基于初期雨水径流氮磷去除效果的生物滞留设施填料层研究

张 彤，冯 燕，何明智,2，古正刚，柏 茜

(1.昆明理工大学 建筑工程学院，云南 昆明 650504；2.昆明恒畅置业有限公司，云南 昆明 650100；3.云南交通运输职业学院，云南 昆明 650503.)

0 引 言

生物滞留系统是海绵城市建设中必不可少的一种设施，不仅可以削减径流，同时还可以改善雨水径流水质、防止雨水径流中的氮磷等污染物对江河湖泊的面源污染[1]。近年来, 很多针对生物滞留设施的实验数据表明：生物滞留设施对于SS、COD、重金属等污染物去除效果良好，但对于磷与氨氮去除效果不稳定[2-4]。同时根据《2017年中国环境状况公报》检测, 我国30.28%检测湖泊 (水库) 仍处于富营养化状态[5]。因此提高生物滞留设施对氮磷污染物的去除率成了新的挑战。

生物滞留设施中的填料层是过滤、净化、吸附雨水中的污染物的主要场所，可根据当地具体情况综合考虑来选择填料，可在填料中添加改良剂，如黏土、金属、有机质等提高填料吸附能力[6]。云南地区的土壤多为红壤土，黏性较高，渗透系数较小，放置于生物滞留系统中易堵塞，为了解决云南地区生物滞留设施的渗透系数问题同时提升生物滞留设施对于氮磷的吸附能力，故在填料层中加入钢渣与稻壳炭组合填料作为改良剂，并进一步探讨红壤土与钢渣-稻壳炭组合填料的最佳添加量。

1 试验材料与方法

1.1 试验装置

试验中使用的生物滞留设施模拟装置为有机玻璃材料制成的圆柱如图1，高1 000 mm、直径250 mm、壁厚5 mm。根据《昆明市海绵城市建设工程设计指南》[7]中对于生物滞留设施各层高度的规定，本试验自上而下设计分别为蓄水层200 mm、种植层100 mm、填料层250 mm、砂层100 mm和砾石层300 mm，种植土层与填料层中间放置透水土工布，防止种植土被冲刷至下层。在装置底层安装直径为25mm的排水管，并设置高为300 mm的上翻，形成厌氧区。

整套试验装置流程如图2所示，试验开始时，模拟昆明市初期径流雨水，通过蠕动泵的提升作用分别进入到4个实验柱中。经过4个实验柱过滤后由底端排水管排出。

1.2 试验材料

试验用砂子、砾石购买自昆明某建材市场；钢渣和稻壳炭分别购买自河南与上海某公司；土壤取自昆明理工大学农田，土壤类型为红壤土。钢渣、稻壳及红壤土理化性质见表1、2、3。

图1 生物滞留设施模拟装置Fig.1 Bioretention facility simulation device

图2 试验流程图Fig.2 Experimental process

表1 钢渣的理化性质Tab.1 Physicochemical properties of steel slag

表2 稻壳炭的理化性质Tab.2 Physicochemical properties of rice husk carbon

表3 红壤土相关性质Tab.3 Properties of red loam soil

1.3 实验方法

1.3.1 填料层配比

目前国外许多地区都有关于生物滞留设施填料层配比的相关规范，例如：美国环保署(EPA)规定黏土含量在10%～25%之间；北卡罗来纳州推荐使用85%～88%的砂、8%～12%的黏土和粉砂、3%～5%的有机质[4]。而我国目前还没有针对填料层配比的相关规范。因此为挑选出符合云南当地情况的填料层最佳配比，综合考虑生物滞留设施的氮磷的去除效果以及渗透系数，布置了4组实验，具体配比如表4。

表4 4组实验装置的填料配比Tab.4 Filler ratios of four experimental devices

1.3.2 雨水配制与装置运行

天然雨水成分不稳定、指标不易控制，故本实验使用实验室配水来进行径流初期雨水模拟。根据昆明市初期雨水径流水质[8]，本实验进水总磷设定为：1 mg/L、氨氮为：5 mg/L，分别使用KH2PO4溶液和NH4Cl溶液来配置。每次配水前都将进水pH调为7。

实验装置组装完毕后，正式实验开始前一个月，取昆明理工大学校园池塘雨水对装置进行微生物培养，每三天采集池塘水浇灌实验柱，连续进行一个月。在第一次正式开始试验前，使用自来水冲洗实验装置，目的在于冲洗掉装置填料中原有的氮磷。当检测到出水的磷与氨氮的浓度小于0.05 mg/L时，停止冲洗，开始正式试验。试验运行阶段，采用间接运行的方式，每个实验组别进水3 d为一个周期，共运行6个周期，每个周期最后一天进水进行试验，每次进水前一小时内将试验用水配好。根据《昆明市海绵城市建设技术导则》[8]要求，到2030年对于年径流控制率目标需达到82%，同时当年径流率为82%时对应昆明市的降雨量为23.2 mm，故本试验每次进水选取23.2 mm作为降雨强度。又根据《昆明市海绵城市建设工程设计指南》[7]中的规定，本次试验选取生物滞留设施占汇水面积的7%，径流系数选取0.9，每次汇入生物滞留装置的水量Q=汇水面积×23.2 mm×径流系数≈14 L。故试验每周期每次进水14 L，进水时间2 h，每次进水结束后采集出水水样进行检测分析。

1.3.3 检测指标与方法

试验检测指标与方法见表5。

表5 试验检测指标与方法Tab.5 Test indicators and methods

2 试验结果与分析

在试验开始前的池塘水冲洗装置阶段，1号实验柱发生堵塞。分析原因为填料层加入的10%的红壤土加入量过大，在水流多次冲刷下板结，导致进水无法下渗。

2.1 TP的去除效果分析

由图3可知，2号、3号、4号实验装置对于总磷的去除率分别为89.09%～100%、58.25%～90.22%、80.90%～91.30%。可以看出3号装置的去除率波动较大，2号装置和4号装置的去除率相对稳定，也同时满足《昆明市海绵城市建设技术导则》[8]中规定TP削减率的强制性指标。从出水中TP的浓度来看，3号装置出水中TP的浓度在其中五个周期都高于2号装置与4号装置，说明对比2号装置与4号装置来说，3号装置去除TP的能力较差。同时，2号装置与4号装置出水中TP的浓度均低于0.2 mL/L,满足《地表水环境质量标准》中Ⅲ类水质的标准。由图4三个装置对TP的平均去除率可以看出，3号装置平均去除率较低，说明其配比不适合作为生物滞留设施的最优配比。分析原因为：实际雨水径流中磷的存在形式有溶解性磷与颗粒态磷两种形式。其中颗粒态的磷主要通过生物滞留设施中的砂土截留过滤来去除。本试验配置的磷溶液中只有溶解性磷，溶解性磷主要通过填料的吸附作用、聚磷菌好氧条件下过量摄磷来去除。但有研究表明聚磷菌在厌氧条件下会释磷，导致聚磷菌去除磷的效果不稳定，而且组成微生物细胞体的磷会在微生物死亡后被迅速分解释放回系统中，故聚磷菌对于磷的去除贡献较小，主要还是依靠填料的吸附、沉淀和离子交换等作用来去除。本试验在填料层中加入了钢渣与稻壳炭的组合填料，其中钢渣中富含钙铁铝等金属氧化物能够与磷酸根反应，并以Ca、Mg氧化物与磷形成磷的沉淀物来去除磷[9，10]；而稻壳炭是稻壳经过高温炭化后形成的果壳类活性炭，稻壳经高温炭化后其颗粒结构为整齐排列的网络状，由表2可知，稻壳炭有较大比表面积与孔容，由此推断，稻壳炭具有良好的吸附性能。本试验2号装置的填料层中添加了17%的钢渣与稻壳炭组合填料，是3种装置中添加组合填料最多的，故2号装置去除总磷的效果最好。

图3 不同试验组别对TP的去除效果Fig.3 Removal effect of TP in different experimental groups

图4 不同试验组别对TP的平均去除率Fig.4 Average removal rate of TP in different experimental groups

图5 不同试验组别对的去除效果Fig.5:Removal effect of by different experimental groups

图6 不同试验组别对的平均去除率Fig.6 Average removal rate of in different experimental groups

2.3 渗透系数的测定

土壤的渗透系数是土壤渗透性能的定量表征，可以直接反映出土壤排水与保水的能力[16]。生物滞留设施的渗透系数与径流峰值削减能力、径流污染物去除能力密切相关。由表6可知，4号装置的渗透系数低于2号、3号，三组实验设置随着时间周期的增加都呈现出渗透系数不断减小最后趋于稳定的趋势。分析原因主要是由于三组实验装置中都添加了红壤土，马琳[17]等人研究表明：红土中游离氧化铁含量影响红土的微观结构特征。 红土中的游离氧化铁含量越多, 铁膜形成也增多, 使得红土结构趋于致密, 土中的较大孔隙逐渐减少，揭示了游离氧化铁是促使红土产生胶结作用、渗透系数减小的根本原因。同时，生物滞留系统中的沉积物在大负荷水力冲刷下，也能造成生物滞留系统的渗透系数减小；李红珍[18]设置了低、中、高三种降雨强度的渗透性能试验，结果表明：高降雨强度条件下系统的渗透性能降低速度加快，并且降雨强度越高渗透系数降低得越多。另一方面，干湿交替的状态对于生物滞留系统也有一定影响，湿润期的渗透系数会下降，干燥期又会恢复，但总体来说渗透性能是下降的[19]。由4号装置的渗透系数明显小于2号、3号装置的渗透系数可以看出红壤土的添加量直接影响了生物滞留设施的渗透系数，且红壤土添加量越大渗透系数越小。我国对于渗透系数的相关规定为：用渗滤技术处理雨水回灌地下水时，渗透系数一般不小于10-6m/s，当用渗滤技术处理雨水回用时，渗透系数不小于10-5m/s[20]。由此标准来看，三组实验装置都符合渗透系数的规定。

表6 不同组别实验装置的渗透系数 m/s

2.4 出水pH的检测

表7 不同实验组别的出水pHTab.7 Effluent pH of different experimental groups

3 结 论

本研究使用了云南本地常见的红壤土以及钢渣-稻壳炭组合填料对生物滞留设置的填料层进行改良。在设置的四组实验装置中，4号去除氨氮和磷的效果稳定，出水浓度满足《昆明市海绵城市建设工程设计指南》[7]中对于水质要求达到《地表水环境质量标准》中Ⅳ～Ⅴ类水质的强制性指标，并且渗透系数，出水pH也都符合相关设计要求。综合考虑以上4种因素，选取4号装置沙砾85%：红壤土5%：钢渣-稻壳炭组合填料10%作为云南省本地改良型生物滞留设施填料层的最优比例。此比例的生物滞留装置改善了传统生物滞留装置去除磷与氨氮不稳定的问题，同时也解决了云南省本地红壤土渗透系数过小的问题。本试验添加的钢渣-稻壳炭组合填料对于生物滞留设施去除初期径流雨水中的磷和氨氮的去除有提升作用，但钢渣-稻壳炭组合填料在其他没有红壤土地区生物滞留设施中的添加量还需进一步研究。

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