通过使用芦苇和铁屑的多级生物滞留系统，提高雨水中的氮和磷去除效率

《Journal of Environmental Chemical Engineering》：Enhanced nitrogen and phosphorus removal in stormwater via multistage bioretention systems with reed and iron scrap

本研究构建了三种生物滞留系统（G0、G1、G2），采用芦苇、铁屑和生物炭作为改良材料，模拟复杂降雨条件评估其氮磷去除性能。结果表明，G2系统（芦苇-铁屑分层结构）在硝酸盐（86.21±9.85%）、铵态氮（90.52±2.24%）和磷酸盐（95.49±）去除效率上均优于其他系统，并显著降低亚硝酸盐中间产物排放（0.08 mg/L）。分析表明分层结构中铁屑与生物炭协同促进自养反硝化，孔隙水化学和微生物群落变化共同作用提升系统性能。

　　城市化进程的加快显著增加了城市地表的不透水面积，导致降雨期间径流总量增加，并且污染物负荷也随之上升。其中，氮和磷作为主要污染物，对水体富营养化和水质恶化具有重要影响。为了有效控制城市非点源污染，生物滞留系统作为一种有效的雨水控制措施，近年来受到广泛关注。然而，传统生物滞留系统在去除溶解性氮和磷方面的效率仍存在一定的局限性，尤其是在长期干旱期或高强度降雨条件下，其性能可能不稳定。

在这一背景下，研究者们开始探索多种改良材料的组合应用，以提升生物滞留系统的污染物去除能力。例如，一些研究指出，添加固态碳源如玉米芯、稻壳或木屑可以促进异养型反硝化作用。然而，也有研究发现，基于木屑的生物滞留系统在湿润期可能会导致溶解性氮和有机碳的释放，从而影响水质。此外，虽然硫化铁被广泛用于增强氮和磷的去除，但其在反硝化过程中会生成硫酸根离子，可能造成二次硫酸污染。

为了克服这些挑战，研究人员尝试将不同材料组合应用于生物滞留系统中，以实现更高效的污染物去除和更稳定的系统运行。例如，有研究发现，将零价铁与植物源碳结合使用，可以有效抑制副产物的形成，同时显著提高硝酸盐的去除效率。同样，结合植物源碳、木屑和硫化铁的过滤介质也被证明可以提高生物滞留系统的稳定性和污染物去除效率。此外，一些研究还探讨了将硫与铁-碳材料结合使用，以促进硫循环，从而提高硝酸盐的去除效率并控制硫酸根离子的浓度。

基于上述研究，本文提出了一种新的生物滞留系统设计，即通过将芦苇、铁屑和生物炭作为改良材料，并采用分层配置的方式，构建三种不同的生物滞留系统：铁屑-芦苇单元（G1）、芦苇-铁屑单元（G2）以及均匀混合单元（G0）。生物炭被添加到所有系统中，以增强系统的吸附能力。该设计旨在通过耦合异养型和自养型反硝化作用，提高氮和磷的去除效率，同时减少副产物如氨氮和亚硝酸盐的生成。

在实验中，研究人员模拟了复杂的降雨条件，评估了这三种生物滞留系统的污染物去除性能。结果表明，G2系统在硝酸盐（NO??-N）、氨氮（NH??-N）和磷酸盐（PO?3?-P）的去除效率方面均优于G1和G0系统。具体而言，G2系统对硝酸盐的去除效率达到了64.47%至99.94%，对氨氮的去除效率为71.09%至92.67%，对磷酸盐的去除效率为85.32%至99.34%。相比之下，G1系统的去除效率较低，而G0系统则表现出一定的波动性。

此外，研究还发现，G2系统在排水中的亚硝酸盐（NO??-N）浓度显著低于G1和G0系统。这表明，G2系统不仅在污染物去除方面表现优异，而且在减少副产物生成方面也具有明显优势。进一步的分析表明，芦苇、铁屑和生物炭的协同作用有助于促进反硝化过程，而浸没区中的自养层（由铁屑和生物炭组成）则是硝酸盐去除的主要场所。

研究人员还探讨了污染物在干旱期和降雨期间的动态变化，以及不同改良材料组合对生物滞留系统稳定性的贡献。实验结果表明，G2系统在不同降雨条件下均表现出较高的稳定性和去除效率，而G1和G0系统则在某些条件下出现性能波动。这说明，合理的材料配置和分层结构对于提高生物滞留系统的性能至关重要。

通过对比不同系统在污染物负荷、干旱期持续时间、降雨强度和降雨持续时间等条件下的表现，研究人员进一步验证了G2系统的优越性。在高到中等污染物负荷条件下，G0系统表现出较高的去除效率，但G2系统在低污染物负荷条件下略胜一筹。这表明，G2系统在不同污染物浓度条件下均能保持良好的去除性能，而G1系统则在所有条件下表现相对较差。

总体而言，本研究通过构建和测试三种新型生物滞留系统，揭示了不同材料组合对污染物去除效率和系统稳定性的影响。研究结果表明，采用芦苇-铁屑浸没结构的G2系统在去除氮和磷方面具有显著优势，特别是在减少副产物生成方面表现突出。这一发现为城市非点源污染的控制提供了新的思路和方法，也为未来生物滞留系统的优化设计奠定了基础。