生物炭作為海綿城市雨水滯留池填料的效果初探

湯逸帆 陳圓 范弟武 韓建剛（南京林業(yè)大學生物與環(huán)境學院，江蘇 南京 210037）

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生物炭作為海綿城市雨水滯留池填料的效果初探

湯逸帆 陳圓 范弟武 韓建剛（南京林業(yè)大學生物與環(huán)境學院，江蘇 南京 210037）

摘 要生物炭吸附性強、抗氧化，在海綿城市建設中具有廣闊的應用前景。通過模擬滲水實驗，對土壤、生物炭和土壤生物炭混合物等對雨水吸持和凈化效果進行研究。結果表明：以生物炭作為滯留池填料，具有較好的儲水能力，儲水量達0.45 mL/mL；能夠緩沖酸性地表徑流雨水的pH值，模擬雨水pH值從6.34提升至7.82；對雨水中總氮、總磷和銨氮的截留率分別為34.4%、48.0% 和35.0%。因此，生物炭可作為海綿城市建設中雨水滯留池的新型填料。

關鍵詞生物炭； 海綿城市； 雨水； 氮磷

傳統(tǒng)城市排水系統(tǒng)每逢大雨，往往造成逢雨必澇，旱澇急轉（鄒宇等，2015）。為了解決城市內澇問題、降低地表徑流雨水的污染、節(jié)約水資源，我國住房與城鄉(xiāng)建設部于2014年10月出臺了《海綿城市建設技術指南》，提倡構建運用低影響開發(fā)（LID）雨水系統(tǒng)的海綿城市。海綿城市是新一代城市雨洪管理概念，是指在城市適應環(huán)境變化和應對雨水帶來的自然災害等方面具有良好的彈性，使城市能夠像海綿一樣，下雨時吸水、蓄水、滲水、凈水，需要時將蓄存的水釋放并加以利用，能夠有效提高城市抵御暴雨的能力，補充涵養(yǎng)地下水（汪淳等，2006）。海綿城市在建設實施中會在城市地表徑流量大的地區(qū)建造雨水滯留池。雨水滯留池主要通過填料的過濾與吸附作用，由于其能將雨水暫時儲存而后慢慢滲入周圍土壤，因此可以削減地表雨水的洪峰流量（胡愛兵等，2011）。典型的雨水滯留池的填料為上層土壤、中層粗砂、下層礫石（Davis，2007）。目前國內外對滯留池改善地表徑流雨水的研究結果表明，典型雨水滯留池對地表雨水中的總懸浮顆粒物（Hsieh et al，2005）、重金屬（Muthanna et al，2007）和油脂（Hong et al，2006）的去除效果較好，而對氮磷等營養(yǎng)元素的去除效果不穩(wěn)定（Bratieres et al，2008）。

生物炭是生物質在無氧或低氧環(huán)境中，經高溫熱裂解后生成的固態(tài)產物，吸附性強，抗氧化（何緒生等，2011）。研究表明，生物炭具有較大的孔隙度和高度羧酸酯化和芳香化結構（Lehmann et al，2009），能夠減少無機氮磷等營養(yǎng)元素的淋溶（農明英等，2013），可以吸附水中的營養(yǎng)元素（Kramer et al，2004），并提高pH值（王曉輝等，2013）。因此，將生物炭作為海綿城市雨水滯留池填料有望高效吸持和凈化地表雨水。

通過模擬滲水實驗，研究土壤、生物炭和土壤生物炭混合物對雨水的吸持和凈化效果，旨為生物炭作為雨水滯留池填料的可行性提供理論依據。

1 材料與方法

1.1 試驗設計

將2 000 mL塑料量杯底部均勻鉆4個圓形小孔以模擬雨水滯留池，將填料裝入模擬滯留池中，將其水平懸掛在鐵桿上，從上部用7 s的時間均勻加入800 mL的模擬雨水，用1 000 mL玻璃燒杯在其下方接收滲濾液（圖1），記錄滲水時間（從模擬雨水加入完全到填料表層以上液面消失），收集滲濾液，計算滲水速率，測定滲濾液體積及總氮（TN）、銨氮（NH4+）和總磷（TP），計算填料的儲水量和對模擬雨水TN、NH4+及TP的截留率。根據滲濾實驗的結果，比較并判斷生物炭作為雨水滯留池填料的可行性。

填料以土壤作為對照，設計3個處理A、B和C，其中，處理A的填料為土壤，處理B的填料為生物炭，處理C的填料為等體積的土壤和生物炭均勻混合。每個處理重復3次，填料體積為1 200 mL。

1.2 填料及模擬雨水

圖1 生物碳滯留池實驗裝置示意圖

實驗所用土壤為南京林業(yè)大學后山馬褂木林表層土壤，土壤經自然風干后過2 mm篩。土壤pH值為6.70，TN（半微量凱式法）含量0.854%，NH4

+（氧化鎂浸提擴散法）含量0.128 ppm，TP（氫氧化鈉堿熔鉬銻抗比色法）含量0.13%。所用生物炭為購買所得稻殼炭，pH值為9.46，TN含量1.092%，NH4+含量0.005 ppm，TP含 量0.44%。土壤生物炭混合填料pH值為8.16，TN含量0.882%，NH4+含量0.088 ppm，TP含量0.18%。

實驗中模擬雨水采用去離子水添加氯化銨和磷酸二氫鉀模擬所得。模擬雨水中TN、TP和NH+

4濃度是根據北京城區(qū)不同匯水面路面雨水水質的加權平均數擴大10倍所得（車伍等，2003），實際測得模擬雨水水質見表1。

1.3 滲水速率和截留率的計算

滲水速率的計算公式如下：

其中：ER為滲水速率（mL/ （cm·s））；Q為模擬污水體積（800 mL）；L為填料高度（cm）；T為滲水時間（s）。

填料對模擬雨水中TN、NH+

4和TP濃度的截留率計算公式如下：

其中：R為截留率（%）；C0為模擬雨水中TN、NH4+和TP的原始濃度（mg/L）；C為滲濾液中TN、NH4+和TP的濃度（mg/L）。

表1 模擬雨水基礎理化性質

1.4 滲濾液水質測定

所收集的滲濾液過濾后放入聚乙烯塑料瓶中冷藏待測。TN采用堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法；NH4

+采用納式試劑比色法；TP采用鉬酸銨分光光度法。

1.5 數據分析

試驗數據使用SPSS 19.0進行統(tǒng)計分析，進行單因素方差分析和多重比較檢驗各處理間的差異顯著性（P＜0.05）。

2 結果與討論

2.1 滲水速率和儲水量

由表2可知，不同填料的滲水速率依次為土壤＞土壤+生物炭＞生物炭，相對應的儲水量依次為生物炭＞土壤+生物炭＞土壤。結果表明，生物炭作為填料具有較好的儲水能力，并且土壤生物炭混合物的儲水能力也優(yōu)于土壤。填料的儲水能力和透水性主要與其孔隙度有關，毛管孔隙能夠保持水分而通氣孔隙則利于透水。由于生物炭具有大量毛管孔隙（Verheijen et al，2010），所以能夠有效儲存水分，而與生物炭相比，土壤中的孔隙多為通氣孔隙，故生物炭的透水性比土壤差，但儲水能力比土壤好，而且Briggs等（2005）研究發(fā)現生物炭有一定的斥水性，會在一定程度上阻止生物炭表面的水下滲。當土壤與生物炭混合時，武玉等（2004）認為生物炭的細粒子會堵塞土壤孔隙，使得混合物的透水性比土壤低，并且由于生物炭中的毛管孔隙使得混合物的儲水能力好于土壤。故將生物炭作為海綿城市雨水滯留池填料，需根據施工地區(qū)的降水特征以及儲水和排水的優(yōu)先級，來決定是否采用生物炭或者生物炭的添加比例。

表2 不同填料的滲水速率和儲水量

表3 不同填料對模擬雨水中TN、TP和NH4+的截留率

2.2 pH值的變化

從圖2可以看出，生物炭作為海綿城市雨水滯留池填料能夠對酸性雨水的pH值起到緩沖作用，使滯留池滲濾液的pH值高于地表徑流雨水。生物炭本身呈堿性，含有較多的鹽基離子，如Na+、K+、Ca2+等。當雨水進入時可通過吸持作用降低雨水中的交換性氫離子和交換性鋁離子的水平（Zwieten et al，2010），從而使得滲濾液的pH值得到提高。所以，在酸雨地區(qū)將生物炭作為海綿城市雨水滯留池填料能夠減輕酸雨對地下水的污染。

2.3 污染物的去除效果

圖2 不同處理滲濾液的pH值

通過滲濾液和模擬雨水的初始TN、TP和NH4+濃度可以得知不同填料對TN、TP和NH4+的截留率（表3）。

2.3.1 TN的去除效果 3個處理對雨水中TN均有一定的截留，其中土壤對TN的截留率最高，達46.17%；生物炭次之；土壤+生物炭截留率最低。有學者對傳統(tǒng)雨水滯留池對地表徑流雨水TN的截留效果進行了研究，如李俊奇等（2010）研究發(fā)現北京某地區(qū)的雨水花園的滯留池對TN的截留效果為22%～45.4%。所以，將生物炭作為海綿城市雨水滯留池填料能夠達到傳統(tǒng)滯留池截留TN的能力水平。Davis等（2001）的土柱模擬滯留池試驗中TN不能得到有效去除，有的處理甚至出現了出水濃度高于進水濃度的現象，這些處理的填料中TN出現了淋失現象，所以土壤和生物炭混合物對TN的截留效果弱于單獨使用土壤和生物炭，可能是因為土壤和生物炭混合能夠增加TN的淋失，具體機理還有待進一步研究。

2.3.2 TP的去除效果 3個處理中生物炭對TP的截留率最高，達48%；土壤和生物炭混合物次之；土壤對TP的截留率出現了負值。Bratieres等（2008）研究發(fā)現典型雨水滯留池對TP截留效果取決于滯留池填料中TP的本底值，填料TP本底值越高越容易淋失，導致截留效果越差。研究結果表明，土壤中的TP出現了淋失而截留效果很差，生物炭作為填料則有很好的截留效果，而實驗所用生物炭TP含量為0.44%，高于土壤的0.13%，所以將生物炭作為滯留池填料能夠有效截留地表徑流雨水中的TP。

2.3.3 NH4+的去除效果 3個處理對NH4

+的截留率無顯著差異，在35%～40%之間。以往研究表明，典型滯留池對NH4+的截留效果較好且穩(wěn)定，截留率大多在70%以上（孟瑩瑩等，2013），這表明以生物炭作為雨水滯留池填料對NH4+的截留效果不及典型滯留池，與普通土壤相當。

3 結論

以生物炭作為雨水滯留池填料會使滯留池擁有較大的儲水量，能夠提高雨水的pH值，并且對雨水TP有著較好的截留效果。所以，在干旱地區(qū)、酸雨地區(qū)以及地表徑流TP較高的地區(qū)建造滯留池，可以采用生物炭作為滯留池填料。

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E-mail：hanjiangang76@126.com

doi:10.3969/j.issn.1673-3290.2016.02.10

收稿日期：2016-03-10

基金項目：國家自然科學基金（41375 149），2015年林業(yè)科技成果國家級推廣項目（［2016］37號）

作者簡介：湯逸帆（1993-），男，江蘇鎮(zhèn)江人，在讀碩士生，主要從事生態(tài)環(huán)境過程方面研究。E-mail：4225 23942@qq.com

通訊作者：韓建剛（1976-），男，教授，主要研究方向為濕地環(huán)境過程。

Use of Biochar as the Filler for Rainwater Collection Pool for the Development of Sponge City

TANG Yi-Fan CHEN Yuan FAN Di-Wu HAN Jian-Gang
（College of Biology and the Environment， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037）

AbstractBiochar has broad application prospects in the construction of sponge city because of its strong ability of absorption and antioxidation.A simulation test on water penetration was conducted to examine the effectiveness of water absorption and purifcation respectively by soil，biochar and the mixture of both.Results showed that flling biochar in the rainwater collection pool resulted in a larger water-storage capacity up to 0.45 mL/mL.It can be used to buffer the pH value of acidic runoff water， increasing pH value of the simulated rain water from 6.34 to 7.82， and to remove TN， TP and NH4+ from the rain water by 34.4%，48.0% and 35.0% respectively.Therefore， biochar can be used as a new type flling material for rainwater collection pools for the construction of sponge city.

Key wordsBiochar； Sponge city； Rainwater； Nitrogen and Phosphorus