《Journal of Environmental Management》：A study on the hydraulic and pollutant removal performance of bioretention systems using plants and oyster shells
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生物滯留系統(tǒng)通過植物、填充料和微生物協(xié)同作用處理城市雨水徑流污染。本研究選用耐旱澇蜘蛛植物（Chlorophytum comosum 'Green'）和牡蠣殼填充料，構(gòu)建含20%牡蠣殼的改良系統(tǒng)，連續(xù)運(yùn)行197天。結(jié)果表明：牡蠣殼系統(tǒng)滲透系數(shù)提高，污染物去除率顯著（氨氮、硝酸鹽、總氮去除率均超90%，COD去除率優(yōu)于傳統(tǒng)系統(tǒng)），植物生物量與氮去除效率呈正相關(guān)。協(xié)同效應(yīng)促進(jìn)Nitrospira等關(guān)鍵微生物增殖，提升氮磷轉(zhuǎn)化效率。
羅月|傅騰飛|董彥格|孫曉曉|韓洋洋|劉春靜|謝文霞
青島大學(xué)環(huán)境與地理學(xué)院，中國青島，266071
摘要
由于植物、填料和微生物的協(xié)同作用，生物滯留系統(tǒng)常用于城市雨水徑流處理。傳統(tǒng)的生物滯留系統(tǒng)往往面臨對植物要求嚴(yán)格和介質(zhì)失效的風(fēng)險。因此，本研究選擇了耐旱和耐洪的Chlorophytum comosum ‘Green’（蜘蛛植物）和多孔牡蠣殼填料來建立改良的生物滯留系統(tǒng)。這些系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行了197天，以研究它們在不同污染物負(fù)荷下的綜合性能。結(jié)果表明，含有20%牡蠣殼顆粒的C. comosum-牡蠣殼系統(tǒng)的滲透系數(shù)和滯留率顯著高于沒有植物或牡蠣殼的系統(tǒng)（p < 0.05）。在低負(fù)荷進(jìn)水階段，該系統(tǒng)對氨氮（NH4+-N）、硝酸鹽氮（NO3?-N）和總氮（TN）的去除率超過90%。此外，在所有進(jìn)水負(fù)荷條件下，其化學(xué)需氧量（COD）去除性能均優(yōu)于傳統(tǒng)生物滯留系統(tǒng)。觀察到C. comosum的總生物量與系統(tǒng)的氮去除效率之間存在顯著的正相關(guān)關(guān)系（p < 0.05）。植物和牡蠣殼的協(xié)同作用顯著增加了參與氮和磷轉(zhuǎn)化的功能性微生物群落的相對豐度，包括Nitrospira、Thauera和Bacillus。總體而言，C. comosum和牡蠣殼填料的聯(lián)合應(yīng)用可以同時提高生物滯留系統(tǒng)的水力特性和污染物去除性能，為城市徑流污染控制和可持續(xù)水資源管理提供了新的見解。
引言
快速的城市化進(jìn)程加劇了城市洪水和徑流污染的雙重挑戰(zhàn)（Leng等人，2020年）。相關(guān)研究表明，超過50%的地表水氮污染來自雨水徑流（Gao等人，2019年）。作為一種可持續(xù)的雨水管理技術(shù)，生物滯留系統(tǒng)可以模擬特定地區(qū)的自然土壤系統(tǒng)，有助于水文控制和水質(zhì)改善（Shah等人，2024年）。
典型的生物滯留系統(tǒng)從上到下依次由植物、表面積水層、種植土層、透水填料層和排水層組成（Roy-Poirier等人，2010年）。填料介質(zhì)的表面特性和孔結(jié)構(gòu)是直接影響污染物去除效率和水力性能的關(guān)鍵因素（Chen等人，2024年；Kandra等人，2014年）。目前，傳統(tǒng)生物滯留系統(tǒng)中的填料主要由細(xì)粒土壤、沙子和有機(jī)物按特定體積比混合而成（Tirpak等人，2021年）。傳統(tǒng)填料能有效去除雨水徑流中的懸浮固體和顆粒污染物，但它們對氮和磷等污染物的去除效率仍然不穩(wěn)定（Kratky等人，2017年；Yang等人，2024年）。為了解決這個問題，人們逐漸在生物滯留系統(tǒng)中使用具有經(jīng)濟(jì)可行性的天然填料（如沸石）、改良填料（如生物炭）和工業(yè)副產(chǎn)品（如粉煤灰）來提高氮和磷的去除效果（Tran等人，2025年）。然而，這些填料的污染物吸附能力有限，再生困難，并且容易堵塞系統(tǒng)（Vogel等人，2021年；Zhang等人，2020年）。
牡蠣殼是一種可回收資源，具有多孔結(jié)構(gòu)和緩沖能力，可用作吸附劑和生物膜載體（Wu等人，2014年）。這些特性使它們適用于多種廢水處理系統(tǒng)配置（例如，填充床過濾器、 constructed wetlands），尤其是在沿海地區(qū)（Chen等人，2019a；Geng等人，2024年；Yang等人，2022年）。先前的研究表明，牡蠣殼可以從受污染的水體中去除氨氮（NH4+-N）、磷酸鹽和重金屬（Lin等人，2022年；Pap等人，2022年；Xu等人，2021年）。包含牡蠣殼層的生物滯留系統(tǒng)在處理徑流污染物時表現(xiàn)出穩(wěn)定的總磷（TP）去除效果，平均去除率高達(dá)96.48%（Wang，2019年）。Li等人（2022年）還報告稱，使用牡蠣殼填料可以有效提高總氮（TN）的去除效果。雖然這些研究主要關(guān)注牡蠣殼填料在污染物去除方面的性能，但植物在整個系統(tǒng)性能中的作用卻較少受到關(guān)注。
作為系統(tǒng)的頂層組成部分，植物對于驅(qū)動干濕循環(huán)、微生物群落結(jié)構(gòu)和土壤物理化學(xué)性質(zhì)的變化至關(guān)重要（Skorobogatov等人，2020年）。植物可以直接吸收雨水污染物，并通過改變微生物的組成和豐度來影響生物滯留系統(tǒng)中污染物的滲出濃度（Davis等人，2006年；Muerdter等人，2018年）。此外，植物還可能影響生物滯留系統(tǒng)的水力性能。植物根系形成的大孔和根通道可以增強(qiáng)填料介質(zhì)的滲透性，防止系統(tǒng)堵塞（Vijayaraghavan等人，2021年）。密集的植物根系促進(jìn)了填料介質(zhì)顆粒的均勻垂直分布，減少了它們隨水流的移動性，從而提高了整體水力性能（Chandrasena等人，2017年；Hua等人，2014年）。
然而，在生物滯留系統(tǒng)中維持植物的正常生長也面臨相當(dāng)大的挑戰(zhàn)。所使用的植物物種必須能夠適應(yīng)干旱和周期性積水之間的變化，以及系統(tǒng)內(nèi)積累的污染物（Hanslin等人，2017年）。目前，Canan indica L.（印度射葉）和Iris spp.是生物滯留系統(tǒng)中的主要選擇，因?yàn)樗鼈兙哂袕V泛的根系和耐淹性（Ding等人，2023年；Gong等人，2019年）。然而，它們對氣候和土壤條件有嚴(yán)格的要求（Liu等人，2019年）。C. comosum適應(yīng)不同氣候的能力很強(qiáng)，耐旱和耐淹（Chatara等人，2023年）。除了能顯著減少空氣中的揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOCs）、甲醛和多環(huán)芳烴（PAHs）等有毒氣體（Hubai等人，2023年；Qiao等人，2023年；Siswanto等人，2020年）外，它還可以有效去除水體中的污染物。Pan等人（2021年）報告稱，使用水培C. comosum基生態(tài)浮床可以增強(qiáng)化學(xué)需氧量（COD）的去除效果，與無植物對照組相比，去除率提高了23%，最高去除率達(dá)到75%。包含C. comosum的多單元綠墻系統(tǒng)在黑水處理過程中表現(xiàn)出旺盛的生長，平均NH4+-N去除率高達(dá)98%（Wang等人，2024b）。Pivetta等人（2023年）證實(shí)，種植C. comosum的傳統(tǒng)生物滯留系統(tǒng)能有效去除硝酸鹽氮（NO3?-N）和正磷酸鹽（PO43--P），平均去除率分別為93%和97%。然而，本研究缺乏對植物在改良填料介質(zhì)中生長適應(yīng)性的評估。
基于這些原因，本研究選擇了C. comosum ‘Green’和牡蠣殼作為生物滯留系統(tǒng)的植物和填料。具體目標(biāo)是：（i）觀察C. comosum在含有粉碎牡蠣殼填料的生物滯留系統(tǒng)中的生長情況；（ii）分析C. comosum-牡蠣殼系統(tǒng)的水力特性和污染物去除性能；（iii）探討這種改良生物滯留系統(tǒng)中有效去除污染物的機(jī)制。
系統(tǒng)設(shè)置
生物滯留系統(tǒng)中的土壤介質(zhì)通常由40%-50%的壤土和50%-60%的河沙組成，這種體積比范圍能夠保持最佳滲透性（Liu等人，2014a）。在本研究中，不含牡蠣殼的系統(tǒng)使用了4.5:5.5的壤土與河沙體積比。先前的研究表明，20%的牡蠣殼比例是替代沙子的臨界值（Kuo等人，2013年；Yoon等人，2003年）。基于對填料比例的初步篩選，這
系統(tǒng)運(yùn)行期間的植物生長
經(jīng)過一段時間的穩(wěn)定運(yùn)行后，圖2顯示了B2-B4生物滯留系統(tǒng)中C. comosum的生長狀況。在整個實(shí)驗(yàn)過程中，B4系統(tǒng)的葉片數(shù)量始終高于B3系統(tǒng)。相比之下，植物高度方面B3 > B4（圖2a）。從第59天到第187天，B3和B4系統(tǒng)的平均葉片長度分別從19.40 ± 0.97厘米增加到44.30 ± 1.22厘米，從16.20 ± 0.81厘米增加到32.50 ± 1.25厘米，呈現(xiàn)出一致的趨勢
植被種植對改良生物滯留系統(tǒng)水力性能的影響
植物對生物滯留系統(tǒng)滲透性能的影響取決于所使用的填料類型（Hua等人，2014年）。在本研究中，B2系統(tǒng)的平均滲透系數(shù)明顯低于也種植了C. comosum的B3系統(tǒng)（圖3a）。與B2系統(tǒng)中使用的河沙和壤土相比，添加到B3系統(tǒng)的顆粒狀和層狀牡蠣殼填料可以形成連續(xù)連接的孔結(jié)構(gòu)，從而提高滲透性（Liu等人，
結(jié)論
基于以粉碎牡蠣殼為填料介質(zhì)的改良生物滯留系統(tǒng)，本研究探討了植物對水力特性和污染物去除性能的影響。主要結(jié)論如下：
(1)牡蠣殼填料促進(jìn)了植物的生長。在添加了20%牡蠣殼顆粒的B3系統(tǒng)中，C. comosum在高度、平均葉片長度和總生物量方面表現(xiàn)出優(yōu)于其他系統(tǒng)的性能。
(2)C. comosum和
CRediT作者貢獻(xiàn)聲明
羅月：撰寫——原始草稿，可視化，正式分析，數(shù)據(jù)管理。傅騰飛：撰寫——審閱與編輯，監(jiān)督，概念化。董彥格：驗(yàn)證，調(diào)查。孫曉曉：調(diào)查。韓洋洋：調(diào)查。劉春靜：撰寫——原始草稿，方法論，調(diào)查，正式分析。謝文霞：撰寫——審閱與編輯，監(jiān)督，項(xiàng)目管理，方法論，資金獲取，概念化。
利益沖突聲明
作者聲明他們沒有已知的可能會影響本文所述工作的財務(wù)利益或個人關(guān)系。
致謝
本研究得到了中國國家重點(diǎn)研發(fā)計劃（編號2022YFC3104202）、海水入侵與土壤鹽堿化觀測與研究站的開放研究基金（萊州灣，自然資源部，編號2025LZORS003）以及中國山東省的關(guān)鍵研發(fā)計劃（編號2023TZXD048）的支持。
