鋁污泥填料改良生物滯留池對徑流污染的削減效果

張瑞斌，潘卓兮，奚道國，周乃，祖白玉

1.江蘇龍騰工程設計股份有限公司

2.江蘇省雨污水資源化利用工程技術研究中心

3.南京市生態河道工程技術研究中心

生物滯留池滯蓄凈化能力突出,是廣泛使用的低影響開發技術之一。生物滯留池的主要功能包括削減面源污染、改善水環境質量,滯蓄雨水徑流、削減洪峰,增加滲透面積、緩解熱島效應,美化景觀[1-4]。傳統生物滯留池對城市雨水徑流中氮、磷等污染物的去除效果差。生物滯留池的結構、填料種類和級配是影響其脫氮除磷效果的關鍵因素。生物滯留池對雨水徑流污染物的去除主要通過填料介質的吸附作用,不同填料以及填料之間的搭配對不同污染物的吸附效果存在一定差異,因此生物滯留池設計時首先考慮所用填料對目標污染物的吸附能力。鋁污泥是給水廠在給水處理過程中產量較大的副產物,其中含有大量的鋁及其聚合物,具有較強的污染物吸附性能[5-6],但其直接用于改良生物滯留池并不能充分發揮效果[7-10]。將鋁污泥與其他材料混合燒制成大孔顆粒狀填料,使其在理化性質、污染物吸附性能等方面得以提升,可以充分發揮其作為填料的吸附功能[11-14],且原料與制備成本低,同時還可實現廢物的資源化利用[11]。筆者結合南京地區的降雨強度、降雨濃度、降雨分布規律等,采用自主制備的鋁污泥復合填料[11](簡稱鋁污泥填料),設置鋁污泥與沸石不同配比,研究其作為生物滯留池改良填料時對不同濃度雨水徑流的削減效果,以期為南京地區海綿城市建設及水環境治理提供技術支持。

1 材料與方法

1.1 試驗裝置

小試裝置池體采用外徑40 cm、高1 m,底部封堵的聚乙烯(PE)管,自上而下依次為覆蓋層、種植土層、填料層和礫石墊層,種植土層、填料層和礫石墊層底部均設有出水口,填料層由不同粒徑鋁污泥填料和沸石按一定比例組成。試驗裝置如圖1所示。

圖1 小試試驗裝置Fig.1 Experimental device diagram

1.2 試驗條件

1.2.1 填料配比

生物滯留池改良填料主要包括鋁污泥填料和沸石,其中的鋁污泥填料由給水廠廢污泥與沸石、鋼渣等材料復合燒制而成,該產品在人工濕地應用中已表現出較好的脫氮除磷效果[11,15],但在生物滯留池中鮮有應用。鋁污泥填料和沸石的理化性質如表1所示。

表1 填料理化性質Table 1 Physicochemical properties of fillers

1.2.2 模擬進水配置

根據《南京市海綿城市規劃建設指南》的相關規定,以南京市江寧區為研究對象,分別確定設計降水量為50 mm、徑流系數為0.6、匯水面積為0.001 hm2,則生物滯留池進水量為0.3 m3。根據南京市平均降水歷時確定進水時間為80 min,由于降水受多種因素影響,單一的進水濃度不具代表性,根據南京市降水特點,分別確定高、中、低3種梯度的污染物進水濃度(表2)。

采用人工配水,根據設定的污染物濃度配制相應的模擬雨水,分別采用葡萄糖(C6H12O6,AR)、磷酸二氫鉀(KH2PO4,AR)、氯化銨(NH4Cl)、硝酸鉀(KNO3)模擬雨水中的COD以及總氮(TN)、氨氮(NH3-N)濃度。

1.2.3 試驗設計

采用正交試驗設計,以改良填料層中鋁污泥填料填充厚度和進水濃度為控制因素,在填料層填充鋁污泥和沸石,其體積比分別為3∶2(A組)和4∶1(B組),進水水質控制高(A1、B1)、中(A2、B2)、低(A3、B3)3種濃度(表2)。將3種濃度的進水分別在水桶中配置,每隔0.5 h攪拌1次,保證濃度均勻,每種濃度的進水桶同時連接2種不同配比填料層的模擬填料柱,通過調節進出水閥門控制進水量。進水分為2個階段:第一階段為滯留池馴化,使用自來水對填料沖刷3次,保持填料高度不變,沖刷掉填料表面多余的養分；第二階段為裝置的滲透性及對雨水徑流污染物的去除效果分析,裝置連續運行6個周期,每周期為2 h,每0.5 h取樣1次,測定COD與TP、TN、NH3-N的濃度,設置5組平行樣,取平均值。

表2 試驗組設計Table 2 Designs of experimental group

1.3 試驗內容

1.3.1 吸附試驗

為確定填料對氮、磷污染物的吸附效果,添加2倍裝置體積的模擬雨水,分別以高、中、低3種濃度進行不同鋁污泥填料與沸石填料配比的混合吸附試驗。試驗裝置置于恒溫搖床中搖晃12 h,測定吸附前后污染物濃度變化,計算吸附量。公式如下:

式中:S為吸附量,mg∕g；c1為進水濃度,mg∕L；c2為出水濃度,mg∕L；V為進水體積,L；m為填料質量,g。

1.3.2 生物滯留池滲透性能評價

滲透性能是評價生物滯留池的重要指標,本研究的小試裝置考慮了填料、覆土等滲透性能問題,在提供植物正常生長條件下保持裝置的滯水與滲透能力。生物滯留池滲透性能用滲透系數表示,采用達西定律計算,公式如下:

式中:K為滲透系數,cm∕s；Q為滲透量,L∕s；A為布水截面積,m2；Δh為水頭差,m；L為滲流長度,m。

1.3.3 污染物去除性能

污染物去除性能以生物滯留池對進水中污染物的削減效果作為評價指標,用去除率(η)表示,計算公式如下:

1.4 指標測定方法

COD采用GB 11914—89《水質 化學需氧量的測定 重鉻酸鹽法》測定,NH3-N濃度采用HJ 535—2009《水質 氨氮的測定 納氏試劑分光光度法》測定,TN濃度采用GB 11894—89《水質 總氮的測定堿性過硫酸鉀消解紫外分光光度法》測定,TP濃度采用GB∕T 11893—1989《水質 總磷的測定 鉬酸銨分光光度法》測定。

2 結果

2.1 2種配比填料的吸附效果

2種鋁污泥與沸石配比的填料對不同濃度TN、TP的吸附量如圖2所示。由圖2可知,2種配比的填料對不同濃度TN均有一定的吸附效果,隨著TN濃度的降低,2種配比填料對TN的吸附量均降低；但2種配比的填料對同一濃度TN的吸附量無顯著差異。在不同濃度TP下,鋁污泥與沸石配比為4∶1時的吸附量均高于鋁污泥與沸石配比為3∶2時,且鋁污泥與沸石配比為4∶1時,對各濃度TP均保持較高的吸附量。

圖2 2種配比的填料對TN、TP的吸附量Fig.2 Adsorption capacity of TN,TP by two kinds of fillers of different proportions

2.2 生物滯留池滲透性

2種配比下不同濃度模擬雨水對生物滯留池滲透性的影響如圖3所示。由圖3可知,鋁污泥與沸石配比為4∶1的生物滯留池滲透系數均高于鋁污泥與沸石配比為3∶2的生物滯留池,隨著運行周期的增加,2種配比填料的生物滯留池的滲透性均有一定程度的降低。其中,高濃度模擬雨水中,隨著運行周期的增加,鋁污泥與沸石配比為3∶2的生物滯留池滲透系數由0.006 8 cm∕s降至0.003 3 cm∕s,降幅高達51.5%；鋁污泥與沸石配比為4∶1的生物滯留池滲透系數由0.007 5 cm∕s降至0.005 8 cm∕s,降低了22.7%。中濃度模擬雨水中,鋁污泥與沸石配比為3∶2的生物滯留池滲透系數降低25.2%,鋁污泥與沸石配比為4∶1的生物滯留池滲透系數降低16.4%。低濃度模擬雨水中,鋁污泥與沸石配比為3∶2的生物滯留池滲透系數降低11.8%,鋁污泥與沸石配比為4∶1的生物滯留池滲透系數降低8.1%,鋁污泥填料占比高的生物滯留池滲透系數降低程度均小于鋁污泥填料占比低的生物滯留池。

圖3 不同濃度雨水下2種配比填料生物滯留池滲透系數變化Fig.3 Variation of permeability coefficient of bioretention tank with two kinds of fillers under different concentrations of rainwater

2.3 生物滯留池對污染物削減效果

不同鋁污泥與沸石配比的生物滯留池對高、中、低濃度模擬雨水COD去除效果如圖4所示。由圖4可知,生物滯留池從第2個運行周期開始,出水COD趨于穩定；2種配比的生物滯留池對相同進水COD的去除率無明顯差異,對高COD進水的去除率為55.3%~62.4%,對中COD進水的去除率為49.8%~60.4%,對低COD進水的去除率為37.5%~50.0%；隨著進水COD的降低,2種配比填料的生物滯留池對COD去除率均降低。

不同鋁污泥與沸石配比的生物滯留池對高、中、低濃度模擬雨水TP去除效果如圖5所示。由圖5可知,從第2個運行周期開始,生物滯留池出水TP濃度趨于穩定。高進水TP濃度時,A1組生物滯留池對TP的去除率為75.3%~79.0%,B1組生物滯留池對TP的去除率為82.1%~89.0%,后者去除率高于前者；中濃度時,A2、B2組生物滯留池對TP的去除率分別為70.5%~73.2%和75.0%~76.6%,鋁污泥與沸石配比為4∶1的生物滯留池對TP的去除率高于鋁污泥與沸石配比為3∶2的生物滯留池。低濃度時,2種配比填料的生物滯留池對TP的去除效果無明顯差異,去除率為60.2%~70.6%。

圖5 生物滯留池對TP去除效果Fig.5 Removal effects of TP by bioretention tank

不同鋁污泥與沸石配比的生物滯留池對高、中、低濃度模擬雨水TN去除效果如圖6所示。由圖6可知,高進水TN濃度時,A1和B1生物滯留池對TN的去除率分別為54.3%~58.6%,62.0%~66.4%,鋁污泥與沸石配比為4∶1的生物滯留池對TN的去除率顯著大于鋁污泥與沸石配比為3∶2的生物滯留池。中濃度時,A2和B2組生物滯留池對TN的去除率分別為56.0%~59.5%和60.5%~63.0%,與高濃度時的去除效果一致。低濃度時,2種填料配比的生物滯留池對TN的去除效果無明顯差異,去除率為48.3%~51.0%。高、中濃度時,同一配比填料的生物滯留池對TN去除效果無明顯差異,低濃度時,生物滯留池對TN去除率顯著降低。

圖6 生物滯留池對TN去除效果Fig.6 Removal effects of TN by bioretention tank

不同鋁污泥與沸石配比的生物滯留池對高、中、低濃度模擬雨水NH3-N去除效果如圖7所示。由圖7可知,2種填料配比的生物滯留池對NH3-N的去除效果變化趨勢與TN基本相同,高濃度時,A1和B1組生物滯留池對NH3-N去除率分別為56.7%~59.2%和61.7%~68.0%；中濃度時,A2和B2組生物滯留池對NH3-N去除率分別為56.2%~58.8%和67.5%~70.5%；低濃度時,A3和B3生物滯留池去除率為40.4%~49.5%。

圖7 生物滯留池對NH 3-N去除效果Fig.7 Removal effect of NH3-N by bioretention tank

3 討論

3.1 填料的吸附性能

本研究所選用的鋁污泥填料主要由水廠廢棄鋁污泥燒結而成,其在人工濕地中長期應用結果表明[11],只有在最初的10~14 d會有鋁離子濾出,且濾出濃度在世界衛生組織建議的限值之內。鋁污泥復合填料在人工濕地處理生化尾水、生活污水等方面已有大量應用[11,15],該填料對水中的污染物有較好的削減效果,尤其是對磷的吸附效果顯著。由于鋁污泥填料對磷的吸附特性,當填料配比中鋁污泥量較大時,填料的吸附量增大,對磷的吸附效果顯著提升。對沸石吸附量的相關研究表明,沸石對磷的吸附量隨著污染物初始濃度的增加而增加[16-18],因此當水體中初始TP濃度降低時,沸石對磷的吸附能力相對減弱,吸附率降低。不同類型的填料對污染物的吸附效果存在最優配比[19],本研究中當鋁污泥與沸石配比為4∶1時對TP的吸附性能較優。

3.2 生物滯留池的滲透性

生物滯留池滲透系數的高低直接影響其處理效果[20-21],滲透系數較高時,滯留池持水性差,停留時間不足以去除水體污染物；而滲透系數較低時,則會導致徑流溢出,產生二次污染。生物滯留池要求填充材料壓實后仍保持適合的滲透系數,本研究中生物滯留池的滲透系數均滿足美國國家環境保護局(US EPA)及新西蘭的設計要求(1.25 cm∕h以上)[22]。

生物滯留池對水中污染物的去除是植物、填料和微生物共同作用的結果,在生物滯留池中,微生物在填料表面形成生物膜,隨著代謝產物逐漸積聚、植物根系生長等,生物滯留池滲透性逐漸降低。尤其是在進水污染物濃度較高時,填料吸附能力隨著時間的增長而降低,填料的吸附量易達到飽和狀態[3,23],使滲透系數顯著下降；而進水污染物濃度相對較低時,吸附量在一定時間內不能達到飽和程度,滲透系數變化較小。鋁污泥填料含有豐富的鋁∕鐵鹽或聚合物,對磷有較強的吸附螯合能力[24]；鋁污泥填料比表面積較大,增加了微生物與水中氮、磷的接觸面積[11],提升了填料對污染物的吸附能力,因此鋁污泥配比較高的生物滯留池滲透系數下降較為平緩,且滲透性高于鋁污泥配比較低的生物滯留池；同時填料較高的吸附能力提升了其使用時間,進而延長生物滯留池使用壽命。鋁污泥填料孔隙率較高[11],較小的懸浮顆粒物可以在一定水流沖刷下從生物滯留池中脫除,降低堵塞可能性,延長運行維護周期,但在實際應用中若想充分發揮生物滯留池的滲透效果,需在生物滯留池前設置緩沖區,截留較大顆粒懸浮物,保持生物滯留池高效滲透性。

3.3 生物滯留池去除污染物效果

基于鋁污泥填料對TP較好的吸附效果[10-11,24],針對高濃度和中濃度模擬雨水,鋁污泥與沸石配比為4∶1的生物滯留池對TP均保持較高的去除率,且均高于鋁污泥與沸石配比為3∶2的生物滯留池,表明在生物滯留池中鋁污泥填料對TP的去除效果優于傳統沸石。2種生物滯留池對低濃度模擬雨水的去除效果顯著降低,且無明顯差異。磷吸附動力學相關研究結果表明,填料對磷的吸附效果與磷酸鹽濃度呈正相關[25-27],當水中磷酸鹽濃度較低時,不足以支撐植物、微生物的生命活動。生物滯留池對氮的去除機理與人工濕地相似,主要通過池內填料吸附、植物根系以及池內微生物硝化、反硝化的共同作用,因此填料的類型、配比等直接影響生物滯留池的去除效果[28]。當模擬雨水中污染物濃度較高時,生物滯留池經過一定周期運行實現厭氧、缺氧、好氧狀態,且有充足的碳源,形成適合硝化、反硝化微生物的生長環境,在生物滯留池中完成了填料吸附、微生物代謝和植物吸收,實現較好的氮去除效果。當模擬雨水污染物濃度較低時,填料對氨氮的吸附效果隨污染物濃度的降低而降低[29-30],這是由于水體中碳源不足以支撐微生物的代謝活動,導致氮的去除率明顯下降[31-32]；污染物濃度較高時,鋁污泥填料配比較高的生物滯留池相對于配比較低的生物滯留池在脫氮效果方面具有一定優勢。

4 結論

(1)通過提高鋁污泥在填料中的配比可以顯著提升生物滯留池對高濃度雨水中污染物的去除效果,尤其是對TP的去除率可達89.0%,COD、TN和NH3-N去除率可達62.4%、66.4%和68.0%,均維持在較高水平。低濃度時,鋁污泥填料配比的高低對生物滯留池去除污染物效果無明顯影響。

(2)高配比鋁污泥的生物滯留池滲透性強,鋁污泥填料吸附量大,在一定運行周期內可保持較高的滲透與吸附效果,且提高生物滯留池的使用壽命,延長其運行維護周期。