碳源種類及其添加量對生物滯留性能的影響研究

王前朋，陳韜，裘娜

(1.北京建筑大學 城市雨水系統與水環境教育部重點實驗室，北京 100044； 2.北京市市政工程設計研究總院有限公司，北京 100082)

生物滯留系統可削減雨水徑流氮素污染。其中，微生物的硝化和反硝化作用是氮素永久去除的主要途徑[1-3]。研究發現，部分雨水徑流可生化性較差，反硝化菌所需碳源不足，降低了系統的脫氮效率[4]。外加碳源可提高系統的脫氮效果，尤其是對硝氮的去除[5-6]。

天然碳源存在釋碳量不穩定、釋放速率先快后慢等缺點[7-8]。對天然碳源改性預處理使釋碳速率更穩定，可有效協助生物滯留系統脫氮[9-12]。

綜上，本實驗選取發酵木屑、腐熟落葉和泥炭土等發酵改性材料作為研究對象，探究碳源種類和添加量對系統性能的影響，以期為生物滯留外加碳源協助脫氮提供理論參考。

1 實驗部分

1.1 材料

選取發酵木屑、腐熟落葉和泥炭土為實驗碳源，分別購于原生態居家生物坊、隆軒君子蘭苑和山南三營養土。發酵木屑、泥炭土自然風干后去除大顆粒，腐熟落葉自然風干后過0.45 cm標準篩，碳源經處理后裝入樣品袋置于干燥器中備用。

土壤層采用校園綠地土壤(自然風干后過0.45 cm 篩)、天然河沙(直徑1～1.5 mm)、碳源按不同配比(質量比)作為填料，礫石層為級配碎石(直徑0.075～26.5 mm)，卵石層為天然鵝卵石(直徑20～30 mm)。

1.2 實驗裝置

生物滯留模擬裝置構造見圖1，采用內徑200 mm 有機玻璃和PVC排水管制成的圓柱形結構。其主體高度為950 mm，自上而下分別為150 mm 淹沒層、400 mm土壤層、100 mm碎石層和300 mm卵石層構成，配有嵌入式排水管便于取樣和排水。模擬柱內壁用砂打磨粗糙以降低雨水沿內壁優先下滲，柱身貼有錫紙用于模擬土壤黑暗條件。

實驗共設計7組生物滯留模擬裝置，均種植本地區常用景觀綠化植物麥冬草。各裝置基質組成參考美國雨洪管理手冊，各裝置中基質的具體組成見表1。

表1 生物滯留系統的基質組成Table 1 Substrates composition of bioretention devices

1.3 系統運行條件

系統建成后，即進入預培養階段，此階段持續1個月。預培養階段進水為脫氯自來水，降雨間隔為4 d，模擬降雨強度為9.03 mm/h，水力負荷為150.4 L/(h·m2)，降雨持續時間為2 h，降雨結束后測量系統滲透系數，12 h后裝置排水放空。預培養階段之后系統進入正常實驗階段，此階段持續72 h。實驗階段進水使用人工配水，水力條件同預培養階段一致，72 h后裝置排水放空。

1.4 樣品采集與測定

2 結果與討論

2.1 水力性能

各實驗組的滲透系數隨預培養時間的變化情況見圖2。

由圖2可知，滲透系數整體隨時間快速下降后趨于平穩，添加組普遍優于對照組然而無數量級程度的差異。SH、LH和LL組的滲透系數均呈現先上升后下降，其中SH和LL組的滲透系數在下降階段均快于LH組，且LH組的滲透系數在預培養結束后仍具有下降趨勢且高于其他組。預培養階段結束后，LH組滲透系數為5.50×10-4m/s，其余各組穩定在1.36×10-4～3.01×10-4m/s，PH、PL和BK組滲透系數變化趨勢具有一致性。所有實驗組按土壤水文分類均屬于A類土，即能夠滿足生物滯留設施的滲透性能需求。

實驗結果表明，外加碳源能夠提升系統滲透性能，但碳源種類和添加量的不同使得滲透系數變化規律具有差異性。對比分析SH、SL和BK組發現，SL和BK組的滲透系數變化趨勢相似，而SH組的滲透系數呈現前期增加后期快速下降，推測由于發酵木屑在前期分解相對較快而導致孔隙數量增加，隨時間推移分解速率降低同時孔隙被填充，導致滲透性能下降，SL組發酵木屑添加量低使得滲透系數變化不明顯。

LH和LL組的滲透系數變化與BK組具有顯著的差異，推測LH組由于腐熟落葉呈片狀易與土壤交界處形成孔隙通道，易使雨水優先徑流此處，隨著雨水沖刷土葉界面孔隙光滑而導致優勢流作用凸顯，LH組滲透系數進一步增加。但隨著落葉的分解，孔隙通道被破壞使得滲透系數下降。LL組由于腐熟落葉含量低使得落葉被土壤分隔孤立，優勢流作用被削減，因此滲透系數呈現小幅上升而隨后下降。PH和PL組為泥炭土添加組，泥炭土黏粒含量高而性質接近于土壤，因此呈現與BK組相似的滲透系數變化規律。

2.2 水質凈化

2.2.1 對有機物的去除效果及分析 由圖3整體分析可知，不同碳源、不同添加量對生物滯留系統COD去除效果影響不顯著。各實驗組在72 h的實驗周期內未發生COD淋失，COD出水濃度均呈現快速下降然后小幅上升，最后緩慢下降。碳源添加組COD最終出水濃度為134～176 mg/L，對應去除率為51.11%～57.78%，而BK組出水濃度134 mg/L，去除率62.78%。LH組COD出水濃度在0～6 h高于其他組，一是由于腐熟落葉釋碳速率快且多為大分子有機物，二是LH組滲透速率大，不利于系統對有機物攔截去除。出水有機物來源于進水攜帶的有機物以及外加碳源中纖維素、半纖維素、木質素等的分解，生物滯留系統中有機物可通過攔截過濾、植物吸收、微生物利用等途徑去除[15]。在9 h處出現低峰而隨后出水COD濃度上升，可能是由于小分子有機物被微生物直接吸收到細胞內部直接利用或存貯，而大分子有機物被吸附在胞外，在胞外酶作用下分解為小分子有機物后部分釋放到水體中。

由圖4可知，UV254出水濃度與碳源添加量呈正相關，且不同種類碳源出水濃度差異性較大。UV254出水濃度前期波動而后期穩定，主要是因為運行初期好氧微生物活性高，分解速率快導致UV254出水濃度高，而隨著系統內溶解氧的降低，好氧微生物活性降低。相同添加量下，UV254出水濃度腐熟落葉>泥炭土>發酵木屑，說明發酵木屑作為生物滯留碳源釋放的有機物分子量更小，而分子量較小的有機物更利于微生物利用。各實驗組運行后期出水有機物釋放量相當，但有機物種類具有差異。

2.2.3 對磷的去除效果及分析 生物滯留模擬裝置對TP的去除效果見圖7。

由圖7可知，在72 h的實驗周期內，添加組和對照組均未發生磷素淋出。出水TP濃度整體呈現先下降后上升最終降至平穩，最終出水濃度為0.30～1.02 mg/L，去除率達49.0%～85.0%。TP最低出水濃度普遍出現在6～9 h，最低出水濃度和去除率分別達到0.02～0.58 mg/L和71.0%～99.0%。可見，基于優選碳源種類和碳源添加量的條件下，外加碳源輔助脫氮并不會引起系統磷素淋失。

各實驗組TP出水濃度變化趨勢具有一致性，初期TP的快速去除是由于聚磷菌有氧儲磷作用導致，介質中溶解氧水平隨時間推移下降導致聚磷菌釋磷，引起TP出水濃度升高。LH、LL和PH組在3 h 左右TP出水濃度高，是由于聚磷菌難以利用分子量大的有機物，使得系統初期吸附作用弱于其他組，與前文UV254分析結果具有一致性。對比分析發現，高添加量組SH、LH和PH組均高于對應低添加量組，且LL組僅低于LH和PH組，說明碳源種類同添加量一樣均是導致磷素淋失的重要因素，也可知腐熟落葉作為外加碳源不利于系統除磷。

生物滯留對磷的去除主要通過基質的吸附、微生物以及植物的吸收作用。外加碳源有利于微生物附著繁殖、從而增強微生物對磷的吸收同化，也可增加介質的陽離子交換量，進而提高對磷的吸附能力[17]。研究認為，隨著有機物濃度的增加，基質的吸附量降低，而微生物的作用越來越明顯[18]。

3 結論

(1)外加碳源能夠提升生物滯留系統的滲透系數，但碳源種類和添加量的不同使得滲透系數變化規律具有差異性。相同添加量下，腐熟落葉對系統的滲透系數提升最顯著，而泥炭土提升效果最弱，但腐熟落葉組在預培養階段滲透系數變化波動大，不利于系統快速進入穩定狀態，發酵木屑可作為生物滯留系統水力性能改善的優選填料。

(2)外加碳源不能提升生物滯留系統最終脫氮效果，但可使系統脫氮提前發生，也可降低硝氮淋失風險。LH、LL和SH組對硝氮去除提前效果最顯著，在12 h左右即可實現硝氮去除率達到79.28%～85.48%。除BK組在進水12 h后發生氮素淋失，其余碳源添加組均為發生硝氮淋失。此外，在實驗周期內也未發生COD、TP淋失。腐熟落葉和發酵木屑作為外加碳源對氮素去除影響差異性較小，但腐熟落葉磷素淋失風險高于后者，需兼顧脫氮除磷情況下，發酵木屑可作為生物滯留協助脫氮最佳碳源。

(3)從經濟角度分析，相較于傳統生物滯留的砂土填料，外加碳源改良一定程度上增加了系統的前期建設成本，但能夠同時兼顧水力性能和水質凈化需求，降低雨水徑流對受納水體環境的影響，因此其長期的環境效益顯著。此外，其他改性填料不僅需要高成本和高頻率的更換，而且舊改性填料需要妥善處理，增加了經濟負擔的同時易引發新的環境風險。相對而言，發酵堆肥改性的碳源無上述缺點，經濟環境效益更加凸顯。