雙層填料生物滯留設施對磷的去除效果研究*

羅艷紅 李海燕 陳富強

( 1.中北大學朔州校區(qū)，山西 朔州 036000； 2.北京建筑大學城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點實驗室，北京 100044)

雙層填料生物滯留設施對磷的去除效果研究*

羅艷紅1李海燕2陳富強1

( 1.中北大學朔州校區(qū)，山西 朔州 036000； 2.北京建筑大學城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境省部共建教育部重點實驗室，北京 100044)

生物滯留設施廣泛應用于城市徑流污染控制，但除磷效果不佳。考察了河沙、黏土、爐渣、粉煤灰、細石英砂、粗石英砂6種單一填料和黏土及粉煤灰的混合填料的磷吸附和解吸效果。結果表明，石英砂適宜作為雙層填料生物滯留設施的上層填料；90%(質量分數(shù)，下同)河沙+5%黏土+5%秸稈和90%河沙+5%粉煤灰+5%秸稈適宜作為下層填料。磷濃度隨雙層填料生物滯留設施介質厚度的增加而降低。雙層填料生物滯留設施的磷去除率可以達到77.3%～97.1%。

生物滯留設施 雙層填料 除磷

繼點源污染被有效控制之后，面源污染已成為城市水質惡化的主要原因。城市地表徑流是面源污染的主要污染源之一[1]，其中的磷被認為是水體富營養(yǎng)化的最主要因素[2]。生物滯留設施是一種新興的低影響原位徑流雨水控制措施，對地表徑流體積削減、峰值流量控制和污染物控制有很好的效果[3]，且經(jīng)濟實用，可廣泛應用于城市的綠化帶。但生物滯留設施在磷的去除方面還存在去除率低、去除效果不穩(wěn)定等問題，甚至在實際工程應用中還出現(xiàn)出水水質比進水差的情況。

國內外學者試圖通過改良生物滯留設施的填料來提高其除磷效果和穩(wěn)定性。LUCAS等[4]設計的高低出水口生物滯留設施對磷的去除率可達到90%以上，但兩個出水口設計復雜精細、造價高，難以在國內得到推廣。李明翰等[5]建議在生物滯留設施中增加淹沒厭氧區(qū)；但HSIEH等[6]和王文亮[7]則認為，該設計只能提高氮的去除率，對提高磷的去除率非常有限；HSIEH等[8]在填料中增設了一層滲透系數(shù)較高的土壤，磷的平均去除率可達到85%，但去除效果不穩(wěn)定。此外，有研究表明，也可向填料中添加一些滲透性好、吸附磷能力強的介質，如沸石、蛭石、石英砂、鋼絲絨等[9]。

為切實改善生物滯留設施的除磷效果和穩(wěn)定性，本研究在填料優(yōu)選實驗的基礎上，設計了一種雙層填料生物滯留設施，并以北京市地表徑流中磷的平均濃度為準進行配水作為進水，監(jiān)測不同高度出水中磷的濃度，考察了其除磷效果，以期為生物滯留設施用于實際工程中磷的去除提供借鑒。

1 材料與方法

普通生物滯留設施通常由蓄水層、種植土層、填料層、沙層、礫石排水層組成。本研究將填料層設計為雙層填料結構，種植的植物為羊茅草。通過填料優(yōu)選實驗，包括填料對磷的吸附和解吸實驗[10]，篩選出含磷本底值低、吸附磷能力強、解吸率低、滲透性高的填料作為上層填料，以降低設施發(fā)生堵塞的風險；下層填料為更有效地滯蓄磷應增加水力停留時間，所以選出含磷本底值低、吸附磷能力強、解吸率低、滲透性相對較低的填料作為下層填料。雙層填料生物滯留設施示意圖如圖1所示。

圖1 雙層填料生物滯留設施示意圖(單位：mm)Fig.1 Double layer bioretention facility

選取河沙、黏土、爐渣、粉煤灰、細石英砂(粒徑為1 mm)、粗石英砂(粒徑為2 mm)進行6種單一填料優(yōu)選實驗。因黏土和粉煤灰吸附的滲透性差，單獨使用時會加大設施的堵塞風險，因此又考察了黏土和粉煤灰的混合填料，其配比(質量比)見表1。

表1 混合填料的配比

磷濃度均以總磷濃度表征，填料優(yōu)選階段所用的磷質量濃度為2.6 mg/L。

2 結果與討論

2.1 填料的優(yōu)選

2.1.1 單一填料對磷的吸附效果分析

6種單一填料對磷的吸附效果見圖2。各填料對磷的吸附表現(xiàn)出了相同的特征，動力學吸附過程分快、中、慢3個階段。快速吸附階段以物理吸附為主，磷酸根依靠范德華力被快速吸附在填料表面的吸附位點上，該階段的吸附能較小，易發(fā)生解吸[11]；中速吸附階段兼有物理和化學吸附過程，磷酸根與吸附位點結合需要一定的活化能，土壤有機質表面的羥基以及酚羥基等活性基團、填料表面的鋁和硅等活性位點皆可對磷酸根進行吸附[12]；慢速吸附階段以化學吸附為主，需要較高的活化能，但吸附位點與磷酸根結合緊密，不易解吸。黏土礦物晶格外的羥基及土壤中鐵、錳氧化物均可與磷酸根發(fā)生化學吸附[13]。吸附初期(0～0.50 h)，由于填料中的吸附位點是空的，而溶液中的磷濃度較高，吸附曲線表現(xiàn)為陡峭上升，吸附速率較快，在0.25 h時兩種石英砂均達到了最高磷去除率，河沙和黏土在0.50 h時磷的去除率才達到最大。吸附中期(>0.50～10.00 h)，填料對磷的吸附速率有所下降，主要原因是填料對磷的吸附位點已基本達到飽和。吸附后期(>10.00～24.00 h)，填料對磷的去除率基本保持不變甚至下降。

圖2 單一填料對磷的吸附效果Fig.2 Effect of different media on adsorption of phosphorus

從圖2還可以看出，粉煤灰、粗石英砂和細石英砂的吸附速率比其他3種填料快，到達吸附平衡點時的磷去除率也較大。其中，粉煤灰對磷的去除率最高，表明其吸附磷的能力最強、最穩(wěn)定，這是因為粉煤灰有較大的孔隙率和比表面積，而且粉煤灰中的SiO2、Al2O3、Fe2O3、FeO、CaO等[14]可與磷酸根結合發(fā)生化學吸附作用而沉淀除磷，同時也有接觸絮凝、中和沉淀和過濾攔截等的協(xié)同作用。石英砂則由于其顆粒表面具有很強的電負性，能強烈吸附帶電粒子。總體上，細石英砂比粗石英砂對磷的去除率略高一些，可能是由于其粒徑更小，比表面積更大，吸附能力更強。黏土比河沙的吸附能力強，原因是黏土中含有多種水合硅酸鹽和Al2O3、堿金屬氧化物和堿土金屬氧化物。爐渣在吸附反應進行到10.00 h后，磷的去除率出現(xiàn)負值，說明爐渣中磷的本底值較高，出現(xiàn)了解吸現(xiàn)象，而且爐渣對磷的吸附效果很不穩(wěn)定，在實際應用中存在一定的風險。

2.1.2 混合填料對磷的吸附效果分析

由圖3可以看出，不同配比的黏土混合填料對磷的吸附效果趨勢一致，但綜合吸附速率和吸附穩(wěn)定性的情況， 5%黏土是3者中最為理想的。

圖3 不同配比的黏土混合填料對磷的吸附效果Fig.3 Effect of different clay media on adsorption of phosphorus

從圖4可以看出，不同配比的粉煤灰混合填料對磷的去除率總體隨粉煤灰配比的增大而增加，由圖2已經(jīng)發(fā)現(xiàn)粉煤灰對磷的吸附能力是6種單一填料中最強的，所以粉煤灰配比越大，對磷的去除能力越強。但是實驗中發(fā)現(xiàn)，粉煤灰配比過大，會出現(xiàn)粉煤灰流失、灰水較難分離的現(xiàn)象，且常發(fā)生板結。因此，哪種填料的綜合效果最好，有待考察其解吸率。

圖4 不同配比的粉煤灰混合填料對磷的吸附效果Fig.4 Effect of different fly ash media on adsorption of phosphorus

2.1.3 填料的解吸效果分析

吸附飽和后的解吸效果是生物滯留設施填料選擇的另一重要依據(jù)。本研究對6種單一填料和6種混合填料吸附飽和后的解吸率進行了研究，結果如表2所示。

表2 不同填料對磷的解吸效果

從表2可以看出，兩種石英砂的解吸量最小，解吸率最低。此外，石英砂具有過流阻力小、抗污染性好、載污能力強、使用周期長、滲透系數(shù)大等優(yōu)勢，適宜作為雙層填料生物滯留設施的上層填料，由于粗石英砂與細石英砂的吸附和解吸效果差別不大，下面僅以細石英砂代替石英砂。5%黏土的吸附能力較強，解吸率也較低且吸附穩(wěn)定性好；5%粉煤灰的解吸率略高于5%黏土，但對磷的最大去除率高于5%黏土，因此兩者作為雙層填料生物滯留設施的下層填料進行進一步研究。

2.2 雙層填料生物滯留設施的運行效果

在填料優(yōu)選的基礎上，設置了兩個雙層填料結構的生物滯留設施實驗柱(分別編號為1#和2#)，其介質組成如表3所示。

表3 實驗柱的介質組成

雙層填料生物滯留設施共運行4個周期，按照淹水/落干交替的進水方式，設置布水期∶落干期的時間比為1∶4，使填料滲透速率在各個運行周期內都得到較好的恢復。實驗開始前3周，取池塘水對設施進行微生物接種培養(yǎng)。第1次實驗開始前，用清水將整個設施中的磷淋洗干凈，直至淋洗液中磷的質量濃度小于0.1 mg/L。本研究采用人工配水模擬道路初期徑流，前3次配水中磷的濃度為北京市道路初期徑流平均值[15]，第4次又考慮了更高濃度的情況。采用真空抽吸取樣器在取樣口采集不同時間的水樣。水樣采集后立即送回實驗室測定磷濃度。據(jù)統(tǒng)計，60%以上的降雨時間間隔小于5 d，因此本研究選擇雨前干燥期為1、4 d。具體模擬工況條件如表4所示。

表4 模擬工況條件

2.2.1 設施的整體除磷效果

如圖5所示，考察出水口的磷濃度研究設施的整體除磷效果。4種不同工況條下1#和2#實驗柱的磷去除率分別為92.1%～97.1%、77.3%～94.6%，去除效果較穩(wěn)定，表明兩種下層填料都對進水水質有一定的抗波動沖擊能力，可以用于實際工程。

圖5 出水磷質量濃度及去除率Fig.5 Concentrations and removal rates of phosphorus in effluent

2.2.2 不同介質厚度的除磷效果

雙層填料生物滯留設施不同填料厚度對磷的去除效果見圖6。總體而言，磷濃度隨介質厚度的增加而降低。磷在200 mm處得以去除的主要機制是：種植土層的截留作用，進水中的顆粒物在與植被或土壤表面接觸時被捕獲；微生物的吸收固定作用，由于土壤表層的氧含量較高，從而形成好氧膜，聚磷菌附著在好氧膜表面吸附大量的磷。

注：以蓄水層底層為起點計介質厚度。圖6 不同介質厚度對磷的去除效果Fig.6 Effect of media thickness on phosphorus removal

磷在>200～750 mm段得到進一步去除，主要是通過石英砂的吸附作用。石英砂的壓實密度僅為2.66 g/cm3，空隙率較大，微生物活性好，易于生物吸磷。介質厚度為550、750 mm時，磷濃度相差不大，因此在實際應用中石英砂厚度可設為550 mm。

在出水口，1#、2#實驗柱的磷質量濃度分別穩(wěn)定在0.2、0.3 mg/L。

3 結 論

(1) 石英砂適宜作為雙層填料生物滯留設施的上層填料；5%黏土和5%粉煤灰適宜作為下層填料。

(2) 磷濃度隨雙層填料生物滯留設施介質厚度的增加而降低。1#、2#實驗柱的出水磷質量濃度分別穩(wěn)定在0.2、0.3 mg/L，去除率分別為92.1%～97.1%、77.3%～94.6%。

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Phosphorusremovaleffectofdoublelayerbioretentionfacility

LUOYanhong1，LIHaiyan2，CHEHFuqiang1.

(1.NorthUniversityofChina,Shuozhou,ShuozhouShanxi036000;2.KeyLaboratoryofUrbanStormwaterSystemandWaterEnvironment(BeijingUniversityofCivilEngineeringandArchitecture)，MinistryofEducation,Beijing100044)

Bioretention facility is widely used in the runoff pollution. However,this facility is inefficient for phosphorus removal. To solve this problem,adsorption and desorption experiments were conducted with river sand,clay,slag,fly ash,fine and coarse quartz sand,as well as mixed media of clay or fly ash. Results showed that quartz sand was suitable for upper media while 90% (mass percnentage,same as below) river sand+5% clay+5% straw and 90% river sand+5% fly ash+5% straw suitable for lower media. The concentrations of phosphorus went down with the media thickness increased. Phosphorus removal rate could reach 77.3%_97.1% of the double layer bioretention facility.

bioretention facility; double layer; phosphorus removal

10.15985/j.cnki.1001_3865.2017.01.002

2016_04_12)

羅艷紅，女，1988年生，碩士，講師，主要從事雨水資源化利用研究。

*國家自然科學基金資助項目(No.51476150);朔州市科技攻關項目(No.2013_33_40);北京市優(yōu)秀人才培養(yǎng)——青年拔尖團隊項目(No.2015000026833T0000)。