模拟生物

生物滞留池对雨水径流处理的模拟实验摘要：国外在处理城市径流问题上流行的技术是生物滞留技术，本次实验通过人工配比模拟城市径流，对生物滞留池的处理效果进行了试验监测。

试验结果显示，所有装置对TP的去除率为0.99±0.01；对TN、NO3--N及NH3+-N的去除率分别为为0.85±0.10，0.77±0.16,0.73±0.13；对COD的去除率为0.76±0.17。

实验结果还表明生物滞留池内土壤与细沙不同的配比对总氮、氨氮及硝氮的去除影响不大，对总磷及COD 有一定的影响，都表现为土沙配比为3:1时去除效果更好。

关键字：生物滞留池；污染物；去除效果；配比Biological treatment retention pond for storm water runoffsimulation experimentAbstract: In the foreign country, a popular technology in dealing with urban runoff is Bioretention Technology.This experiment monitor the effect of biological stranded pool by the ratio of artificial simulation of urban runoff. The Experimental results show that all the devices on the removal rate of TP was 0.99 ± 0.01; TN, NO3--N and NH3+-N removal rate were 0.85 ± 0.10, 0.77 ± 0.16,0.73 ± 0.13; the removal rate of COD was 0.76 ±0.17. The experimental results also show that bioretention pond of soil and sand in different proportions has little removal effect on total nitrogen, ammonia nitrogen and nitrate nitrogen, but it has certain influence on the total phosphorus and COD, and it has showed that the removal effect is better when the soil and sand ratio is 3:1.Key words: bioretention; pond; pollutants; removal; ratio随着城市化的进程加快，城市径流污染问题日益加剧，在不少发达地区，城市径流已经成为了非点源污染的主要来源之一，同时也是引起许多自然水体退化的一个主要因素；在我们国家城市雨水污染非常严重，以北京市为例雨水径流COD排放量在水环境排放总量中所占的比例正逐年增高，在2006年竟高达达到33.39% [1-3]。

传统的以单纯排除雨水而设计的城市排水系统，已经不能满足现在的要求了[4]。

因而城市雨水径流问题的解决对城市的水资源短缺、洪涝灾害、面源污染等问题都具有重要意义，近年来受到了国际上的广泛关注。

国外的研究表明生物滞留池对TSS、氮磷营养物质、碳氢化合物以及重金属都有明显的去除效果，其中Chi-hsu Hsieh等实验表明土壤组分中的颗粒物往往是最具化学活性的，因而沙粒的含量对某些污染物的去除效果有一定的影响，而国内学者胡爱兵等人认为生物滞留池内一些污染物去除率随填料渗透系数的增大而减小[5-8]。

介质的水力传导系数主要取决于孔隙的大小，一般较大的孔隙出水更迅速[9]，生物滞留池里不同的填料配比其间孔隙肯定不同，径流在池内滞留时间便不同，对径流的过滤及吸附能力就不一样，对径流的净化能力也就不一样。

本文则通过人工配置污水来模拟城市径流，研究生物滞留池对污水的处理效果，目的是理清生物滞留池内土壤与细沙之间不同的配比与污染物的去除效果之间的关系，探求影响污染物去除率的主要影响因素，以确定适宜的生物滞留池填料构成，找到需要一个可以平衡渗透性和污染物去除率的介质，为我国解决城市雨水径流引起的非点源污染问题及其他学者研究提供可靠科学依据。

1生物滞留池构造及方法1.1实验装置设计本次实验采用大型PVC 垃圾桶自制的3套生物滞留池，其模型如图（1）所示。

该模型自下而上由五部分组成：①砾石层主要是鹅卵石构成；②砂层主要是细沙；③种植层主要是土壤及细沙的混合物；④覆盖层主要是松树皮；⑤蓄水层。

所有装置所填装的土壤为江西省常见红壤，所种植的植物是月季，均为每个装置三株。

其中1#装置的沙土比例为1：3,2#装置沙土比例为1：4,3#装置沙土比例为1:5。

实验过程中我们为了给微生物创造一个厌氧环境，可以提高出水口，在生物滞留池的内部创建一个蓄水层[10]，在池的底部形成一个无氧环境以此促进微生物反硝化反应，如图（1）所示，并且在各装置的出水口管道处蒙上一层纱布，防止在出水时砂石进入管道堵塞出水孔。

图（1）实验装置图Fig ． 1 Schematic diagram of experimental equipment1.3污水配制及水样采集有实验证明模拟绿地对配水和实际径流雨水COD 。

、TN 和TP 削减率有着相似的变化规律，削减率也比较接近[11]，因此本次实验利用人工配水代替实际雨水径流来进行污染物降解及机理的研究。

本次实验使用的试剂依次是氯化铵、硝酸钾、磷酸二氢钾及葡萄糖。

所配的污染物进水浓度依次是NH 3+-N-3.50~12.80mg/L 、NO 3--N-1.00~5.00mg/L 、TP-0.20~0.90mg/L 、TN-2.50~7.90mg/L 及COD120~240mg/L1.2实验方法本次试验对进水及出水中总氮、总磷、COD 及无机氮等污染物指标测量则是参照《水和废水监测分析方法》(第四版)中的方法，而去除率则是参考美国ASCE 一EPA 数据库中推荐测定方法之一—物质去除效率法。

其具体计算公式如下：物质去除率（%）=进水体积进水浓度出水体积出水浓度进水体积V C V C V 进水浓度C × 100%其中：C进水浓度—各污染物在进水中的浓度，单位为mg/L；V进水体积—各装置所进水的体积，单位为L；C出水浓度—各污染物在出水中的浓度，单位为mg/L；V出水体积—各装置的出水口接出的水量，单位为L；2.实验结果分析2.1对COD的去除效果在常温下生物滞留池对COD的去除效果见图2。

实验表明在生物滞留池内的有机物是由生物降解和非生物共同作用而被去除的，污水中有机物质被土壤吸附截留下来，形成一层的薄膜，薄膜上充满着细菌，这些微生物好氧分解将有机物转化成无机物，最后被植物吸收[12~13]。

从实验数据可以看出各装置对COD都有明显的出去效果，其中以6#装置为最佳，这是因为有机物的去除与填料的渗透系数有关，渗透系数较小时，雨水中的悬浮性 COD 能够被很好地过滤截留，被去除的更多，而随着填料渗透系数的增大，填料的机械过滤性能降低，加之雨水在入渗过程中有可能将填料中的部分有机物淋洗出来，导致出水 COD 浓度增大[14]。

而土壤渗透性能的大小关键在于砂粒含量,由于砂粒具有良好的透水性[15]，6号装置的含沙量是最少的，因而填料的渗透性最小，所以对有机物的去除效果更好一些，但是COD在第6与第7次实验6#装置中的去除率变低了。

这与在那两次实验过程中6#装置出现漏水事故有关，导致进水在实验装置中停留的时间变短，使得COD被截留及微生物分解的效果不佳，综合因素导致COD的去除率变低了。

图 2对COD的去除效果Fig．2 Removal efficiency of COD2.2对TP的去除效果在常温下生物滞留池对COD的去除效果见图3。

本次实验表明三个装置对TP的去除效果都非常明显，尤以6#装置表现最佳。

有研究表明在磷吸收方面植物直接吸收只是一小部分，吸附和沉淀过程是磷吸附的主要机制，磷的吸附是一个吸附位点的密度函数，这通常是与粘土所占百分比正相关，因此砂质土壤的吸收效果不如粘土[16~18]。

另外Dietz等人在实验时进水中总磷为7.16g而出水中总磷的总量却高达15.09g，对于总磷的去除率为负他们认为这是与土壤有关，W. F.Hunt等人同样指出生物滞留池对磷的吸收与填料中沙的含量有关。

本次实验6#装置的土壤含量多，其过滤效果最好，而且根据《江西土壤》的介绍本次实验所使用的土壤中含有较多的铁，而有实验表明介质中氧化铁基团越多，其固定形成的磷酸铁盐和磷酸铝盐数量越多，基质净化磷素的能力越强[19-23]。

综合以上因素则6#装置表现为除磷率最好。

图 3对TP的去除效果Fig．3 Removal efficiency of TP2.3对TN、NO3--N及NH3+-N的去除效果在常温下生物滞留池对TN、NO3--N及NH3+-N的去除效果依次如图4、图5、图6。

从本次实验数据可以看出三个装置对TN、NO3--N及NH3+-N的去除率没有很明显的差别，即土壤与细沙的配比不同对氮的去除效果影响不大。

污水中的氮通常以有机氮和无机氮的形式存在，本次试验污水中的氮全部为无机氮，它可以直接被植物吸收，另外土壤颗粒带有负电荷，因而NH4+很容易被吸附。

另一方面土壤微生物能够通过硝化作用将NH4+转化为NO-3后，土壤又恢复了对NH4+的吸附功能，进一步加大了对氨氮的吸收。

而土壤对带负电荷NO-3没有吸附能力，只能靠植物根系吸收和微生物反硝化反达到去除[24~25]。

从中看出反硝化作用在氮的去除过程中扮演着很重要的角色，因而能不能在装置内部提供一个厌氧环境很关键。

本实验装置在底部创建了一个蓄水层，李明翰（美国）等人的实验表明滞留池内部蓄水层能够提高氮的去除率[26]。

图 4对TN的去除效果Fig．4 Removal efficiency of TN图 5对的NO3--N去除效果Fig．5 Removal efficiency of NO3--N图 6 对的NH3+-N 去除效果Fig．6 Removal efficiency of NH3+-N3.结论（1）在生物滞留池中，主要通过物理、生物和化学的三重协同作用来实现对水体的净化。

对于不同的填料配比，由于其自身理化特性的差异，3 种作用机理对净化效果的贡献大小不同，而且3种机理对不同的污染物净化效果的贡献也不一样。