生物炭作为海绵城市雨水滞留池填料的效果初探

汤逸帆 陈圆 范弟武 韩建刚（南京林业大学生物与环境学院，江苏 南京 210037）



生物炭作为海绵城市雨水滞留池填料的效果初探

汤逸帆 陈圆 范弟武 韩建刚（南京林业大学生物与环境学院，江苏 南京 210037）

摘 要生物炭吸附性强、抗氧化，在海绵城市建设中具有广阔的应用前景。通过模拟渗水实验，对土壤、生物炭和土壤生物炭混合物等对雨水吸持和净化效果进行研究。结果表明：以生物炭作为滞留池填料，具有较好的储水能力，储水量达0.45 mL/mL；能够缓冲酸性地表径流雨水的pH值，模拟雨水pH值从6.34提升至7.82；对雨水中总氮、总磷和铵氮的截留率分别为34.4%、48.0% 和35.0%。因此，生物炭可作为海绵城市建设中雨水滞留池的新型填料。

关键词生物炭； 海绵城市； 雨水； 氮磷

传统城市排水系统每逢大雨，往往造成逢雨必涝，旱涝急转（邹宇等，2015）。为了解决城市内涝问题、降低地表径流雨水的污染、节约水资源，我国住房与城乡建设部于2014年10月出台了《海绵城市建设技术指南》，提倡构建运用低影响开发（LID）雨水系统的海绵城市。海绵城市是新一代城市雨洪管理概念，是指在城市适应环境变化和应对雨水带来的自然灾害等方面具有良好的弹性，使城市能够像海绵一样，下雨时吸水、蓄水、渗水、净水，需要时将蓄存的水释放并加以利用，能够有效提高城市抵御暴雨的能力，补充涵养地下水（汪淳等，2006）。海绵城市在建设实施中会在城市地表径流量大的地区建造雨水滞留池。雨水滞留池主要通过填料的过滤与吸附作用，由于其能将雨水暂时储存而后慢慢渗入周围土壤，因此可以削减地表雨水的洪峰流量（胡爱兵等，2011）。典型的雨水滞留池的填料为上层土壤、中层粗砂、下层砾石（Davis，2007）。目前国内外对滞留池改善地表径流雨水的研究结果表明，典型雨水滞留池对地表雨水中的总悬浮颗粒物（Hsieh et al，2005）、重金属（Muthanna et al，2007）和油脂（Hong et al，2006）的去除效果较好，而对氮磷等营养元素的去除效果不稳定（Bratieres et al，2008）。

生物炭是生物质在无氧或低氧环境中，经高温热裂解后生成的固态产物，吸附性强，抗氧化（何绪生等，2011）。研究表明，生物炭具有较大的孔隙度和高度羧酸酯化和芳香化结构（Lehmann et al，2009），能够减少无机氮磷等营养元素的淋溶（农明英等，2013），可以吸附水中的营养元素（Kramer et al，2004），并提高pH值（王晓辉等，2013）。因此，将生物炭作为海绵城市雨水滞留池填料有望高效吸持和净化地表雨水。

通过模拟渗水实验，研究土壤、生物炭和土壤生物炭混合物对雨水的吸持和净化效果，旨为生物炭作为雨水滞留池填料的可行性提供理论依据。

1 材料与方法

1.1 试验设计

将2 000 mL塑料量杯底部均匀钻4个圆形小孔以模拟雨水滞留池，将填料装入模拟滞留池中，将其水平悬挂在铁杆上，从上部用7 s的时间均匀加入800 mL的模拟雨水，用1 000 mL玻璃烧杯在其下方接收渗滤液（图1），记录渗水时间（从模拟雨水加入完全到填料表层以上液面消失），收集渗滤液，计算渗水速率，测定渗滤液体积及总氮（TN）、铵氮（NH4+）和总磷（TP），计算填料的储水量和对模拟雨水TN、NH4+及TP的截留率。根据渗滤实验的结果，比较并判断生物炭作为雨水滞留池填料的可行性。

填料以土壤作为对照，设计3个处理A、B和C，其中，处理A的填料为土壤，处理B的填料为生物炭，处理C的填料为等体积的土壤和生物炭均匀混合。每个处理重复3次，填料体积为1 200 mL。

1.2 填料及模拟雨水

图1 生物碳滞留池实验装置示意图

实验所用土壤为南京林业大学后山马褂木林表层土壤，土壤经自然风干后过2 mm筛。土壤pH值为6.70，TN（半微量凯式法）含量0.854%，NH4

+（氧化镁浸提扩散法）含量0.128 ppm，TP（氢氧化钠碱熔钼锑抗比色法）含量0.13%。所用生物炭为购买所得稻壳炭，pH值为9.46，TN含量1.092%，NH4+含量0.005 ppm，TP含 量0.44%。土壤生物炭混合填料pH值为8.16，TN含量0.882%，NH4+含量0.088 ppm，TP含量0.18%。

实验中模拟雨水采用去离子水添加氯化铵和磷酸二氢钾模拟所得。模拟雨水中TN、TP和NH+

4浓度是根据北京城区不同汇水面路面雨水水质的加权平均数扩大10倍所得（车伍等，2003），实际测得模拟雨水水质见表1。

1.3 渗水速率和截留率的计算

渗水速率的计算公式如下：

其中：ER为渗水速率（mL/ （cm·s））；Q为模拟污水体积（800 mL）；L为填料高度（cm）；T为渗水时间（s）。

填料对模拟雨水中TN、NH+

4和TP浓度的截留率计算公式如下：

其中：R为截留率（%）；C0为模拟雨水中TN、NH4+和TP的原始浓度（mg/L）；C为渗滤液中TN、NH4+和TP的浓度（mg/L）。

表1 模拟雨水基础理化性质

1.4 渗滤液水质测定

所收集的渗滤液过滤后放入聚乙烯塑料瓶中冷藏待测。TN采用碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法；NH4

+采用纳式试剂比色法；TP采用钼酸铵分光光度法。

1.5 数据分析

试验数据使用SPSS 19.0进行统计分析，进行单因素方差分析和多重比较检验各处理间的差异显著性（P＜0.05）。

2 结果与讨论

2.1 渗水速率和储水量

由表2可知，不同填料的渗水速率依次为土壤＞土壤+生物炭＞生物炭，相对应的储水量依次为生物炭＞土壤+生物炭＞土壤。结果表明，生物炭作为填料具有较好的储水能力，并且土壤生物炭混合物的储水能力也优于土壤。填料的储水能力和透水性主要与其孔隙度有关，毛管孔隙能够保持水分而通气孔隙则利于透水。由于生物炭具有大量毛管孔隙（Verheijen et al，2010），所以能够有效储存水分，而与生物炭相比，土壤中的孔隙多为通气孔隙，故生物炭的透水性比土壤差，但储水能力比土壤好，而且Briggs等（2005）研究发现生物炭有一定的斥水性，会在一定程度上阻止生物炭表面的水下渗。当土壤与生物炭混合时，武玉等（2004）认为生物炭的细粒子会堵塞土壤孔隙，使得混合物的透水性比土壤低，并且由于生物炭中的毛管孔隙使得混合物的储水能力好于土壤。故将生物炭作为海绵城市雨水滞留池填料，需根据施工地区的降水特征以及储水和排水的优先级，来决定是否采用生物炭或者生物炭的添加比例。

表2 不同填料的渗水速率和储水量

表3 不同填料对模拟雨水中TN、TP和NH4+的截留率

2.2 pH值的变化

从图2可以看出，生物炭作为海绵城市雨水滞留池填料能够对酸性雨水的pH值起到缓冲作用，使滞留池渗滤液的pH值高于地表径流雨水。生物炭本身呈碱性，含有较多的盐基离子，如Na+、K+、Ca2+等。当雨水进入时可通过吸持作用降低雨水中的交换性氢离子和交换性铝离子的水平（Zwieten et al，2010），从而使得渗滤液的pH值得到提高。所以，在酸雨地区将生物炭作为海绵城市雨水滞留池填料能够减轻酸雨对地下水的污染。

2.3 污染物的去除效果

图2 不同处理渗滤液的pH值

通过渗滤液和模拟雨水的初始TN、TP和NH4+浓度可以得知不同填料对TN、TP和NH4+的截留率（表3）。

2.3.1 TN的去除效果 3个处理对雨水中TN均有一定的截留，其中土壤对TN的截留率最高，达46.17%；生物炭次之；土壤+生物炭截留率最低。有学者对传统雨水滞留池对地表径流雨水TN的截留效果进行了研究，如李俊奇等（2010）研究发现北京某地区的雨水花园的滞留池对TN的截留效果为22%～45.4%。所以，将生物炭作为海绵城市雨水滞留池填料能够达到传统滞留池截留TN的能力水平。Davis等（2001）的土柱模拟滞留池试验中TN不能得到有效去除，有的处理甚至出现了出水浓度高于进水浓度的现象，这些处理的填料中TN出现了淋失现象，所以土壤和生物炭混合物对TN的截留效果弱于单独使用土壤和生物炭，可能是因为土壤和生物炭混合能够增加TN的淋失，具体机理还有待进一步研究。

2.3.2 TP的去除效果 3个处理中生物炭对TP的截留率最高，达48%；土壤和生物炭混合物次之；土壤对TP的截留率出现了负值。Bratieres等（2008）研究发现典型雨水滞留池对TP截留效果取决于滞留池填料中TP的本底值，填料TP本底值越高越容易淋失，导致截留效果越差。研究结果表明，土壤中的TP出现了淋失而截留效果很差，生物炭作为填料则有很好的截留效果，而实验所用生物炭TP含量为0.44%，高于土壤的0.13%，所以将生物炭作为滞留池填料能够有效截留地表径流雨水中的TP。

2.3.3 NH4+的去除效果 3个处理对NH4

+的截留率无显著差异，在35%～40%之间。以往研究表明，典型滞留池对NH4+的截留效果较好且稳定，截留率大多在70%以上（孟莹莹等，2013），这表明以生物炭作为雨水滞留池填料对NH4+的截留效果不及典型滞留池，与普通土壤相当。

3 结论

以生物炭作为雨水滞留池填料会使滞留池拥有较大的储水量，能够提高雨水的pH值，并且对雨水TP有着较好的截留效果。所以，在干旱地区、酸雨地区以及地表径流TP较高的地区建造滞留池，可以采用生物炭作为滞留池填料。

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E-mail：hanjiangang76@126.com

doi:10.3969/j.issn.1673-3290.2016.02.10

收稿日期：2016-03-10

基金项目：国家自然科学基金（41375 149），2015年林业科技成果国家级推广项目（［2016］37号）

作者简介：汤逸帆（1993-），男，江苏镇江人，在读硕士生，主要从事生态环境过程方面研究。E-mail：4225 23942@qq.com

通讯作者：韩建刚（1976-），男，教授，主要研究方向为湿地环境过程。

Use of Biochar as the Filler for Rainwater Collection Pool for the Development of Sponge City

TANG Yi-Fan CHEN Yuan FAN Di-Wu HAN Jian-Gang
（College of Biology and the Environment， Nanjing Forestry University， Nanjing 210037）

AbstractBiochar has broad application prospects in the construction of sponge city because of its strong ability of absorption and antioxidation.A simulation test on water penetration was conducted to examine the effectiveness of water absorption and purifcation respectively by soil，biochar and the mixture of both.Results showed that flling biochar in the rainwater collection pool resulted in a larger water-storage capacity up to 0.45 mL/mL.It can be used to buffer the pH value of acidic runoff water， increasing pH value of the simulated rain water from 6.34 to 7.82， and to remove TN， TP and NH4+ from the rain water by 34.4%，48.0% and 35.0% respectively.Therefore， biochar can be used as a new type flling material for rainwater collection pools for the construction of sponge city.

Key wordsBiochar； Sponge city； Rainwater； Nitrogen and Phosphorus