生物炭對生物滯留基質性能的影響與機理分析

張 軍，宋萌萌

(1.無錫環境科學與工程研究中心，江蘇無錫 214400；2.無錫城市職業技術學院，江蘇無錫 214153)

為考察生物炭添加后對設施水力傳導與主要污染物去除的影響，采用不同量生物炭進行添加，并引入短暫干燥期，對水力性能、主要污染物去除與累積處理過程進行監測與分析，為生物炭在生物滯留基質優化配置與推廣應用提供參考。

1 材料與方法

1.1 試驗材料

小麥秸稈作為常規的秸稈類廢棄物，原料充足，制成的生物炭對礦質元素有較好的持留性。將小麥秸稈在80 ℃下烘干8 h，取出冷卻研磨后，在650 ℃缺氧條件下高溫熱解2 h，待冷卻至室溫后研磨過50目篩。河沙粒徑為1～2 mm。所有材料使用前用去離子水洗凈，在105 ℃下烘干后備用。

圖1 裝置示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Device

1.2 試驗裝置

采用內徑為10.4 cm的圓柱，高度為50 cm，內部填充40 cm基質，采用10 cm淹沒出流。生物炭添加在基質下部時整體效果優于上部，且未發現生物炭混合式摻加與獨立式摻加存在顯著差異[9-10]，在減少污染物析出為主的同時，降低了基質干裂的影響。本試驗生物炭添加方式：裝置中下部(距底5 cm)采用獨立式(厚度約2 cm)，剩余的填充于裝置中上部(聚頂10 cm)采用混合式(圖1)。其中，M0:0%生物炭，M1:6%生物炭，M2：12%生物炭，M3：18%生物炭(V/V)，每組共設3個重復，共12個裝置。

1.3 試驗用水與進水

雨水徑流水質受諸多因素影響，結合無錫城區主要道路雨水徑流水質監測結果進行如下配置，試驗進水主要污染物濃度如表1所示。

表1 人工模擬徑流雨水水質Tab.1 Water Quality of Manual Simulated Rainfall Runoff

M0孔隙容量(pore volume)由差重法求得，近似等于1 L。為測得相對準確的滲透速率并取得足量水樣，結合《海綿城市建設技術指南》中生物滯留設施面積(一般占匯水面積的 5%～10%)，設施徑流控制量取70%，進水量取2 L/d(～2 L)隔天進水一次，最大約可應對36.3 mm場次的降雨量。運行前利用去離子水將填料充分淋洗并壓實，直到出水相對穩定以消除本底溶出污染。恒水頭控制進水，第1 d進水約耗時30 min，連續進水6 L后停止進水3 d，進水12 L后停止進水2 d，然后繼續進水直至進水達20 L。

1.4 分析測試與數據分析

2 結果與討論

2.1 水力特性

生物滯留可削減雨水徑流，水力性能的優劣影響著系統水文效應。飽和滲透速率是表征系統水力性能的基本參數。生物炭添加后，潔凈基質飽和滲透速率下降：M1為9.09%，M2為18.16%，M3為27.46%。生物炭比表面積大、堆積密度大、孔隙結構復雜，一定程度上限制了下滲水流的速度，同時也提高了HRT。如圖2所示，整個試驗過程中M0保持了最高的滲透速率，均速為51.6 cm/h，而M3均速僅為33.2 cm/h。通過單因素方差分析，M0與M2存在顯著差異(P<0.05)，表明系統生物炭添加量為12%時，系統飽和滲透速率顯著降低。進水6 L與12 L后，系統停止進水，M0、M1滲透速率明顯提高，這是因為基質干燥收縮，為下滲提供了新的通路，滲透速率出現回升；M2、M3干燥后滲透速率表現相對平緩，說明生物炭添加后，系統的持水性能較好，較好地抑制系統小裂隙與大孔隙的生成。生物炭改良基質較強的保水性可能與生物炭微小、復雜孔隙對水的毛細作用相關。隨著基質浸潤、膨脹，系統滲透速率又繼續下降，處理末期，填料堵塞，滲透速率迅速降低。通常生物滯留設施基質飽和滲透速率在10 cm/h以上，M3最先達到限值。

圖2 處理過程中不同基質飽和穩態下滲透速率的變化Fig.2 Change of Permeation Rate under Saturated Steady State by Different Matrix

2.2 主要污染物去除效果

圖的平均去除率Fig.3 Average Removal Rate of

圖的平均去除率Fig.4 Average Removal Rate of

2.2.3 TP

圖5 TP的平均去除率Fig.5 Average Removal Rate of TP

2.2.4 有機物

由圖6可知，隨著生物炭添加量的增加，COD平均削減率呈增加趨勢。其中，M0為58.31%，M1為64.37%，M2為68.55%，M3為75.5%。M0與M1存在顯著差異(P<0.05)，表明添加6%生物炭可顯著提高基質COD的去除效果。相關分析顯示，COD去除率與生物炭添加量顯著正相關(r=0.979)。添加生物炭越多，比表面積越大，可吸附污染物越多；此外，生物炭的持留作用延長了污染物處理時間，反硝化作用增強促進了COD的去除。M3出水CODCr平均濃度在40 mg/L以下。試驗表明，雨水徑流進水CODCr濃度在160 mg/L、生物炭添加量在18%時，經改良后基質處理后，出水COD滿足地下水回灌用水限值要求[18]，出水COD濃度同時也滿足地表水環境質量標準V類標準[19]。

圖6 COD的平均去除率Fig.6 Average Removal Rate of COD

2.3 主要污染物累積去除變化與機理分析

圖的累積去除變化Fig.7 Variation of Cumulative Removal of

圖的累積去除變化Fig.8 Variation of Cumulative Removal of

2.3.3 TP

砂中含部分鐵離子，砂基質在處理初期主要由沉淀、吸附去除磷。由圖9可知，處理初期M1、M2、M3比M0對磷的去除效果好，這是因為生物炭可通過陽離子橋鍵作用、吸附作用去除磷[11]。10 L后，出水TP濃度比均有所降低，表明處理中后期微生物除磷開始發揮作用。M0在6 L后遇3 d干燥期，部分基質可能出現干裂導致TP穿透，出水濃度比在8 L時有所增加。進水12 L經2 d干燥后，各基質出水TP變化不明顯，在好氧條件下系統通常吸磷，本試驗進水時間周期短，存在一定的局限性，后期還應繼續觀察作進一步研究。處理后期，M3在16 L時，出水TP升高，可能是生物膜脫落，磷過多釋放引起的。

圖9 TP的累積去除變化Fig.9 Variation of Cumulative Removal of TP

2.3.4 有機物

圖10 COD的累積去除變化Fig.10 Variation of Cumulative Removal of COD

3 結論

(1)生物炭改良后的基質，飽和滲透速率隨添加量的增加而下降：M1為9.09%、M2為18.16%、M3為27.46%。與M0相比，M2的飽和滲透速率顯著降低。生物炭良好的持水性有助于抑制短暫干燥期帶來的小裂隙與大孔隙。短暫干燥對M2、M3透水性能回升的影響不明顯。M3滲透能力下降最快，工作周期最短。