生物滞留设施对地表径流中磷去除效果的研究述评

李海燕，罗艳红，马 玲

(1.北京建筑大学 城市雨水系统与水环境省部共建教育部重点实验室，北京 100044；2.中北大学(朔州校区)，山西 朔 州 036000； 3.石家庄市环境监测中心，河北 石家庄 050022)

1 研究背景

城市地表径流是非点源污染的主要来源，而其中的磷被认为是水体富营养化的最主要因素。城市雨水径流中的磷主要来自于绿地肥料、大气沉降、动物粪便和洗涤剂等[1]。磷按其物理形态可分为颗粒态磷(粒径<0.45 μm)和溶解态磷(粒径>0.45 μm)。颗粒态磷主要随着径流中的TSS(总悬浮固体)，通过过滤和沉降去除；正磷酸盐是溶解态磷中最主要的形态(磷酸氢根或磷酸二氢根)[2]，主要通过雨水处理设施中填料的吸附和植物的吸收去除。

生物滞留设施是一种新兴的低影响开发(Low Im-pact Development，简称LID)原位雨水径流控制措施，有很好的径流污染控制效果、径流体积削减效果和峰值流量控制效果[3]。该设施主要通过反应介质的吸附、置换和沉淀以及微生物的作用去除雨水径流中的污染物，对TSS、重金属、致病菌等均有很好的净化效果，且基建费用低、运行维护简单，应用灵活、不受场地限制，还具有生物多样性丰富、易由城市绿化带改造而成等优点，从而被欧美一些国家和地区推崇，可应用于城市新建或改建的高密度建筑区、住宅区、偏远郊区等不同区域，以控制建筑屋面、停车场、广场及道路等不透水区域的径流污染[4]。

我国落后的雨洪管理体系导致了一系列严重的生态问题，随着城市的快速发展，传统的雨水、污水处理方法已经不能满足生态环境保护的需求。本文对生物滞留技术的结构、除磷机理、除磷影响因素及国内外除磷现状进行了较为细致、深入的研究和分析，着重阐述了提高生物滞留设施除磷效果的方法，为该技术今后的设计和推广应用提供了有效的借鉴和参考，对减轻我国城市地表径流污染和地表水体的富营养化有重要意义。

2 生物滞留设施的结构

典型的生物滞留设施结构如图1[5]。对于进水污染负荷较高的情况，还可以增加预处理措施，如植被浅沟、沉淀池等。一般应鼓励径流下渗以回补地下水，若土壤的排水能力较差，可在生物滞留设施底部设置穿孔收集管，以防设施长时间处于淹水状态。一般设计面积为汇水区域的4%～7%，其处理的集水区面积一般不大于0.5 hm2，存储水深为200～300 mm，还应留有100 mm的超高；种植土层宜选用渗透系数较大的砂质土壤，厚度根据植物类型而定，一般为250 mm；填料层为75～100 cm的土壤、沙子和有机物的混合填料；应选取多年生的可短时间耐水耐旱的植物，如羊茅草、马蹄莲等；砾石排水层主要用于保护穿孔管，防止堵塞，并提供一个暂时的贮存空间，砾石层由粒径为12～35 mm的砾石组成，最大不超过50 mm，厚度为200～300 mm，在其中埋置的穿孔管收集管直径为100 mm，穿孔孔径为6～12 mm，穿孔排水管需有0.5%的纵向坡度，经过渗滤的雨水由此管排放到市政排水系统或河流。为增加雨水的滞留量，渗透与半渗透型生物滞留设施的砾石排水层下面还可增加300 mm厚的砾石调蓄层[6]。另外，还需设置溢流口。

图1 生物滞留设施的结构

3 生物滞留设施去除雨水径流中磷的机理

生物滞留设施主要通过反应介质(包括种植土层和人工填料层)的渗透、过滤、吸附、离子交换、植物吸收以及微生物摄取等联合作用去除雨水径流中的磷，可概括为以下两方面：

(2)微生物和植物的吸收固定作用。微生物能够对径流中的悬浮物、胶体和溶解性污染物进行降解。根据微生物种类和形成生物膜的不同，分为好氧过程和厌氧过程[8]：在土壤表层氧含量较丰富易形成好氧膜，聚磷菌附着在其表面吸附大量的磷，从而达到去除效果；在远离植物的根部或土壤深层，氧含量较少形成厌氧环境，厌氧微生物将难降解的有机物分解成易降解无机物。植物在生长过程中会吸收利用反应介质中的磷，剩余的磷残留在植物中，通过植物的收割得到去除。

4 影响生物滞留设施除磷效果的主要因素

在生物滞留设施运行过程中，有很多因素会影响磷的去除效果，最主要的因素是填料种类及性质和径流流过填料的路径和形式。

4.1 pH值

大量研究表明，不同的pH值条件下磷的存在形态不同，生物滞留设施对磷的去除效果也不同。过高或过低的pH值会影响表层填料中磷的解吸和释放，使磷随径流下渗[9]。pH值还会严重影响磷与A13+、Fe2+的反应沉降及磷酸钙的沉淀。田玉红等[10]的研究表明，偏酸和偏碱性条件下，反应介质对磷酸根的吸附都较差：当pH值为1～4.5时，反应介质对磷酸根的吸附率随pH值的增大而增大，pH值在4.5～6之间吸附率出现峰值，之后随着pH值的增加吸附率反而下降。Barrow[11]认为，当pH值为6～8时，溶解态磷主要以活跃的正磷形态存在，很容易被植物吸收，从而有较好的去除效果。Davis等[12]研究表明，填料能显著地缓冲进水pH值到6.0～8.0。综合以上，生物滞留设施在中性条件下除磷效果较好。

4.2 进水中磷的污染负荷

生物滞留系统对磷的吸附能力随进水中磷负荷的增加而逐渐减弱，最终达到吸附饱和，当进水磷污染负荷很高时，易导致出流中磷的浓度较高。污染负荷很低的情况下，设施也能有效滞留住磷[9]。Hsieh等[13]指出进水磷负荷为8.5 g/(m2·a) 时，设施对总磷的良好去除效果最好可稳定保持5年。Dietz等[14]对美国康涅狄格州两座雨水花园的监测表明，设施的穿孔收集管出水中磷浓度随运行时间的增加而以指数速率降低，总出水口处磷的浓度则随着运行时间的增加呈线性降低。

4.3 水力停留时间

4.4 填料的性能

选择合适的填料对磷的去除至关重要。有研究表明，氮和溶解态磷对填料的性能很敏感[15]，如果填料对磷没有足够的沉淀和吸附能力，磷便会从填料中解析成自由态的正磷酸盐，导致磷的去除率大大降低。

生物滞留设施填料中磷的初始含量对磷在其中的传输有很大影响[16]。含磷指标高的填料，对磷的吸收容量较小，含磷指标接近饱和时，会严重增加出水中磷的浓度[17]。应选择含磷指标适中的填料，以便既能保证植物正常生长，又能收到较好的除磷效果。有研究证实，通过提高填料的阳离子交换能力(CEC)可降低填料的含磷指标，CEC以大于10为宜[18]。

通过向填料中添加金属(如铝、钙、铁等)或有机物，可提高设施的除磷效果[19]。Richardson等[20]指出生物滞留系统中磷的去除主要依靠填料中铁氧化物的吸收，并且填料吸附磷的能力受填料中铁含量的影响。但土壤中含较多的磷和铁会使处理出水水质变差[21]；Bratieres等[22]指出添加腐殖土后填料中的含磷指标大大增加，出现了严重的淋洗现象。因此，应严格控制填料中金属和有机物的添加量。

综上，不同的影响因素和工况条件，都会在一定程度上影响生物滞留设施的除磷效果。为此，在实际应用中，应尽可能选取适宜的运行条件：①尽量保持生物滞留设施在温度适中、pH值偏中性的条件下运行。温度适中，植物和微生物比较活跃，对径流中的污染物去除效率高；pH值呈中性时，径流中的磷以正磷形态存在，正磷是唯一能被植物直接吸收的磷的形态，因此能取得较好的除磷效果。②进水磷污染负荷过高时可设置前置塘、植被过滤带等前处理设施，这样能有效去除颗粒态磷，减缓流速，减轻设施的负担并能够延长其运行寿命。北卡罗来纳州要求有1～1.5 m宽的植被过滤带、洼地作为预处理设施[23]。若设计时未考虑预处理设施，可在种植土表层覆盖一层树皮[24]，也能收到较好的效果。③应使径流以片流形式进入设施中，以保证布水均匀。道路径流可通过多个路牙石豁口流入设施中，也可经过植被浅沟或管渠集中流入设施内。④尽量选取根系比较发达、耐旱耐涝的本地草本植物，同时尽量选用根系较浅的草类，这样所需的填料厚度小，池深也浅，既节约了材料费和人工费，也降低了设施堵塞的风险，易于管理维护。

5 生物滞留设施除磷的运行效果研究

5.1 国内外利用生物滞留设施除磷的现状

国内外学者通过实验室研究(圆柱实验)、场地试验等对生物滞留设施进行了大量的研究和运行监测，部分研究结果如表1。

表1 生物滞留池对城市雨水径流中磷的去除实例

5.2 目前存在的主要问题

虽然生物滞留设施对径流中的大部分污染物都有较好的去除效果，且经济适用，可广泛应用于城市低空间的绿化，但对磷的处理存在去除率偏小、去除率波动范围较大、运行效果不够稳定等问题，应用于工程中的生物滞留设施除磷效果更差，有时还出现出水污染负荷高于进水的情况。究其原因，一是径流水质、水量变化的随机性和复杂性对处理效果稳定性有影响，不同的研究得到的结果不同；二是应用于工程的生物滞留设施多选取本地土壤，缺乏对填料优化及设施的结构改进等的深入研究；三是缺乏对设施运行的跟踪监测、管理与养护，不能保证稳定的运行条件和效果。

5.3 对生物滞留设施除磷效果改进的研究

5.3.1 填料的优化

选择合适的填料对生物滞留设施良好的排水性、磷的去除、植物的生长都很重要，可考虑从以下几方面做改进。

5.3.1.1 填料组成的优化

早期生物滞留设施选用的填料主要是渗透性较好的天然土[29]，如砂壤土，随后美国的乔治王子郡推荐选用沙、表层土、有机物料的组合，特拉华州选用砂、泥炭土、切碎的覆盖物各1/3的混合填料，但这两种混合填料的造价都较高。之后，北卡罗来纳州推荐采用85%～88%的砂、8%～12%的细骨料(黏土和淤泥的混合物)以及3%～5%的有机物组成的混合填料，其原材料易得且成本较低。

对填料的改进和性能优化的方法有很多。O’Neill等[30]在0.9 m高的圆柱中，用5%的水处理残渣和3%碎硬木树皮改良壤砂土，研究设施的除磷效果，结果表明：填充了改良介质的设施使出水中磷的质量比进水中的减少了88.5%，总磷的平均出流浓度小于25 μg/L，最大仅为70 μg/L；而使用没有添加改良介质的填料的对照实验出水中磷则增加了71.2%。Zhang Wei等[31]选取泥炭、石灰土、沙和粉煤灰等作为生物滞留设施的填料来测试其对径流中磷的去除效果，泥炭因较高的含磷指标而除磷效果最差，石灰土和沙对磷的去除效果一般，而粉煤灰则由于透水性低、滞蓄时间长，在所选填料中除磷效果最好；另外，沙中掺杂5%的粉煤灰是最理想的混合填料，对磷的去除率可达到85%，且很少有磷从混合填料中解吸出来，而未添加粉煤灰的沙质填料处理出水中则有42%的磷被解吸。周栋等[32]取沸石与麦饭石以5 ∶5、7 ∶3和3 ∶7三种不同体积比组成填充柱进行除磷试验，得出3 ∶7为最佳配比，其填充柱在两个运行周期内对磷的去除效率分别达到96.73%和94.59%，另两种比例的填充柱去除效率的上升速率相似，最大去除效率也类似，说明沸石对总磷的去除效果较好、速率较快。

5.3.1.2 填料的改性

(1)添加黏土。无论是单一填料还是混合填料都应有一定的黏土含量。黏粒含量高的填料对磷的吸附效果较好，但含量过高会影响系统的渗透性能。美国设计手册推荐黏土含量应小于5%，EPA规定为10%～25%，澳大利亚莫纳什大学生物滞留技术推广协会(FAWB)规定应小于3%。

(2)添加金属。含铝、钙和铁的填料对磷有更高的去除能力，且金属含量的不同会导致不同的除磷效果[33]。可在填料中添加一些含氢氧化铁、氧化铁或铝基团的天然矿物质或能促进钙磷形成的含钙矿物质。藻砾中含80%的碳酸钙和10%的碳酸镁，经实验测得对磷的吸收能力最大为1 184 mg/kg[34]；Brooks等[35]在填料中添加了氧化钙含量接近50%的硅钙石，磷的去除效果得到了明显的改善，其中大量的钙与磷反应生成稳定的矿物沉淀磷酸钙。

(3)添加有机质。美国的设计手册中大都建议添加20%～30%的腐殖质来改良土壤，如树皮、落叶堆肥等。然而，有机质的造价较高且易出现磷从填料中解吸的现象。因此，应严格控制填料中的有机质含量。阿拉巴马州、康涅狄格州的设计手册建议填料中有机质含量为1.5%～3%，FAWB规定最多不超过5%。

(4)为提高吸附能力，也可在填料中添加一些渗透性好、吸附磷能力强的介质，如沸石、蛭石、石英砂、钢丝绒等。在填料中掺加2%的钢丝绒可使系统对总磷的去除率保持在80%以上[35]。由于混合填料中添加物的成本通常较高，且某些添加物大量使用有风险，实际应用中应因地制宜加以选择。

总体来讲，生物滞留设施所选填料应具有含磷指标低、吸附磷能力强和渗透性能适中的特点。 FAWB规定填料中磷含量应小于80 mg/kg，如种植了对磷敏感的植物则磷含量应小于20 mg/kg。若所选填料含磷指标过高，可用硅砂清洗。

5.3.2 生物滞留设施结构的优化

为提高生物滞留设施去除污染物的效率，国内外学者不仅对生物滞留设施的运行条件、填料、植物等进行了研究和优选，还对设施的结构进行了改进，如表2所示。综合考虑，第一种设计较适合于我国的现状，基建成本低，生物多样性丰富，极具景观价值，在实际应用中应综合考虑用途、场地、投资等情况。

5.3.3 良好的养护

后期的管理和维护对设施的正常运行和除磷效果的保证至关重要，因此要做到：①经常修剪、锄草，清理设施表层、进水口、出水口、溢流口的杂物，保证设施的正常运行。②更换填料，定期一小换，5年一大换。因为填料层堵塞主要发生在表层，且表层中的污染物也最容易饱和，所以国外推荐的填料更换深度为25～50 cm[39]；一般填料大约5年后就充满了各种污染物，此时应彻底更换。③暴雨过后检查覆盖层及植物的受损情况，及时更换受损的覆盖层与植被，定期清除杂草；因植物的吸收同化作用赋存了大量的磷，故通过收割植物可以彻底去除生物滞留设施中的磷。

6 结 论

国外对生物滞留设施去除径流中磷的效果的研究已如火如荼，而在我国的雨水利用与管理工程中，多采用湿地、滞留塘、森林公园、传统草沟等BMP技术，LID措施在我国尚属新课题，对生物滞留设施的应用目前还处于从国外引进、介绍、设计、建造示范工程的阶段。关于生物滞留设施，目前还有以下问题没有得到较好的解答：①磷在生物滞留设施中的去除机理很复杂，且去除效果不稳定、去除率波动范围很大，目前并未找到有效的办法，增加厌氧区有一定的净化效果，但是运行不稳定，对水力特性的影响也不确定；②国内在建造生物滞留设施时，多数情况下直接选用挖方土作为设施的填料，造成了填料含磷本底值过高，出现了严重的淋洗现象；③大部分关键设计参数仍采用国外的经验值，如最大蓄水层高度、填料层厚度、安全系数等，缺乏适用于我国生物滞留设施的设计参数的实验数据支持；③目前也有不少投入运行的生物滞留设施实例，但缺乏实际运行效果的数据统计。

表2 对生物滞留设施结构优化的研究

针对上述问题，今后应重点开展以下几方面的工作：①加强磷在生物滞留设施中的迁移转化规律研究，重点研究磷的最终去向，为改善设施的除磷效率提供有效的理论指导；②对已建成的生物滞留设施要进行长期监测，收集实际运行资料，分析对比，得出该设施适用于我国的最佳设计标准；③对各种单一填料、混合填料的性质和结构进行深入研究，综合考虑填料的除磷效果、价格和材料的易得性，实际应用中具体项目具体分析；④在生物滞留设施构造方面多做探索，如借鉴多层土壤渗滤系统的结构，采用双层填料或多层填料结构，以使该技术能更好地滞蓄地表径流中的磷；⑤在生物滞留设施大量推广和应用中，“建设”和“维护”要双管齐下；⑥目前公众关于保护地表径流水质的意识较为薄弱，应加大技术和管理维护等方面的宣传教育。

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