双层填料生物滞留设施对磷的去除效果研究*

罗艳红 李海燕 陈富强

( 1.中北大学朔州校区，山西 朔州 036000； 2.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)

双层填料生物滞留设施对磷的去除效果研究*

罗艳红1李海燕2陈富强1

( 1.中北大学朔州校区，山西 朔州 036000； 2.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)

生物滞留设施广泛应用于城市径流污染控制，但除磷效果不佳。考察了河沙、黏土、炉渣、粉煤灰、细石英砂、粗石英砂6种单一填料和黏土及粉煤灰的混合填料的磷吸附和解吸效果。结果表明，石英砂适宜作为双层填料生物滞留设施的上层填料；90%(质量分数，下同)河沙+5%黏土+5%秸秆和90%河沙+5%粉煤灰+5%秸秆适宜作为下层填料。磷浓度随双层填料生物滞留设施介质厚度的增加而降低。双层填料生物滞留设施的磷去除率可以达到77.3%～97.1%。

生物滞留设施 双层填料 除磷

继点源污染被有效控制之后，面源污染已成为城市水质恶化的主要原因。城市地表径流是面源污染的主要污染源之一[1]，其中的磷被认为是水体富营养化的最主要因素[2]。生物滞留设施是一种新兴的低影响原位径流雨水控制措施，对地表径流体积削减、峰值流量控制和污染物控制有很好的效果[3]，且经济实用，可广泛应用于城市的绿化带。但生物滞留设施在磷的去除方面还存在去除率低、去除效果不稳定等问题，甚至在实际工程应用中还出现出水水质比进水差的情况。

国内外学者试图通过改良生物滞留设施的填料来提高其除磷效果和稳定性。LUCAS等[4]设计的高低出水口生物滞留设施对磷的去除率可达到90%以上，但两个出水口设计复杂精细、造价高，难以在国内得到推广。李明翰等[5]建议在生物滞留设施中增加淹没厌氧区；但HSIEH等[6]和王文亮[7]则认为，该设计只能提高氮的去除率，对提高磷的去除率非常有限；HSIEH等[8]在填料中增设了一层渗透系数较高的土壤，磷的平均去除率可达到85%，但去除效果不稳定。此外，有研究表明，也可向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[9]。

为切实改善生物滞留设施的除磷效果和稳定性，本研究在填料优选实验的基础上，设计了一种双层填料生物滞留设施，并以北京市地表径流中磷的平均浓度为准进行配水作为进水，监测不同高度出水中磷的浓度，考察了其除磷效果，以期为生物滞留设施用于实际工程中磷的去除提供借鉴。

1 材料与方法

普通生物滞留设施通常由蓄水层、种植土层、填料层、沙层、砾石排水层组成。本研究将填料层设计为双层填料结构，种植的植物为羊茅草。通过填料优选实验，包括填料对磷的吸附和解吸实验[10]，筛选出含磷本底值低、吸附磷能力强、解吸率低、渗透性高的填料作为上层填料，以降低设施发生堵塞的风险；下层填料为更有效地滞蓄磷应增加水力停留时间，所以选出含磷本底值低、吸附磷能力强、解吸率低、渗透性相对较低的填料作为下层填料。双层填料生物滞留设施示意图如图1所示。

图1 双层填料生物滞留设施示意图(单位：mm)Fig.1 Double layer bioretention facility

选取河沙、黏土、炉渣、粉煤灰、细石英砂(粒径为1 mm)、粗石英砂(粒径为2 mm)进行6种单一填料优选实验。因黏土和粉煤灰吸附的渗透性差，单独使用时会加大设施的堵塞风险，因此又考察了黏土和粉煤灰的混合填料，其配比(质量比)见表1。

表1 混合填料的配比

磷浓度均以总磷浓度表征，填料优选阶段所用的磷质量浓度为2.6 mg/L。

2 结果与讨论

2.1 填料的优选

2.1.1 单一填料对磷的吸附效果分析

6种单一填料对磷的吸附效果见图2。各填料对磷的吸附表现出了相同的特征，动力学吸附过程分快、中、慢3个阶段。快速吸附阶段以物理吸附为主，磷酸根依靠范德华力被快速吸附在填料表面的吸附位点上，该阶段的吸附能较小，易发生解吸[11]；中速吸附阶段兼有物理和化学吸附过程，磷酸根与吸附位点结合需要一定的活化能，土壤有机质表面的羟基以及酚羟基等活性基团、填料表面的铝和硅等活性位点皆可对磷酸根进行吸附[12]；慢速吸附阶段以化学吸附为主，需要较高的活化能，但吸附位点与磷酸根结合紧密，不易解吸。黏土矿物晶格外的羟基及土壤中铁、锰氧化物均可与磷酸根发生化学吸附[13]。吸附初期(0～0.50 h)，由于填料中的吸附位点是空的，而溶液中的磷浓度较高，吸附曲线表现为陡峭上升，吸附速率较快，在0.25 h时两种石英砂均达到了最高磷去除率，河沙和黏土在0.50 h时磷的去除率才达到最大。吸附中期(>0.50～10.00 h)，填料对磷的吸附速率有所下降，主要原因是填料对磷的吸附位点已基本达到饱和。吸附后期(>10.00～24.00 h)，填料对磷的去除率基本保持不变甚至下降。

图2 单一填料对磷的吸附效果Fig.2 Effect of different media on adsorption of phosphorus

从图2还可以看出，粉煤灰、粗石英砂和细石英砂的吸附速率比其他3种填料快，到达吸附平衡点时的磷去除率也较大。其中，粉煤灰对磷的去除率最高，表明其吸附磷的能力最强、最稳定，这是因为粉煤灰有较大的孔隙率和比表面积，而且粉煤灰中的SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、CaO等[14]可与磷酸根结合发生化学吸附作用而沉淀除磷，同时也有接触絮凝、中和沉淀和过滤拦截等的协同作用。石英砂则由于其颗粒表面具有很强的电负性，能强烈吸附带电粒子。总体上，细石英砂比粗石英砂对磷的去除率略高一些，可能是由于其粒径更小，比表面积更大，吸附能力更强。黏土比河沙的吸附能力强，原因是黏土中含有多种水合硅酸盐和Al2O3、碱金属氧化物和碱土金属氧化物。炉渣在吸附反应进行到10.00 h后，磷的去除率出现负值，说明炉渣中磷的本底值较高，出现了解吸现象，而且炉渣对磷的吸附效果很不稳定，在实际应用中存在一定的风险。

2.1.2 混合填料对磷的吸附效果分析

由图3可以看出，不同配比的黏土混合填料对磷的吸附效果趋势一致，但综合吸附速率和吸附稳定性的情况， 5%黏土是3者中最为理想的。

图3 不同配比的黏土混合填料对磷的吸附效果Fig.3 Effect of different clay media on adsorption of phosphorus

从图4可以看出，不同配比的粉煤灰混合填料对磷的去除率总体随粉煤灰配比的增大而增加，由图2已经发现粉煤灰对磷的吸附能力是6种单一填料中最强的，所以粉煤灰配比越大，对磷的去除能力越强。但是实验中发现，粉煤灰配比过大，会出现粉煤灰流失、灰水较难分离的现象，且常发生板结。因此，哪种填料的综合效果最好，有待考察其解吸率。

图4 不同配比的粉煤灰混合填料对磷的吸附效果Fig.4 Effect of different fly ash media on adsorption of phosphorus

2.1.3 填料的解吸效果分析

吸附饱和后的解吸效果是生物滞留设施填料选择的另一重要依据。本研究对6种单一填料和6种混合填料吸附饱和后的解吸率进行了研究，结果如表2所示。

表2 不同填料对磷的解吸效果

从表2可以看出，两种石英砂的解吸量最小，解吸率最低。此外，石英砂具有过流阻力小、抗污染性好、载污能力强、使用周期长、渗透系数大等优势，适宜作为双层填料生物滞留设施的上层填料，由于粗石英砂与细石英砂的吸附和解吸效果差别不大，下面仅以细石英砂代替石英砂。5%黏土的吸附能力较强，解吸率也较低且吸附稳定性好；5%粉煤灰的解吸率略高于5%黏土，但对磷的最大去除率高于5%黏土，因此两者作为双层填料生物滞留设施的下层填料进行进一步研究。

2.2 双层填料生物滞留设施的运行效果

在填料优选的基础上，设置了两个双层填料结构的生物滞留设施实验柱(分别编号为1#和2#)，其介质组成如表3所示。

表3 实验柱的介质组成

双层填料生物滞留设施共运行4个周期，按照淹水/落干交替的进水方式，设置布水期∶落干期的时间比为1∶4，使填料渗透速率在各个运行周期内都得到较好的恢复。实验开始前3周，取池塘水对设施进行微生物接种培养。第1次实验开始前，用清水将整个设施中的磷淋洗干净，直至淋洗液中磷的质量浓度小于0.1 mg/L。本研究采用人工配水模拟道路初期径流，前3次配水中磷的浓度为北京市道路初期径流平均值[15]，第4次又考虑了更高浓度的情况。采用真空抽吸取样器在取样口采集不同时间的水样。水样采集后立即送回实验室测定磷浓度。据统计，60%以上的降雨时间间隔小于5 d，因此本研究选择雨前干燥期为1、4 d。具体模拟工况条件如表4所示。

表4 模拟工况条件

2.2.1 设施的整体除磷效果

如图5所示，考察出水口的磷浓度研究设施的整体除磷效果。4种不同工况条下1#和2#实验柱的磷去除率分别为92.1%～97.1%、77.3%～94.6%，去除效果较稳定，表明两种下层填料都对进水水质有一定的抗波动冲击能力，可以用于实际工程。

图5 出水磷质量浓度及去除率Fig.5 Concentrations and removal rates of phosphorus in effluent

2.2.2 不同介质厚度的除磷效果

双层填料生物滞留设施不同填料厚度对磷的去除效果见图6。总体而言，磷浓度随介质厚度的增加而降低。磷在200 mm处得以去除的主要机制是：种植土层的截留作用，进水中的颗粒物在与植被或土壤表面接触时被捕获；微生物的吸收固定作用，由于土壤表层的氧含量较高，从而形成好氧膜，聚磷菌附着在好氧膜表面吸附大量的磷。

注：以蓄水层底层为起点计介质厚度。图6 不同介质厚度对磷的去除效果Fig.6 Effect of media thickness on phosphorus removal

磷在>200～750 mm段得到进一步去除，主要是通过石英砂的吸附作用。石英砂的压实密度仅为2.66 g/cm3，空隙率较大，微生物活性好，易于生物吸磷。介质厚度为550、750 mm时，磷浓度相差不大，因此在实际应用中石英砂厚度可设为550 mm。

在出水口，1#、2#实验柱的磷质量浓度分别稳定在0.2、0.3 mg/L。

3 结 论

(1) 石英砂适宜作为双层填料生物滞留设施的上层填料；5%黏土和5%粉煤灰适宜作为下层填料。

(2) 磷浓度随双层填料生物滞留设施介质厚度的增加而降低。1#、2#实验柱的出水磷质量浓度分别稳定在0.2、0.3 mg/L，去除率分别为92.1%～97.1%、77.3%～94.6%。

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Phosphorusremovaleffectofdoublelayerbioretentionfacility

LUOYanhong1，LIHaiyan2，CHEHFuqiang1.

(1.NorthUniversityofChina,Shuozhou,ShuozhouShanxi036000;2.KeyLaboratoryofUrbanStormwaterSystemandWaterEnvironment(BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture)，MinistryofEducation,Beijing100044)

Bioretention facility is widely used in the runoff pollution. However,this facility is inefficient for phosphorus removal. To solve this problem,adsorption and desorption experiments were conducted with river sand,clay,slag,fly ash,fine and coarse quartz sand,as well as mixed media of clay or fly ash. Results showed that quartz sand was suitable for upper media while 90% (mass percnentage,same as below) river sand+5% clay+5% straw and 90% river sand+5% fly ash+5% straw suitable for lower media. The concentrations of phosphorus went down with the media thickness increased. Phosphorus removal rate could reach 77.3%_97.1% of the double layer bioretention facility.

bioretention facility; double layer; phosphorus removal

10.15985/j.cnki.1001_3865.2017.01.002

2016_04_12)

罗艳红，女，1988年生，硕士，讲师，主要从事雨水资源化利用研究。

*国家自然科学基金资助项目(No.51476150);朔州市科技攻关项目(No.2013_33_40);北京市优秀人才培养——青年拔尖团队项目(No.2015000026833T0000)。