山地城市生物滞留带改良填料除氮效果研究

雷晓玲， 罗棉心， 魏泽军， 杨 程

（1．重庆交通大学， 重庆 400074； 2．重庆市科学技术研究院， 重庆 400045）

0 引言

山地城市因其独特的地形， 在降雨过程中雨水径流流量大且流速快，导致降雨径流污染性变强。径流中的氮污染物是水体富营养化的主要因子， 在一定程度上会破坏水体生态系统， 进而引发出水体发黑发臭、水生生物生存受到威胁等一系列问题。生物滞留技术作为城市低影响开发体系的一个重要技术措施，通过植物和微生物以及土壤的化学、生物及物理作用去除雨水径流中的污染物， 从而提高城市雨水径流削减和水质净化的效果[1]，其填料层是影响生物滞留系统去除径流污染物的关键因素。

重庆作为长江上游典型的山地城市， 被确立为首批海绵城市建设试点城市[2]，其生物滞留设施建设越来越多，因此选择其为研究区域。 经调研，重庆大面积分布壤土（红壤、黄壤、紫色土等），但其含有丰富的营养物质，在漫长的温湿条件下，土壤淋溶效应较明显， 单独作为生物滞留设施填料层时除污性能相对不足。

因此，本次研究对山地城市常用的屋顶绿化、建筑材料、 水处理等方面的材料进行调研与单种填料筛选试验后， 选择了3 种除氮效果好的材料对土壤的除氮性能进行改良， 利用其与土壤组合成不同的填料结构层进行试验， 分析不同填料配比对氮的去除效果及稳定性，并筛选出3 种填料的最优配比，以期为山地区域生物滞留设施填料改良的研究提供技术参考。另外，由于研究区域雨水径流中氮污染物主要指标为氨氮和TN[3]，所以本次研究中只考虑对这2 项指标的去除效果。

1 试验部分

1．1 试验装置

试验采用PVC 材质的圆柱作为土柱装置，其内径为200 mm，壁厚为3 mm，高为1 100 mm。 结合生物滞留带设施实际构造并依据我国海绵城市建设技术指南，土柱内部设置为：最顶部为蓄水区，往下依次是填料层、 砂滤层及砾石层（选取粒径3 ～6 mm的砾石），各层的具体深度见图1。

图1 试验装置——土柱

每个土柱碎石层底部设置出水口，采用管径10 cm 的透水管，在砂滤层与砾石层之间铺设土工布。

1．2 试验进水

本试验用水为合流制排污水，其COD，TP，TSS，氨 氮，TN 的 质 量 浓 度 分 别 为：129 ～184，0．12 ～0．26，506 ～926，2．9 ～8．7，6．5 ～11．3 mg/L。 根据指南要求， 本实验选取的汇水面积与生物滞留池表面积之比为1 ∶5[4]，选取年径流总量控制率为80%对应的设计降雨量25．5 mm，径流系数（φ）取0．90。 渗透设施的进水量应按照容积法计算：

式中：V 为渗透设施进水量，m3；H 为设计降雨量，mm；F 为汇水区域面积，hm2。

最后把已知数据代入式（1）得出设施进水量为15．22 L，取16 L。

1．3 试验方法

将试验用水加入置有相同体积的供试填料的锥形瓶中，于摇床上轻轻摇震8 h 后静止，取上清液测量其TN 和氨氮。选择净化效果较好的3 种填料（A，B，C）作为后期实验填料。

把土壤（取自重庆市悦来新城“海绵城市”示范区内的紫色土）与填料（A，B，C）按10%，20%，35%，50%体积进行混合后作为生物滞留系统的填料层。共配制24 组配比， 将2 组纯土壤组作为对照组，将配好的填料装入生物滞留装置里，并稍微压实，然后检测生物滞留系统每一次进水及出水的氨氮和TN浓度。

1．4 检测方法

氨氮和TN 分别采用纳氏试剂分光光度法和碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法进行检测。 再根据所测污染物浓度，可通过式（2）计算出污染物去除率，以深入分析各土柱的除污效果：

式中：R 为污染物去除率，%；c为污染物浓度，mg/L。

2 结果与讨论

2．1 填料初选

本研究初选砂、粉煤灰、蛭石、珍珠岩、煤渣、火山岩、沸石、陶粒等10 种填料类型进行单种填料除氮性能试验。

不同填料对氨氮和TN 的去除效果见图2。

图2 不同填料对氨氮和TN 的去除效果

由图2（a）可知，每种填料对氨氮的去除率均高于土壤，其中，沸石和蛭石对氨氮的处理效果最为显著，去除率分别达到了63．46%和71．64%，火山岩和陶粒去除率次之，分别为48．6%和49．6%。由图2（b）可知，土壤对TN 的去除效果明显优于氨氮，达到了67．75%，可见土壤本身存在较多的微生物和反硝化细菌，但孔隙度低，离子交换能力差。 只有4 种填料TN 去除率高于土壤，其中沸石和蛭石的处理效果最好，去除率分别为78．45%和80．75%，其次为火山岩和珍珠岩，去除率分别为69．64%和71．42%。

这与大部分研究结果相似，沸石、蛭石、火山岩这3 种填料对氮的去除具有明显的优势。 从填料特性来分析，沸石表面带正电，粗糙多孔，具有很强的离子交换能力；蛭石具有细小的空隔层，使空洞体积大大增加，有较强的吸水性，还能改善土壤结构，且蛭石具有成本低、处理效果好的特点，被广泛应用于水污染处理和农业领域中； 火山岩空隙率适中且开孔率高，表面带有正电荷，比表面积大而有利于微生物的接触挂膜和生长， 具有较强的微生物作用。 所以，综合考虑，选取蛭石、沸石、火山岩3 种填料来改良土壤。

2．2 沸石组合填料的除氮效果

填料对氨氮和TN 的去除效果见图3。

图3 沸石对氨氮和TN 的去除效果

由图3（a）可知，在经历6 次进水试验之后，沸石组合填料对氨氮的去除效果都比土壤单独做填料时要好， 平均去除率为89．2%。 其中， 填料配比为20%和35%时去除率和稳定性都很好，10%组和50%组时出水浓度有波动， 这是因为生物滞留设施对氨氮的去除主要以内部填料截流、 吸附和离子交换作用[5]，当沸石配比小（10%）时，与土壤混合后没有使生物滞留设施内部形成大孔隙构造， 而当沸石配比达到50%时，填料的截流及离子交换作用反而变差， 所以造成这2 种配比的组合填料除氮效果不佳且不稳定。由图3（b）可知，沸石对TN 的平均去除率较高，为62．71%，其中35%组去除效果最好，但是4 种配比方式稳定性皆不如纯土壤组好， 尤其是50%组， 这是由于生物滞留设施的对污染物的去除效果受降雨历时与雨前干燥期的长短、 干湿交替的频率的影响[6-7]，所以，试验周期内，TN 出水浓度波动较大。

2．3 火山岩组合填料的除氮除效果

火山岩对氨氮和TN 的去除效果见图4。

图4 火山岩对氨氮和TN 的去除效果

由图4（a）可以看出，组合填料对氨氮的去除效果和稳定性皆明显优于纯土壤组， 平均去除率为91．01%，高于沸石。 试验周期内，去除率只存在小范围内的波动，呈现出先增大后减小的趋势，因为随着系统内水分增加会使火山岩孔隙被填满， 截流和吸附作用降低。鉴于几种配比方式稳定性都相差不远，20%组平均去除率最高，为94．46%，判定其去除效果最好。从图4（b）可以看出，组合填料对TN 的去除效果和稳定性与纯土壤组相差不远。 火山岩对TN的去除稳定性较沸石好， 但平均去除率只有59．83%，不及沸石，这与填料本身特性有关，其中，20%组去除效果最好且最稳定， 含量为50%组去除效果低且最不稳定。

2．4 蛭石组合填料的除氮除效果

蛭石对氨氮和TN 的去除效果见图5。

图5 蛭石对氨氮和TN 的去除效果

由图5（a）可知，在经历6 次进水试验之后，蛭石填料按不同配比的实验组在实验周期内氨氮出水浓度均显著降低， 说明蛭石组合填料对氨氮的去除效果比土壤单独做填料时要好， 且去除率也基本稳定在95%左右，由此可见，蛭石对氨氮的去除效果和稳定性能都比前面2 种填料好。 其中平均去除率最高且稳定的是蛭石配比为35%组。

由图5（b）可知，蛭石组合填料去除TN 的稳定性比沸石和火山岩好，但是整体去除率也不如沸石，只有59．49%，和火山岩处理效果相近，从渗透系数角度分析，说明两者的渗透系数相近，其中35%配比组是去除效果和稳定性最好的， 说明此时渗透系数刚好达到物理吸附作用和生物细菌作用的平衡。

综合3 种组合填料对氨氮和TN 的去除效果来看，对氨氮的去除效果要优于TN，且TN 出水浓度大幅度波动，去除率总体呈先增大后减小的趋势，主要由于这3 种填料自身的结构特性均具有较强的物理吸附和离子交换能力， 并且土壤本身存在较多的反硝化细菌，而当填料添加过多，土壤含量下降，导致对TN 处理效果降低且不稳定，另外，装置密闭性差，厌氧条件不佳，反硝化作用较弱。同样，当填料比例为50%时，氨氮和TN 去除率下降趋势明显，这可能是由于当含量增加到一定程度之后， 生物滞留系统渗透系数过大，水流与填料接触时间短，从而降低填料对水中污染物的去除效果。

3 结论

（1）蛭石对氨氮的去除率最高且最稳定，其次为火山岩，但存在一定范围的波动，最差的为沸石。 另根据本次试验研究结果表明，35%的蛭石配比去除氨氮最佳。

（2）对TN 去除率最高的是沸石配比为35%的填料层， 其次为35%配比的蛭石和20%火山岩组，但是蛭石对TN 的去除性能最稳定。

（3）综合考虑填料性能以及生物滞留带系统的中污染物特性，针对氮污染物去除，在选择组合填料时，优先选择配比为35%的蛭石和沸石，其次是20%配比的火山岩， 能达到好且稳定的去除效果。