复合填料生物滞留池除磷试验研究

于 栋，金 波

（青岛市即墨区自然资源局，山东 青岛 266200）

作为一项成熟有效的海绵城市技术方案，生物滞留池应用于城市道路绿地内，路面雨水汇集后进入道路中央分隔带和两侧绿化带内，经过生物滞留池的渗透、滞留、贮蓄、净化、排放一体化处理，有效地削减雨水径流总量，延迟暴雨峰值时间，同时对水中的污染物实现一定程度地削减[1～2]。生物滞留池依靠基质填料、微生物与植物组建共体生态系统，通过基质填料的吸附截留、微生物的氧化分解以及植物的生长吸收，实现对雨水污染物的去除净化。现有研究显示，生物滞留池对雨水中的悬浮固体（TSS）、可氧化降解有机物（COD）、总氮（TN）、油脂类和重金属有很好地去除能力，但对总磷（TP）的去除不稳定。雨水中营养物磷主要依靠填料的吸附去除，传统生物滞留填料由于可提供的吸附位点有限，在运行后期对磷的吸附能力逐渐达到饱和，直至出现磷的解析、释放问题；未做填料更换处理的生物滞留池长时间运行后，出水中TP浓度已十分接近进水，生物滞留系统基本丧失除磷功能。

给水厂污泥(以下简称“铝污泥”)是以硫酸铝、聚合氯化铝为代表的铝系絮凝剂在给水处理过程中产生的副产物，其具有丰富的孔隙结构和较大的比表面积，对水中各形态磷有很好地吸附固定性能[3～4]。为了实现生物滞留设施对污染物磷的长效、稳定去除，本文以铝污泥作为填料改良剂，将铝污泥与河砂按照体积比15：85组成复合填料，通过模拟道路径流进水试验，研究复合填料生物滞留池对道路径流中污染物磷的净化效果。

1 材料与方法

1.1 试验装置

采用2个结构相同的圆柱形土柱模拟生物滞留池，柱高1 350 mm、直径300 mm，自上往下依次为蓄水层、种植土层、填料层、砾石层，砾石层底部安装排水管，连接市政雨水管网，管径为50 mm。见图1。

图1 生物滞留池结构

1.2 试验材料

1）填料。某自来水厂给水处理生成的块状脱水污泥，经自然风干并研磨、筛分处理后，获得粒径为1～2 mm的铝污泥；某建材市场粒径为0.125～2 mm的河砂。将铝污泥、河砂按照体积比15：85均匀混合，制成所需的复合填料。复合填料的有机质（organic material，OM）占比为4.04%，渗透系数为0.025 cm/s，满足生物滞留设计细则规定的填料最低渗透性要求[5]。试验中的土柱2填充铝污泥、河砂组成的复合填料，土柱1作为对比例采用传统砂土填料。

2）原水。道路径流雨水是用市政自来水和路面沉积土以及邻苯二甲酸氢钾、氯化铵、硝酸钾、磷酸二氢钾等药物混合配制而成，TP、TN、COD、TSS的质量浓度分别为3.0～7.0、10、160、200 mg/L。

1.3 运行控制

运行开始前，在种植土表层栽种植物，选择多年生草本莺尾类植物，根茎发达，同时具有耐涝、耐旱、耐寒的属性。启动阶段时间为10 d，对2组土柱每天定时进水30 L，水源为市政自来水，目的在于清洗冲刷种植土和填料层基质固有的有机营养成分。

启动阶段结束后，进入正式运行阶段，进行模拟径流进水试验，时间为70 d。每天定时、定量布水，通过泵装置在2 h内向每个柱体均匀注入40 L雨水，相当于汇水面积负荷比20情况下市政道路上发生31.5 mm降雨（降雨强度中的暴雨等级）产生的径流量。水样的采集周期为5 d，仅在每个周期的第5 d采集水样，其他4 d只进行布水。采样结束后，应于24 h内及时对水样进行集中检测。

1.4 检测方法

分别采用过硫酸钾消解-钼酸铵分光光度法、酸性重铬酸钾消解滴定法、碱性过硫酸钾消解-紫外分光光度法、重量法对进出水样中的污染物指标进行检测。

2 结果与讨论

2.1 TP去除

在运行初期，2组土柱均有较好的TP去除效果，去除率均在90%以上，出水中TP浓度在0.3 mg/L以下；表明在运行初期，无论是砂土还是复合填料均可提供足够的吸附位点，达到良好的TP去除效果。当试验运行30 d后，土柱1的除磷能力呈现明显下降趋势，对TP的去除率逐渐降至70%，出水中TP浓度为2.1 mg/L；TP的去除率随试验的运行继续降低，当试验进行到第70 d时，土柱1对TP的去除率仅为30%。与土柱1不同，整个运行期内土柱2始终表现出高效稳定的除磷能力，对TP的去除率不低于98%，经复合填料吸附处理后的出水中TP浓度值不高于0.02 mg/L，满足GB 3838—2002《地表水环境质量标准》划定的二类水体标准。见图2。

图2 TP的去除效果

研究表明[6]，道路雨水中的TP分为有机磷和无机磷，主要以不同形态的磷酸盐形式存在。在整个生物滞留系统中，植物和微生物组分对雨水污染物中的磷去除能力相对有限，雨水中各形态磷的去除主要依靠填料基质的吸附固定作用。传统单一砂土填料可提供的活性吸附位点有限，随着试验运行时间的增加，填料对磷的吸附作用逐渐减弱，直至达到饱和状态，此后填料的物理吸附作用失效。本试验选用的复合填料因包含一定比例的铝污泥基质，能够提供相对较多的吸附位点；铝污泥含有大量铝铁无定形结合物，可以与表面吸附态磷酸盐发生羟基取代、络合反应而生成络合沉淀物，不易出现磷的解析、释放，从而实现对雨水中磷的长久、稳定去除。

2.2 其他污染物去除

试验结果表明，单一砂土填料和铝污泥、河砂复合填料两组生物滞留池对雨水中COD、TSS、TN等污染物均有较好的去除效果。见表1。

表1 其他污染物去除效果

雨水进入生物滞留系统后，进水中的TSS经种植土、填料层的拦截、过滤，基本完成了对SS的全部去除。本次模拟雨水中的COD由化学药剂邻苯二甲酸氢钾配制而得，属于溶解性难降解有机物，下渗过程中先被填料颗粒吸附，然后在与好氧微生物接触过程中被降解去除。雨水中的TN包括氨氮和硝态氮两部分，经填料物理吸附作用去除的量十分有限；绝大部分依靠设施内部的硝化菌、反硝化菌等微生物在适宜环境下，分别完成对氨氮的硝化作用以及硝态氮的反硝化作用[7]。在雨水生物滞留系统内部，处于淹水饱和阶段的时间较短，落干阶段时间长，整个填料层结构的透气性能好，利于硝化细菌完成硝化作用，而由于缺少稳定的缺氧环境，水中硝态氮的反硝化去除受到抑制，一定程度影响了TN去除效果。

3 结论及展望

将铝污泥与河砂按15：85体积比混合，构建复合填料生物滞留系统，克服了以往雨水净化过程中TP去除不稳定的难题，对原水中质量浓度为3.0～7.0 mg/L的营养物磷去除率达到98%，出水中TP浓度长期稳定在0.02 mg/L以下，满足GB 3838—2002划定的二类水体标准。将复合填料系统应用于城市道路绿地景观建设中，既做到对地表径流量的有效控制，也实现了对径流雨水中各类污染物的稳定削减。

我国的海绵城市建设尚处于初级阶段，生物滞留池等技术措施还存不足。在工程中，应以控制目的为导向，因地制宜的进行生物滞留设施的设计，制定科学的运行维护制度，确保其高效持久地发挥作用。