检查磷问题:数据告诉我们如何减少雨水中的磷

为什么磷很重要

磷是一种天然存在的元素，是所有生物健康所必需的营养物质。在水生环境中，单质磷很少单独存在;它通常以化合物的形式存在。它可以是无机和有机形式，可以附着在颗粒物质上或以溶解形式存在。更复杂的是，当磷与雨水径流中的其他化合物和变量(如溶解氧)发生反应时，它可以在溶解和附着在水流中的颗粒物质之间转换形式。

磷通常也是淡水中生物的限制性营养物质，可能是富营养化和有害藻华(HAB)的主要原因(图1)。美国环境保护署将HAB确定为所有50个州的主要环境问题。富营养化发生时，水生环境变得丰富的营养，促进植物和藻类的生长。过量的藻类和植物物质最终会分解，将氧气减少到可以杀死鱼类和海草的水平，并减少必要的栖息地，经常导致大规模死亡事件。这种生长也限制了光的穿透，这阻碍了生态有益植物的发展。

磷的化学形态(也称为物种形成)显著影响着磷的存在对水体的影响。例如，与基于微粒的磷相比，溶解的磷更容易被藻类获取，这使得溶解的磷浓度与富营养化和有害藻华更直接相关。

图1:富营养化

了解磷化学

城市径流中磷的来源包括堆肥、粪便、植物和落叶、土壤颗粒、宠物废物、道路盐、肥料和大气颗粒沉积。草坪和道路的负荷最大。

在雨水径流中，磷通常通过总磷(TP)、总溶解磷(TDP)和正磷酸盐(OP)来测量。TP包括颗粒结合磷和溶解磷。由于小颗粒的高正电荷和大表面积，颗粒结合磷通常附着在小的淤泥和粘土颗粒上。TDP用粒度表示，在雨水化学中，溶解相通过0.45微米的过滤器将样品分离。OP是无机磷的最简单形式，可立即被藻类和水生植物吸收。OP通常是用比色法测量的。

研究正在进行中，但目前的研究表明，TP与TDP的比例在20%到90%之间。范围之广主要是由于水源控制、土地利用、季节性和流域内取样地点。这些变量也会影响TDP的OP分数。

鉴于我们知道磷存在于不同的物种中，处理磷的成功取决于哪些形式是被调节的、存在的和被分析的。

为什么磷很难治疗?

先前讨论的磷的形态使得从城市径流中去除磷具有挑战性。

溶解磷比微粒结合磷更难去除，因为它依赖于不同的处理机制。重力分离和过滤可以物理去除颗粒结合的磷;然而，溶解形式需要化学去除过程，如吸附或沉淀。

此外，虽然磷负荷的一部分可能与颗粒结合，但它可能不会保持这种方式，因为它可以分解成溶解相。例如，在树叶分解的过程中，附着在有机化合物上的磷可以转化为溶解的磷。这种现象可以在春天和秋天观察到，当花和其他植物死亡和分解。它可以解释为什么季节性会影响总磷与总磷的比例，以及为什么水体中的藻类在某些季节更频繁地繁殖。

要达到大多数TP去除目标，通常需要同时处理颗粒结合态和溶解态的磷，并保留任何可能解离到溶解态的捕获的颗粒磷。标准的雨水处理措施充分地从城市径流中去除微粒结合的磷。然而，去除和保留溶解的磷更复杂，需要专门的处理。

总除磷指标

许多州监管机构已经建立了除磷目标(图2)。大多数这些机构将其除磷目标构建为总磷去除率的百分比，这强调了了解总磷溶解分数的重要性。

图2:状态除磷目标示例

地理位置对一个州的除磷目标有重大影响。例如，明尼苏达州比亚利桑那州有更多的淡水水体，因此有更严格的清除目标。土地利用也很关键。农业径流对高磷水平有很大贡献，但其管理方式与城市地区不同。农业和农村土地使用重叠的州可能必须在各个机构之间进行协调，以实现除磷目标。

磷也是《清洁水法》第303(d)条所关注的污染物。在总最大日负荷(TMDL)类别中，它在营养类别中处于领先地位，有超过4,000个水体被列为TP受损。

磷也是流动的，大型多态流域下游的磷浓度较高。这可能导致永久性的低溶解氧区域——也被称为死区——并导致了大型区域性方法的发展，比如覆盖6个州的切萨皮克湾TMDL。最后，一些州，如弗吉尼亚州，已经建立了养分信用交易来控制雨水中的磷含量。

除磷机理

磷通常是通过过滤或生物滞留/生物过滤从雨水中去除的。

过滤

根据所使用的介质类型，除磷的过滤过程可分为两组:1)物理/惰性介质过滤和2)活性/吸附介质过滤。

在物理/惰性介质过滤中，使用物理屏障将颗粒结合的磷从悬浮液中筛选出来。例如水平床过滤器、砂过滤器、散装滤筒过滤器和膜过滤器(图3)。然而，没有去除溶解磷的机制。

图3:膜过滤系统示例

活性/吸附介质过滤提供了与惰性过滤相同的物理过程，并添加了被动化学过程，通过吸附、离子交换或表面沉淀去除溶解的磷。这种处理利用活性炭、生物炭、活性氧化铝或铁等材料(图4)。

图4:使用介质过滤的雨水过滤系统示例

Bioretention /生物过滤

生物滞留一直是低影响开发(LID)的主要形式，用于减缓、处理、保留和渗透雨水径流，模拟一个地点的自然、开发前的水文。

生物滞留系统利用植被和工程土壤来捕获和过滤雨水径流，有助于吸收污染物和减少径流量。当径流通过生物滞留介质渗透时，沉积物和污染物经历物理(如过滤)、生物(如植物吸收、微生物反硝化)和物理化学(如通过吸附去除溶解的磷)过程。其他使用这一过程的系统包括雨水花园、植被过滤器、生物威尔士、生物过滤器和树箱过滤器。

养分浸出

虽然生物滞留/生物过滤可以有效地去除磷，但也有可能导致营养物浸出。当通常含有堆肥的生物滞留介质分解并将磷释放到下游接收水域时，就会发生养分浸出。

华盛顿的研究记录了使用该州标准的60/40砂/堆肥混合物用于生物保留系统的装置释放的磷和铜。这个问题导致华盛顿生态部门发布了一份指导文件，其中包含一套新的生物保留介质规格，具体取决于它们与磷敏感接收水的接近程度(图5)。修订后的规格要求去除/限制允许的堆肥数量，并用椰子纤维(椰子纤维)、生物炭(木灰)和其他修正案代替。该规范还要求抛光层含有活性介质，包括氧化铝和铁骨料。虽然有效，但这些介质混合物可能难以获得并在一致的基础上正确安装。为了确保这些系统按设计运行，可能需要对介质组件进行验证和毒性测试，这进一步增加了这些系统的成本和复杂性。

图5:经批准的用于生物滞留径流处理的高性能生物滞留土壤混合物(HPBSM):“使用新型高性能生物滞留土壤混合物的指南”。(华盛顿州生态部门)

除磷性能数据

国际雨水BMP数据库(BMP数据库)4是BMP现场研究和相关网络工具、性能摘要和监测指南的存储库。该项目由水研究基金会管理，目的是提供现场监测数据，以改进城市雨水bmp的设计、选择和性能。

BMP数据库中包含的大多数制造处理系统数据来自华盛顿州的技术评估协议-生态学(TAPE)计划，这是通过对全尺寸系统的现场监测来评估处理设备的最广泛认可的计划。该协议要求对众多风暴事件进行评估，并为去除雨水污染物制定严格的标准。完成协议的系统由国家批准，并可指定以满足减少污染的目标。数十个州和地方司法管辖区也承认磁带验证程序，并将对符合磁带标准的设备进行批准。

BMP数据库的最新汇总统计报告于2020年发布，其中包括新的BMP类别，包括高速生物过滤和高速介质过滤。

沉淀物/总悬浮固体去除(TSS)

图6所示的箱形图显示了经不同bmp处理的雨水进水和出水TSS浓度的差异。左边以绿色突出显示的是传统绿色基础设施的结果，如草沟(BS)、草带(BI)和生物保留区(BR)。右侧突出显示的是高速率生物过滤(HRBF)和高速率培养基过滤(HRMF)结果。结果表明，这些方法在去除总悬浮物方面做得很好，出水浓度较低。

图6。进水/出水TSS (mg/L)箱形图。(资料来源:国际暴雨BMP数据库，2020年汇总统计)

总除磷量(TP)

TP删除的数据讲述了一个非常不同的故事。图7所示的传统绿色基础设施，如草沟(BS)、草条(BI)和生物滞留(BR)，都显示出磷的输出，如较高的流出结果所示。这意味着这些系统很可能从介质中输出磷，或者颗粒磷从TSS中解吸并向下游传递。无论哪种方式，这都是令人不安的，因为雨水bmp的实施是为了从雨水中去除污染物，而不是将它们用于接收水。

图7:进水/出水总磷(mg/L)的箱形图。(资料来源:国际暴雨BMP数据库，2020年汇总统计)

高速率生物过滤(HRBF)和高速率介质过滤(HRMF)的结果有很大的不同。两种系统都能去除总磷，出水水平明显降低。

正磷酸盐去除(OP)

图7表明，传统的绿色基础设施显示出大量的有机磷出口，如较高的排放水平所示。高速率介质过滤的数据表明，虽然没有显著去除OP，但也没有捕获磷的输出。在发表时，没有足够的数据来满足高速率生物过滤的汇总统计要求。

图8:进水/出水OP (mg/L)的箱形图。(资料来源:国际暴雨BMP数据库，2020年汇总统计)

那么维护呢?

时机

每个雨水BMP都需要维护以确保系统按设计功能运行，维护的时间会影响年累积减载量。例如，Janke等人和明尼苏达大学的研究(图9)表明，在秋季，树冠覆盖和相应的落叶对进水总磷浓度起着重要作用，雨水中的磷随着城市树冠比例的增加而增加。这表明，将BMP维护时间定在深秋，以便在落叶腐烂之前捕获落叶可能是最佳做法。同样，冰盖和除冰器可以减少寒冷气候下的可用氧气，并增加融雪和春季径流中溶解的磷的数量。因此，维护时间也可能最好在春季融雪之后，以帮助达到理想的除磷效果。

维护类型

所进行的维护类型也起着减少磷的作用。例如，在对高速率有源介质过滤系统进行维护时，通常会更换整个过滤单元，从而永久地清除废物流中捕获的污染物。膜过滤也可以从废物流中永久去除磷，但这取决于过滤筒冲洗和更换的程度和频率。

雨水花园等生物系统、传统生物滞留和高速率生物滞留系统依靠微生物转化和生物同化来去除废物流中的溶解磷。许多这些系统也利用地膜作为预处理机制。当地膜在维护过程中被移除和更换时，大量的沉积物和微粒结合的磷可以从废物流中永久地去除。

图9:雨水P (mg/L)和街道上的树冠。

沙子过滤器、草条和洼地等bmp的维护更具挑战性，因为它涉及到磷的去除。例如，砂过滤器只能去除颗粒结合的磷，如果上层的砂被移除和替换;而且没有生物去除过程来处理溶解的磷。因此，一些人转向改进砂过滤器，加入铁屑等添加剂，以提高除磷能力。为了获得长期性能，必须去除和更换废铁添加剂，这通常需要去除整个砂滤介质，这可能是不可行的。

结论

雨水中过量磷的影响会导致藻类和其他水生植物的生长加快，导致藻类大量繁殖和溶解氧水平下降，这可能对人类、动物和生态健康有害。然而，磷很难从雨水中去除，因为它以颗粒结合和溶解的形式存在。

研究表明，传统的生物滞留做法可能会向下游输送磷，并加剧它们本应解决的问题。来自高速率介质过滤器和高速率生物过滤系统的数据表明，去除总磷没有这种浸出效应。为了达到或超过除磷目标，并从废物流中去除磷，指定工程介质混合物，如高速介质过滤或高速生物过滤，可能比传统做法(如传统生物保留或砂过滤器)提供更好的解决方案。

来源

•https://www.epa.gov/nutrientpollution/harmful-algal-blooms

•https://apps.ecology.wa.gov/publications/documents/1310017.pdf

•https://apps.ecology.wa.gov/publications/documents/2110023.pdf

•https://bmpdatabase.org/

•https://ecology.wa.gov/Regulations-Permits/Guidance-technical-assistance/Stormwater-permittee-guidance-resources/Emerging-stormwater-treatment-technologies

作者

体育运动员耶利米·雷曼和克雷格·费尔博