2019, Vol. 47
景观水体是现代化城市水环境的重要组成部分.国家相关技术标准和条例规定，景观水体补充水不能使用自来水或地下水[1].采用经强化二级处理的污水厂出水作为景观水体补充水，虽然符合国家部分技术标准的要求[2-3]，但相关标准中营养物质质量浓度的限值过于宽松，对于不流动或流动缓慢的浅水型景观水体存在明显的富营养化问题.因此，缺水城市景观水体的补充水源是一个亟待解决的问题.
在地下水位高的地区，低影响开发设施的出水受到设施底部距离地下水最高动水位需大于1 m的限制，通常不允许直接下渗，需要收集后排入市政雨水管网.作为一种广泛使用的低影响开发设施，生物滞留对雨水径流中多种污染物有较好的去除效果[4-7].因此，在径流不能直接下渗的地方，强化生物滞留等绿色基础设施的营养物质控制效果，利用经过生物滞留设施净化的、水质优良的雨水作为景观水体补充水使用，一方面能提高低影响开发设施的效益，另一方面也能缓解我国城市景观水体水源补充的困难.
目前，国内外大部分生物滞留设施检测到营养物质(特别是氮)的大量淋出[8-10]的现象，部分设施出水营养物质质量浓度往往高于进水.出现这个问题的原因有两方面：一方面是为了维持植物生长，生物滞留设施往往需在基质中加入堆肥物作为营养物质，这是营养物质淋出的源头；另一方面，是设施含沙量高，缺少能发生反硝化作用的缺氧环境.Dietz等[11]通过将设施出水管上弯，从而在设施底部构造了适合反硝化的缺氧环境.Hsieh等[12]通过在设施底部使用低渗透速率的基质构建缺氧的保水层，但实际运行过程中，依然出现了NO3-N的淋出.
除了通过设施结构变化构造缺氧环境外，部分研究采用有机物作为设施基质成分，用以提高反硝化效果.废报纸、锯屑[13]、硬木屑[14]作为基质成分，均能在实验室条件下，有效去除径流中的NO3-N.但此类方法，缺少现场研究数据，也无法说明对氮素去除的长期有效性.
因此，本研究采用硬木屑作为基质有机成分，考察现场生物滞留池长期运行效果及出水水质，通过现场实验考察生物滞留设施出水中污染物质量浓度，分析影响设施出水水质的因素，评价营养物质减少对植物生长的影响，确定设施出水作为景观水体补充水的可行性.
1 材料与方法 1.1 场地描述生物滞留设施位于上海内环高架某路段下方，于2015年11月修建，用于收集处理高架路面雨水径流.设施平面尺寸为8.00 m×2.50 m，深度为0.95 m，汇水区域面积约400 m2.设施的构造从上到下依次是：覆盖层、基质层、排水层(如图 1所示).覆盖层厚度为0.05 m，采用长度为0.05~0.10 m的松树皮.
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图 1 设施结构示意图 Fig.1 Structure of the bioretention system |
设施基质层由黄沙、土壤和硬木屑(质量比为75：20：5)组成.基质层的有机质含量为31 mg·g-1，TN含量为67.8 mg·kg-1.其中硬木屑在使用前经生活污水接种发酵稳定，木屑经稳定化处理后，易降解有机物含量下降，碳氮质量比由266降至56.排水层由粒径为2~5 cm的级配碎石组成，其中设有塑料穿孔管排水.设施底部铺设不透水土工膜防止出水下渗.植被层为黄菖蒲，种植密度约每平方米20株.
1.2 采样和检测方法高架径流通过落水管和进水槽进入设施，通过穿孔排水管末端的出水槽排放到市政雨水管道.进水槽和出水槽末端均安装有90°三角堰，通过超声波液位计与无纸记录仪连接，对进、出水流量进行连续监测.
现场实验分为两个阶段，第一阶段为2016年的汛期(4月到9月)，第二阶段为2017年的6月到9月.两个阶段设施产生明显出流，获得完整水质检测数据的降雨事件分别有11场和8场.
相关降雨事件的特征见表 1.
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下载CSV 表 1 监测降雨事件的降雨特征 Tab.1 Characteristics of monitoring rainfall events |
水样采集方法：在设施产生进水以及出水的前30 min每5 min采集1个水样，之后每15 min采集1个样品，采样位置分别位于进水管和出水管的末端.水样保存在2 L塑料瓶中，分析前储存在4 ℃的冰箱中.水质检测指标包括总悬浮固体(TSS)、COD、TP、正磷酸盐(Ortho-P)、TN、氨氮(NH3-N)和硝态氮(NO3-N)，采用国家标准检测方法[15].有机氮(Org-N)的质量浓度由计算得出，即ρOrg-N=ρTN-ρNH3-N-ρNO3--N.
基质样品采集方法：在2016年3月和10月两个时间点，分别从设施中收集基质样品，测定N在基质中的含量.样品采集断面共A、B、C和D 4个，如图 1所示.在每个断面不同部位收集3个长约60 cm的基质柱，并将其分为对应于0~10、10~30和30~60 cm深度的3个部分.测量时，将同一断面3个不同部位相同深度的样品各取100 g，混合成1个样品后按照标准方法测定N含量[16].
植物采集方法：在2016年11月对设施植物进行收割.对收割后的植物叶长进行测定，之后对植物自然风干脱水，对其干重进行测定.
1.3 数据处理方法各监测污染物均检测过程样，结合流量检测结果，计算出污染物的降雨事件平均质量浓度(EMC).相关数据的显著性和相关性分析均采用IBMSPSS 20软件完成.进、出水污染物质量浓度的数据符合正态分布，部分数据存在方差不齐性的情况，故采用单因素方差分析中的Games Howell方法.相关性分析采用皮尔逊相关系数表征.
2 结果与讨论 2.1 COD和TSS的去除以发酵稳定的木屑作为基质成分，生物滞留设施对路面径流中的COD和TSS有显著的去除作用(P＜0.01)(图 2，图中△代表进出水间污染物质量浓度存在显著性差异)，平均去除率分别达到75.94%和90.53%.生物滞留设施去除TSS的机理仅与滤饼过滤和深层过滤机制有关[6, 17]，因此本实验的TSS去除率与其他研究[18]结果中TSS去除率相近.进水中COD和TSS呈现显著的强相关性(皮尔逊系数为0.821，P＜0.01)，说明进水的COD主要以颗粒态形式存在，因此设施在进水过程中对COD的去除也与过滤作用有关.
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图 2 生物滞留设施对COD、TSS的去除效果 Fig.2 Removal effect of COD and TSS |
设施运行的第1年，COD出水平均质量浓度为36.22 mg·L-1.对出水中COD质量浓度影响因素的分析表明(图 3)，出水中COD质量浓度与出水中TSS质量浓度以及降雨事件发生时的气温有显著相关(RCOD=0.927，P＜0.01；RTSS=0.699，P＜0.05)，说明一方面设施出水中COD主要以颗粒的形式存在，另一方面随着气温升高而COD质量浓度也会升高.由于COD主要以颗粒态形式存在，设施基质能通过过滤作用去除大部分的COD和TSS，因此进水中COD和TSS质量浓度变化，不是导致出水COD和TSS浓度上升的主要原因(RCOD=0.489，P＞0.050；RTSS=0.195，P＞0.05).
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图 3 日平均气温与出水COD、TSS质量浓度的关系 Fig.3 Daily average temperature versus COD and TSS mass concentration of effluent |
COD质量浓度升高与使用木屑有机物的分解淋出作用有关.虽然本研究中所使用木屑经稳定化处理，但是与文献报道[19-20]的腐熟度较高的堆肥相比，所使用木屑的碳氮比是堆肥物的一倍，因此设施在第1年运行时木屑中存在大量易降解的有机物，这些有机物会随着温度升高，微生物活性增加，大量分解淋出，相似的现象在王建军等[21]的研究中被观察到.
对比设施使用第1年和第2年的出水水质(图 4)可以发现，在相似温度范围内(18~30 ℃)，第2年出水COD和TSS出水质量浓度下降明显(P＜0.05).第2年出水中TSS和COD的平均质量浓度仅为20.89和10.88 mg·L-1，全部降雨事件出水COD质量浓度均满足地表水Ⅳ类标准.此外，第2年设施出水中COD和TSS的质量浓度没有相关性(R=-0.204，P=0.629)，说明设施经过1年使用后，木屑经降解、破碎淋出的颗粒物与有机物质量浓度大幅度减小，木屑降解不再是出水中COD的主要来源，这是设施第2年出水中COD和TSS质量浓度没有上升趋势的原因.这说明长期运行的生物滞留设施出水不会受到添加有机物的影响.
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图 4 设施2年运行过程中出水中COD、TSS质量浓度变化 Fig.4 Change of COD and TSS concentration in effluent in the two-year operation |
使用木屑作为基质有机成分，第1年设施出水中的TN和TP平均质量浓度均低于进水(P＜0.05)(图 5，图中△代表进出水间污染物质量浓度存在显著性差异，□代表 2年间出水污染物质量浓度存在显著性差异.)，出水中TN、TP的平均质量浓度分别为2.72和0.16 mg·L-1，低于使用堆肥为基质有机组分的现场设施中N和P的出水质量浓度[9].TN和TP平均去除率为37.8%和75.7%，明显优于国外相关现场监测的结果(表 2).
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图 5 生物滞留设施对营养物质的去除 Fig.5 Removal of nutrients by the bioretention system |
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下载CSV 表 2 现场生物滞留池案例进出水中营养物质质量浓度比较 Tab.2 Comparison of nutrient concentrations of different field-scale bioretention systems |
由于设施的处理对象为高架道路径流，进水中营养物质质量浓度低于城市污水，本设施在第1年运行中TN、NH3-N和TP出水质量浓度远小于污水回用工艺出水质量浓度[22-24].若以《地表水环境质量标准》(GB3838—2002)作为出水水质评价的依据，设施出水中TP、NH3-N的平均质量浓度符合地表水Ⅳ类，COD出水质量浓度符合地表水Ⅴ类，TN接近地表水Ⅴ类，这是污水回用工艺出水水质难以达到的.
生物滞留设施中N的淋出主要以NO3--N为主.Smith[25]的研究认为，设施对NO3--N去除的主要影响因素是其与基质的接触时间.如表 2所示，与其他现场设施相比，本实验中设施的渗透速率大、基质层深度小，因此接触时间相较其他设施偏小.但由于在基质中加入木屑强化设施的反硝化效果，设施对TN和NO3--N的去除好于其他现场设施.
对比第1年和第2年设施的TP去除情况可知(图 5)，第2年出水的TP质量浓度比第1年明显降低(P＜0.05)，平均出水质量浓度为0.06 mg·L-1.生物滞留设施可以依靠基质对P的吸附和过滤作用将其截留，出水中的P主要成分是Ortho-P，部分添加堆肥物的设施正磷酸盐淋出的质量浓度可达4~6 mg·L-1[9, 26].本实验进出水中测得的Ortho-P质量浓度在检测限以下，TP主要由颗粒态磷组成.这与王建军等[21]的实验结果一致，即采用木屑作为基质的生物滞留设施出水TP主要以颗粒态为主，淋出的TP质量浓度最高能达到0.4 mg·L-1.本实验将木屑先行发酵稳定，出水中TP质量浓度最高仅为0.29 mg·L-1，并且随着设施运行，木屑进一步稳定，第2年出水中TP质量浓度最高仅有0.09 mg·L-1，达到地表水Ⅱ类(湖库Ⅳ类)要求，说明采用木屑作为基质的现场设施，与其他现场设施相比，能有效减少P的淋出.
在2年运行过程中，TN出水质量浓度无明显变化(图 5)，说明设施经长期运行对TN依然有较好的控制效果.NO3--N在第2年的平均出水浓度比第1年高0.53 mg·L-1, NO3--N在第2年的去除率较第1年下降了约30%.Wan等[29]的研究表明，在添加木屑现场设施中，影响NO3--N去除率的主要因素是降雨强度，但设施两年运行过程中，降雨强度间没有显著性差异(P=0.415)，因此，NO3--N去除率的下降可能来自于基质中可被微生物利用有机物的减少.
在使用木屑作为基质的生物滞留设施中，出水中均存在Org-N淋出的现象(质量浓度为4~10 mg·L-1)[8, 30].对本设施出水中各形态N的质量浓度对比分析发现(图 6, 图中△代表 2年出水污染物质量浓度存在显著性差异)，第1年出水中Org-N平均质量浓度为1.63 mg·L-1，第2年平均质量浓度下降了0.88 mg·L-1(P＜0.05)，且场次降雨之间的变化范围明显缩小.本研究第2年出水中平均Org-N浓度与没有添加有机物的设施[7]相比没有明显差异，说明现场设施长期运行木屑淋出的Org-N得到有效控制.由于Org-N与有毒藻种生长有关[31]，因此，本设施较低的Org-N出水质量浓度有利于提高出水的景观利用价值.
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图 6 设施在2年运行过程中出水中不同形态N含量的变化 Fig.6 Changing contents of different N forms in effluent |
以木屑替代堆肥物作为基质组分，基质不同位置处N含量如图 7所示，设施在建成时基质中N的平均含量仅为0.06 mg·g-1.运行1年后，基质表层中N含量明显升高(P＜0.05)，平均含量为0.11 mg·g-1.在使用堆肥作为基质组分的设施中，N含量为1.7~2.7 mg·g-1[32].尽管本设施运行过程中N在表层和靠近进水口部分逐渐积累，但是基质的N含量仍低于添加堆肥物的设施.
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图 7 生物滞留设施运行1年前后不同深度介质中N含量变化 Fig.7 Changing contents of N at different depths of the medium |
设施中植物(黄菖蒲)前后2年的生长情况见表 3.第1年运行结束时，黄菖蒲平均叶长约为63.9 cm，每株干重为4.98 g.在第2年运行结束时植物生长情况较第1年明显改善，平均叶长增加了36.9%，每株干重增加73.5%，第2年黄菖蒲的叶长与营养物质充足时报道的叶长值(71.6~84.6 cm)相似[33-34]，说明随着设施的运行，虽然基质中的营养物质含量与直接使用堆肥物的效果存在差距，但是植物生长状况良好，起始较低的基质N、P含量没有明显抑制植被的长势.
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下载CSV 表 3 设施2年运行过程中菖蒲生长情况 Tab.3 Plant growth of calamus in the two-year operation |
(1) 使用木屑作为基质有机成分的生物滞留设施对高架道路径流中COD、TSS、TP和TN均有显著的去除作用，设施对TN和NO3--N的平均去除率能达到37.8%和18.6%，明显优于同类现场设施.出水TP能达到地表水环境质量标准的Ⅲ类水标准，NH3-N能达到Ⅱ类水标准，出水TN平均质量浓度只有2.7 mg·L-1.
(2) 设施出水中COD和TSS质量浓度受到降雨事件发生时气温的影响，使用1年后，出水中COD质量浓度大幅下降.第2年监测期间，设施出水COD平均质量浓度仅为10.88 mg·L-1，达到地表水环境质量标准中的Ⅰ类水标准.设施运行的第2年，随着木屑降解趋于稳定，出水中TP和Org-N质量浓度进一步降低，TP出水平均质量浓度为0.08 mg·L-1.
(3) 基质表层中N含量会随着设施运行逐渐累积，设施运行1年后，基质中氮含量提高了近1倍，植物第2年生长情况好于第1年，株高达到正常范围.使用木屑替代堆肥对植物生长影响小，有利于保证生物滞留池出水满足景观水体补充水要求.
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