復合填料生物滯留池除磷試驗研究

于 棟，金 波

（青島市即墨區自然資源局，山東 青島 266200）

作為一項成熟有效的海綿城市技術方案，生物滯留池應用于城市道路綠地內，路面雨水匯集后進入道路中央分隔帶和兩側綠化帶內，經過生物滯留池的滲透、滯留、貯蓄、凈化、排放一體化處理，有效地削減雨水徑流總量，延遲暴雨峰值時間，同時對水中的污染物實現一定程度地削減[1～2]。生物滯留池依靠基質填料、微生物與植物組建共體生態系統，通過基質填料的吸附截留、微生物的氧化分解以及植物的生長吸收，實現對雨水污染物的去除凈化。現有研究顯示，生物滯留池對雨水中的懸浮固體（TSS）、可氧化降解有機物（COD）、總氮（TN）、油脂類和重金屬有很好地去除能力，但對總磷（TP）的去除不穩定。雨水中營養物磷主要依靠填料的吸附去除，傳統生物滯留填料由于可提供的吸附位點有限，在運行后期對磷的吸附能力逐漸達到飽和，直至出現磷的解析、釋放問題；未做填料更換處理的生物滯留池長時間運行后，出水中TP濃度已十分接近進水，生物滯留系統基本喪失除磷功能。

給水廠污泥(以下簡稱“鋁污泥”)是以硫酸鋁、聚合氯化鋁為代表的鋁系絮凝劑在給水處理過程中產生的副產物，其具有豐富的孔隙結構和較大的比表面積，對水中各形態磷有很好地吸附固定性能[3～4]。為了實現生物滯留設施對污染物磷的長效、穩定去除，本文以鋁污泥作為填料改良劑，將鋁污泥與河砂按照體積比15：85組成復合填料，通過模擬道路徑流進水試驗，研究復合填料生物滯留池對道路徑流中污染物磷的凈化效果。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

采用2個結構相同的圓柱形土柱模擬生物滯留池，柱高1 350 mm、直徑300 mm，自上往下依次為蓄水層、種植土層、填料層、礫石層，礫石層底部安裝排水管，連接市政雨水管網，管徑為50 mm。見圖1。

圖1 生物滯留池結構

1.2 試驗材料

1）填料。某自來水廠給水處理生成的塊狀脫水污泥，經自然風干并研磨、篩分處理后，獲得粒徑為1～2 mm的鋁污泥；某建材市場粒徑為0.125～2 mm的河砂。將鋁污泥、河砂按照體積比15：85均勻混合，制成所需的復合填料。復合填料的有機質（organic material，OM）占比為4.04%，滲透系數為0.025 cm/s，滿足生物滯留設計細則規定的填料最低滲透性要求[5]。試驗中的土柱2填充鋁污泥、河砂組成的復合填料，土柱1作為對比例采用傳統砂土填料。

2）原水。道路徑流雨水是用市政自來水和路面沉積土以及鄰苯二甲酸氫鉀、氯化銨、硝酸鉀、磷酸二氫鉀等藥物混合配制而成，TP、TN、COD、TSS的質量濃度分別為3.0～7.0、10、160、200 mg/L。

1.3 運行控制

運行開始前，在種植土表層栽種植物，選擇多年生草本鶯尾類植物，根莖發達，同時具有耐澇、耐旱、耐寒的屬性。啟動階段時間為10 d，對2組土柱每天定時進水30 L，水源為市政自來水，目的在于清洗沖刷種植土和填料層基質固有的有機營養成分。

啟動階段結束后，進入正式運行階段，進行模擬徑流進水試驗，時間為70 d。每天定時、定量布水，通過泵裝置在2 h內向每個柱體均勻注入40 L雨水，相當于匯水面積負荷比20情況下市政道路上發生31.5 mm降雨（降雨強度中的暴雨等級）產生的徑流量。水樣的采集周期為5 d，僅在每個周期的第5 d采集水樣，其他4 d只進行布水。采樣結束后，應于24 h內及時對水樣進行集中檢測。

1.4 檢測方法

分別采用過硫酸鉀消解-鉬酸銨分光光度法、酸性重鉻酸鉀消解滴定法、堿性過硫酸鉀消解-紫外分光光度法、重量法對進出水樣中的污染物指標進行檢測。

2 結果與討論

2.1 TP去除

在運行初期，2組土柱均有較好的TP去除效果，去除率均在90%以上，出水中TP濃度在0.3 mg/L以下；表明在運行初期，無論是砂土還是復合填料均可提供足夠的吸附位點，達到良好的TP去除效果。當試驗運行30 d后，土柱1的除磷能力呈現明顯下降趨勢，對TP的去除率逐漸降至70%，出水中TP濃度為2.1 mg/L；TP的去除率隨試驗的運行繼續降低，當試驗進行到第70 d時，土柱1對TP的去除率僅為30%。與土柱1不同，整個運行期內土柱2始終表現出高效穩定的除磷能力，對TP的去除率不低于98%，經復合填料吸附處理后的出水中TP濃度值不高于0.02 mg/L，滿足GB 3838—2002《地表水環境質量標準》劃定的二類水體標準。見圖2。

圖2 TP的去除效果

研究表明[6]，道路雨水中的TP分為有機磷和無機磷，主要以不同形態的磷酸鹽形式存在。在整個生物滯留系統中，植物和微生物組分對雨水污染物中的磷去除能力相對有限，雨水中各形態磷的去除主要依靠填料基質的吸附固定作用。傳統單一砂土填料可提供的活性吸附位點有限，隨著試驗運行時間的增加，填料對磷的吸附作用逐漸減弱，直至達到飽和狀態，此后填料的物理吸附作用失效。本試驗選用的復合填料因包含一定比例的鋁污泥基質，能夠提供相對較多的吸附位點；鋁污泥含有大量鋁鐵無定形結合物，可以與表面吸附態磷酸鹽發生羥基取代、絡合反應而生成絡合沉淀物，不易出現磷的解析、釋放，從而實現對雨水中磷的長久、穩定去除。

2.2 其他污染物去除

試驗結果表明，單一砂土填料和鋁污泥、河砂復合填料兩組生物滯留池對雨水中COD、TSS、TN等污染物均有較好的去除效果。見表1。

表1 其他污染物去除效果

雨水進入生物滯留系統后，進水中的TSS經種植土、填料層的攔截、過濾，基本完成了對SS的全部去除。本次模擬雨水中的COD由化學藥劑鄰苯二甲酸氫鉀配制而得，屬于溶解性難降解有機物，下滲過程中先被填料顆粒吸附，然后在與好氧微生物接觸過程中被降解去除。雨水中的TN包括氨氮和硝態氮兩部分，經填料物理吸附作用去除的量十分有限；絕大部分依靠設施內部的硝化菌、反硝化菌等微生物在適宜環境下，分別完成對氨氮的硝化作用以及硝態氮的反硝化作用[7]。在雨水生物滯留系統內部，處于淹水飽和階段的時間較短，落干階段時間長，整個填料層結構的透氣性能好，利于硝化細菌完成硝化作用，而由于缺少穩定的缺氧環境，水中硝態氮的反硝化去除受到抑制，一定程度影響了TN去除效果。

3 結論及展望

將鋁污泥與河砂按15：85體積比混合，構建復合填料生物滯留系統，克服了以往雨水凈化過程中TP去除不穩定的難題，對原水中質量濃度為3.0～7.0 mg/L的營養物磷去除率達到98%，出水中TP濃度長期穩定在0.02 mg/L以下，滿足GB 3838—2002劃定的二類水體標準。將復合填料系統應用于城市道路綠地景觀建設中，既做到對地表徑流量的有效控制，也實現了對徑流雨水中各類污染物的穩定削減。

我國的海綿城市建設尚處于初級階段，生物滯留池等技術措施還存不足。在工程中，應以控制目的為導向，因地制宜的進行生物滯留設施的設計，制定科學的運行維護制度，確保其高效持久地發揮作用。