使用2-8年后生物滞留系统中液压和有毒金属去除能力的评估外文翻译资料

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使用2-8年后生物滞留系统中液压和有毒金属去除能力的评估

Kim H. Paus amp; Joel Morgan amp; John S. Gulliver·TorOve Leiknes amp; Raymond M. Hozalski

摘要：生物滞留系统，也称为雨水花园，越来越多地被用作收集，渗透和处理雨水径流的方法。有人担心随着使用年限的增加，雨水管理做法将如何在渗透和污染物去除方面发挥作用。通过2006年对8个系统的研究以及2010年使用渗滤仪再次对8个系统中的其中三个的研究得出饱和水力传导率值(K_sat），观察到平均K_sat与运行时间的强烈正相关（坡度=10.2plusmn;2.4cm/h每年，R²=0.67）。从六个生物滞留系统收集的生物滞留介质中心金属分析结果显示了介质表面Cu和Zn富集的预期趋势，而仅在72个介质样品中的一个中检测到Cd。来自田间培养基样品批次试验的吸附等温线（T = 22.5℃，pH = 7.2）用于估计金属吸附容量，基于代表性的雨水Cd和Zn浓度。Cu是不被考虑的，因为在这些条件下，Cu只有很少量会溶解（22.8plusmn;7.1%）。平均吸附能力为Cd（10.2plusmn;3.1 mg / kg）和Zn（294.9plusmn;14.9 mg / kg）远超过了生物滞留介质中的观察水平，系统中Zn的剩余吸附能力ge;83％，Cdge;90％。总的来说，这个结果调查表明生物滞留系统可以提供多年的有效渗透（gt; 6年）和金属清除性能（gt; 25年）。

关键字：生物滞留 雨水 金属 吸附 液压导电性 有机物

1 介绍

生物滞留系统（也称为雨水花园或生物过滤器）是在自然土壤已经移除的浅植被凹陷地方将土壤替换为主要由砂和堆肥或覆盖物组成的生物滞留介质。 沙子用于促进渗透，而有机肥料堆肥或覆盖物用于增强植物生长。 有机物（OM）的添加也提供了其他好处。 例如，OM含有与带正电荷的污染物如有毒金属复合的能力的官能团（例如羧基，羟基，甲氧基，奎宁和酚基）。 此外，OM上的疏水部分为疏水性有机污染物（如石油烃）提供吸附位点虽然生物滤池已经成为越来越受欢迎和广泛实施的雨水管理措施，但关于这项技术在文献中的长期表现，只有少数报道..关于生物滞留系统的长期性能有两个主要问题：（1）生物滞留介质堵塞导致液压能力下降;（2）污染物去除能力的丧失，可能导致下游水质受损。

生物滞留介质的堵塞或“液压破坏”发生在雨水中的悬浮固体沉淀到生物滞留介质的表面或通过过滤在介质的孔中除去的过程。 研究表明，生物滞留系统中的堵塞倾向于局部化，主要发生在10厘米深的深度和生物滤池流入区附近的低洼地区。 这个观察证实了人们可能期望的是，随着流入区域附近的沉积物负荷达到最大，随着颗粒从雨水中移除，距离和深度也随之减小。 在Le Coustumer等人 （2009）的调查中，使用澳大利亚37个生物滤池系统的单环浸渗仪获得饱和水力传导率（K_sat）值，以及年龄范围或“服务时间”：从0.2到5年。

有趣的是，K_sat没有服务时间的趋势。 Le Coustumer等人 （2009），然而，仅测量每个生物滞留细胞中的Ksat值，提供每个细胞的水力性能的“快照”。 由于设计和构建中的细胞与细胞之间的差异或可能掩盖时间效应的其他因素的潜力，在多次测试相同的细胞或一组细胞应该有助于评估液压性能的时间趋势。 事实上，艾默生和Traver（2008）报道，美国宾夕法尼亚州的维拉诺瓦大学的生物滞留单元每年增长1.8厘米。 不幸的是，该细胞只被监测了相当短的2年。

除了水力性能外，还有一个关于污染物去除能力随时间的潜在损失的担忧。 特别是有毒金属的去除是重要的，因为这些污染物不仅具有高的潜在毒性，而且也是不可降解的，并且在生物过滤介质中积累。 对于许多金属（包括镉（Cd），铅（Pb）和锌（Zn）），生物滞留系统的现场研究通常报告良好至极好的去除效率（64％至gt; 90％），.然而，关于使用中的生物过滤介质中有毒金属发生的研究的数量非常有限（表1）。 Dietz和Clausen（2006）研究了关于超过两年接收的屋顶径流的两个现场规模研究系统中出现的金属的情况。这些系统使用超过两年，充满了天然的土壤沙土，而覆盖的覆盖层保留了Cu，Pb和Zn，土壤中的金属浓度实际上一直在下降。没有有机改良剂（如堆肥，护根）的情况下，与推荐的生物滞留介质水平相比，这些系统中的介质（即土壤）的OM含量较低。 根据生物滞留设计建议（PGC 2007; MPCA 2008），生物过滤介质应含有20-50％的有机叶堆肥体积。由于叶片堆肥的含量为50％，生物过滤介质应含有重量占比约4-14％的OM。 此外，李和戴维斯（2008a）也进行了在接收停车场径流中的生物过滤系统中金属出现情况的研究。被成为“街道表面颗粒物沉积层”的生物过滤系统表面Cu,Pb,Zn的浓度在一年内大幅度提升。有趣的是，在同一时期（表1），媒体中似乎有金属损失，其中包括沙子（50％体积），土壤（30％）和覆盖物（20％）。最后，Jones and Davis（2013）研究了一个已经接收停车场径流4年的生物过滤系统中金属的变化情况，含有与Li and Davis（2008a）的研究成分相同的介质。金属主要集中在2.5厘米的介质，表面金属浓度往往随着与雨水入口的距离而减小。但在上述调查中，没有尝试测量可利用的生物过滤介质的金属吸附能力。Jones and Davis（2013）认为，这个使用了4年的生物过滤系统在调查中显示还剩余几十年的金属积累能力，但这个估计是如何获得的尚不明确。

在这里，我们提出三个生物过滤系统的表面浸润速率测量的结果，并与Asleson等人相同的生物过滤系统4年前获得的结果进行比较（2009年）。 此外，从六个生物过滤系统中收集介质中心来得到OM和Cd，Cu和Zn浓度分布，同时进行分批吸附测试。 选这些金属的原因与它们在雨水中的性能有关，它们对人类和水生生物存在潜在毒性并且与之前生物过滤系统中金属收集研究中它们的应用有关。 据我们所知，这是第一个结合了全方位生物滤池的水力性能（即渗透）随时间的变化和还剩余的金属去除能力的确定的研究。 后者通过比较斜坡或“控制”核心部分介质的吸附等温线与滤池较低或活性浸没区的介质中金属浓度顺利进行。

表1 使用中的生物滤池过滤介质中金属变化性能的研究结果

位置 径流来源 剖面 OM（%） 使用时间 Cu Pb Zn 研究

康涅狄格州 屋面 覆盖物： — 0 4 3 17 Dietz and

0-5cm 2 52 12 42 Clausen

介质^a 1.6-1.9 0 17 54 68 (2006)

2 15 41 39

华盛顿 停车场 介质 — 3.5 59 580 180 Li and

哥伦比亚特区 0-10cm 4.5 30 50 120 Davis

2008^b

马里兰^c 停车场 介质 1.9-43^d 4 49plusmn;5 64plusmn;7 257plusmn;25 Jones and

0-2.5cm 4 43plusmn;5 59plusmn;13 230plusmn;32 Davis（2013）

a：未记录深度；

b：类似于Jones and Davis（2013）的研究；

c：从两个区域采集样品；

d：收集所有表面样品的范围。

1. 材料和方法

2.1 现场说明

在Minneapolis / St 保罗，明尼苏达州，美国大都市地区（表2）建立6个生物滤池。从2006年春季到秋季，Asleson等 （2009）在Minneapolis / St保罗，美国明尼苏达州，美国大都市等地区的八个生物滤池中使用修正的菲利普 - 邓恩（MPD）渗透仪进行表面渗透率测量。2010年秋季，实验收集了26个介质核心，并在其中三个站点（即UMN1，RWMWD4和RWMWD5）上重复了渗透测试。 此外，从位于明尼阿波利斯/圣彼得堡的另外三个生物滤池收集了13个介质核心。 保罗大都市区的实验（即UMN2，BURN和COT）用来研究过滤器使用时间范围和径流来源。在建造这些实验地点时，没有发生重大的维护活动（例如介质更换或表面扰动）。2006年，UMN1，RWMWD4，RWMWD5和BURN等过滤介质为砂土壤，而COT的过滤介质为砂。 在施工时，UMN2的过滤介质为沙壤土壤。

2.2 渗透试验

在UMN1，RWMWD4和RWMWD5的每个生物滤池内的6到14个位置进行表面渗透速率测定，使用改良的Philip-Dunne（MPD）渗透仪。以确定饱和水力电导率（K_sat）。 MPD渗透仪是一种下降头装置，其设计和用途在其他地方详细描述。因此，这里仅简要描述MPD测量。将MPD装置冲入生物滤池介质并充满水（T = 17-20℃）。随着时间的推移手动记录水位的变化。将每次测试之前和之后收集的介质样品带到实验室进行含水量和容量的测量（Klute，1986）。用Nestingen（2007）的描述将水位与时间数据以及体积含水量一起用于计算K_sat。选择MPD设备是因为它测量了典型的堵塞的表层中的K_sat值。

表2 本项实验中包含的生物滤池的通常描述

ID 位置 面积 实验年份 径流来源 测试和核心样品UMN1 明尼苏达大学， 圣保罗 67 2004 道路和停车场 14次渗透实验

校区（戈特纳大街） 16个核心样本

UMN2 明尼苏达大学， 圣保罗 93 2008 锡和橡胶屋顶 4个核心样本

校区（英联邦大学）

RWMWD4 拉姆齐华盛顿 29 2006 城市街道和屋顶 7次渗滤试验

地铁水路流域 5个核心样本

RWMWD5 拉姆齐华盛顿 59 2006 城市街道和屋顶 6次渗滤试验

地铁水路流域 5个核心样本

BURN Southwind Drive /芝加哥大街， 28 2004 街道径流（住宅） 2个核心样本

伯恩斯维尔，明尼苏达州

COT Cottage Grove，华盛顿县 70 2002 停车场 7个核心样本

2.3 生物过滤介质核心样本

从每个生物滤池收集2至16个核心（表2），以获得用于金属分析和批次金属吸附实验的过滤介质样品。使用塑料匙子收集表面的第一厘米。 然后使用装备有塑料垫里（内径为3.8cm）的ArtsMachine Shop土壤堆芯在整个生物滞留期间的0至15cm的均匀间隔深度收集核心介质。 在11个取芯位置，通过在去除顶部核心之后将土样插入相同的孔中，收集更深的核心（16-30cm）。 对于站点UMN1，RWMWD4和RWMWD5，在测试后立即在每个MPD测试附近收集核心。

从每个采样点的流入区附近的低点收集至少两个核心。 在雨水径流入渗最小量的地方从UMN1的盆地侧坡收集了两个额外的核心，期望实现最小的金属污染（即控制核心）。 所有核心都被带到实验室，并使用预先清洁的塑料刀将其分成2.5厘米的子样品。 然后将介质子样品在105℃的烘箱中干燥24小时，并使用2-mm尼龙网筛。 将干燥的介质样品在3.6℃的冰箱中储存，放在气密性塑料袋中，直到后续分析。

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