生物滞留设施径流氮素污染控制研究进展

张 逸 1,2

1. 河北工程大学能源与环境工程学院，河北 邯郸 056038； 2. 河北省水污染控制与水生态修复技术创新中心，河北 邯郸 056038

摘要：生物滞留设施在控制雨水径流污染，特别是脱氮方面具有良好性能。总结了生物滞留设施对氮素的处理效果，梳理了影响生物滞留设施控制氮素污染物的因素，旨在为城市雨水径流中氮污染物的控制及生物滞留设施的研究提供借鉴。

关键词：生物滞留设施；氮污染；雨水径流

中图分类号：X52；TU992 文献标志码：A

0 引言

随着城市化进程的迅速发展，人类活动越发频繁，雨水降落在地面后未经过处理直接排放，由降水引发的城市水污染问题愈发严峻。过去只是聚焦于处置点源污染问题，但是仅仅控制点源污染，水污染问题是无法得到根本解决的。为了控制城市雨水非点源污染，美国提出了低影响开发技术（LID），实现雨水就地分散化管理^[1]。海绵城市则是我国学者提出可持续管理理念，海绵城市的建设主要通过LID设施对雨水实行源头上的控制，其中，最为成熟的便是生物滞留设施的应用及研究。生物滞留设施是一种具有自然观赏性质的处理设施，它能在控制径流污染的同时吗，保持自然水循环^[2]。本文从生物滞留设施对氮污染的控制为切入点，梳理生物滞留设施对氮污染的控制效果及影响因素，以期对生物滞留设施的研究起到推动作用。

1 生物滞留设施对径流氮素污染的控制

初期雨水径流中的氮素污染物主要是以氨氮、硝态氮的形式存在，生物滞留设施主要通过植物吸收、过滤、填料吸附和微生物转化等作用，去除雨水径流中形态各异的氮素污染物。大量学者通过试验，研究了生物滞留系统去除污染物的有效性，其中，对氨氮和总氮的去除效果稳定，去除率均达到70%，对硝态氮的去除效果并不稳定,去除率最低达到-254%，最高达到75%。

2 影响生物滞留设施氮素污染控制的因素

2.1 填料

生物滞留设施最为基础的部分是填料，适宜的填料及组成可以强化其对氮素污染物的去除效果。在针对传统填料的研究中发现，氮素污染控制效果为壤土＞砂＞砾石。为改善生物滞留设施氮素污染物的去除效果，添加其他物质及混合填料成了较优选择。其中，土壤、沸石、珍珠岩、火山岩不同比例混合组成，或添加3%的有机物，或上层木屑下层蛭石的双层填料，对除氮性能有着显著的提升效果。

2.2 植物

在生物滞留设施中，植物是不可或缺的成分，对设施处理污染物有重要影响。生物滞留设施植物一般选取本地常用绿化植物，有发达的根系，良好的耐旱、耐水淹及耐污染能力。生物滞留设施内，植物茂密的根系可起到净化雨水径流中污染物，保护水环境的作用，同时根系较大的比表面积及分泌物为微生物的生长繁殖提供有力支持，有助于物质的转化，驱动土壤氮循环。植物通过固定、吸收NO₃^-和NH₄⁺从而达到去除氮素污染物的效果。经学者研究发现，未种植植物的生物滞留设施总氮去除率仅为种植植物的生物滞留设施的二分之一。柳叶马边草和美人蕉的硝态氮及总氮去除效果显著优于菖蒲和鸢尾^[3]，由此可见，种植不同种类的植物也会影响除氮效果。

2.3 淹没区

为提高生物滞留设施对雨水径流中除氮能力，国外学者在21世纪初提出了“淹没区”这一优化设置。设施通过抬高生物滞留设施底部的出流管，在生物滞留设施内部营造缺氧环境，促进反硝化的进行，从而提升雨水对硝酸盐的去除性能。研究表明设置淹没区的设施硝态氮去除率超过70%，而未设置淹没区的仅为33%。且随着淹没深度的增加，氮污染的去除效率也随之提高，淹没深度在300 mm及以上可取得良好效果。

2.4 干湿交替

生物滞留设施的脱氮性能受干湿交替的影响。在多个不同干湿交替周期研究中，氨氮去除效果为先弱后强，平均去除率在60%以上；硝态氮去除效果随干湿交替周期延长而增强，去除率为37%～78%，总氮去除率呈现上升趋势，为60%～67%。当干湿交替周期低于10 d时，干湿交替对生物滞留设施去除 氨氮和总氮的影响较小，但会显著影响系统对硝态氮去除能力，其中，干旱时间越长越有利于硝态氮的去除。但干湿交替周期大于10 d时，经历长时间的干旱后氮素的去除率会明显下降，硝态氮甚至出现出水浓度高于进水浓度的现象^[4]。

3 结语

生物滞留设施作为一项的LID设施已有较为深入的研究，但在试验和实际应用中都发现了氮素污染物去除效果不稳定的问题。通过研究影响生物滞留设施氮素污染控制的4种因素，对其提高脱氮能力进行验证。但在实际工程中进因地制宜，应对当地的气候、降雨、水质等进行调研后，确定生物滞留设施的植物、填料组成和是否正确增加淹没区，使其发挥良好的氮污染控制效果，为控制城市水污染提供帮助。

参考文献：

[1] Fletcher T D, Shuster W, Hunt W F, et al. SUDS, LID, BMPs, WSUD and more The evolution and application of terminology surrounding urban drainage[J]. Urban Water Journal, 2015, 12(7): 525-542.

[2] 冉阳, 付峥嵘, 马满英, 等. 改良型生物滞留池在海绵城市雨水处理中的研究与应用[J]. 环境工程技术学报: 2021, 11(1): 173-180.

[3] 章茹, 李艳根, 刘志超. 植物及存水区对南方生物滞留池去污效果的影响[J]. 环境工程: 2017, 35(08): 173-180.

[4] 黎雪然, 王凡, 秦华鹏, 等. 雨前干旱期对生物滞留系统氮素去除的影响[J]. 环境科学与技术, 2018,41(3): 118-123+140.