三聚氰胺脲醛樹(shù)脂發(fā)泡體應(yīng)用于綠色屋頂基質(zhì)的效果

董 悅，易 寧，章 茹*，候元元

(南昌大學(xué) a.資源與環(huán)境學(xué)院；b.鄱陽(yáng)湖環(huán)境與資源利用教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； c.分析測(cè)試中心，江西 南昌 330031)

綠色屋頂可以調(diào)控徑流水質(zhì)水量、緩解城市熱島效應(yīng)及改善住宅區(qū)微環(huán)境等[1-2]，是解決如今城市日趨嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境問(wèn)題的重要措施之一，在發(fā)達(dá)國(guó)家已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用。基質(zhì)層材料性能是綠色屋頂截流減污效果的重要影響因素，常見(jiàn)的基質(zhì)層材料如沙子、菜園土等容重較大，易導(dǎo)致荷載過(guò)大[3]，吸水保水性差；而輕質(zhì)基質(zhì)如珍珠巖、蛭石等[3]無(wú)營(yíng)養(yǎng)元素，難以供給植物營(yíng)養(yǎng)，易造成綠色屋頂荷載較大、截流減污效果差等問(wèn)題。為了解決該問(wèn)題，有研究表明可將脲醛泡沫應(yīng)用于無(wú)土栽培基質(zhì)[4-9]，脲醛泡沫質(zhì)輕、吸水保水性能好，而且泡沫中的氮經(jīng)土壤中細(xì)菌分解，作為營(yíng)養(yǎng)成分進(jìn)入土壤中，但脲醛泡沫同時(shí)具有甲醛釋放量大、韌性和耐水性較差等[4，10-12]問(wèn)題。候元元[13]研制出MUF發(fā)泡體，富含氮素、質(zhì)輕及水保水性好，可補(bǔ)充植物營(yíng)養(yǎng)、調(diào)節(jié)基質(zhì)層容重和增強(qiáng)滯蓄能力；并粗淺探討了MUF發(fā)泡體添加對(duì)于綠色屋頂徑流氮磷去除率的影響。本研究通過(guò)對(duì)比MUF發(fā)泡體基質(zhì)添加后對(duì)于綠色屋頂徑流氮磷濃度隨降雨時(shí)間的變化規(guī)律影響，進(jìn)一步加深MUF發(fā)泡體基質(zhì)應(yīng)用效果研究。

基質(zhì)配比和降雨強(qiáng)度是綠色屋頂徑流水質(zhì)的重要影響因素。基質(zhì)材料的優(yōu)選是構(gòu)建綠色屋頂?shù)谋亟?jīng)步驟，候元元研究選用的粉煤灰基質(zhì)[13]粒徑過(guò)小，易堵塞出流，本研究替換為沸石，其離子交換性能強(qiáng)，吸附性能好，對(duì)于氨氮[14]和磷都有良好的去除效果。基質(zhì)配比設(shè)計(jì)借鑒了前人研究[15-17]。綠色屋頂是徑流污染物的源或匯一直是領(lǐng)域內(nèi)一個(gè)備具爭(zhēng)議的點(diǎn)[14,18-21]，可用來(lái)分析徑流氮磷遷移轉(zhuǎn)化關(guān)系。

本研究以MUF發(fā)泡體和紅壤為營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)層，以珍珠巖、蛭石、沸石和活性炭為吸附層，構(gòu)建4種不同基質(zhì)配比的綠色屋頂實(shí)驗(yàn)裝置，設(shè)計(jì)3種不同降雨強(qiáng)度的模擬實(shí)驗(yàn)，通過(guò)分析MUF發(fā)泡體添加后，綠色屋頂在連續(xù)降雨條件下，徑流氮磷濃度隨降雨時(shí)間的變化規(guī)律，進(jìn)一步探討了MUF發(fā)泡體加入綠色屋頂基質(zhì)層后，降雨條件與氮磷處理效果的源或匯關(guān)系。研究補(bǔ)充了MUF發(fā)泡體作為綠色屋頂基質(zhì)應(yīng)用的參考依據(jù)，且為綠色屋頂技術(shù)的發(fā)展提供了新的思路。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

實(shí)驗(yàn)所需基質(zhì)材料有MUF發(fā)泡體、紅壤、珍珠巖、蛭石、活性炭和沸石，其中MUF發(fā)泡體是實(shí)驗(yàn)室自制，紅壤采集于當(dāng)?shù)赝寥溃渲閹r、蛭石、活性炭和沸石均采購(gòu)于騰遠(yuǎn)基質(zhì)材料有限公司。下表1是各基質(zhì)材料基本物理性質(zhì)參數(shù)。表2是各基質(zhì)材料的氮磷值。

表1 綠色屋頂基質(zhì)材料物理性質(zhì)Tab.1 Physical properties of green roof matrix materials

表2 各基質(zhì)材料氮磷背景值Tab.2 Nitrogen and phosphorus background values of each matrix material

1.2 主要儀器設(shè)備

UV-6100紫外分光光度計(jì)(上海元析儀器有限公司)；LHS-18A高壓蒸汽滅菌器(寧波凌宏醫(yī)療器械科技有限公司)；A200206鼓風(fēng)干燥箱(上海艾測(cè)電子科技有限公司)。

1.3 實(shí)驗(yàn)方法

1.3.1 模擬裝置

實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)4組0.380 m×0.275 m×0.215 m的綠色屋頂模擬實(shí)驗(yàn)裝置；裝置示意圖如圖1，從上到下分別為基質(zhì)層(50 mm)、過(guò)濾層(2 mm土工布)和蓄排水層(2.5 mm蓄排水板)；為避免植物因素影響本研究探討綠色屋頂基質(zhì)MUF發(fā)泡體的應(yīng)用效果，實(shí)驗(yàn)并未設(shè)計(jì)植物層。基質(zhì)層是營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)和吸附基質(zhì)均勻混合而成，如圖1所示，其中營(yíng)養(yǎng)基質(zhì)/吸附基質(zhì)是4:6(體積比)，具體配比見(jiàn)表3。

圖1 綠色屋頂模擬裝置示意圖Fig.1 Schematic diagram of green roof simulation device

表3 綠色屋頂模擬裝置基質(zhì)配比Tab.3 Matrix ratio of green roof simulation device

1.3.2 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.3.2 分析方法

總氮測(cè)定方法為過(guò)硫酸鉀-分光光度法(HJ636-2012)；總磷測(cè)定方法為鉬酸銨分光光度法(GB/T11893-89)；氨氮測(cè)定方法為納氏試劑分光光度法(HJ 535-2009)；硝氮測(cè)定方法為紫外分光光度法(HJ/T 346-2007)。

1.4 數(shù)據(jù)分析

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采用Excel進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，采用Origin2017軟件繪圖，采用ANOVA單因素方差分析中的F檢驗(yàn)方法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行差異顯著性分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同降雨強(qiáng)度和基質(zhì)配比下徑流總氮濃度分析

MUF發(fā)泡體添加后，降雨強(qiáng)度因素對(duì)于各裝置徑流總氮平均濃度并無(wú)顯著性影響，而不同基質(zhì)配比則對(duì)其有顯著性影響(α=0.05，表4)。由圖2可得，A裝置的徑流總氮平均濃度均小于裝置B、C和D，這表明A裝置基質(zhì)層結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性更好，MUF發(fā)泡體添加量與徑流總氮平均濃度成正相關(guān)。A裝置徑流總氮平均濃度和降雨強(qiáng)度成反比，而B(niǎo)、C、D裝置的徑流總氮平均濃度隨降雨強(qiáng)度增加而先升后降，分析原因是A裝置基質(zhì)層抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)；B、C、D裝置在降雨強(qiáng)度不大時(shí)，MUF發(fā)泡體和活性炭等基質(zhì)的氮淋出量和降雨強(qiáng)度呈正比，降雨強(qiáng)度過(guò)大時(shí)，基質(zhì)層內(nèi)氧氣含量過(guò)低，反硝化作用更強(qiáng)，硝氮被轉(zhuǎn)化為氮?dú)庖莩觯偟肯陆怠?/p>

表4 不同降雨強(qiáng)度和基質(zhì)配比下各裝置總氮平均濃度的方差分析表Tab.4 Variance analysis of the average concentration of total nitrogen in each device under different rainfall intensities and substrate ratios

裝置編號(hào)圖2 不同降雨強(qiáng)度下各裝置徑流總氮平均濃度Fig.2 Average concentration of total nitrogen in runoff of each device under different rainfall intensities

各裝置徑流總氮濃度與降雨時(shí)間整體呈負(fù)相關(guān)，以45.45 mm·h-1降雨條件為例，如圖3，各裝置徑流總氮濃度隨著降雨時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸下降并趨于穩(wěn)定，均略高于模擬雨水濃度1.5 mg·L-1，超過(guò)地表水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)五類(lèi)限值，這表明綠色屋頂是徑流總氮的源，這與桑敏[18]、RAZZAGHMANESH M[21]和沈慶然等[14]的研究相符。各裝置中A裝置徑流總氮濃度隨降雨時(shí)間變化趨勢(shì)最為平緩，D裝置徑流總氮濃度隨降雨時(shí)間變化趨勢(shì)波動(dòng)劇烈，降雨后期徑流總氮濃度最高，這表明MUF發(fā)泡體添加量與裝置徑流總氮濃度成正比，MUF發(fā)泡體總氮淋失量和降雨時(shí)間成正比。B、C裝置降雨初期沖刷效應(yīng)嚴(yán)重，這表明吸附層基質(zhì)配比為珍珠巖：蛭石：沸石：活性炭=1:1:3:1時(shí)，基質(zhì)層最穩(wěn)定，受雨水沖擊影響最小，總氮淋失量低。降雨初期濃度值高可能是未形成厭氧環(huán)境，反硝化去除硝氮作用較小[19]；進(jìn)水沖擊負(fù)荷高，引起MUF發(fā)泡體、紅壤大量淋出氮元素；降雨時(shí)間短，吸附基質(zhì)層吸附含氮污染物作用不強(qiáng)。

裝置名稱(chēng)圖3 降雨條件45.45 mm·h-1下各裝置徑流總氮濃度隨降雨時(shí)間變化Fig.3 Variation of total nitrogen concentration in runoff with rainfall time for each device under 45.45 mm·h-1 rainfall

2.2 不同降雨強(qiáng)度和基質(zhì)配比下徑流氨氮濃度分析

降雨強(qiáng)度和基質(zhì)配比對(duì)各裝置徑流氨氮濃度影響均很顯著(α=0.05，表5)。由圖4可知，各裝置徑流平均氨氮濃度和降雨強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)，A裝置徑流氨氮平均濃度遠(yuǎn)低于D裝置，吸附層基質(zhì)配比不同的各裝置徑流氨氮平均濃度大小為A

表5 不同降雨強(qiáng)度和基質(zhì)配比下各裝置氨氮平均濃度的方差分析表Tab.5 Variance analysis of the average concentration of ammonia nitrogen in each device under different rainfall intensities and substrate ratios

裝置編號(hào)圖4 不同降雨強(qiáng)度下各裝置徑流氨氮平均濃度變化Fig.4 Average concentration of ammonia nitrogen in runoff of each device under different rainfall intensities

各裝置的徑流氨氮濃度和降雨時(shí)間成負(fù)相關(guān)，以45.45 mm·h-1降雨條件為例，見(jiàn)圖5，降雨后期氨氮濃度遠(yuǎn)低于模擬雨水濃度1.0 mg·L-1，降雨結(jié)束時(shí)A裝置濃度更降至0.2 mg·L-1左右，這表明綠色屋頂基質(zhì)層是徑流氨氮的匯，分析是隨著降雨時(shí)長(zhǎng)增加，基質(zhì)層適應(yīng)了進(jìn)水沖擊負(fù)荷，氨氮淋失現(xiàn)象減弱。各裝置徑流氨氮濃度隨降雨時(shí)間變化趨勢(shì)波動(dòng)劇烈，分析認(rèn)為是基質(zhì)層初期紅壤有機(jī)氮逐步氨化[19]，MUF發(fā)泡體中氮元素被土壤細(xì)菌分解氨化，還有帶負(fù)電的土壤顆粒、有機(jī)物和膠體物質(zhì)有良好的吸附氨氮效果[13]，各種反應(yīng)交互，所以系統(tǒng)穩(wěn)定需要時(shí)間。降雨初期各裝置徑流氨氮濃度為C>D>B>A，后期變?yōu)镈>C>B>A，分析認(rèn)為是MUF發(fā)泡體吸水保水性能好，延長(zhǎng)徑流滯留時(shí)間，后期隨著降雨時(shí)間的增加，MUF發(fā)泡體淋溶于徑流的氨氮含量增加，超出了MUF發(fā)泡體本身去除氨氮的能力，所以降雨后期D裝置徑流氨氮濃度逐漸超過(guò)C裝置。B和C裝置徑流初期氨氮濃度突然升高，初期沖刷效應(yīng)嚴(yán)重，分析認(rèn)為是吸附層基質(zhì)配比為珍珠巖：蛭石：沸石：活性炭=1:1:3:1時(shí)，基質(zhì)層結(jié)構(gòu)較為穩(wěn)定，抗進(jìn)水沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，出流氨氮濃度低。

裝置名稱(chēng)圖5 降雨強(qiáng)度45.45 mm·h-1下各裝置徑流氨氮濃度隨進(jìn)水次數(shù)變化Fig.5 Variation of ammonia nitrogen concentration in runoff with rainfall time for each device under 45.45 mm·h-1 rainfall

2.3 不同降雨強(qiáng)度和基質(zhì)配比下徑流硝氮濃度分析

降雨強(qiáng)度對(duì)于各裝置徑流硝氮濃度有較為顯著性影響，基質(zhì)配比對(duì)于濃度變化影響并不顯著(α=0.05，表6)，MUF發(fā)泡體添加量對(duì)于徑流硝氮濃度無(wú)顯著性影響。如圖6所示，各裝置徑流硝氮平均濃度和降雨強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)，分析是降雨強(qiáng)度越大，越易形成厭氧環(huán)境，促進(jìn)反硝化作用去除硝氮。各裝置徑流平均硝氮濃度要高于模擬雨水0.5 mg·L-1，這表明綠色屋頂是硝氮的源，基質(zhì)層硝氮淋失嚴(yán)重。

表6 不同降雨強(qiáng)度和基質(zhì)配比下各裝置硝氮平均濃度的方差分析表Tab.6 Variance analysis of the average concentration of nitrate nitrogen in each device under different rainfall intensities and substrate ratios

裝置編號(hào)圖6 不同降雨強(qiáng)度下各裝置徑流硝氮平均濃度變化Fig.6 Average concentration of nitrate nitrogen in runoff of each device under different rainfall intensities

各裝置徑流硝氮濃度和降雨時(shí)間呈負(fù)相關(guān)，以59.81 mm·h-1降雨條件為例，由圖7可知，除C裝置外，各裝置隨降雨時(shí)間徑流硝氮濃度變化趨勢(shì)十分平緩，D裝置徑流硝氮濃度小于A裝置，在降雨結(jié)束時(shí)濃度更降至1.1 mg·L-1左右，這表明綠色屋頂對(duì)硝氮去除效果不顯著，但MUF發(fā)泡體具有一定去除硝氮效果，分析認(rèn)為在降雨前期存在的好氧環(huán)境中，雨水中的氨氮、有機(jī)氮和MUF發(fā)泡體分解氨化后的氨氮經(jīng)硝化作用轉(zhuǎn)化為硝氮，累積于基質(zhì)層中，隨雨水流出，導(dǎo)致徑流硝氮濃度上升；而在降雨后期，隨著缺氧環(huán)境形成，硝氮與基質(zhì)、微生物等充分接觸，溫度適宜反硝化細(xì)菌生存，加快反硝化作用，硝氮濃度大幅降低[19]。各裝置徑流硝氮濃度在降雨后期排序?yàn)锽>C>A>D，這表明MUF發(fā)泡體和徑流硝氮濃度呈負(fù)相關(guān)，且吸附層基質(zhì)配比對(duì)于硝氮濃度的影響無(wú)規(guī)律可循。C裝置初期沖刷效應(yīng)較為明顯，但徑流硝氮濃度下降迅速，分析可能是降雨初期未形成反硝化反應(yīng)適宜的缺氧環(huán)境條件[19]。

裝置編號(hào)圖7 降雨強(qiáng)度59.81 mm·h-1下各裝置 徑流中硝氮濃度隨進(jìn)水次數(shù)變化Fig.7 Variation of nitrate nitrogen concentration in runoff with rainfall time for each device under 59.81 mm·h-1 rainfall

2.4 不同降雨強(qiáng)度和基質(zhì)配比下徑流總磷濃度分析

降雨強(qiáng)度對(duì)于各裝置徑流總磷濃度有顯著性影響，不同基質(zhì)配比去除總磷效果并無(wú)顯著差異(α=0.05，表7)。從圖8可知，在降雨強(qiáng)度小于52.63 mm·h-1時(shí)，各裝置徑流總磷平均濃度和降雨強(qiáng)度呈顯著負(fù)相關(guān)，大于52.63 mm·h-1時(shí)，A和D裝置徑流總磷平均濃度幾乎不受降雨強(qiáng)度影響，而B(niǎo)和C裝置則和降雨強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)，52.63 mm·h-1時(shí)各裝置徑流總磷平均濃度均遠(yuǎn)低于模擬雨水總磷濃度0.05 mg·L-1，這表明綠色屋頂是總磷的匯，吸附層基質(zhì)配比為珍珠巖：蛭石：沸石：活性炭=1:1:3:1時(shí)，裝置抗沖擊負(fù)荷能力強(qiáng)，降雨強(qiáng)度過(guò)大會(huì)增加基質(zhì)層磷淋出量。隨著不同降雨強(qiáng)度模擬實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行，D裝置徑流總磷去除效果逐漸超過(guò)A裝置，第3次的徑流總磷平均濃度甚至僅為A裝置的一半，這表明MUF發(fā)泡體具有良好的除磷效果，且和運(yùn)行時(shí)間呈正相關(guān)。

表7 不同降雨強(qiáng)度和基質(zhì)配比下各裝置 硝氮平均濃度的方差分析表Tab.7 Variance analysis of the average concentration of total phosphorus in each device under different rainfall intensities and substrate ratios

裝置編號(hào)圖8 不同降雨強(qiáng)度下各裝置徑流總磷平均濃度變化Fig.8 Average concentration of total phosphorus in runoff of each device under different rainfall intensities

各裝置徑流總磷濃度隨降雨時(shí)長(zhǎng)的變化趨勢(shì)較為平緩且逐漸下降，以52.63 mm·h-1降雨條件為例，由圖9可知，除C裝置外，各裝置徑流初期就低于0.05 mg·L-1，這表明基質(zhì)層除磷效果很好，而且隨降雨時(shí)間增加而提升。A和D裝置在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)徑流總磷濃度降至0.004 mg·L-1，僅為模擬雨水濃度的10%左右，去除效果十分顯著，這表明吸附層基質(zhì)配比為珍珠巖：蛭石：沸石：活性炭=1:1:3:1時(shí)，對(duì)于MUF發(fā)泡體去除總磷的增益效果最好。C裝置降雨初期的徑流總磷濃度要明顯高于其他裝置，但下降十分迅速，分析認(rèn)為是吸附基質(zhì)層不穩(wěn)定造成的初期總磷淋失，抗沖擊負(fù)荷力低，且活性炭中可能有少量的磷融入徑流中。基質(zhì)層中各填料均具有除磷效果，紅壤中含有大量鐵鋁氧化物，可以與磷酸根反應(yīng)生成磷酸鹽，去除雨水中總磷；活性炭和沸石對(duì)于總磷的吸附能力也十分強(qiáng)悍。

裝置名稱(chēng)圖9 52.63 mm·h-1降雨強(qiáng)度下各裝置 徑流總磷濃度隨進(jìn)水次數(shù)變化Fig.9 Variation of total phosphorus concentration in runoff with rainfall time for each device under 52.63 mm·h-1 rainfall

3 結(jié)論

MUF發(fā)泡體作為基質(zhì)添加后，各裝置徑流氮磷濃度和降雨時(shí)間整體呈負(fù)相關(guān)。其中總氮濃度在2.3～8.3 mg·L-1、氨氮濃度在0.1～3.2 mg·L-1范圍內(nèi)隨降雨時(shí)間變化趨勢(shì)波動(dòng)劇烈，硝氮、總磷濃度隨降雨時(shí)間變化趨勢(shì)較為平緩。降雨強(qiáng)度因素對(duì)于各裝置徑流氨氮、硝氮和總磷平均濃度的影響較為顯著。其中氨氮平均濃度和降雨強(qiáng)度呈顯著正相關(guān)；硝氮平均濃度和降雨強(qiáng)度呈負(fù)相關(guān)；降雨強(qiáng)度小于52.63 mm·h-1時(shí)，總磷平均濃度和降雨強(qiáng)度呈顯著負(fù)相關(guān)。基質(zhì)配比因素對(duì)于各裝置總氮、氨氮平均濃度影響較為顯著。MUF發(fā)泡體添加量和各裝置徑流總氮、氨氮濃度呈正相關(guān)。基質(zhì)層除磷效果要優(yōu)于除氮效果。吸附層基質(zhì)配比為珍珠巖：蛭石：沸石：活性炭=1:1:3:1時(shí)，MUF發(fā)泡體添加最利于各裝置徑流氮磷去除效果的提升。

綠色屋頂裝置表現(xiàn)為徑流氨氮、總磷的匯，總氮、硝氮的源，各裝置徑流氮磷濃度已達(dá)《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)；氨氮濃度最低為0.2 mg·L-1左右，是進(jìn)水濃度的20%；總磷濃度最低可降至0.004 mg·L-1，是進(jìn)水濃度的10%左右。

MUF發(fā)泡體基質(zhì)不僅是高效除磷基質(zhì)，還可以作為綠色屋頂植物的氮源，適合應(yīng)用于綠色屋頂基質(zhì)；具有良好的吸水保水性能，增強(qiáng)了綠色屋頂硝氮和總磷去除效果。欲更進(jìn)一步探討MUF發(fā)泡體作為綠色屋頂基質(zhì)的應(yīng)用效果，可將各組分對(duì)氮、磷的吸附特性作為構(gòu)建吸附基質(zhì)層的依據(jù)，并考慮植物因素的影響。