雨水徑流污染控制生物濾池的固定濾料配比優化及處理性能分析

王子釗 阮燕霞 吳秀偉 蒲文鵬

摘要：通過小試實驗，對鎮江市某個用于雨水徑流污染處理的生物濾池濾料進行了配比優化，并對其處理性能進行了分析。實驗結果發現：濾料對于模擬雨水徑流中的SS和COD能夠有效去除，去除率穩定在70%以上;SS去除率在降雨沖刷過程中保持穩定，但COD在后期雨水沖刷時會有去除率下降現象，降幅約10%-20%。進一步的濾料吸附實驗顯示，去除COD除了與過濾作用有關，還與濾料的吸附作用有關。

關鍵詞：雨水徑流;生物濾池;濾料

中圖分類號：F062.2

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）4-0098-05

1 引言

隨著污水治理技術的進步，點源水污染在得到較好控制的同時，面源水污染的問題越來越突出，已成為進一步提升城市水環境質量的主要障礙[1]。在我國城鎮化進程加速的背景下，雨水徑流，尤其是初期雨水帶來的污染，逐漸成為城市水環境面源污染的主要來源。近年來，隨著建設海綿城市理念的提出，對于雨水徑流污染的治理技術開始得到廣泛關注。生物濾池技術在水處理中具有水力負荷較高，運行可靠等特點[2]，近年來也被廣泛用于雨水徑流污染的末端控制中，是對社區LID改造、雨水管網建設等源頭、過程控制措施的重要補充。

鎮江市是全國首批海綿城市試點之一，生物濾池末端處理工具在鎮江也得到了應用。鎮江采用的生物濾池及濾層結構如圖1所示，濾池分為4個單元交替進水，每個單元長60 m，寬7.5 m，水力負荷大約為10.42m/d。其濾層分為55 cm的濾料層及80 cm的礫石層，集水盲管位于10 cm礫石之上，濾料的主要組成是沙子、椰糠和火山沙。對于生物濾池來說，濾料的性能直接影響其去除污染物的效率，是考察濾池性能的重要指標。因此，研究生物濾池濾料對于雨水徑流污染的處理性能，能夠為今后鎮江應用生物濾池處理雨水徑流污染提供數據支持。

2 實驗材料與實驗方法

2.1 實驗裝置與材料

2.1.1 實驗裝置

為盡可能和實際應用保持一致，實驗裝置為小型濾池，直徑7 cm，高52 cm，底部布置2 cm粒徑5～15 mm左右礫石，上面鋪一層55 cm的濾料。布水裝置采用霧化噴頭，可調節流量且能夠確保在小流量進水的情況下，實現均勻布水。實驗室裝置如圖2所示。2.1.2 實驗材料

濾料各材料參數與鎮江生物濾池工程實際一致：沙為黃沙、中沙;椰糠為粉末狀，粒徑1～2 mm;火山沙粒徑為2～4 mm。按體積比配置好濾料后，對濾料進行預處理：將濾料用300目濾網罩住后，反復用自來水沖刷洗滌，最后用去離子水洗滌3遍，盡可能地去除由于材料表面本身攜帶物質對實驗結果的影響。

模擬雨水采用人工配置，利用實際路邊沉積物和實驗室營養物質相結合的方法進行配置。主要方法為：清掃馬路邊沉積物，放水桶中充分攪拌，沉淀2h后，取上清液，此目的為確保水中有部分有機氮、磷。根據上清液水質情況，加入高嶺土、淀粉、氯化銨，磷酸二氫鉀等物質，獲得預期的污染物濃度的模擬雨水。根據鎮江的降雨徑流特征[3]，模擬預期值初選為大雨徑流后初期雨水中污染物的濃度值，配水目標值為SS100 mg/L，COD 200 mg/L，氨氮（NH4+-N）2 mg/L，總氮（TN）3mg/L，總磷（TP）0.5 mg/L。

2.2 實驗方法

通過設計小型反應器皿，按接近濾料的實際應用情況，考察濾料的過濾凈水性能。水質指標包括SS，總氮（TN），總磷（TP），COD，氨氮（NH4+-N）;檢測均采用國標方法：SS用標準重量法，TN用過硫酸鉀氧化一紫外分光光度法，TP采用過硫酸鉀氧化一鉬銻抗分光光度法，COD采用重鉻酸鉀標準法，NH4+-N采用水楊酸一次氯酸鹽分光光度法。

2.2.1 濾料配方優選實驗

按照10.42 m/d水力負荷進水，模擬大雨時污染物濃度，每隔10 min取一次樣，取樣時間歷時50 min。檢測出水SS，TN，TP，COD2NH4+一N等指標，分析不同配比濾料對水質的凈化效果，對濾料配比進行比選優化。該實驗實際模擬用水水質指標為：SS 112 mg/L，COD220 mg/L，NH4+ -N 2.7 mg/L，TN 3.35 mg/L，TP 0.48 mg/L。

2.2.2 大雨徑流下濾料凈水效果實驗

濾料配比采用2.2.1中優選出的配合比。先用初期雨水（污染物濃度高）沖刷40 min，每10 min取一次樣，再用后期雨水（污染物濃度低）沖刷40 min，每10min取樣，總計模擬降雨形成徑流時間80 min，檢測出水SS，TN，TP，COD，NH4+一N等指標，分析濾料凈水效果。

該實驗實際模擬用水水質指標為：初期雨水SS132 mg/L， COD232 mg/L， NH4+一N 2. 34 mg/L， TN4.01 mg/L，TP 0.50 mg/L，后期雨水水質指標為SS 40mg/L，COD65 mg/L， NH4+ -N 0.82 mg/L， TN l.32mg/L，TP 0.15 mg/L。

2.2.3 濾料各成分的吸附性能實驗

取同體積的沙、椰糠、火山沙10 mL，預處理后，放人到200 mL的水樣中（水質為COD 232 mg/L，NH4+-N 22 mg/L，TP 4 mg/L，為便于區別效果，將水樣氨氮和總磷濃度提高了10倍），放置在搖床上輕微振蕩，每隔一定時間取樣，考察吸附效果。

3 結果與討論

3.1 濾料配方優選

首先進行了生物濾池濾料的配方優選實驗。濾料的主要成分是黃沙、椰糠和火山沙：沙具有透水性高、不保水特點，是濾料的骨架部分，也是濾料透水性能的主要來源。椰糠是椰子外殼纖維粉末，經加工處理后的椰糠非常適合于培植植物;椰糠具有良好的保水性和透氣性，且能夠緩慢地自然分解，有利于植物的生長。火山沙表面粗糙多微孔，在長時間運行后微生物在其表面生長、繁殖，形成生物膜，有利于污水中有機物及氮磷的去除。

通過調整濾料組分的不同配比，就能影響濾料的透水性、強度、植物生長等性能。因濾池濾料最基本的性能還是透水性能和過濾凈水性能，因此在濾料組成中沙仍應占主要比例;同時濾料應能維持植物生長和微生物掛膜，為此添加一定比例的椰糠和火山沙。基于此，對沙、椰糠、火山沙3種材料的體積比進行了不同配置。3種材料體積比配置如表1所示。

通過對不同配比的濾料對SS，COD，NH4+一N，TN，TP的去除效果進行比較，結果如圖3～7所示。

結合進水濃度情況，由圖3～7可以看到，濾料對于氮磷等污染物去除效果有限;但對SS和COD的去除效果明顯且穩定，不同配比的濾料去除率基本穩定在60%以上。這同時也說明在濾料厚度50 cm左右，水力負荷10.42 m/d情況下，不同配比濾料對水質凈化效果整體相差不大。實際設置的濾料層厚度可以滿足污染物的去除要求，出水水質相對穩定，不存在濾層穿透情況。

綜合對比濾料對SS、COD、氮磷等指標的去除情況，并考慮實際應用中微生物掛膜和植物生長需求，2、3、4號濾料配比應是比較理想的配方;又以3號配方為最優，即沙體積70%，椰糠體積15%，火山沙體積15%。后續的大雨徑流試驗即選取3號配方作為實驗對象。

3.2 大雨徑流下濾料凈水效果

一般來說，一場降雨的徑流沖刷形式可以分為初期雨水沖刷和后期雨水沖刷。初期雨水污染物濃度高，隨后雨水徑流污染物濃度會降低，達到相對穩定的狀態。為模擬現實降雨徑流條件下濾料的過濾性能，進行了相應實驗。結果如圖8及表2所示。

從圖8可以看出，濾料具有較好的截留功能，對于SS有比較穩定的去除率，在模擬初期雨水和后期雨水的沖刷過程中，SS的去除率基本穩定在70%以上，最高為85%。對于COD的去除效果，濾料在初期雨水和后期雨水的沖刷下，去除率表現出了明顯的區別：在初期雨水沖刷條件下COD去除率較高，在68%～76%之間;而在后期雨水沖刷作用下COD去除率較低，在38%～51%之間。這說明，濾料在去除COD方面，除了過濾截流的作用外，還可能存在吸附作用。在初期雨水污染物濃度較高的條件下，部分COD通過濾料吸附被去除，而在后期雨水污染物濃度較低的情況下，被吸附在濾料上的污染物部分被溶解、脫附，再次進入水中。

表2顯示了濾料對氮磷等營養鹽的去除情況。可以看到，濾料對于氨氮和總氮的去除效率是較低的。生物濾池除氮，主要機理是利用濾料和礫石層生物膜中的微生物硝化一反硝化作用來去除[4，5]。在本實驗中，主要是研究濾料的過濾性能，濾料并未經過微生物掛膜、馴化過程，因此對氨氮和總氮去除效果有限。一般來說，生物濾池對雨水徑流中的磷會有一定的去除率，這主要與顆粒態磷被截流以及部分生物除磷作用有關[6-7]。但本實驗中的濾料尚未掛膜，配水主要采用的是溶解態的磷，濾料的過濾截流效果有限，因此表現出來對磷的去除作用也有限。

3.3 濾料各材料吸附性能分析

為考察濾料除了過濾截流外，吸附作用對凈水效果所產生的影響，設計實驗考察了3種材料對污染物的吸附性能。實驗結果如圖9～11所示。

由圖9～11可以看出，沙、火山沙和椰糠3種材料對COD、氮、磷都具有一定的吸附作用，3種材料對同一污染物指標的吸附的濃度曲線變化規律基本一致，但COD、氨氮、TP之間的變化規律有較大差別。COD在較短之間內就能被濾料吸附，從圖9可以看到，COD濃度在0.5 h和2h時，濃度已經明顯降低。沙、火山沙和椰糠在0.5 h時，對COD吸附比例為19%、58%和46%;在2 h時.分別為48%，62%和61%。而對于氨氮和TP，吸附濃度曲線隨時間變化相對緩慢而均勻，沙、火山沙和椰糠在2h時，對氨氮的吸附比例為22%，28%和21%，對TP的吸附比例為17%，11%和8%。對氨氮和TP的吸附曲線，到6h和12 h后，濃度變化才逐漸平緩。這說明，濾料組分對氮磷的吸附相比COD，需要較長的時間才能實現。

根據水力負荷及濾層厚度簡單估算，雨水徑流在濾層中停留時間約1.3 h。結合3種濾料對COD、氨氮和TP的吸附情況可以推測，濾料的吸附作用對污水中COD的去除也有一定的貢獻，但是對氮磷的作用較小。這也從一個側面印證了3.2節中的實驗結果。

4 結論

（1）根據鎮江市采用的生物濾池濾料處理模擬雨水徑流污染的試驗結果，最優的濾料配比是沙70%，火山沙15%，椰糠15%。物濾池濾料本身的過濾截流和吸附作用，對SS和COD有比較明顯的去除作用，去除率穩定在60%以上。但對溶解性氮磷去除效果有限。

（2）在模擬實際降雨沖刷情景中，SS的去除率穩定在70%以上;但對COD的去除率表現出初期沖刷時高，后期沖刷時低的特點，這提示在污染物濃度較低的后期雨水沖刷下，部分被濾料吸附的有機物會釋放出來。

（3）濾料各組分對COD、氨氮和TP的吸附效果不一樣。對COD的吸附在0.5 h時濃度就有明顯下降，在2h時基本達到50%或以上。但對氨氮和TP，吸附導致的濃度曲線隨時間下降較均勻，一直持續到6h后，濃度曲線變化才趨于平緩。考慮到實際生物濾池的水力停留時間，說明濾料本身的吸附對COD去除有一定作用，但對溶解性氮磷影響較小。

參考文獻：

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