生物滞留系统中径流雨水磷的迁移转化规律

冯萃敏，蔡志文，米　楠，张雅君，钱宏亮

(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.中国移动通信集团设计院有限公司，北京　100080；3.北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京　100082)



生物滞留系统中径流雨水磷的迁移转化规律

冯萃敏1，蔡志文1，米楠2，张雅君1，钱宏亮3

(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.中国移动通信集团设计院有限公司，北京100080；3.北京市市政工程设计研究总院有限公司，北京100082)

摘要：基于生物滞留系统对雨水的处理效果，对其进行模拟径流雨水进水试验，通过连续提取法检测生物滞留系统土壤渗滤介质不同深度(0、5、15、35 cm)处交换态无机磷(Ex-P)、铝磷(Al-P)、铁磷(Fe-P)含量，并监测系统出水TP。结果表明，土壤渗滤介质对Ex-P、Al-P、Fe-P的吸附是从上至下逐层进行、逐层减弱的，Ex-P转化为Al-P、Fe-P，同时Al-P转化为Fe-P，因此Ex-P含量逐层减少，而Al-P、Fe-P逐层累积。系统对径流雨水中TP的去除率在90%以上，其中未被植物利用的TP体现为水-土壤-根系-生物系统内磷的动态平衡。

关键词：生物滞留；土壤渗滤介质；径流雨水；磷；迁移；转化

随着城市化快速发展和人口增多,很多地区淡水资源供不应求,雨水成为水资源补给的重点对象[1]。雨水是一种直接、经济的水资源,对调节、补给当地水资源极为关键[2]。但是随着城市扩张,不透水面积增加,农业化肥过量使用以及城市雨洪现象加剧,大量的油类物质、氮、磷、有机物及重金属或溶解或悬浮于径流雨水中并排入水体,导致雨水径流量增大,水体污染负荷增多[3-5]。径流雨水中ρ(TP)为0.5～2.89 mg·L-1,如果直接排入河道,会对水体造成污染[6-7]。

生物滞留系统作为低影响开发(low impact development,LID)体系中的一项重要技术[8],可有效控制雨水径流量、径流污染,是最具社会效应、环境效应及经济效益的雨水径流管理方法[9],尤其在停车场及道路旁,该系统可减少硬化路面洪峰流量,降低面源污染[10-11]。在生物滞留系统对径流雨水中污染物去除效果方面已有大量研究[12-16],结果表明,系统对TP去除率高达90%,NH4+-N去除率在70%以上,油脂类的去除率大于90%,总固体悬浮物(TSS)和重金属去除率大于90%。但如果污染负荷超过系统填料吸收极限值,系统就开始释放磷,系统对磷的去除效果会不断下降。

城市径流雨水中磷的存在形态分为2种:颗粒态磷和溶解态磷[17]。土壤中存在磷吸附和沉淀的可逆反应,不同形态磷之间可自然迁移转化[18-21]。同时,磷可降低土壤中重金属的活性[22]。目前对生物滞留系统去除径流雨水中污染物的作用机理研究不多,导致系统设计存在不足,回用水质不达标。笔者根据磷在土壤中吸附和沉淀的可逆反应,研究含磷径流雨水在生物滞留系统中的迁移转化规律,以便更好地了解土壤渗滤介质中磷的存在形态,从而为生物滞留系统的设计提供可行依据。

1材料与方法

1.1生物滞留试验装置

如图1所示,装置长×宽×高分别为80 cm×80 cm×105 cm。以底座平台为基准平面,装置内由上向下依次为20 cm进水空间、60 cm土壤渗滤介质、5 cm砂垫层、土工布、多孔PVC板、20 cm砾石层和由土工布包裹的渗排管。

图1　生物滞留装置示意

生物滞留试验装置中土壤渗滤介质由红壤、中砂、细砾石按照质量比为5∶4∶1均匀混合而成。红壤采自浙江省嘉兴市,属于Al-Fe体系的酸性黏性土壤,颗粒组成以黏粒为主,占比达50%～70%,pH值较低,矿质养分和有机碳含量低,渗透性极差,但铁、铝含量高,无定形态的铁铝氧化物和水氧化物与径流雨水中的磷结合生成铝磷(Al-P)、铁磷(Fe-P),可增强对磷的吸附能力[23-25]。红壤的孔隙度为37.46%,pH值为5.3,w(有机质)为11.2 mg·kg-1,w(Al)为78.9 g·kg-1,w(Fe)为39.9 g·kg-1。中砂粒径为0.25～0.5 mm,细砾石粒径为1～10 mm。系统总计装填土壤渗滤介质614.4 kg。

植物选取麦冬(Ophiopogonjaponicus),种植密度为10株·m-2。麦冬是一种根系粗壮发达、深入土层较深、需水量和需磷量大的多年生常绿草本植物,多种植于路旁、溪旁及阴湿处。

1.2试验用水

根据城市当地路面径流雨水的水质[26]配制试验用水,水质指标如下:ρ(TP)为5.0 mg·L-1,ρ(NH4+-N)为3.2 mg·L-1,ρ(NO3--N)为3.5 mg·L-1,COD为1 176 mg·L-1,ρ(SS)为629 mg·L-1。

1.3试验设计及检测方法

土壤中的磷按化合态可分为无机磷和有机磷。无机磷主要包括交换态无机磷(Ex-P)、磷酸铝盐(Al-P)、磷酸铁盐(Fe-P)、闭蓄态磷(Oc-P)和磷酸钙盐(Ca-P);有机磷主要包括活性有机磷(LOP)、中等活性有机磷(MLOP)、中等稳定态有机磷(MROP)和高稳定态有机磷(HROP)[27-28]。

Ca-P主要以难溶于水的磷酸钙Ca3(PO4)2存在,不易被溶解吸附;Oc-P表面有氢氧化铁Fe(OH)3和氢氧化铝Al(OH)3形成的带有胶体粒子的膜,既难溶于酸，也难溶于碱,不易被释放和被植物利用[29]。土壤中有机态磷约占全磷量的20%～50%,在正常条件下很难被溶解和被生物利用[15]。所以该研究以Ex-P、Al-P和Fe-P这3种无机磷为研究重点。

模拟降雨径流场次共5场,标记为降雨1(第1～7天)、降雨2(第8～14天)、降雨3(第22～28天)、降雨4(第36～42天)、降雨5(第50～56天),每场降雨历时120 min,进水总量为15 L。不降雨的间隔期称为落干期,除降雨1外,其余降雨之后均有7 d落干期,对应降雨期分别称为落干2(第15～21天)、落干3(第29～35天)、落干4(第43～49天)和落干5(第57～62天)。

在装置侧壁的4个土壤深度(0、5、15、35 cm)处设有取样口,每次进水后,参考HJ/T 166—2004《土壤环境监测技术规范》中的野外取样法,用螺旋取土钻从装置侧壁的取样口取样。土壤中Ex-P、Al-P、Fe-P含量采用化学连续提取法[30]提取,钼锑抗比色法测定。经检测,生物滞留系统土壤中w(Ex-P)、w(Al-P)和w(Fe-P)的本底值分别为11.5、90.5和88.5 mg·kg-1。

2结果与讨论

2.1Ex-P的迁移转化

降雨期、落干期不同深度处Ex-P含量如图2所示,在0、5、15 cm深处,降雨1、降雨2和降雨3为系统适应期,降雨4和降雨5时Ex-P含量趋于稳定。落干2和落干3时Ex-P含量变化较大,落干4和落干5时系统运行稳定,Ex-P含量变化较小,Ex-P达土壤渗滤介质最大吸附饱和量。由于Ex-P被上层土壤大量吸附并达最大吸附饱和量,所以在35 cm深处Ex-P含量降低。由于植物根系分泌物在缺磷时仍能释磷,富磷时仍能控磷[31],因而在35 cm深处始终存在不同形态磷之间的转化,Ex-P含量波动较明显。到落干5结束时,0、5、15和35 cm土壤深度处Ex-P含量与本底值相比分别变化4.6、3.6、0.9和-2.2 mg·kg-1。

图2　生物滞留系统不同土壤深度处介质的Ex-P含量变化

同一阶段不同土壤深度处Ex-P含量变化率(E1)用以下公式表示:E1=(降雨期土壤中Ex-P含量-落干期土壤中Ex-P含量)/降雨期土壤中Ex-P含量。由于降雨1无对应的落干期,只有降雨2-落干2、降雨3-落干3、降雨4-落干4和降雨5-落干5可以计算出Ex-P含量变化率(表1)。从降雨1到落干3,仅在落干3结束后35 cm处Ex-P含量变化波动较大,且降雨3-落干3为负值,说明土壤深处为低Ex-P胁迫状态,根系的分泌物活化了土壤中难溶性磷[31],其他形态磷转化成Ex-P,提高了土壤中磷的有效性[17],使生物滞留系统达到有效“控磷”和“释磷”的目的。

总之,在模拟降雨后7或14 d内,不同土壤深度处Ex-P含量随深度增加呈递减趋势,表明土壤渗滤介质吸附磷生成Ex-P的机制是从上至下逐层进行,且Ex-P在土壤中不易累积,易转化成其他形态的磷。这是因为当土壤富磷时,Ex-P与土壤中金属离子生成难溶态磷酸盐吸附在土壤颗粒表面;当深层土壤缺磷时,表层土壤中的Ex-P在垂直方向由上而下迁移转化,改善局部土壤缺磷状况[29]。

表1同一阶段不同土壤深处Ex-P含量变化率(E1)

Table 1Change rate of Ex-P concentration relative to depth in the profile and time period

土壤深度/cmE1/%降雨2-落干2降雨3-落干3降雨4-落干4降雨5-落干5045.4342.4849.4050.61533.1946.4650.9949.831517.2210.9440.7640.38351.05-39.3321.093.12

E1=(降雨期土壤中Ex-P含量-落干期土壤中Ex-P含量)/降雨期土壤中Ex-P含量。

2.2Al-P的迁移转化

降雨期、落干期不同深度处Al-P含量如图3所示。与Ex-P相似,模拟降雨后不同土壤深度处Al-P含量亦随土壤深度增加呈递减趋势,表明土壤介质吸附径流雨水中磷生成Al-P的机制也是从上至下逐层进行、逐层减弱的。到落干5结束时,0、5、15和35 cm深度处Al-P含量和本底值相比,分别变化45.9、40.2、30.1和-2.3 mg·kg-1。降雨4之前不同土层深处Al-P含量波动较大,降雨4之后Al-P含量基本稳定,变化率比Ex-P小很多,说明Al-P在系统内会达到填料最大吸附饱和量,Al-P向其他形式磷转化较少[29],因此其累积能力强于Ex-P。

图3　生物滞留系统不同土壤深度处介质的Al-P含量变化

同一阶段不同土壤深度处Al-P含量变化率(E2)用以下公式表示:E2=(降雨期土壤中Al-P含量-落干期土壤中Al-P含量)/降雨期土壤中Al-P含量。由表2可知，与Ex-P不同,在降雨4之前5和15 cm处以及降雨3之前35 cm处Al-P为累积状态,且其含量变化出现负值,表明装置运行前期其他形态磷在向Al-P转化。

表2不同土壤深度处Al-P含量变化率(E2)

Table 2Change rate of Al-P concentration relative to soil layer in depth

土壤深度/cmE2/%降雨2-落干2降雨3-落干3降雨4-落干4降雨5-落干501.382.913.273.265-2.76-1.574.534.5315-1.23-13.987.9314.4335-15.858.8915.0511.45

E2=(降雨期土壤中Al-P含量-落干期土壤中Al-P含量)/降雨期土壤中Al-P含量。

2.3Fe-P的迁移转化

降雨期、落干期不同深度处Fe-P含量如图4所示,模拟降雨后土壤不同深度(0、5、15和35 cm)处Fe-P含量随深度增加基本呈递减趋势,表明土壤吸附径流雨水中磷生成Fe-P的机制同样也是从上至下逐层进行、逐层减弱的。到落干5结束时,0、5、15和35 cm深度处Fe-P含量与本底值相比分别变化82.6、77.2、68.1和41.3 mg·kg-1。同一阶段不同土壤深度处Fe-P含量变化率(E3)用以下公式表示:E3=(降雨期土壤中Fe-P含量-落干期土壤中Fe-P含量)/降雨期土壤中Fe-P含量。Fe-P含量变化率如表3所示,随系统运行时间的增加不同土壤深度处Fe-P均出现较大幅度累积。红壤属于酸性土壤,酸性土壤中无定形铁氧化物和水氧化物是磷的主要吸附基质,增强了红壤对磷的吸附[23-25],说明土壤渗滤介质中一直有其他形态的磷向Fe-P转化,才会形成Fe-P的持续累积现象。

麦冬对土壤中各种难溶形态磷的活化能力有差异,从大到小依次为Ex-P、Al-P和Fe-P,尤其对Fe-P活化效果不理想，作用不显著。落干3结束时，除土壤深度35 cm处外,其他土壤深度处Ex-P并未出现累积,说明土壤中一部分Ex-P在根系分泌物以及土壤微生物作用下转化成其他形态磷,一部分被植物吸收利用;Al-P在不同深度出现一定程度的累积,说明麦冬根系分泌物以及土壤微生物对Al-P的活化与转化比在不同深度处有差异;而Fe-P则出现大幅度累积,说明麦冬根系分泌物以及土壤微生物对Fe-P的转化能力很弱,大部分其他形态磷转化成Fe-P,即土壤对Fe-P的活化量小于向Fe-P的转化量。如果选择根系分泌物比麦冬多的植物,将能产生大量有机酸,使难溶态磷的活化效果更好,从而促进土壤渗滤介质中不同形态磷之间的迁移转化,Ex-P、Al-P或Fe-P不出现累积。

图4　生物滞留系统不同土壤深度处介质的Fe-P含量变化

表3不同土壤深度处Fe-P含量变化率(E3)

Table 3Change rate of Fe-P concentration relative to depth of the soil layer

土壤深度/cmE3/%降雨2-落干2降雨3-落干3降雨4-落干4降雨5-落干50-5.36-7.52-4.63-7.075-8.90-16.03-1.26-5.3415-14.43-9.78-8.80-4.3335-2.76-14.65-6.81-4.42

E3=(降雨期土壤中Fe-P含量-落干期土壤中Fe-P含量)/降雨期土壤中Fe-P含量。

2.4系统总磷的迁移转化

随着模拟降雨场次的增加,出水ρ(TP)由0.47逐渐降低到0.17 mg·L-1,系统对TP的去除率达96.6%(表4)。以降雨4为例,系统进出水TP量分别为75.0和2.1 mg,TP总计减少72.9 mg,在土壤深度0 cm处,土壤中Ex-P、Al-P和Fe-P各增加13.7、4和9.7 mg,所以,进水中的TP在与土壤瞬时接触后至少有27.4 mg迁移至土壤。在土壤表层磷的内部转化极少,可以认为27.4 mg磷全部来源于进水TP。以此推算,在土壤不同深度处Ex-P、Al-P和Fe-P累计增加量总计为110.5 mg。根据物质守恒定律,雨水中TP最多迁移72.9 mg磷至土壤,其他37.6 mg磷来源于土壤内部的迁移和转化。同样,不同降雨期均有TP迁移至土壤,转化成土壤中不同形态磷,在根系以及微生物作用下也会不断地进行转化和被植物吸收利用,形成了水-土壤-根系-生物系统内磷的动态平衡。

表4生物滞留系统不同时期TP的变化

Table 4The change of TP at different stages in the bioretention system

阶段出水TP量/mg去除率/%水中TP总减少量/mg土壤中Ex-P、Al-P、Fe-P总增加量/mg土壤中迁移量占无机磷增加量的比例/%降雨14.790.770.3103.231.9降雨22.794.772.348.2-50降雨32.395.572.790.319.5降雨42.195.972.9110.534降雨51.796.773.366.1-10.9

3结论

(1)生物滞留系统中Ex-P会向其他形态磷转化,其中Ex-P含量减少,不出现累积现象；Al-P、Fe-P含量则增加,出现不同程度累积现象。3种不同无机磷活性强度从大到小依次为Ex-P、Al-P和Fe-P,系统中存在Ex-P向Al-P、Fe-P转化,也存在Ex-P、Al-P向Fe-P转化现象,最终体现为向Fe-P的持续转化。

(2)土壤中的渗滤介质对Ex-P、Al-P和Fe-P的吸附均是从上至下逐层进行、逐层减弱的,即在0 cm处Ex-P、Al-P和Fe-P含量最高,35 cm处含量最低。可在土壤介质中人工添加不同配比的磷活化剂,以提高不同形态磷之间的转化,保持土壤磷的平衡,从而延长系统的工作周期。

(3)在各场模拟降雨试验中,生物滞留系统对TP的去除率均大于90%,试验所用的土壤渗滤介质对径流雨水中TP的整体去除效果稳定。径流雨水中至少34%的TP未被植物利用,而是转化成土壤中的Ex-P、Al-P和Fe-P,在根系分泌物及微生物作用下,形成了水-土壤-根系-生物系统内磷的动态平衡。

(4)生物滞留系统对雨水径流磷有较好的去除效果,植物的选择、土壤渗滤介质的选择与配比以及土壤中活化剂的使用均会不同程度地影响系统对磷的去除。因此,选择根系发达、耐涝、需磷量大的多年生植物,选用过滤效果好、吸附性强且Al和Fe含量低的填料,可获得较好的除磷效果和较长的使用周期。

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(责任编辑： 陈昕)

收稿日期：2016-02-25

基金项目：国家水体污染控制与治理科技重大专项(2011ZX07301-004)

中图分类号：X52

文献标志码：A

文章编号：1673-4831(2016)04-0639-06

DOI：10.11934/j.issn.1673-4831.2016.04.019

作者简介：冯萃敏(1968—),女,河北承德人,教授,硕士,从事水资源再利用理论与技术方面的研究。E-mail: feng-cuimin@sohu.com

Translocation and Transformation of Phosphorus in Rainwater Runoff in the Bio-Retention System.

FENG Cui-min1， CAI Zhi-wen1， MI Nan2， ZHANG Ya-jun1， QIAN Hong-liang3

(1.Key Laboratory of Urban Stormwater System & Water Environment, Ministry of Education, Beijing University of Civil Engineering and Architecture, Beijing 100044， China;2.China Mobile Group Design Institute Co. Ltd., Beijing 100080， China;3.Beijing General Municipal Engineering Design & Research Institute Co. Ltd., Beijing 100082， China)

Abstract:Based on effects of a bio-retention system on rainwater, a simulation test on rainwater runoff was carried out. With the sequential extraction method, contents of exchangeable inorganic phosphorus(Ex-P), aluminum phosphate(Al-P) and iron phosphorus(Fe-P) in the filtration medium or soil of the bioretention system at different depth (0, 5, 15 and 35 cm) were determined and TP in the effluent of bio-retention system was also monitored. Results show that the adsorption of Ex-P, Al-P and Fe-P by the soil medium decreased with the depth, layer by layer from the top to the bottom. During the process of adsorption, Ex-P gradually transformed into Al-P and Fe-P, while, Al-P did into Fe-P. As a result, Ex-P decreased in concentration while Al-P and Fe-P increased with the depth. About 90% of the TP in the runoff rainwater was intercepted and removed by the system. The phosphorus, not absorbed by plants, remained in the system, being a part of the dynamic TP balance of the water-soil-root-biome system.

Key words:bio-retention; soil filtration medium; runoff rainwater; phosphorus; translocation; transformation