海綿設(shè)施中植物對水凈化的研究

彭 亮 丁絡(luò)維 孫 琴 方 麗

（中機(jī)國際工程設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，湖南長沙 410000）

海綿設(shè)施應(yīng)用于城市雨水管理設(shè)計(jì)中，不僅可以有效削減徑流和洪峰，而且可以有效改善雨水的徑流水質(zhì)；主要通過植物-土壤填料的作用滲濾徑流雨水，凈化后的雨水滲透補(bǔ)充地下水或通過系統(tǒng)底部的穿孔收集管輸送到市政系統(tǒng)或后續(xù)處理系統(tǒng)。通過蒸發(fā)和滲透模擬自然水文過程達(dá)到滯留、凈化雨水的目的，主要用于處理高頻率的小降雨以及小概率暴雨事件的初期雨水，超過處理能力的雨水通過溢流系統(tǒng)排放。

雨水徑流中主要包括懸浮固體顆粒物、營養(yǎng)物質(zhì)、有機(jī)質(zhì)、有毒物質(zhì)、油脂類物質(zhì)等多種污染物。進(jìn)入海綿設(shè)施的雨水徑流攜帶的污染物，首先通過覆蓋層與種植土層的沉淀作用下去除大顆粒污染物，再通過植物的同化吸收、填料層的吸附沉淀、微生物降解作用將污染物去除。海綿設(shè)施對雨水的凈化主要是通過植物及土壤（換填料）共同作用，植物-土壤系統(tǒng)通過物理、化學(xué)、生物共同去除雨水污中的染物，這三方面的作用使海綿設(shè)施維持良好性能及顯著的生態(tài)效益。

1 海綿設(shè)施中植物對TSS 去除研究

多數(shù)研究結(jié)果表明，海綿設(shè)施對城市雨水徑流中的TSS 有較好去除效果。位于美國馬里蘭大學(xué)帕克學(xué)院停車場的兩個(gè)正常運(yùn)行的海綿設(shè)施對TSS 的去除率分別為47%和61.8%。位于美國新罕布什爾州大學(xué)雨洪研究中心的海綿設(shè)施的運(yùn)行結(jié)果顯示，雨水徑流中97%的TSS 能夠被有效去除，這一結(jié)果和位于美國維拉諾瓦大學(xué)的海綿設(shè)施的運(yùn)行結(jié)果相近。Hsieh 等[1]的實(shí)驗(yàn)室土柱試驗(yàn)結(jié)果表明，海綿設(shè)施對城市綜合雨水徑流中TSS 的去除率為29%～96%。

相關(guān)研究表明，百慕大、馬尼拉、黑麥草和空白對照反應(yīng)器對TSS 均有較好的去除效果，平均去除率分別為：81.00%、80.25%、82.96%和72.25%，最高去除率分別為：95.28%、92.68%、95.31%和94.04%。百慕大、馬尼拉和黑麥草反應(yīng)器對TSS 去除趨勢和去除效果基本相同，無植被對照組在運(yùn)行穩(wěn)定前TSS 去除率較低，主要是由于植被可以起到減緩流速、減小沖刷的作用，運(yùn)行初期，土壤比較疏松，水土流失嚴(yán)重，TSS 去除率較低，但運(yùn)行穩(wěn)定后，土層由于沉降對TSS 的截留作用增強(qiáng)，TSS 去除率回升。

海綿設(shè)施中植物對TSS 的去除具有一定作用，主要包括表層對TSS 的攔截，同時(shí)植物的根系生長發(fā)育也有利于土壤孔隙率的增加，有利于土壤層對TSS 的吸收。

2 海綿設(shè)施中植物對氮去處研究

海綿設(shè)施對N 的去處原理水體中氮素的存在的主要形式有下三種：有機(jī)氮（包括有機(jī)氨氮和有機(jī)硝氮）、氨氮、硝氮（包括硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮）。在濕地中氮素的最終轉(zhuǎn)化有三種途徑：

（1）微生物和植物體直接吸收作用：有機(jī)氮和有機(jī)氨氮被水體中微生物和植物體吸收并轉(zhuǎn)變?yōu)橛袡C(jī)個(gè)體的一部分；

（2）氨氮揮發(fā)作用：氨氮在pH＞8 的條件下自發(fā)向大氣中揮發(fā)；

（3）硝化反硝化過程：有機(jī)氨氮經(jīng)過礦化作用轉(zhuǎn)變?yōu)榘钡?，而水體中氧氣的存在提供了有氧條件，氨氮在好養(yǎng)條件下經(jīng)過亞硝化和硝化作用轉(zhuǎn)變?yōu)镹O3-和NO2-，水體中氧氣消耗完便創(chuàng)造出缺氧環(huán)境，NO3-和NO2-在有機(jī)碳的參與下，經(jīng)過反硝化作用還原為N2，最終以氣體的形式離開水體。

有學(xué)者提出植物對生物滯留系統(tǒng)的除氮有直接和間接作用。直接作用主要指氮素的同化作用和植物吸收，因降雨過程中徑流在系統(tǒng)內(nèi)的停留時(shí)間非常短，對進(jìn)入系統(tǒng)內(nèi)的氮素進(jìn)行快速固定非常重要，植物根系對氮素的吸收和吸附作用十分重要，尤其是根系茂密發(fā)達(dá)的植物作用更加顯著。間接作用主要指作物涵養(yǎng)水源、影響土壤pH，提高硝化和反硝化作用的速率等，相關(guān)研究也表明在炎熱夏天的雨季濕地植物的反硝化作用明顯強(qiáng)于旱季?？傊谙到y(tǒng)內(nèi)植物的同化作用和微生物硝化反硝化作用共同進(jìn)行，相輔相成。

3 海綿設(shè)施中植物對磷去處研究

雨水徑流中的磷在生物滯留設(shè)施中主要通過植物、微生物的吸收降解及填料層中所含的有機(jī)質(zhì)的礦化作用下轉(zhuǎn)化成Fe（OH）2、Al（OH）3和Ca3（PO4）2沉積物后經(jīng)過濾、吸附和沉淀作用下去除的。其中，顆粒態(tài)的磷主要隨著徑流中懸浮固體，經(jīng)過濾和沉淀截留在土壤中，成為生物滯留設(shè)施中的一部分；溶解態(tài)磷中最主要的正磷酸鹽，通過填料的吸附和植物的吸收而去除。張建強(qiáng)等[2]認(rèn)為，雨水徑流中的顆粒態(tài)磷經(jīng)過濾和沉淀被截留在土壤中，溶解態(tài)磷與土壤或填料中的有機(jī)質(zhì)在礦化作用下生成磷酸鈣等沉淀物或經(jīng)過填料介質(zhì)的吸附及植物的吸收而被去除，因此顆粒態(tài)磷比溶解態(tài)磷更容易去除。

孟瑩瑩等[3]研究表明海綿設(shè)施對于TP 的去除率為73.9%。Davis 等[4]通過室內(nèi)實(shí)驗(yàn)研究表明海綿設(shè)施對TP 的去除率可達(dá)70%～85%，場地實(shí)驗(yàn)對磷的去除率為77%～79%。

Hsieh 等[1]通過室內(nèi)模擬實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示：海綿設(shè)施對TP 的去除率為4%～99%。向璐璐等在通過監(jiān)測以雨水花園為主要處理單元的生物滯留設(shè)施，結(jié)果表明：TP 的去除率-86.3%～76.0%，波動(dòng)性大，對PO43-無任何去除效果，甚至出水中磷的濃度高出進(jìn)水中5 倍多。分析認(rèn)為海綿城市設(shè)施出現(xiàn)磷去除率負(fù)值的現(xiàn)象，一方面是系統(tǒng)本身含磷量較大，在徑流沖刷作用下淋洗出較多的磷；另一方面，雨水在系統(tǒng)內(nèi)停留時(shí)間過長，導(dǎo)致吸附飽和的填料解吸附現(xiàn)象明顯，且連續(xù)降雨使得降雨間隔期變短，導(dǎo)致每場降雨出水PO43-濃度均大于進(jìn)水中的濃度，系統(tǒng)未能及時(shí)消化吸收的磷，影響了對出水中TP 的去除效果

種植土壤對磷的吸附是有效的去除機(jī)制，且植物根系也能吸收一部分磷。但是植物層去除TP 較為不穩(wěn)定，但總體上植物層與系統(tǒng)層的去除率呈正相關(guān)。Read J[5]針對不同植物種類對雨水中N、P 的去除能力，進(jìn)行了研究，試驗(yàn)結(jié)果表明，不同植物去除污染物的能力具有顯著差異，而植物根系是否發(fā)達(dá)也會(huì)對植物氮及磷去除率產(chǎn)生20%～37%的差異。

4 海綿設(shè)施中植物對微生物影響的研究

地表徑流中的病原微生物主要包括細(xì)菌、病毒、原生動(dòng)物和蠕蟲4 類。相關(guān)研究表明，生物滯留系統(tǒng)對地表徑流病原微生物具有良好的去除效果。生物滯留系統(tǒng)可以有效去除城市徑流中的產(chǎn)氣莢膜梭菌、F-RNA 大腸桿菌噬菌體等病原微生物[6]。植物生長在生物滯留系統(tǒng)頂部，通過氧、糖類、氨基酸和有機(jī)酸等根系分泌物保持根際微生態(tài)系統(tǒng)活力，因其具有發(fā)達(dá)的根系，根際周圍的微生物數(shù)量要比無植物根際系統(tǒng)中的微生物數(shù)量高很多。同時(shí)，植物可促進(jìn)填料孔隙的形成而促進(jìn)污染物的去除和保持介質(zhì)的濕度。另外，填料植被及植物根際分泌物分泌的抗菌化合物在一定程度上可抑制病原微生物的生長繁殖，提高系統(tǒng)去除效果。

生物滯留系統(tǒng)主要通過過濾、填料吸附、微生物群落間的競爭、捕食等作用有效去除地表徑流中的病原微生物。生物滯留系統(tǒng)的設(shè)計(jì)條件（植物類型、過濾介質(zhì)的選擇和淹水區(qū)的設(shè)置）以及工藝條件（干燥期和濕潤期的間歇性，氣候變化，操作時(shí)間，以及降雨量、降雨強(qiáng)度、降雨時(shí)長）等因素不同程度的影響系統(tǒng)對病原微生物的凈化效果。

5 結(jié)語

海綿設(shè)施主要通過腐殖質(zhì)、土壤、微生物、植物、填料等物理、化學(xué)和生物的綜合作用凈化雨水，包括過濾沉淀、物理吸附、離子交換化學(xué)吸附、微生物吸收轉(zhuǎn)化與降解、植物同化吸收、揮發(fā)、蒸發(fā)等。因此，海綿設(shè)施的植物、填料種類、微生物的繁殖情況等將不同程度地影響污染物的去除效果。此外，海綿設(shè)施的土壤滲透能力及降雨間隔時(shí)間、水力負(fù)荷、污染負(fù)荷、溫度等也是影響海綿設(shè)施污染物去除能力的重要因素。