0 引 言
磷是造成水体富营养化的限制性因子。随污水处理厂处理工艺不断强化以及流域整治力度不断增强，水体点源磷污染控制措施逐渐完善，面源磷污染逐渐成为引起城市水体富营养化问题的主要因素[1]。据报道，地表径流是影响受纳景观湖体总磷及溶解态磷浓度的主要因素 (P<0.05)[2]。因此，控制地表径流磷污染可有效保障受纳水体水质，抑制水体富营养化。
随着海绵城市的建设，分散式绿色生态低影响开发技术得到大规模应用。生物滞留带、下沉式绿地、植被浅沟、雨水花园、绿色屋顶等分散式绿色基础设施，可通过沉淀、过滤等途径截留雨水径流中的颗粒态磷，但对溶解态磷的去除能力不足，存在有机磷和无机磷的释放输出[3-6]。驳岸湿地作为径流雨水经绿色基础设施转输后进入城市水体的末端生态控制技术，承担了大量溶解态磷的去除任务。
驳岸湿地可通过基质吸附、微生物吸收与转化、植物吸收的共同作用实现磷素去除[7-8]。通常，基质吸附被认为是湿地去除无机磷的主要途径[9]。但是由于实际工程中多采用沙、砾石等吸附饱和点位较低的惰性材料作为基质，致使驳岸湿地系统难以实现长久稳定除磷[10-11]。此外，湿地内微生物同化吸收或聚磷菌过量积累的磷素，在微生物死亡后，均会全部分解释放回到水体，对磷总量的去除效果不大。但是，湿地微生物可有效促进有机磷的无机化，使有机磷向易于被基质吸附去除的无机磷酸盐形态转化[12-14]。因此，针对绿色基础设施转输径流雨水中同时含有机磷和无机磷的特性，根据微生物可转化有机磷，惰性基质改良可强化无机磷吸附的原理，通过引入穿孔导管提高微生物活性促进有机磷无机化，铁锰复合氧化物改良惰性基质[15]强化无机磷吸附两种措施，构建了优化构造的二级驳岸湿地，以分步强化调控驳岸湿地对雨水径流中溶解态磷的去除，为改善雨水径流磷素在驳岸湿地的截留效果提供研究基础。
1 材料与方法
1.1 驳岸湿地装置
模拟驳岸湿地装置A、B均由二级构造湿地组成，装置主体均采用PVC板材制成；其中第1级湿地装置内径90 mm、高500 mm，内部填充小砾石(孔隙率0.45)400 mm；第2级湿地装置内径190 mm、高1000 mm，内部从下至上分别填充100 mm大砾石(孔隙率0.44)、200 mm小砾石(孔隙率0.45)和600 mm砂和改良基质混合层(细砂、改良基质和粗砂体积比为2∶2∶1)。装置A的二级湿地采用火山岩陶粒作为改良基质，装置B采用铁锰复合氧化物负载陶粒作为改良基质[16]；且装置B的一级湿地中引入1根内径25 mm均匀穿孔(孔径5 mm、孔间距35 mm)的通气管。两装置基本结构及内部基质填充如图1所示。
取水口； 
小砾石； 
大砾石； 
负载铁锰复合氧化物陶粒； 
普通火山岩陶粒。
图1 优化构造湿地装置示意
Fig.1 Constructed revetment wetland of model
1.2 进水水质与水量
1)模拟径流雨水进水水量。
根据北京市暴雨强度公式(见式(1))，分别模拟1年、3年和5年一遇2 h降雨事件，按照驳岸湿地面积占所服务汇水面积的2%，地表径流系数0.9，计算径流量作为驳岸湿地进水量，其进水流量曲线如图2所示。
年
(1)
式中：t为降雨历时，h；P为降雨重现期，a；i为暴雨强度，mm/min。
—1年一遇； 
—3年一遇； 
—5年一遇。
图2 不同重现期下降雨流量过程曲线
Fig.2 The curve of rainfall process under different rainfall reappearing period
2)模拟径流雨水进水水质。
根据径流雨水中有机磷和无机磷含量占比关系，分别采用腺苷-5’-磷酸、磷酸二氢钾作为有机磷源和无机磷源，配制含1.5 mg/L有机磷和3 mg/L无机磷的溶液作为装置进水。实验期间温度为(25±2)℃。
1.3 测定方法
采用过硫酸钾消解-钼酸铵分光光度法(GB 11893—89《水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法》)测定总磷和无机磷浓度[17]。
1.4 THOMAS模型
1944年，THOMAS 提出了一种预测柱吸附饱和周期的吸附动力学模型，该模型假设了没有轴向扩散而得出的理想化方程，可用于估算吸附质的平衡吸附量和吸附速率常数[18-19]。
THOMAS模型的对数表达式如式(2)所示：
ln[-(1-ρ0/ρt)]=-kThρ0t+kThqmm/qV
(2)
式中：kTh为模型速率常数；qm为吸附柱饱和吸附容量，mg/g；ρ0和ρt分别为进水和出水磷的质量浓度，mg/L；m为吸附剂质量，kg(本实验装置所用吸附介质质量约为5 kg)；qV为进水体积流量，L/s；t为出水质量浓度为ρt时对应的时间，min。
2 结果与讨论
2.1 降雨重现期对驳岸湿地除磷效果的影响
装置A、B在不同重现期场次降雨时平均出水磷浓度及平均去除率如图3所示。
ρ(TP)； 
ρ(无机磷)； 
ρ(有机磷)； —TP去除率； —无机磷去除率； 
—有机磷去除率。
图3 不同降雨重现期下两装置平均出水磷浓度
Fig.3 The mean concentration of phosphorus in effluent of the revetment wetlands under different rainfall reappearing period
由图3可知：随降雨重现期增加，装置A、B出水磷浓度均呈现逐渐增加的趋势，降雨重现期越小，两装置对磷素的去除效果越好；在相同降雨重现期时，装置B对总磷、无机磷和有机磷的去除效果均优于装置A；其中，当降雨重现期为1年一遇时，装置B对总磷、无机磷和有机磷的平均去除率分别为66%、80%和42%，比装置A分别提高了40%、55%和13%。可见，驳岸湿地构造优化后，降雨重现期对驳岸湿地去除磷素的影响明显减小，在各重现期下均可显著提高对径流雨水中各种形态磷素的去除效果，有利于降雨强度变化时径流中磷素的稳定去除。
2.2 各级湿地对径流雨水中磷的去除
降雨重现期为1年一遇时，装置A、B各级出水磷平均浓度(以EMC浓度计)及平均去除率结果分别如图4所示。
ρ(总磷)； ρ(无机磷)； ρ(有机磷)； —TP率去除率； —无机磷去除率； —有机磷去除率。
图4 两装置各级出水磷平均浓度
Fig.4 The mean phosphorus concentration in effluent of the revetment wetlands
由图4可知：在降雨重现期为1年一遇时，随湿地构造级数增加，装置A、B对总磷、无机磷和有机磷的去除率均逐渐增加；且装置B各级构造对磷素的平均去除率均大于装置A。装置B一级湿地对总磷、无机磷和有机磷的平均去除率分别为14%、5%和32%，比装置A一级湿地分别提高了13%、4%和29%；二级湿地对总磷、无机磷和有机磷的平均去除率分别为66%、77%和46%，比装置A二级湿地分别提高了40%、52%和18%。综上，装置B一级湿地引入空气导管后对总磷和无机磷的去除效率并不是很高，但是却显著提高了其对有机磷的去除，这可能是由于空气导管强化复氧提高了一级湿地中微生物的活性，促进了有机磷的无机化，且微生物活性的增加亦加强了对磷素的同化吸收[12]；二级湿地采用铁锰复合氧化物改良基质后，对有机磷的去除效率不高，但是却有效促进了无机磷的去除，装置B二级湿地采用铁锰复合氧化物改良基质，因为金属氧化物含有丰富的表面基团，可为无机磷的吸附提供更多的吸附位点[20]。
2.3 降雨历时对驳岸湿地除磷效果的影响
1年一遇降雨重现期时装置A、B出水磷浓度及去除率随降雨历时的变化，结果如图5所示。
ρ(TP)； ρ(无机磷)； ρ(有机磷)； —TP去除率； —无机磷去除率； —有机磷去除率。
图5 两装置出水磷平均浓度随降雨历时的变化
Fig.5 The mean phosphorus concentration in effluent of the revetment wetlands during the duration of rainfall
由图5可知：降雨历时对两装置去除总磷和无机磷的效果影响不大，随降雨历时延长去除率基本稳定；但是对有机磷的去除效果略有影响，随降雨历时延长去除率略有增加。降雨前15 min时，两装置对无机磷和总磷的去除率最高，这可能是由于降雨初期径流量较少，水力停留时间稍长所致[21-22]。在同一降雨历时，装置B对总磷、无机磷、有机磷的平均去除率(以平均浓度计算)分别为66%、77%和46%，比装置A分别可提高约40%、52%和18%。可见，驳岸湿地构造优化后，降雨历时对驳岸湿地去除磷素的影响明显减小，在不同降雨历时下均可显著提高对径流雨水中各种磷素的去除，且去除效果更稳定。
2.4 使用寿命预测
由前述可知，在构造优化的二级驳岸湿地中，第1级湿地主要通过提高微生物活性促进有机磷的无机化，对无机磷的吸附去除作用较差；因微生物会持续不断繁殖，所以一级湿地的使用年限仅取决于湿地初始基建使用寿命；第2级湿地主要通过介质吸附完成对各种磷素的吸附去除，且对各种磷素均具有较高的去除率；因介质会随吸附进行而达到饱和，所以二级湿地的使用年限取决于介质达到吸附饱和的时间，即第二级湿地介质吸附饱和的时间。通过借助THOMAS模型，根据装置A、B的二级湿地对场次降雨磷素的去除效果，可估算出铁锰复合氧化物改良填料和普通的火山岩填料对磷的饱和吸附量，从而根据年降雨径流含磷量估算湿地使用年限。如图6所示，采用THOMAS模型对实验结果进行线性拟合和估算，得到铁锰复合氧化物改良填料对总磷、无机磷和有机磷的饱和吸附量分别为0.04，0.07，0.0005 mg/g；火山岩填料对总磷、无机磷和有机磷的饱和吸附量分别为0.01，0.01，0.0001 mg/g。
总磷；
无机磷；
有机磷； ——TP去除率； ----无机磷去除率； ……有机磷去除率。
图6 THOMAS模型线性拟合
Fig.6 THOMAS model linear fit
根据北京市道路径流雨水中平均总磷浓度1.74 mg/L(变化系数0.5～2)[23]，假定道路汇水面积为200 m2，取径流系数为0.85～0.9[24]，则可估算出北京市平均每年降雨径流中总磷的含量约为0.174 kg；根据湿地面积占所服务汇水面积的2%，估算需要填料约0.65 t。按照装置B二级湿地的填料配比及THOMAS模型的预测，铁锰复合氧化物改良填料二级湿地可吸附去除2.61 kg总磷，估算出铁锰氧化物改良填料的使用年限大约为15年；同理，火山岩改良填料的使用年限大约为4年。由上可见，驳岸湿地构造优化后其使用寿命可大大提高。该估算过程假设填料分布均匀，没有表面漫流，如果优化设计流动区域还可以延长使用年限。
3 结 论
1)经实际验证，通过引入空气导管、铁锰复合氧化物改良基质措施构建构造优化的二级驳岸湿地强化有机磷转化和无机磷吸附，可显著提高驳岸湿地对径流雨水中有机磷和无机磷的去除。降雨重现期为1年一遇时，引入空气导管的一级湿地对有机磷的去除率比传统一级湿地提高了30%，采用铁锰复合氧化物改良基质的二级湿地对无机磷的去除率比传统二级湿地可提高52%。
2)驳岸湿地构造优化后能更稳定有效去除径流雨水中的磷素，降雨重现期、降雨历时对构造优化后驳岸湿地去除磷素性能的影响明显减小，且不同降雨重现期下均可显著提高对径流雨水中各种形态磷素的去除率。
3)通过THOMAS模型预测构造优化二级驳岸湿地的饱和吸附量，经过估算，驳岸湿地构造优化后可大大提高使用寿命，其使用寿命约为15年，比传统构造湿地多11年。
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