雨水徑流污染控制生物濾池的固定濾料配比優(yōu)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(shí)驗(yàn)，對(duì)鎮(zhèn)江市某個(gè)用于雨水徑流污染處理的生物濾池濾料進(jìn)行了配比優(yōu)化，并對(duì)其處理性能進(jìn)行了分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：濾料對(duì)于模擬雨水徑流中的SS和COD能夠有效去除，去除率穩(wěn)定在70%以上;SS去除率在降雨沖刷過程中保持穩(wěn)定，但COD在后期雨水沖刷時(shí)會(huì)有去除率下降現(xiàn)象，降幅約10%-20%。進(jìn)一步的濾料吸附實(shí)驗(yàn)顯示，去除COD除了與過濾作用有關(guān)，還與濾料的吸附作用有關(guān)。

關(guān)鍵詞：雨水徑流;生物濾池;濾料

中圖分類號(hào)：F062.2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1674-9944（2018）4-0098-05

1 引言

隨著污水治理技術(shù)的進(jìn)步，點(diǎn)源水污染在得到較好控制的同時(shí)，面源水污染的問題越來越突出，已成為進(jìn)一步提升城市水環(huán)境質(zhì)量的主要障礙[1]。在我國城鎮(zhèn)化進(jìn)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(huán)境面源污染的主要來源。近年來，隨著建設(shè)海綿城市理念的提出，對(duì)于雨水徑流污染的治理技術(shù)開始得到廣泛關(guān)注。生物濾池技術(shù)在水處理中具有水力負(fù)荷較高，運(yùn)行可靠等特點(diǎn)[2]，近年來也被廣泛用于雨水徑流污染的末端控制中，是對(duì)社區(qū)LID改造、雨水管網(wǎng)建設(shè)等源頭、過程控制措施的重要補(bǔ)充。

鎮(zhèn)江市是全國首批海綿城市試點(diǎn)之一，生物濾池末端處理工具在鎮(zhèn)江也得到了應(yīng)用。鎮(zhèn)江采用的生物濾池及濾層結(jié)構(gòu)如圖1所示，濾池分為4個(gè)單元交替進(jìn)水，每個(gè)單元長60 m，寬7.5 m，水力負(fù)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(duì)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(biāo)。因此，研究生物濾池濾料對(duì)于雨水徑流污染的處理性能，能夠?yàn)榻窈箧?zhèn)江應(yīng)用生物濾池處理雨水徑流污染提供數(shù)據(jù)支持。

2 實(shí)驗(yàn)材料與實(shí)驗(yàn)方法

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置與材料

2.1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

為盡可能和實(shí)際應(yīng)用保持一致，實(shí)驗(yàn)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(diào)節(jié)流量且能夠確保在小流量進(jìn)水的情況下，實(shí)現(xiàn)均勻布水。實(shí)驗(yàn)室裝置如圖2所示。2.1.2 實(shí)驗(yàn)材料

濾料各材料參數(shù)與鎮(zhèn)江生物濾池工程實(shí)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(duì)濾料進(jìn)行預(yù)處理：將濾料用300目濾網(wǎng)罩住后，反復(fù)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(zhì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

模擬雨水采用人工配置，利用實(shí)際路邊沉積物和實(shí)驗(yàn)室營養(yǎng)物質(zhì)相結(jié)合的方法進(jìn)行配置。主要方法為：清掃馬路邊沉積物，放水桶中充分?jǐn)嚢瑁恋?h后，取上清液，此目的為確保水中有部分有機(jī)氮、磷。根據(jù)上清液水質(zhì)情況，加入高嶺土、淀粉、氯化銨，磷酸二氫鉀等物質(zhì)，獲得預(yù)期的污染物濃度的模擬雨水。根據(jù)鎮(zhèn)江的降雨徑流特征[3]，模擬預(yù)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(biāo)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(shí)驗(yàn)方法

通過設(shè)計(jì)小型反應(yīng)器皿，按接近濾料的實(shí)際應(yīng)用情況，考察濾料的過濾凈水性能。水質(zhì)指標(biāo)包括SS，總氮（TN），總磷（TP），COD，氨氮（NH4+-N）;檢測(cè)均采用國標(biāo)方法：SS用標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(yōu)選實(shí)驗(yàn)

按照10.42 m/d水力負(fù)荷進(jìn)水，模擬大雨時(shí)污染物濃度，每隔10 min取一次樣，取樣時(shí)間歷時(shí)50 min。檢測(cè)出水SS，TN，TP，COD2NH4+一N等指標(biāo)，分析不同配比濾料對(duì)水質(zhì)的凈化效果，對(duì)濾料配比進(jìn)行比選優(yōu)化。該實(shí)驗(yàn)實(shí)際模擬用水水質(zhì)指標(biāo)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(shí)驗(yàn)

濾料配比采用2.2.1中優(yōu)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(jì)模擬降雨形成徑流時(shí)間80 min，檢測(cè)出水SS，TN，TP，COD，NH4+一N等指標(biāo)，分析濾料凈水效果。

該實(shí)驗(yàn)實(shí)際模擬用水水質(zhì)指標(biāo)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(zhì)指標(biāo)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(shí)驗(yàn)

取同體積的沙、椰糠、火山沙10 mL，預(yù)處理后，放人到200 mL的水樣中（水質(zhì)為COD 232 mg/L，NH4+-N 22 mg/L，TP 4 mg/L，為便于區(qū)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(shí)間取樣，考察吸附效果。

3 結(jié)果與討論

3.1 濾料配方優(yōu)選

首先進(jìn)行了生物濾池濾料的配方優(yōu)選實(shí)驗(yàn)。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(diǎn)，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(jīng)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(shí)間運(yùn)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(jī)物及氮磷的去除。

通過調(diào)整濾料組分的不同配比，就能影響濾料的透水性、強(qiáng)度、植物生長等性能。因?yàn)V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(yīng)占主要比例;同時(shí)濾料應(yīng)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(duì)沙、椰糠、火山沙3種材料的體積比進(jìn)行了不同配置。3種材料體積比配置如表1所示。

通過對(duì)不同配比的濾料對(duì)SS，COD，NH4+一N，TN，TP的去除效果進(jìn)行比較，結(jié)果如圖3～7所示。

結(jié)合進(jìn)水濃度情況，由圖3～7可以看到，濾料對(duì)于氮磷等污染物去除效果有限;但對(duì)SS和COD的去除效果明顯且穩(wěn)定，不同配比的濾料去除率基本穩(wěn)定在60%以上。這同時(shí)也說明在濾料厚度50 cm左右，水力負(fù)荷10.42 m/d情況下，不同配比濾料對(duì)水質(zhì)凈化效果整體相差不大。實(shí)際設(shè)置的濾料層厚度可以滿足污染物的去除要求，出水水質(zhì)相對(duì)穩(wěn)定，不存在濾層穿透情況。

綜合對(duì)比濾料對(duì)SS、COD、氮磷等指標(biāo)的去除情況，并考慮實(shí)際應(yīng)用中微生物掛膜和植物生長需求，2、3、4號(hào)濾料配比應(yīng)是比較理想的配方;又以3號(hào)配方為最優(yōu)，即沙體積70%，椰糠體積15%，火山沙體積15%。后續(xù)的大雨徑流試驗(yàn)即選取3號(hào)配方作為實(shí)驗(yàn)對(duì)象。

3.2 大雨徑流下濾料凈水效果

一般來說，一場(chǎng)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(huì)降低，達(dá)到相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)。為模擬現(xiàn)實(shí)降雨徑流條件下濾料的過濾性能，進(jìn)行了相應(yīng)實(shí)驗(yàn)。結(jié)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(duì)于SS有比較穩(wěn)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(wěn)定在70%以上，最高為85%。對(duì)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(xiàn)出了明顯的區(qū)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(jìn)入水中。

表2顯示了濾料對(duì)氮磷等營養(yǎng)鹽的去除情況。可以看到，濾料對(duì)于氨氮和總氮的去除效率是較低的。生物濾池除氮，主要機(jī)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(shí)驗(yàn)中，主要是研究濾料的過濾性能，濾料并未經(jīng)過微生物掛膜、馴化過程，因此對(duì)氨氮和總氮去除效果有限。一般來說，生物濾池對(duì)雨水徑流中的磷會(huì)有一定的去除率，這主要與顆粒態(tài)磷被截流以及部分生物除磷作用有關(guān)[6-7]。但本實(shí)驗(yàn)中的濾料尚未掛膜，配水主要采用的是溶解態(tài)的磷，濾料的過濾截流效果有限，因此表現(xiàn)出來對(duì)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(duì)凈水效果所產(chǎn)生的影響，設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)考察了3種材料對(duì)污染物的吸附性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(duì)COD、氮、磷都具有一定的吸附作用，3種材料對(duì)同一污染物指標(biāo)的吸附的濃度曲線變化規(guī)律基本一致，但COD、氨氮、TP之間的變化規(guī)律有較大差別。COD在較短之間內(nèi)就能被濾料吸附，從圖9可以看到，COD濃度在0.5 h和2h時(shí)，濃度已經(jīng)明顯降低。沙、火山沙和椰糠在0.5 h時(shí)，對(duì)COD吸附比例為19%、58%和46%;在2 h時(shí).分別為48%，62%和61%。而對(duì)于氨氮和TP，吸附濃度曲線隨時(shí)間變化相對(duì)緩慢而均勻，沙、火山沙和椰糠在2h時(shí)，對(duì)氨氮的吸附比例為22%，28%和21%，對(duì)TP的吸附比例為17%，11%和8%。對(duì)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(duì)氮磷的吸附相比COD，需要較長的時(shí)間才能實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)水力負(fù)荷及濾層厚度簡單估算，雨水徑流在濾層中停留時(shí)間約1.3 h。結(jié)合3種濾料對(duì)COD、氨氮和TP的吸附情況可以推測(cè)，濾料的吸附作用對(duì)污水中COD的去除也有一定的貢獻(xiàn)，但是對(duì)氮磷的作用較小。這也從一個(gè)側(cè)面印證了3.2節(jié)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

4 結(jié)論

（1）根據(jù)鎮(zhèn)江市采用的生物濾池濾料處理模擬雨水徑流污染的試驗(yàn)結(jié)果，最優(yōu)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(duì)SS和COD有比較明顯的去除作用，去除率穩(wěn)定在60%以上。但對(duì)溶解性氮磷去除效果有限。

（2）在模擬實(shí)際降雨沖刷情景中，SS的去除率穩(wěn)定在70%以上;但對(duì)COD的去除率表現(xiàn)出初期沖刷時(shí)高，后期沖刷時(shí)低的特點(diǎn)，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(jī)物會(huì)釋放出來。

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

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