基于初期雨水徑流氮磷去除效果的生物滯留設施填料層研究

張 彤，馮 燕，何明智,2，古正剛，柏 茜

(1.昆明理工大學 建筑工程學院，云南 昆明 650504；2.昆明恒暢置業有限公司，云南 昆明 650100；3.云南交通運輸職業學院，云南 昆明 650503.)

0 引 言

生物滯留系統是海綿城市建設中必不可少的一種設施，不僅可以削減徑流，同時還可以改善雨水徑流水質、防止雨水徑流中的氮磷等污染物對江河湖泊的面源污染[1]。近年來, 很多針對生物滯留設施的實驗數據表明：生物滯留設施對于SS、COD、重金屬等污染物去除效果良好，但對于磷與氨氮去除效果不穩定[2-4]。同時根據《2017年中國環境狀況公報》檢測, 我國30.28%檢測湖泊 (水庫) 仍處于富營養化狀態[5]。因此提高生物滯留設施對氮磷污染物的去除率成了新的挑戰。

生物滯留設施中的填料層是過濾、凈化、吸附雨水中的污染物的主要場所，可根據當地具體情況綜合考慮來選擇填料，可在填料中添加改良劑，如黏土、金屬、有機質等提高填料吸附能力[6]。云南地區的土壤多為紅壤土，黏性較高，滲透系數較小，放置于生物滯留系統中易堵塞，為了解決云南地區生物滯留設施的滲透系數問題同時提升生物滯留設施對于氮磷的吸附能力，故在填料層中加入鋼渣與稻殼炭組合填料作為改良劑，并進一步探討紅壤土與鋼渣-稻殼炭組合填料的最佳添加量。

1 試驗材料與方法

1.1 試驗裝置

試驗中使用的生物滯留設施模擬裝置為有機玻璃材料制成的圓柱如圖1，高1 000 mm、直徑250 mm、壁厚5 mm。根據《昆明市海綿城市建設工程設計指南》[7]中對于生物滯留設施各層高度的規定，本試驗自上而下設計分別為蓄水層200 mm、種植層100 mm、填料層250 mm、砂層100 mm和礫石層300 mm，種植土層與填料層中間放置透水土工布，防止種植土被沖刷至下層。在裝置底層安裝直徑為25mm的排水管，并設置高為300 mm的上翻，形成厭氧區。

整套試驗裝置流程如圖2所示，試驗開始時，模擬昆明市初期徑流雨水，通過蠕動泵的提升作用分別進入到4個實驗柱中。經過4個實驗柱過濾后由底端排水管排出。

1.2 試驗材料

試驗用砂子、礫石購買自昆明某建材市場；鋼渣和稻殼炭分別購買自河南與上海某公司；土壤取自昆明理工大學農田，土壤類型為紅壤土。鋼渣、稻殼及紅壤土理化性質見表1、2、3。

圖1 生物滯留設施模擬裝置Fig.1 Bioretention facility simulation device

圖2 試驗流程圖Fig.2 Experimental process

表1 鋼渣的理化性質Tab.1 Physicochemical properties of steel slag

表2 稻殼炭的理化性質Tab.2 Physicochemical properties of rice husk carbon

表3 紅壤土相關性質Tab.3 Properties of red loam soil

1.3 實驗方法

1.3.1 填料層配比

目前國外許多地區都有關于生物滯留設施填料層配比的相關規范，例如：美國環保署(EPA)規定黏土含量在10%～25%之間；北卡羅來納州推薦使用85%～88%的砂、8%～12%的黏土和粉砂、3%～5%的有機質[4]。而我國目前還沒有針對填料層配比的相關規范。因此為挑選出符合云南當地情況的填料層最佳配比，綜合考慮生物滯留設施的氮磷的去除效果以及滲透系數，布置了4組實驗，具體配比如表4。

表4 4組實驗裝置的填料配比Tab.4 Filler ratios of four experimental devices

1.3.2 雨水配制與裝置運行

天然雨水成分不穩定、指標不易控制，故本實驗使用實驗室配水來進行徑流初期雨水模擬。根據昆明市初期雨水徑流水質[8]，本實驗進水總磷設定為：1 mg/L、氨氮為：5 mg/L，分別使用KH2PO4溶液和NH4Cl溶液來配置。每次配水前都將進水pH調為7。

實驗裝置組裝完畢后，正式實驗開始前一個月，取昆明理工大學校園池塘雨水對裝置進行微生物培養，每三天采集池塘水澆灌實驗柱，連續進行一個月。在第一次正式開始試驗前，使用自來水沖洗實驗裝置，目的在于沖洗掉裝置填料中原有的氮磷。當檢測到出水的磷與氨氮的濃度小于0.05 mg/L時，停止沖洗，開始正式試驗。試驗運行階段，采用間接運行的方式，每個實驗組別進水3 d為一個周期，共運行6個周期，每個周期最后一天進水進行試驗，每次進水前一小時內將試驗用水配好。根據《昆明市海綿城市建設技術導則》[8]要求，到2030年對于年徑流控制率目標需達到82%，同時當年徑流率為82%時對應昆明市的降雨量為23.2 mm，故本試驗每次進水選取23.2 mm作為降雨強度。又根據《昆明市海綿城市建設工程設計指南》[7]中的規定，本次試驗選取生物滯留設施占匯水面積的7%，徑流系數選取0.9，每次匯入生物滯留裝置的水量Q=匯水面積×23.2 mm×徑流系數≈14 L。故試驗每周期每次進水14 L，進水時間2 h，每次進水結束后采集出水水樣進行檢測分析。

1.3.3 檢測指標與方法

試驗檢測指標與方法見表5。

表5 試驗檢測指標與方法Tab.5 Test indicators and methods

2 試驗結果與分析

在試驗開始前的池塘水沖洗裝置階段，1號實驗柱發生堵塞。分析原因為填料層加入的10%的紅壤土加入量過大，在水流多次沖刷下板結，導致進水無法下滲。

2.1 TP的去除效果分析

由圖3可知，2號、3號、4號實驗裝置對于總磷的去除率分別為89.09%～100%、58.25%～90.22%、80.90%～91.30%。可以看出3號裝置的去除率波動較大，2號裝置和4號裝置的去除率相對穩定，也同時滿足《昆明市海綿城市建設技術導則》[8]中規定TP削減率的強制性指標。從出水中TP的濃度來看，3號裝置出水中TP的濃度在其中五個周期都高于2號裝置與4號裝置，說明對比2號裝置與4號裝置來說，3號裝置去除TP的能力較差。同時，2號裝置與4號裝置出水中TP的濃度均低于0.2 mL/L,滿足《地表水環境質量標準》中Ⅲ類水質的標準。由圖4三個裝置對TP的平均去除率可以看出，3號裝置平均去除率較低，說明其配比不適合作為生物滯留設施的最優配比。分析原因為：實際雨水徑流中磷的存在形式有溶解性磷與顆粒態磷兩種形式。其中顆粒態的磷主要通過生物滯留設施中的砂土截留過濾來去除。本試驗配置的磷溶液中只有溶解性磷，溶解性磷主要通過填料的吸附作用、聚磷菌好氧條件下過量攝磷來去除。但有研究表明聚磷菌在厭氧條件下會釋磷，導致聚磷菌去除磷的效果不穩定，而且組成微生物細胞體的磷會在微生物死亡后被迅速分解釋放回系統中，故聚磷菌對于磷的去除貢獻較小，主要還是依靠填料的吸附、沉淀和離子交換等作用來去除。本試驗在填料層中加入了鋼渣與稻殼炭的組合填料，其中鋼渣中富含鈣鐵鋁等金屬氧化物能夠與磷酸根反應，并以Ca、Mg氧化物與磷形成磷的沉淀物來去除磷[9，10]；而稻殼炭是稻殼經過高溫炭化后形成的果殼類活性炭，稻殼經高溫炭化后其顆粒結構為整齊排列的網絡狀，由表2可知，稻殼炭有較大比表面積與孔容，由此推斷，稻殼炭具有良好的吸附性能。本試驗2號裝置的填料層中添加了17%的鋼渣與稻殼炭組合填料，是3種裝置中添加組合填料最多的，故2號裝置去除總磷的效果最好。

圖3 不同試驗組別對TP的去除效果Fig.3 Removal effect of TP in different experimental groups

圖4 不同試驗組別對TP的平均去除率Fig.4 Average removal rate of TP in different experimental groups

圖5 不同試驗組別對的去除效果Fig.5:Removal effect of by different experimental groups

圖6 不同試驗組別對的平均去除率Fig.6 Average removal rate of in different experimental groups

2.3 滲透系數的測定

土壤的滲透系數是土壤滲透性能的定量表征，可以直接反映出土壤排水與保水的能力[16]。生物滯留設施的滲透系數與徑流峰值削減能力、徑流污染物去除能力密切相關。由表6可知，4號裝置的滲透系數低于2號、3號，三組實驗設置隨著時間周期的增加都呈現出滲透系數不斷減小最后趨于穩定的趨勢。分析原因主要是由于三組實驗裝置中都添加了紅壤土，馬琳[17]等人研究表明：紅土中游離氧化鐵含量影響紅土的微觀結構特征。 紅土中的游離氧化鐵含量越多, 鐵膜形成也增多, 使得紅土結構趨于致密, 土中的較大孔隙逐漸減少，揭示了游離氧化鐵是促使紅土產生膠結作用、滲透系數減小的根本原因。同時，生物滯留系統中的沉積物在大負荷水力沖刷下，也能造成生物滯留系統的滲透系數減小；李紅珍[18]設置了低、中、高三種降雨強度的滲透性能試驗，結果表明：高降雨強度條件下系統的滲透性能降低速度加快，并且降雨強度越高滲透系數降低得越多。另一方面，干濕交替的狀態對于生物滯留系統也有一定影響，濕潤期的滲透系數會下降，干燥期又會恢復，但總體來說滲透性能是下降的[19]。由4號裝置的滲透系數明顯小于2號、3號裝置的滲透系數可以看出紅壤土的添加量直接影響了生物滯留設施的滲透系數，且紅壤土添加量越大滲透系數越小。我國對于滲透系數的相關規定為：用滲濾技術處理雨水回灌地下水時，滲透系數一般不小于10-6m/s，當用滲濾技術處理雨水回用時，滲透系數不小于10-5m/s[20]。由此標準來看，三組實驗裝置都符合滲透系數的規定。

表6 不同組別實驗裝置的滲透系數 m/s

2.4 出水pH的檢測

表7 不同實驗組別的出水pHTab.7 Effluent pH of different experimental groups

3 結 論

本研究使用了云南本地常見的紅壤土以及鋼渣-稻殼炭組合填料對生物滯留設置的填料層進行改良。在設置的四組實驗裝置中，4號去除氨氮和磷的效果穩定，出水濃度滿足《昆明市海綿城市建設工程設計指南》[7]中對于水質要求達到《地表水環境質量標準》中Ⅳ～Ⅴ類水質的強制性指標，并且滲透系數，出水pH也都符合相關設計要求。綜合考慮以上4種因素，選取4號裝置沙礫85%：紅壤土5%：鋼渣-稻殼炭組合填料10%作為云南省本地改良型生物滯留設施填料層的最優比例。此比例的生物滯留裝置改善了傳統生物滯留裝置去除磷與氨氮不穩定的問題，同時也解決了云南省本地紅壤土滲透系數過小的問題。本試驗添加的鋼渣-稻殼炭組合填料對于生物滯留設施去除初期徑流雨水中的磷和氨氮的去除有提升作用，但鋼渣-稻殼炭組合填料在其他沒有紅壤土地區生物滯留設施中的添加量還需進一步研究。

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