生物滞留系统污染物去除机理及影响因素综述

陈茜

摘 要：生物滞留技术在降雨径流控制及污染物去除方取得显著成果。本文就生物滞留系统去除污染物的机理以及影响其去除效果的因素进行了综述，为进一步提高生物滞留系统去污效果提供参考。

关键词：生物滞留;去除机理;影响因素

作为低影响开发技术之一的生物滞留技术，起源于1990年美国马里兰州乔治亚王子郡[1]，主要通过植物-土壤-微生物的作用拦截吸附径流雨水中污染物，以此达到去除的目的。典型的生物滞留系统从上至下依次是：蓄水层、植物层、种植土壤层、填料层和砾石层[2]。根据其建设的复杂程度可将生物滞留设施分为简易型和复杂型两种。

1 生物滞留系统污染物去除机理

1.1 悬浮物的去除

悬浮物主要来源于屋面、大气干湿沉降、工地场地等，依靠沉淀和填料过滤去除。一般而言，运行稳定且成熟的生物滞留系统对悬浮物的去除效果是较好的，且在填料表层基本就被去除，但长时间运行会引起填料的堵塞，所以生物滞留系统运行一两年后就需要检查填料是否堵塞。

1.2 氮、磷的去除

氮、磷主要来自路面上的有机物、无机物以及降雨和有机质中含有的少量氮物质等。填料拦截、植物吸收、微生物固定、完全反硝化产气以及不完全反硝化产气等途径可以达到去除氮的效果。然而生物滞留系统对硝氮的去除率一直不稳定，主要是反硝化反应对环境要求较高，需要在缺氧的条件下进行，且需要充足的碳源。此外，有机质中的少量氮素也会经过氨化、硝化，然后以硝酸盐的形式浸出。磷按存在形态可分为颗粒态磷和溶解态磷。过滤、沉淀和吸附作用可以去除颗粒态磷，溶解态磷则通过填料吸附、植物吸收以及微生物摄取等作用去除[3]。如果填料中含有Fe、Al或Ca等金属离子，溶解态磷还可与其反应，生成颗粒态金属盐沉淀，然后过滤去除。沉淀和过滤去除颗粒态磷的效果很好，去除溶解态磷效果却不太理想。

1.3 有机物的去除

道路径流中有机物的成分较复杂，包括油脂、多环芳烃等[4]。碳氢化合物在生物滞留系统中主要依靠沉淀、吸附和生物降解去除，也可能通过挥发、植物吸收而去除，而可溶性有机物也可以通过植物吸收或植物气孔蒸发去除。

1.4 重金属的去除

雨水径流中Cd、Cu、Pb、Zn等重金属的来源于轮胎的磨损、汽车尾气和道路沥青等[5]。降雨径流中，Cd和Zn主要以溶解態形式存在，而Cu和Pb只有小部分以溶解态的形式存在。溶解态的重金属可以通过填料吸附或植物吸收得以去除，颗粒态的重金属则通过沉降或过滤而被去除。

1.5 致病菌的去除

在雨水径流中的粪大肠菌群和大肠杆菌等致病菌含量虽然没有生活污水多，但也会对人体健康和受纳水体产生危害。致病菌在生物滞留系统中被填料截留，然后在干旱条件下自然死亡，去除效果较好。

2 生物滞留系统污染物去除影响因素

生物滞留系统对污染物的去除在植物-土壤-微生物三者共同作用下完成的，涉及的物理化学生物反应众多。因此，影响生物滞留系统的去除效果有多种因素，主要有以下几种：

2.1 植物

植物是生物滞留系统的重要组成部分，不仅影响系统的渗透速率，对pH和溶解氧也有一定影响。随着时间推移，根系粗壮的植物渗透能力具有一定的持续性。另外，植物根系不仅可从生存环境中吸收营养和水分，也可向生存环境分泌质子、离子和大量有机物[6]。

2.2 填料

生物滞留系统内的填料是植物生长的基质、微生物附着生存的地方，也是大多数反应进行的场所。通常，典型的生物滞留系统包括50%～60%的砂和40%～50%的壤土/砂壤土/壤土砂的混合物，但应减少黏土含量防止填料的渗透性能低而造成堵塞。填料的深度也会影响微生物附着生长的表面积、污染物吸附点的数量以及生物滞留系统的水力停留时间，较深的填料深度具有更长的通过路径和停留时间，处理效果良好，可以提高生物滞留系统的水文性能。

2.3 水力停留时间

水力停留时间是生物滞留系统重要的参数之一，它表征着径流污染物与填料接触的时间长短，直接影响生物滞留系统净化水质效果的好坏。适当增加生物滞留系统的水力停留时间，不仅可以增强植物和聚磷菌对磷的吸收作用，也可增加填料中Fe、Al和Ca等离子与磷酸根离子的作用时间[7]，径流中的磷可以得到更好的去除。因此，适当增加水力停留时间对生物滞留系统去除污染物有着重要的作用。

2.4 温度

温度通过影响微生物的活性和植物对营养物质的摄取能力，进而影响生物滞留系统对污染物的去除效果。其中，微生物氨化作用的最宜温度为温度40℃～60℃、填料湿度为50%～70%、pH偏中性[8]。硝化细菌的硝化作用适宜温度在30℃～36℃之间[9]，且随着温度的下降，硝化作用也减弱，可见硝化作用受温度的影响最为明显。反硝化作用也受环境温度的影响，它最适宜的温度在20℃～35℃之间。

2.5 厌氧区设置

大多数生物滞留系统内部无法满足反硝化多碳源、高度缺氧的环境条件，导致硝氮的去除率不稳定，甚至出现污染物出水浓度比进水浓度高几倍的情况，这可能就与是否设置厌氧区有关。设置厌氧区不仅可以提高对硝氮的去除效果，对悬浮物、氮磷、Cu、Zn的去除效果也显著提高。另外，较长的雨前干旱期使填料干裂，孔隙增大，大量氧气进入系统内部致使大量的反硝化菌死亡，设置厌氧区不仅可以让大量的反硝化菌存活，还可增加生物滞留系统对干旱期的一个适应性。

2.6 雨前干旱期

雨前干旱期的长短也会影响生物滞留系统的去污能力。在不同的干旱期下，生物滞留系统具有不同的氧化还原环境，这些环境的变化又会影响污染物的降解、溶解性有机物质和金属的迁移以及植物对养分的吸收。随着雨前干旱期的延长，生物滞留系统内的含水率、溶解氧等也会发生改变。但设置厌氧区可以减缓较长干旱期对生物滞留系统带来的不利影响。

3 总结

生物滞留技术具有很大的发展空间，不仅可以控制部分降雨量，延迟峰值时间，也可以去除部分降雨径流带入的污染物，但存在部分污染物的去除率不稳定。我们可以根据各污染物的去除机理和影响因素，优化生物滞留系统的结构、填料的比例等，进一步提高污染物的去除效果。

参考文献：

[1]周龙，姜应和.生物滞留池净化雨水径流中氮磷的研究进展[J].山西建筑，2020，46（14）：146-149.

[2]仇付国，陈丽霞.雨水生物滞留系统控制径流污染物研究进展[J].环境工程学报，2016，10（4）：1593-1602.

[3]张建强，许萍，何俊超.生物滞留池去除道路径流雨水中氮磷的原理及研究现状[J].市政技术，2015，33（3）：128-132.

[4]王东琦，单稼琪，李怀恩，等.生物滞留系统去除城市地表径流中多环芳烃的研究进展[J].水资源与水工程学报，2016，27（5）：1-8.

[5]骆辉，章泽宇，胡小波，等.道路雨水径流中重金属特征研究进展[J].应用化工，2019，48（10）：2456-2461.

[6]孟梁.根系分泌物及其在有机污染土壤修复中的作用[J].上海农业学报，2013，29（2）：90-94.

[7]熊家晴，何一帆，白雪琛，等.改良填料生物滞留池对雨水径流中磷的去除效果[J].环境工程学报，2019，13（09）：2164-2172.

[8]张荣新，刘瑞，焦玉恩，等.低温对湿地填料内微生物生长分布及处理效能的影响研究[J].环境污染与防治，2018（4）：26-30.

[9]董悦安.温度变化对地下水中微生物影响的研究[J].勘察科学技术，2008（2）：15-18+64.