改良填料生物滯留柱去除雨水徑流中污染物試驗研究

付崢嶸，倪尚源，王耀輝，唐寧遠，馬滿英，劉岳林

（1.湖南工業大學 土木工程學院，湖南 株洲 412007；2.株洲華晟環保技術有限公司，湖南 株洲 412007）

0 引言

城市化發展使城區不透水地面比例持續增大，容易導致嚴重的城市內澇與非點源污染問題[1]，亟需有效的措施控制和管理城市雨水徑流。隨著城市點源污染得到有效控制，非點源污染問題越來越突出，已成為眾多城市水體受到污染的根本原因[2]。為了減輕城市化的負面影響，發達國家譬如美國已提出并實施低影響開發理念、設施來解決或緩解非點源污染帶來的水量和水質問題，廣泛利用了屋頂綠化、生物滯留池和多孔人行道等低影響開發控制設施[3]。生物滯留池通過植物-土壤-微生物系統滲濾雨水徑流，可有效控制水量，改善雨水徑流水質，并已經在發達國家得到廣泛應用[4]。

傳統的生物滯留系統由種植層、過渡層、砂礫層和底部排水收集裝置組成，并未考慮設置缺氧區，不具備反硝化脫氮功能，因此對N 的去除效果波動較大、不穩定[5-6]。不同的填料特性對系統氮、磷去除有著至關重要的作用。填料的種類、材質不同，對污染物的去除效果也不同，選擇合適的填料對提升生物滯留系統N 去除效果很重要[7]。

本研究構建了1 個對照柱（Z1）和3 個裝有不同改良填料層（麥飯石、沸石、蛭石）的生物滯留柱（Z2、Z3 和Z4），均設置了35 cm 的淹沒區，探究4 個生物滯留柱對氨氮、TP（total phosphorus，TP）、COD（chemical oxygen demand，COD）、硝態氮的去除效果，并對生物滯留柱出水進行分層取樣，在此基礎上，分析了生物滯留柱對氨氮、總磷、化學需氧量、硝態氮的去除機理，為生物滯留設施的設計、應用提供數據支撐。

1 材料與方法

1.1 材料

1.1.1 試驗原料

本研究中，生物滯留池所用的主要填料為麥飯石、蛭石、沸石。種植土為校園內綠化帶土壤和草炭土混合填料。

1.1.2 主要試劑

鉬酸銨(NH4)6Mo7O24·4H2O、硝酸鉀KNO3、酒石酸銻鉀KSbC4H4O7·1/2H2O、磷酸二氫鉀 KH2PO4、重鉻酸鉀K2Cr2O7、硫酸汞HgSO4、乙酸乙酯C4H8O2、次硫酸鈉Na2S2O4。試劑均，均為化學分析純，購自于阿拉丁試劑公司。

1.1.3 主要儀器

紫外-可見光分光光度計，UV-1800，上海美譜達儀器有限公司；超聲清洗儀，SB-3200DT，寧波新芝生物科技有限公司；高壓蒸汽滅菌鍋，YXQLS-500SII，上海博訊醫療生物儀器股份有限分司；精密大流量蠕動泵，BT100-2J，保定蘭格恒流泵有限公司。

1.2 試驗裝置

生物滯留柱由PP 材料制成，高度為1 000 mm，內徑為300 mm。該裝置外部從各填料層底部區域埋設穿孔取樣管，進行分層取樣，便于研究各填料柱的水質情況。底部出水采用穿孔排水管，保證出水順暢。該裝置內部結構從上到下依次為種植土（100 mm）、承托層（300 mm）、改良填料層（200 mm）、礫石層（200 mm），如圖1所示。

圖1 試驗裝置結構示意圖Fig.1 Schematic diagram of test device

種植土層采用草炭土與校園內綠化帶土壤按照體積比為2:1 的比例混合而成，土壤粒徑范圍小于1.0 mm；承托層采用市購的河沙；改良填料層分別采用麥飯石、沸石和蛭石進行裝填；礫石層采用火山巖，目的是充分利用火山巖的大孔隙率的特性來存續水量以及對水中污染物質進行后續吸收處理，生物滯留柱內填料的理化性質見表1，詳細結構見表2。

表1 填料理化性質參數表Table 1 Physical and chemical property parameters of fillers

表2 生物滯留柱填料結構Table 2 Packing structure of biological retention columns

1.3 試驗方法

1.3.1 進水水質與水量

試驗用水參考校園道路地表徑流各項實測數據進行半人工配制，進水中各污染物濃度與配制藥劑如表3所示。參考《海綿城市建設技術指南》，全年的降雨事件中，絕大部分為中小雨量的降雨事件，本次試驗進水量相當于一場累積雨量為18.1 mm 的中雨。生物滯留設施與不透水下墊面的面積比一般為5%～10%，本次試驗中取5%，徑流系數按照0.9 計算，單次進水量為23.0 L。

表3 進水水質與來源Table 3 Influent water quality with its source

1.3.2 試驗方法

為保證植物正常生長及填料中微生物的活性，同時降低種植土填料的淋洗作用對生物滯留柱污染物去除效果的影響，在正式試驗前，用自來水對Z1～Z4進行淋洗，單次進水量為25 L，間隔時間為2 d，淋洗持續時間為14 d。淋洗期后正式試驗，每次試驗取樣完成后干燥5～6 d，共進行10 次試驗。

取樣時間視柱子出水速度而定，一般為0.5,1,2,3,4,5,8,12,16 h。采集上層和底部的出水水樣。通過對出水水質的檢測結果來觀察不同停留時間對生物滯留柱出水效果的影響。

1.4 分析方法

本次試驗主要檢測的水質指標為COD、氨氮（NH4+-N）、硝態氮（NO3--N）、TP。采用重鉻酸鉀氨氮法檢測COD 濃度，采用納氏試劑分光光度法檢測氨氮濃度，采用紫外分光光度法監測硝態氮濃度，采用鉬酸銨分光光度法檢測TP 濃度。

采用統計軟件SPSS 對進水和出水污染物濃度、生物滯留柱污染物去除效率進行處理分析。

2 結果與分析

2.1 出水流量

滲透速率是生物滯留設施水量、水質控制性能的重要影響因素。

圖2為生物滯留柱Z1～Z4 的出流量和累積出流量。

圖2 生物滯留柱Z1～Z4 的出流量和累積出流量曲線Fig.2 Discharge and cumulative discharge of biological retention columns Z1～Z4

從圖2a 可以看出，Z1、Z2、Z3 和Z4 柱出流峰值分別為10.0,8.3,6.9,5.4 cm/h。圖2b 累積出流量中，Z1～Z4 在前8 h 的累積出流量分別占到各柱子總累積出流量的99.7%,96.00%,92.09%,85.52%。Z4 的出流時間較其他柱子晚，出流速率峰值也低于其他柱子，這可能和Z4 的蛭石填料層的粒徑分布有很大關系，其均勻系數（d80/d10）較其他柱子對應層填料高，填料中小顆粒擠占大顆粒孔隙，影響了整個柱子的出水流速。

2.2 TP

圖3為Z1～Z4 的出水TP 濃度變化和上層10 cm取樣口出水濃度變化曲線。

圖3 Z1～Z4 的出水TP 濃度變化和上層10 cm 取樣口出水濃度變化曲線Fig.3 Changes of TP concentration in the effluent of the biological retention column Z1～Z4 and the change of the effluent concentration of the upper 10 cm sampling port

如圖3a 所示，Z1～Z4 生物滯留柱的TP 出水濃度分別為0.19,0.19,0.21,0.13 mg/L，顯著低于試驗模擬進水總磷濃度（p＜0.05），表明各生物滯留柱均對模擬徑流中TP 具有明顯的去除效果。各生物滯留柱對TP 的去除率范圍分別在75.5%～78.6%、76.6%～81.8%、72.22%～81.11% 和88.33%～88.89%，其中蛭石填料的Z4 對TP 的去除效果最佳。圖3b 給出了各生物滯留柱的上層取樣結果。結果表明，生物滯留柱表面200 mm 填料可以去除大部分的TP，因為在雨水徑流中磷的存在形態主要是顆粒態磷，主要通過填料過濾截留去除，并且水流流速越低，除磷效果越好，張小玲等學者也得出類似結果[8]。Z4 對磷的去除效果好于其他柱子，與柱子裝填的蛭石有關，方媛媛等[9]研究發現蛭石對磷的吸附效果好于其他填料。試驗期間Z1～Z4 裝置對總磷的去除率有所下降的原因猜測是由于隨著時間的增長會使填料的有效吸附位點數量逐漸減少[10]。

2.3 COD

圖4為Z1～Z4 的出水COD 濃度變化曲線和平均出水濃度。

圖4 Z1～Z4 的出水COD 濃度變化曲線和平均出水濃度Fig.4 Concentration change and average concentration of COD in the effluent of the biological retention column

試驗階段，除Z1 外其他生物滯留柱對COD 的去除率均達90%以上，如圖4所示，說明本試驗選取的3 種填料柱子（Z2、Z3、Z4）都提升了生物滯留柱對COD 的去除能力，顯著低于試驗模擬進水COD 濃度（p＜0.05）。國內多位學者[11]研究顯示雨水徑流中COD 與SS 具有很大相關性，由于填料的過濾攔截，大部分顆粒態污染物得到了較好的處理。而溶解態COD 則主要通過填料的吸附、生物降解得到了很好的去除。因此，本試驗的植物以及填料均對COD 的去除產生了不同程度的促進作用。

2.4 氨氮

圖5為Z1～Z4 的出水氨氮濃度變化和分層取樣濃度。

圖5 Z1～Z4 的出水氨氮濃度變化和分層取樣濃度Fig.5 Changes in the concentration of NH4+-N in the effluent of the biological retention column Z1～Z4 and the concentration of stratified sampling

隨著試驗的進行，Z1～Z4 試驗裝置對氨氮的去除能力隨時間逐漸下降，逐漸趨于穩定，平均出水濃度分別為(0.70±0.19),(0.55±0.0.21),(0.41±0.11),(0.37±0.13) mg/L。4 個柱子對于氨氮的去除效率沒有顯著差異（p＞0.05）。結合圖5b 的氨氮分層取樣結果，表明進水過程中，表層填料對進水中氨氮具有較好的吸附作用，大部分氨氮被表層填料吸附，試驗間歇期間通過微生物的硝化作用將表層填料上吸附的氨氮轉化為硝態氮，表層填料氨氮吸附能力得到恢復，A.M.O'reilly 等[11]也報道了類似結果。Z2～Z4 生物滯留柱淹沒區內裝填了對氨氮具有較好吸附能力的麥飯石、蛭石、沸石，試驗初期Z2～Z4 生物滯留柱取得了較好的處理效果，因為淹沒區殘存液中溶解氧比較少，空氣中的氧也難以輸送到淹沒區，在試驗間隔淹沒區內麥飯石、蛭石、沸石上吸附的氨氮，僅有少量通過硝化作用轉化為硝態氮，隨著試驗的進行，麥飯石、蛭石、沸石的吸附能力逐漸飽和，試驗后期Z2～Z4 生物滯留柱氨氮去除效果下降，并趨于穩定。

2.5 硝態氮

生物滯留柱Z1～Z4 的出水硝態氮濃度變化和上層10 cm 取樣口出水濃度變化如圖6所示。

圖6 Z1～Z4 的出水硝態氮濃度變化和上層10 cm 取樣口出水濃度變化曲線Fig.6 Changes of NO3--N concentration in the effluent of the biological retention column Z1～Z4 and the change of the effluent concentration of the upper 10 cm sampling port

從圖6b 中可知，Z1～Z4 裝置在試驗初期的硝態氮的上層出水濃度異常升高，與試驗間隔表層填料吸附的氨氮轉化為硝態氮有關。下層取樣口硝態氮的平均出水濃度為(0.66±0.22),(0.57±0.19),(0.44±0.23)mg/L 和(0.36±0.18) mg/L，并且4 個柱子對于硝態氮的去除率沒有顯著差異（p＞0.05），從圖6a 中可以看出在最初進水的4 h 內，4 個裝置底部出水中硝態氮濃度很低，這部分出水主要源自淹沒區內填料孔隙中殘存液，在試驗間隔，通過反硝化作用殘存液中硝態氮得到很好的去除，因此底部最初出水水樣中，硝態氮濃度很低。

在隨后的出水中，由于上層填料中高濃度硝態氮隨著進水進入淹沒區，導致接下來幾個小時內，出水中硝態氮濃度急劇上升，甚至超過了進水濃度。

隨著上層填料高濃度的淋洗液流出，接下來的出水中主要為本次進水，進水在淹沒區的停留時間比較短，在進水過程中，進水中硝態氮很難通過反硝化完全得以去除，因此出水中硝態氮接近或低于進水濃度[12]。其中，根據4 個柱子的出水流速過程線，可知蛭石出水速度低于其他3 個柱子，可能是因和蛭石粒徑小，且蛭石粒徑的不均勻系數較高，導致裝填蛭石的生物滯留柱出水流速較慢，進水在蛭石填料柱淹沒區內的停留時間較其他幾個柱子長，出水中硝態氮濃度也低于其他柱子，對硝態氮整體去除效果也好于其他柱子。

3 結論

1）通過裝填不同的改良填料來分析不同生物滯留池模擬裝置對污染物質的去除效果，在設置的35 cm 淹沒區高度下4 個試驗裝置對TP、COD、氨氮、硝態氮的去除率分別為76.7%～85.6%、87.78%～94.19%、76.7%～87.67%和78%～88%。

2）在試驗期間，3 種填料在氨氮和硝態氮的去除效果上均有提升，其中蛭石填料的硝態氮N 去除率相較于河沙填料的硝態氮去除率提升了10%，氨氮的去除率相較于河沙填料提升了20%，由于Z4 柱子的均勻系數較其他柱子對應層填料高，填料中小顆粒擠占大顆粒孔隙，影響了整個柱子的出水流速，使得蛭石的去除率提升了不少。

3）隨著面源污染問題的日趨嚴重，改良生物滯留設施的填料能夠提高設施對于污染物的處理效果，更有效的控制污染源頭。綜合本研究得出結論，由于蛭石填料對磷的去除效果好，在富營養化高的地區可采用蛭石填料加強對磷的去除，同時在實際工程應用中應結合場地的使用面積綜合考慮選擇生物滯留池的填料，實際工程現場若有充足的使用面積，可以使用均勻系數更低的填料，反之若實際工程場地有限，可以使用均勻系數高的蛭石填料。

本研究為生物滯留設施填料的優化設計提供了參考，對實現海綿城市建設發展有一定的推進作用。未來的研究應著重關注生物滯留設施填料中長期使用情況，以及不同運行工況下設施的處理效果。