准则判断该采集点为异常值），TN在2次试验中发生淋出现象（在进水的淋溶作用下排出设施[12] 以下简称"淋出"），在每次试验中存在2个淋出采集点，表明设施脱氮效果不稳定。
　　虽然进水持续和蓄水层积水高度不断增加导致介质饱和层由上向下延伸，但由于過渡层和排水层的渗透系数远大于种植介质的渗透系数[13]，且排水层始终通过穿孔排水管与外部空气联通，种植介质层不具备完全缺氧脱氮条件，同时进水对介质也有一定的淋溶作用，这可能是其脱氮不稳定的重要原因[12]。通过离子交换作用，设施对氨氮有较高消减率，但滞留的氨氮在干燥期易被转化为硝态氮，而硝态氮不容易被土壤或者多孔填料吸附，在进水时被淋出[12]。
　　2.1.3 氨氮（NH+4-N）
　　由图4可知，进水中的NH+4-N浓度为0.25～7.58 mg/L，出水中的NH+4-N浓度为0.09～3.25 mg/L;除9月9日试验外，出水中的浓度比进水中的小。出水中的NH+4-N浓度较为稳定，在前期存在一定差异，后期基本相同，为0.4 mg/L左右。
　　因为NH+4-N带有正电荷，土壤带有负电荷，所以前者很容易被后者吸附[14]。砂和椰糠对NH+4-N都具有一定的吸附作用，且有效吸附时间可达24 h以上[15]，有助于设施保持较好的消减率和稳定性。
　　在9月2日试验中第2次采集点的浓度异常，可能是与8月30日试验的间隔时间较短有关，滞留在介质中的NH+4-N在水流较大时被淋出。格拉布斯准则判断该采集点为异常值。9月9日试验淋出现象的主要原因是进水中的NH+4-N浓度低，为0.25 mg/L，进水相当于天然降雨[16]，对介质有淋溶作用，导致NH+4-N随水流淋出。 　　2.1.4 总固体悬浮物（TSS）
　　由图5可知，进水中的TSS浓度为52～89 mg/L，出水中的浓度为20～64 mg/L，后者中的浓度比前者中的小。出水中的TSS浓度基本稳定，整体上呈递减、持平趋势。设施主要通过沉积和过滤作用消减TSS[17]。悬浮物在介质内的沉积，颗粒空隙不断减小，比表面积增大，水力停留时间增加，故对悬浮物的去除率提高[18]。
　　2.1.5 化学需氧量（COD）
　　由图6可知，进水中的COD浓度为17～49 mg/L，出水中的浓度为4～41 mg/L，后者中的浓度比前者中的小。出水中的COD的浓度基本呈现先减小后递增的趋势，且后期与进水中的浓度基本呈正比例关系。
　　研究表明[15]，在静态吸附试验中，椰糠在进水后半个小时左右基本完成COD吸附过程，砂需要大概2 h，且其吸附速率较为稳定。入渗率增大，水力停留时间减小，进水与土壤颗粒接触反应不充分[14]。随着进水的持续，椰糠和土壤颗粒的吸附作用逐渐减小，进水中COD的浓度和砂的吸附速率保持不变，导致出水中COD浓度逐渐增加。
　　在五年一遇进水速率条件下2#和3#装置出水中的COD存在淋出现象。COD淋出原因之一是2#装置表土多3#装置椰糠多，腐烂的有机物被进水淋溶带出[19];原因之二是在五年一遇进水速率条件下的入渗率较大，水力停留时间减少，与介质接触不充分[14]。
　　2.2 地表水质量环境标准
　　由表1和表2比较可知，进水中的TP浓度属于超出地表水环境质量Ⅴ类标准，NH+4-N、TN的浓度大部分属于超出Ⅴ类标准，COD的浓度从Ⅱ类到超出Ⅴ类标准;出水中的TP平均浓度符合地表水环境质量Ⅱ和Ⅲ类标准，NH+4-N的平均浓度符合Ⅱ类标准，COD的平均浓度符合Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ类标准，TN的平均浓度除3#装置的第1次试验外均超出地表水Ⅴ类标准。综合来看，出水中的TP和NH+4-N平均浓度较为理想，都符合地表水Ⅲ类标准;装置对COD和TN的消减效果不理想;在地表水环境质量标准方面，3个装置对污染物的消减效果基本上是相同的。
　　2.3 平均浓度消减率
　　由表3可知，装置对TP的平均消减率为81%～96%;除1#装置第3次试验外，对NH+4-N的平均消减率为78%～99%;对TN的平均消减率分别为-146%～98%;对1#装置COD的平均消減率为41%～48%，对2#和3#装置COD的平均消减率分别为-17%～68%和-27%～75%;对TSS的平均消减率为14%～54%。在本试验中TSS的消减率小，可能与进水中TSS的浓度较低有关[20]。整体而言，装置对TP和NH+4-N的消减效果较为理想，其消减效果优于TN、COD和TSS，对径流中TN和NH+4-N有一定的消减作用。从平均浓度消减率来看，3个装置对污染物的消减效果差异不大;考虑在2#和3#装置中COD存在淋出现象，1#装置消减污染物的效果较优。
　　2.4 进水浓度对氮素消减率的影响
　　由表1和表3可知，当进水浓度较低时，NH+4-N浓度消减率较小，反之，浓度消减率较大。NH+4-N的平均浓度消减率随进水浓度增大而增大。出水中NH+4-N的平均浓度为0.2 ～ 0.47mg/L，与进水浓度（1.45～24.6 mg/L）相比，是相对比较稳定的;在采用公式（1）计算时，其相当于定值，因此NH+4-N的平均浓度消减率随进水浓度的增大而增大。
　　由表3可知，TN的平均浓度消减率基本呈现正负交替趋势，与进水中的TN浓度高低、进水次序保持一致。研究表明，设施出水中指标浓度和负荷是进水负荷和设施内部处理过程的函数。而且淋失的氮素负荷受以前进水事件特征和干旱期的天气情况等因素影响。前期进水中的氮素在干旱期内转化为硝酸盐，后者被随后进水淋出[21]。当前次进水中的TN浓度较高时，在干旱期积累的硝酸盐较多，加之进水浓度较低，导致平均浓度消减率较小，甚至因为淋出而为负值。在2#装置第2次试验中，最后2个采集点的TN浓度已经接近进水浓度，其浓度消减率为1%。当前次进水中的TN浓度较低时，出水中总氮浓度较低，其浓度消减率较大。因为在本试验中进水浓度基本呈高低交替输入设施，所以平均浓度消减率呈现正负交替趋势。这说明TN浓度消减率受进水浓度影响，随进水浓度相对增大而增大，相对减小而减小。
　　3 结论
　　（1）在每一次试验中，随着进水的持续，出水中的TP浓度较为稳定，未发生淋出现象;NH+4-N浓度较为稳定，即便在淋出条件下;TN浓度或稳定，或因为淋出而波动较大;COD浓度呈现先减小后递增趋势，在2#和3#设施中存在淋出现象;TSS浓度基本呈先下降后持平趋势，未发生淋出现象。
　　（2）出水中TP的平均浓度符合地表水环境质量Ⅱ和Ⅲ类标准，NH+4-N的平均浓度符合Ⅱ类标准，COD的平均浓度符合Ⅱ、Ⅲ和Ⅳ类标准，TN的平均浓度除3#装置的第1次试验外均超出地表水Ⅴ类标准。
　　（3）设施对TP和NH+4-N平均消减率分别高达81%～96%和78%～99%，对TN平均消减率为-146%～98%，对COD平均消减率为-27%～75%，对TSS的平均消减率为14%～54%。结合地表水环境质量标准，3个装置对污染物的消减效果基本上是一样的;考虑在2#和3#装置中COD存在淋出现象，因此1#装置消减污染物的效果较优。
　　（4）NH+4-N的浓度消减率随进水浓度增大而增大;TN的浓度消减率基本呈现正负交替趋势，随进水浓度相对增大而增大，相对减小而减小。
　　（5） 氮磷是导致水体发生富营养化的关键控制性因子[22-24]。设施出水中的TP符合地表水Ⅱ类和Ⅲ类标准，根据Liebig的最小值原理[25]，即“植物的生产决定于外界供给它所需养分中数量最少的那一种”，表明设施对防止水体富营养化具有一定作用。为实现消减TN浓度目的，可以尝试储水式生物滞留设施[13]，但其处理效果需要试验和实践检验[10]。 　　（6）本研究采用河水模拟地表径流，两者存在一定的差异。后期研究应多以实际降雨和地表径流为研究对象，尤其要考虑TSS对其他污染物消减效果的影响。
　　致谢：污染物指标测定工作由镇江市建设工程质量检测中心有限公司的韦平云、魏泽生、林明霞、金青等完成。在此声明，以表对他们辛苦工作的谢意。
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