山地城市生物滯留帶改良填料除氮效果研究

雷曉玲， 羅棉心， 魏澤軍， 楊 程

（1．重慶交通大學(xué)， 重慶 400074； 2．重慶市科學(xué)技術(shù)研究院， 重慶 400045）

0 引言

山地城市因其獨特的地形， 在降雨過程中雨水徑流流量大且流速快，導(dǎo)致降雨徑流污染性變強。徑流中的氮污染物是水體富營養(yǎng)化的主要因子， 在一定程度上會破壞水體生態(tài)系統(tǒng)， 進(jìn)而引發(fā)出水體發(fā)黑發(fā)臭、水生生物生存受到威脅等一系列問題。生物滯留技術(shù)作為城市低影響開發(fā)體系的一個重要技術(shù)措施，通過植物和微生物以及土壤的化學(xué)、生物及物理作用去除雨水徑流中的污染物， 從而提高城市雨水徑流削減和水質(zhì)凈化的效果[1]，其填料層是影響生物滯留系統(tǒng)去除徑流污染物的關(guān)鍵因素。

重慶作為長江上游典型的山地城市， 被確立為首批海綿城市建設(shè)試點城市[2]，其生物滯留設(shè)施建設(shè)越來越多，因此選擇其為研究區(qū)域。 經(jīng)調(diào)研，重慶大面積分布壤土（紅壤、黃壤、紫色土等），但其含有豐富的營養(yǎng)物質(zhì)，在漫長的溫濕條件下，土壤淋溶效應(yīng)較明顯， 單獨作為生物滯留設(shè)施填料層時除污性能相對不足。

因此，本次研究對山地城市常用的屋頂綠化、建筑材料、 水處理等方面的材料進(jìn)行調(diào)研與單種填料篩選試驗后， 選擇了3 種除氮效果好的材料對土壤的除氮性能進(jìn)行改良， 利用其與土壤組合成不同的填料結(jié)構(gòu)層進(jìn)行試驗， 分析不同填料配比對氮的去除效果及穩(wěn)定性，并篩選出3 種填料的最優(yōu)配比，以期為山地區(qū)域生物滯留設(shè)施填料改良的研究提供技術(shù)參考。另外，由于研究區(qū)域雨水徑流中氮污染物主要指標(biāo)為氨氮和TN[3]，所以本次研究中只考慮對這2 項指標(biāo)的去除效果。

1 試驗部分

1．1 試驗裝置

試驗采用PVC 材質(zhì)的圓柱作為土柱裝置，其內(nèi)徑為200 mm，壁厚為3 mm，高為1 100 mm。 結(jié)合生物滯留帶設(shè)施實際構(gòu)造并依據(jù)我國海綿城市建設(shè)技術(shù)指南，土柱內(nèi)部設(shè)置為：最頂部為蓄水區(qū)，往下依次是填料層、 砂濾層及礫石層（選取粒徑3 ～6 mm的礫石），各層的具體深度見圖1。

圖1 試驗裝置——土柱

每個土柱碎石層底部設(shè)置出水口，采用管徑10 cm 的透水管，在砂濾層與礫石層之間鋪設(shè)土工布。

1．2 試驗進(jìn)水

本試驗用水為合流制排污水，其COD，TP，TSS，氨 氮，TN 的 質(zhì) 量 濃 度 分 別 為：129 ～184，0．12 ～0．26，506 ～926，2．9 ～8．7，6．5 ～11．3 mg/L。 根據(jù)指南要求， 本實驗選取的匯水面積與生物滯留池表面積之比為1 ∶5[4]，選取年徑流總量控制率為80%對應(yīng)的設(shè)計降雨量25．5 mm，徑流系數(shù)（φ）取0．90。 滲透設(shè)施的進(jìn)水量應(yīng)按照容積法計算：

式中：V 為滲透設(shè)施進(jìn)水量，m3；H 為設(shè)計降雨量，mm；F 為匯水區(qū)域面積，hm2。

最后把已知數(shù)據(jù)代入式（1）得出設(shè)施進(jìn)水量為15．22 L，取16 L。

1．3 試驗方法

將試驗用水加入置有相同體積的供試填料的錐形瓶中，于搖床上輕輕搖震8 h 后靜止，取上清液測量其TN 和氨氮。選擇凈化效果較好的3 種填料（A，B，C）作為后期實驗填料。

把土壤（取自重慶市悅來新城“海綿城市”示范區(qū)內(nèi)的紫色土）與填料（A，B，C）按10%，20%，35%，50%體積進(jìn)行混合后作為生物滯留系統(tǒng)的填料層。共配制24 組配比， 將2 組純土壤組作為對照組，將配好的填料裝入生物滯留裝置里，并稍微壓實，然后檢測生物滯留系統(tǒng)每一次進(jìn)水及出水的氨氮和TN濃度。

1．4 檢測方法

氨氮和TN 分別采用納氏試劑分光光度法和堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法進(jìn)行檢測。 再根據(jù)所測污染物濃度，可通過式（2）計算出污染物去除率，以深入分析各土柱的除污效果：

式中：R 為污染物去除率，%；c為污染物濃度，mg/L。

2 結(jié)果與討論

2．1 填料初選

本研究初選砂、粉煤灰、蛭石、珍珠巖、煤渣、火山巖、沸石、陶粒等10 種填料類型進(jìn)行單種填料除氮性能試驗。

不同填料對氨氮和TN 的去除效果見圖2。

圖2 不同填料對氨氮和TN 的去除效果

由圖2（a）可知，每種填料對氨氮的去除率均高于土壤，其中，沸石和蛭石對氨氮的處理效果最為顯著，去除率分別達(dá)到了63．46%和71．64%，火山巖和陶粒去除率次之，分別為48．6%和49．6%。由圖2（b）可知，土壤對TN 的去除效果明顯優(yōu)于氨氮，達(dá)到了67．75%，可見土壤本身存在較多的微生物和反硝化細(xì)菌，但孔隙度低，離子交換能力差。 只有4 種填料TN 去除率高于土壤，其中沸石和蛭石的處理效果最好，去除率分別為78．45%和80．75%，其次為火山巖和珍珠巖，去除率分別為69．64%和71．42%。

這與大部分研究結(jié)果相似，沸石、蛭石、火山巖這3 種填料對氮的去除具有明顯的優(yōu)勢。 從填料特性來分析，沸石表面帶正電，粗糙多孔，具有很強的離子交換能力；蛭石具有細(xì)小的空隔層，使空洞體積大大增加，有較強的吸水性，還能改善土壤結(jié)構(gòu)，且蛭石具有成本低、處理效果好的特點，被廣泛應(yīng)用于水污染處理和農(nóng)業(yè)領(lǐng)域中； 火山巖空隙率適中且開孔率高，表面帶有正電荷，比表面積大而有利于微生物的接觸掛膜和生長， 具有較強的微生物作用。 所以，綜合考慮，選取蛭石、沸石、火山巖3 種填料來改良土壤。

2．2 沸石組合填料的除氮效果

填料對氨氮和TN 的去除效果見圖3。

圖3 沸石對氨氮和TN 的去除效果

由圖3（a）可知，在經(jīng)歷6 次進(jìn)水試驗之后，沸石組合填料對氨氮的去除效果都比土壤單獨做填料時要好， 平均去除率為89．2%。 其中， 填料配比為20%和35%時去除率和穩(wěn)定性都很好，10%組和50%組時出水濃度有波動， 這是因為生物滯留設(shè)施對氨氮的去除主要以內(nèi)部填料截流、 吸附和離子交換作用[5]，當(dāng)沸石配比小（10%）時，與土壤混合后沒有使生物滯留設(shè)施內(nèi)部形成大孔隙構(gòu)造， 而當(dāng)沸石配比達(dá)到50%時，填料的截流及離子交換作用反而變差， 所以造成這2 種配比的組合填料除氮效果不佳且不穩(wěn)定。由圖3（b）可知，沸石對TN 的平均去除率較高，為62．71%，其中35%組去除效果最好，但是4 種配比方式穩(wěn)定性皆不如純土壤組好， 尤其是50%組， 這是由于生物滯留設(shè)施的對污染物的去除效果受降雨歷時與雨前干燥期的長短、 干濕交替的頻率的影響[6-7]，所以，試驗周期內(nèi)，TN 出水濃度波動較大。

2．3 火山巖組合填料的除氮除效果

火山巖對氨氮和TN 的去除效果見圖4。

圖4 火山巖對氨氮和TN 的去除效果

由圖4（a）可以看出，組合填料對氨氮的去除效果和穩(wěn)定性皆明顯優(yōu)于純土壤組， 平均去除率為91．01%，高于沸石。 試驗周期內(nèi)，去除率只存在小范圍內(nèi)的波動，呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，因為隨著系統(tǒng)內(nèi)水分增加會使火山巖孔隙被填滿， 截流和吸附作用降低。鑒于幾種配比方式穩(wěn)定性都相差不遠(yuǎn)，20%組平均去除率最高，為94．46%，判定其去除效果最好。從圖4（b）可以看出，組合填料對TN 的去除效果和穩(wěn)定性與純土壤組相差不遠(yuǎn)。 火山巖對TN的去除穩(wěn)定性較沸石好， 但平均去除率只有59．83%，不及沸石，這與填料本身特性有關(guān)，其中，20%組去除效果最好且最穩(wěn)定， 含量為50%組去除效果低且最不穩(wěn)定。

2．4 蛭石組合填料的除氮除效果

蛭石對氨氮和TN 的去除效果見圖5。

圖5 蛭石對氨氮和TN 的去除效果

由圖5（a）可知，在經(jīng)歷6 次進(jìn)水試驗之后，蛭石填料按不同配比的實驗組在實驗周期內(nèi)氨氮出水濃度均顯著降低， 說明蛭石組合填料對氨氮的去除效果比土壤單獨做填料時要好， 且去除率也基本穩(wěn)定在95%左右，由此可見，蛭石對氨氮的去除效果和穩(wěn)定性能都比前面2 種填料好。 其中平均去除率最高且穩(wěn)定的是蛭石配比為35%組。

由圖5（b）可知，蛭石組合填料去除TN 的穩(wěn)定性比沸石和火山巖好，但是整體去除率也不如沸石，只有59．49%，和火山巖處理效果相近，從滲透系數(shù)角度分析，說明兩者的滲透系數(shù)相近，其中35%配比組是去除效果和穩(wěn)定性最好的， 說明此時滲透系數(shù)剛好達(dá)到物理吸附作用和生物細(xì)菌作用的平衡。

綜合3 種組合填料對氨氮和TN 的去除效果來看，對氨氮的去除效果要優(yōu)于TN，且TN 出水濃度大幅度波動，去除率總體呈先增大后減小的趨勢，主要由于這3 種填料自身的結(jié)構(gòu)特性均具有較強的物理吸附和離子交換能力， 并且土壤本身存在較多的反硝化細(xì)菌，而當(dāng)填料添加過多，土壤含量下降，導(dǎo)致對TN 處理效果降低且不穩(wěn)定，另外，裝置密閉性差，厭氧條件不佳，反硝化作用較弱。同樣，當(dāng)填料比例為50%時，氨氮和TN 去除率下降趨勢明顯，這可能是由于當(dāng)含量增加到一定程度之后， 生物滯留系統(tǒng)滲透系數(shù)過大，水流與填料接觸時間短，從而降低填料對水中污染物的去除效果。

3 結(jié)論

（1）蛭石對氨氮的去除率最高且最穩(wěn)定，其次為火山巖，但存在一定范圍的波動，最差的為沸石。 另根據(jù)本次試驗研究結(jié)果表明，35%的蛭石配比去除氨氮最佳。

（2）對TN 去除率最高的是沸石配比為35%的填料層， 其次為35%配比的蛭石和20%火山巖組，但是蛭石對TN 的去除性能最穩(wěn)定。

（3）綜合考慮填料性能以及生物滯留帶系統(tǒng)的中污染物特性，針對氮污染物去除，在選擇組合填料時，優(yōu)先選擇配比為35%的蛭石和沸石，其次是20%配比的火山巖， 能達(dá)到好且穩(wěn)定的去除效果。