夏季不同降雨間隔對生物滯留池脫氮效果研究

鄭 楊,潘欣悅,謝 澤,解雨薇,陳欣怡,何嘉懿

(1.河海大學淺水湖泊綜合治理與資源開發教育部重點實驗室,江蘇 南京 210098;2.長江保護與綠色發展研究院,江蘇 南京 210098；3.河海大學環境學院,江蘇 南京 210098）

0 引言

城市化進程直接導致城市內不透水面積增加，綠地面積減少，不僅造成地表徑流增多，峰值量上升，水流侵蝕更加嚴重，也降低了徑流中污染物的截留率，導致城市區域水質污染嚴重，水生動植物棲息地被破壞。對此，提出了“海綿城市”這一新的理念，并引入了一系列低影響開發技術（LID）。“海綿城市”包含了多種不同形式的設施，主要有生物滯留池、暴雨濕地、滲井、滲透塘、透水鋪裝和調節塘等。其中，生物滯留池也叫生物過濾系統或雨水花園，能有效緩解城市化帶來的排水問題，減緩暴雨徑流的洪峰流量，同時也能有效處理暴雨初期沖刷并減少城市水環境中的常見污染物，包括營養物質N，P[1]，油脂[2]，大腸桿菌[3-4]，烴類[5]，TSS[6]，重金屬[7]和高熱值垃圾等。

我國“海綿城市”建設起步較晚，技術研究薄弱，生物滯留技術尚不成熟，有待后續研究的補充完善[8]。目前針對生物滯留池的去污機理和具體應用效果的研究較多[9]。其中，滯留池除氮能力是關注較多的一個熱點，滯留池中的NH3-N 去除主要依靠填料基質吸附、硝化反應以及土壤內負電荷吸附；硝態氮去除主要依靠反硝化反應，所需的2 個主要條件分別為缺氧環境和充足的碳源，另外硝態氮帶負電荷，土壤對其吸附能力很差，很容易隨出水裝置排出；TN 的去除是氨化、硝化、反硝化反應等反應的共同作用[10]。目前，研究主要關注降雨期間生物滯留池在保持濕潤的情況下的脫氮效率，而對于降雨干旱相間的情況很少關注。

本文探求不同降雨間隔對3 種不同類型生物滯留池脫氮效果影響的差異，構建了傳統直排型以及在傳統裝置基礎上分別增設淹沒區型和儲水內柱型3 種生物滯留裝置，其中儲水內柱中的水可持續向基質滲水1 周以上。針對3 種生物滯留裝置，監測其在不同降雨間隔時間條件下脫氮能力，探求改變干旱時間長短產生的影響，揭示干旱期儲水內柱持續供水保持基質濕潤對脫氮的作用效果，從而為生物滯留設施的合理設計提供科學依據，推進“海綿城市”的發展。

1 材料與方法

1.1 實驗裝置設計

試驗在3 個相同大小的生物滯留裝置中進行，裝置采用內直徑50 cm 的透明有機玻璃管制成，總高1 m。傳統直排型生物滯留裝置構造示意（下文簡稱裝置A）見圖1。由圖1（a）可以看出，出水口在裝置底部，降雨后雨水可以排空，干旱期裝置內部沒有儲水；淹沒區型生物滯留裝置（下文簡稱裝置B）在底部設有淹沒高度，出水口比裝置底部高15 cm，使得降雨間隔期間裝置內還會保持一定高度的水位；由圖1（b）可以看出，儲水內柱型生物滯留裝置（下文簡稱裝置C）內部在傳統裝置A 的基礎上設有爪型內柱，爪型內柱高41 cm，每個爪底部間隔2 cm打1 個出水孔，柱內填礫石和粉砂，柱內基質總高度為15 cm，設計能保證內柱中的水可向介質滲水維持至少1 周，使得干旱期裝置內介質仍可以保持濕潤，此內柱放置在砂層內。

圖1 滯留池裝置構造示意

在3 個裝置正面留有一條寬10 cm 的透明觀察窗，可觀察填料層中合成雨水下滲情況，其余部位貼上黑色不透光膠布。裝置底部有1 根穿孔排水管，保證生物滯留裝置順利排水。裝置頂部有1 根溢流管，防止雨水量過大未能及時下滲。每個裝置的2 側分別設有6 個取泥口和6 個取水口，取泥口和取水口的位置一一對應，高度相等，裝置內填料從下至上分別是礫石層（大礫石層，小礫石層）、砂層、砂壤土層。

1.2 試驗方法

考慮到夏季降雨強度相對較大，且降雨頻率高，降雨和不降雨的天氣交替發生。試驗每次配水量取36 L，水力負荷為24 L/h，降雨時長取1.5 h，設計降雨間隔天數分別是1,4 和7 d 來模擬夏季降雨，考察不同降雨間隔對生物滯留池脫氮性能的影響。3 種生物滯留裝置同時開始進水模擬降雨，每間隔20 min 采樣1 次直至雨水全部排出裝置，最后分析整個過程水質情況。根據北京地區道路徑流污染物濃度平均值[11-12]配置污水濃度，同時參照長三角地區街道雨水徑流實測情況，調整合成雨水水質：ρ（NH3-N）為2.4 mg/L；ρ（硝態氮）為2 mg/L；ρ（TN）為5.8 mg/L；pH 值約為7。實驗地點位于生態大棚內，以避免雨水對配置的試驗產生影響。

主要分析指標：TN，硝態氮，NH3-N。

主要儀器：LDZX-50KBS 立式壓力蒸汽滅菌器；Hach 紫外分光光度計DR5000；Hach 可見分光光度計DR2800；DHG-9070A 型電熱恒溫鼓風干燥箱。

2 結果與討論

2.1 不同降雨間隔對除氮效果的影響

3 種裝置在不同降雨間隔下各形態氮的去除率變化見圖2。由圖2可以看出，整體而言硝態氮的去除率變化幅度大于TN 和NH3-N 的去除率變化幅度，隨著降雨間隔的延長，污染物去除效率均有所下降，污染物去除率的波動也隨之變大。

圖2 3 種裝置在不同降雨間隔下各形態氮的去除率變化

NH3-N 在降雨間隔1 和4 d 時，處理效率變化波動均不大，其中裝置A、裝置C 的硝態氮平均去除率和裝置B 的NH3-N 平均去除率受到降雨間隔的影響最大，下降幅度超過30%；裝置A 的硝態氮平均去除率從間隔1 d 的70.90%到間隔7 d 的38.61%下降32.29%，所受影響最大；此外裝置A 和裝置C 的NH3-N 平均去除率下降幅度也大于20%。

綜合分析不同降雨間隔條件下的結果，降雨間隔時間的延長使得各裝置除氮效率均有所下降；降雨間隔時間對硝態氮去除效率的影響＞對NH3-N 去除效率的影響＞對TN 去除效率的影響。

2.2 不同裝置類型對除氮效果的影響

2.2.1 短降雨間隔下各裝置對除氮效果的影響

降雨間隔1 d 時各裝置中各形態氮的濃度變化見圖3。針對短降雨間隔情況，裝置A 中的主要反應是NH3-N 轉化為硝態氮，使得NH3-N 濃度始終保持較低，硝態氮濃度隨著硝化反應轉化產物的積累不斷升高，因后期雨水未能及時排出，故能發生一些反硝化反應，但由于直排結構使得裝置內雨水很快排出，故硝態氮和TN 去除效率較低。

圖3 降雨間隔1 d 時各裝置中各形態氮的濃度變化

裝置B 中NH3-N 出水質量濃度一直處于波動中，初始為0.37 mg/L，30 min 內上升至0.55 mg/L，隨后又緩慢下降至最低點0.43 mg/L，最后回升至0.55 mg/L，平均去除率為81.98%，變化幅度很小，NH3-N 去除效率低于其他2 個裝置。硝態氮的初始出水質量濃度很低，100 min 后平緩上升至0.63 mg/L，后期平穩在0.6 mg/L 波動，淹沒區的存在使得反硝化反應逐漸與硝化反應達到平衡，出現中期濃度緩緩升高至后期平衡，裝置B 對硝態氮的去除效果最好。

裝置C 中NH3-N 出水濃度總體上呈逐漸下降趨勢，該趨勢與傳統直排型滯留裝置A 相似，但整體更穩定，平均去除率為90.17%，是3 種裝置中去除率最高的，可推出內柱滲水使土壤保持濕潤更利于去除NH3-N。裝置C 硝態氮質量濃度在3 h 后升高至最高點1.21 mg/L，裝置C 硝態氮質量濃度的最高點大于裝置B，隨后又很快下降并穩定在0.4 mg/L，可知裝置C 在降雨中期快速的轉變是以反硝化反應為主導，又由于短降雨間隔且單次降雨時間長，使得裝置C 對硝態氮的去除效果優于裝置B。裝置C 對TN 處理效果與裝置B 較為接近，均優于直排型裝置A。

由圖3（a）可以看出，在短降雨間隔條件下，3 個裝置中淹沒區型滯留裝置B 中NH3-N 去除效果最差；由圖3（b）可以看出，3 個裝置對硝態氮的去除效果差于NH3-N，且不穩定。裝置B 對硝態氮的處理效果最好。TN 的去除受各類形態氮的共同影響，濃度變化比較平緩，裝置B 和裝置C 對TN 處理效果較為接近，均優于裝置A。

2.2.2 長降雨間隔對各裝置除氮效果的影響

降雨間隔為7 d 時各裝置中各形態氮的濃度變化見圖4。長降雨間隔時不同裝置中各形態氮的濃度變化有很大差異，干旱的影響凸顯。由圖4（b）可以看出，裝置A 的直排結構使得內部土壤基質難以保存雨水，相對干燥，降雨初期內部基質對各形態氮都有一定的吸附，使得初期出水濃度低于雨水濃度；裝置內充足的O2促進NH3-N 可持續轉化為硝態氮，但是硝態氮難以發生反硝化反應，導致NH3-N去除效率提高，而硝態氮不斷累積，導致出水濃度甚至高于初始雨水濃度，因此裝置A 中的TN 濃度也不斷升高，使得TN 去除率很低。

圖4 降雨間隔7 d 時各裝置中各形態氮的濃度變化

裝置B 在降雨間隔7 d 時，O2消耗完淹沒區的反硝化反應也穩定后，NH3-N 難以繼續轉化為硝態氮，同時可能會有異氧硝態氮還原反應[13]發生，部分硝態氮轉化為NH3-N，使得NH3-N 濃度不斷上升；硝態氮濃度變低后反硝化反應也受到抑制，進而影響了TN 的去除效率。

裝置C 由于初期O2濃度較高，亞硝化細菌和硝化細菌的共同作用占主導，將NH3-N 大量轉化為硝態氮，使得硝態氮濃度迅速上升后接近平衡，TN 的濃度變化也同樣在硝態氮達到平衡后趨于穩定。

綜合分析不同裝置的除氮結果，NH3-N 平均去除率最好的為裝置C，硝態氮平均去除率最好的為裝置B，TN 平均去除率最高的為裝置C。

2.3 討論

吳義福等[14]對比了濕潤條件下設有淹沒區的滯留池與傳統直排型滯留池的除氮效果，得出淹沒型滯留池去除效果更好的結論，與本文在短降雨間隔條件下研究結論相同，但是與長降雨間隔條件下的結果不同。本文設置了淹沒區的滯留裝置B，在短降雨間隔時，淹沒區的雨水能及時補充更換，形成好氧厭氧交替的環境，對氮的處理效率要高于直排型裝置A，可見短降雨間隔（1 d）情況下，基質仍然保持濕潤，干旱的影響沒有顯現。長降雨間隔情況下，雖然淹沒型裝置B 中的硝態氮去除率高于直排型裝置A，但NH3-N 難以及時轉化為硝態氮，進而影響到TN的去除[15]；另一方面長期缺少雨水補充的淹沒區內會形成死水區[16]，水質較容易惡化，在下一次降雨時會影響出水水質。綜合對比，可知長降雨間隔下對各形態氮的去除效率順序為裝置C＞裝置A＞裝置B。

3 結論

夏季降雨間隔對各形態的氮去除效果影響顯著，降雨間隔的延長使得3 種裝置的各形態氮去除率皆有所下降，降雨間隔時間的延長對于各形態氮的影響由高到低排序為：對硝態氮去除效率的影響＞對NH3-N 去除效率的影響＞對TN 去除效率的影響；在降雨間隔為7 d 的情況下，去除率由高到低排序為：設有內柱的裝置C＞傳統生物滯留裝置A＞有淹沒區的生物滯留裝置B。在長時間降雨間隔中保持機制內部的濕潤能有效提高對氮的去除效果，建議將內柱型滯留池與淹沒區滯留池相結合，借助淹沒區具有較強反硝化能力的優勢，進一步增加TN的去除率。該研究可為不同地區生物滯留池的合理設計提供參考。