铝污泥填料改良生物滞留池对径流污染的削减效果

张瑞斌，潘卓兮，奚道国，周乃，祖白玉

1.江苏龙腾工程设计股份有限公司

2.江苏省雨污水资源化利用工程技术研究中心

3.南京市生态河道工程技术研究中心

生物滞留池滞蓄净化能力突出,是广泛使用的低影响开发技术之一。生物滞留池的主要功能包括削减面源污染、改善水环境质量,滞蓄雨水径流、削减洪峰,增加渗透面积、缓解热岛效应,美化景观[1-4]。传统生物滞留池对城市雨水径流中氮、磷等污染物的去除效果差。生物滞留池的结构、填料种类和级配是影响其脱氮除磷效果的关键因素。生物滞留池对雨水径流污染物的去除主要通过填料介质的吸附作用,不同填料以及填料之间的搭配对不同污染物的吸附效果存在一定差异,因此生物滞留池设计时首先考虑所用填料对目标污染物的吸附能力。铝污泥是给水厂在给水处理过程中产量较大的副产物,其中含有大量的铝及其聚合物,具有较强的污染物吸附性能[5-6],但其直接用于改良生物滞留池并不能充分发挥效果[7-10]。将铝污泥与其他材料混合烧制成大孔颗粒状填料,使其在理化性质、污染物吸附性能等方面得以提升,可以充分发挥其作为填料的吸附功能[11-14],且原料与制备成本低,同时还可实现废物的资源化利用[11]。笔者结合南京地区的降雨强度、降雨浓度、降雨分布规律等,采用自主制备的铝污泥复合填料[11](简称铝污泥填料),设置铝污泥与沸石不同配比,研究其作为生物滞留池改良填料时对不同浓度雨水径流的削减效果,以期为南京地区海绵城市建设及水环境治理提供技术支持。

1 材料与方法

1.1 试验装置

小试装置池体采用外径40 cm、高1 m,底部封堵的聚乙烯(PE)管,自上而下依次为覆盖层、种植土层、填料层和砾石垫层,种植土层、填料层和砾石垫层底部均设有出水口,填料层由不同粒径铝污泥填料和沸石按一定比例组成。试验装置如图1所示。

图1 小试试验装置Fig.1 Experimental device diagram

1.2 试验条件

1.2.1 填料配比

生物滞留池改良填料主要包括铝污泥填料和沸石,其中的铝污泥填料由给水厂废污泥与沸石、钢渣等材料复合烧制而成,该产品在人工湿地应用中已表现出较好的脱氮除磷效果[11,15],但在生物滞留池中鲜有应用。铝污泥填料和沸石的理化性质如表1所示。

表1 填料理化性质Table 1 Physicochemical properties of fillers

1.2.2 模拟进水配置

根据《南京市海绵城市规划建设指南》的相关规定,以南京市江宁区为研究对象,分别确定设计降水量为50 mm、径流系数为0.6、汇水面积为0.001 hm2,则生物滞留池进水量为0.3 m3。根据南京市平均降水历时确定进水时间为80 min,由于降水受多种因素影响,单一的进水浓度不具代表性,根据南京市降水特点,分别确定高、中、低3种梯度的污染物进水浓度(表2)。

采用人工配水,根据设定的污染物浓度配制相应的模拟雨水,分别采用葡萄糖(C6H12O6,AR)、磷酸二氢钾(KH2PO4,AR)、氯化铵(NH4Cl)、硝酸钾(KNO3)模拟雨水中的COD以及总氮(TN)、氨氮(NH3-N)浓度。

1.2.3 试验设计

采用正交试验设计,以改良填料层中铝污泥填料填充厚度和进水浓度为控制因素,在填料层填充铝污泥和沸石,其体积比分别为3∶2(A组)和4∶1(B组),进水水质控制高(A1、B1)、中(A2、B2)、低(A3、B3)3种浓度(表2)。将3种浓度的进水分别在水桶中配置,每隔0.5 h搅拌1次,保证浓度均匀,每种浓度的进水桶同时连接2种不同配比填料层的模拟填料柱,通过调节进出水阀门控制进水量。进水分为2个阶段:第一阶段为滞留池驯化,使用自来水对填料冲刷3次,保持填料高度不变,冲刷掉填料表面多余的养分；第二阶段为装置的渗透性及对雨水径流污染物的去除效果分析,装置连续运行6个周期,每周期为2 h,每0.5 h取样1次,测定COD与TP、TN、NH3-N的浓度,设置5组平行样,取平均值。

表2 试验组设计Table 2 Designs of experimental group

1.3 试验内容

1.3.1 吸附试验

为确定填料对氮、磷污染物的吸附效果,添加2倍装置体积的模拟雨水,分别以高、中、低3种浓度进行不同铝污泥填料与沸石填料配比的混合吸附试验。试验装置置于恒温摇床中摇晃12 h,测定吸附前后污染物浓度变化,计算吸附量。公式如下:

式中:S为吸附量,mg∕g；c1为进水浓度,mg∕L；c2为出水浓度,mg∕L；V为进水体积,L；m为填料质量,g。

1.3.2 生物滞留池渗透性能评价

渗透性能是评价生物滞留池的重要指标,本研究的小试装置考虑了填料、覆土等渗透性能问题,在提供植物正常生长条件下保持装置的滞水与渗透能力。生物滞留池渗透性能用渗透系数表示,采用达西定律计算,公式如下:

式中:K为渗透系数,cm∕s；Q为渗透量,L∕s；A为布水截面积,m2；Δh为水头差,m；L为渗流长度,m。

1.3.3 污染物去除性能

污染物去除性能以生物滞留池对进水中污染物的削减效果作为评价指标,用去除率(η)表示,计算公式如下:

1.4 指标测定方法

COD采用GB 11914—89《水质 化学需氧量的测定 重铬酸盐法》测定,NH3-N浓度采用HJ 535—2009《水质 氨氮的测定 纳氏试剂分光光度法》测定,TN浓度采用GB 11894—89《水质 总氮的测定碱性过硫酸钾消解紫外分光光度法》测定,TP浓度采用GB∕T 11893—1989《水质 总磷的测定 钼酸铵分光光度法》测定。

2 结果

2.1 2种配比填料的吸附效果

2种铝污泥与沸石配比的填料对不同浓度TN、TP的吸附量如图2所示。由图2可知,2种配比的填料对不同浓度TN均有一定的吸附效果,随着TN浓度的降低,2种配比填料对TN的吸附量均降低；但2种配比的填料对同一浓度TN的吸附量无显著差异。在不同浓度TP下,铝污泥与沸石配比为4∶1时的吸附量均高于铝污泥与沸石配比为3∶2时,且铝污泥与沸石配比为4∶1时,对各浓度TP均保持较高的吸附量。

图2 2种配比的填料对TN、TP的吸附量Fig.2 Adsorption capacity of TN,TP by two kinds of fillers of different proportions

2.2 生物滞留池渗透性

2种配比下不同浓度模拟雨水对生物滞留池渗透性的影响如图3所示。由图3可知,铝污泥与沸石配比为4∶1的生物滞留池渗透系数均高于铝污泥与沸石配比为3∶2的生物滞留池,随着运行周期的增加,2种配比填料的生物滞留池的渗透性均有一定程度的降低。其中,高浓度模拟雨水中,随着运行周期的增加,铝污泥与沸石配比为3∶2的生物滞留池渗透系数由0.006 8 cm∕s降至0.003 3 cm∕s,降幅高达51.5%；铝污泥与沸石配比为4∶1的生物滞留池渗透系数由0.007 5 cm∕s降至0.005 8 cm∕s,降低了22.7%。中浓度模拟雨水中,铝污泥与沸石配比为3∶2的生物滞留池渗透系数降低25.2%,铝污泥与沸石配比为4∶1的生物滞留池渗透系数降低16.4%。低浓度模拟雨水中,铝污泥与沸石配比为3∶2的生物滞留池渗透系数降低11.8%,铝污泥与沸石配比为4∶1的生物滞留池渗透系数降低8.1%,铝污泥填料占比高的生物滞留池渗透系数降低程度均小于铝污泥填料占比低的生物滞留池。

图3 不同浓度雨水下2种配比填料生物滞留池渗透系数变化Fig.3 Variation of permeability coefficient of bioretention tank with two kinds of fillers under different concentrations of rainwater

2.3 生物滞留池对污染物削减效果

不同铝污泥与沸石配比的生物滞留池对高、中、低浓度模拟雨水COD去除效果如图4所示。由图4可知,生物滞留池从第2个运行周期开始,出水COD趋于稳定；2种配比的生物滞留池对相同进水COD的去除率无明显差异,对高COD进水的去除率为55.3%~62.4%,对中COD进水的去除率为49.8%~60.4%,对低COD进水的去除率为37.5%~50.0%；随着进水COD的降低,2种配比填料的生物滞留池对COD去除率均降低。

不同铝污泥与沸石配比的生物滞留池对高、中、低浓度模拟雨水TP去除效果如图5所示。由图5可知,从第2个运行周期开始,生物滞留池出水TP浓度趋于稳定。高进水TP浓度时,A1组生物滞留池对TP的去除率为75.3%~79.0%,B1组生物滞留池对TP的去除率为82.1%~89.0%,后者去除率高于前者；中浓度时,A2、B2组生物滞留池对TP的去除率分别为70.5%~73.2%和75.0%~76.6%,铝污泥与沸石配比为4∶1的生物滞留池对TP的去除率高于铝污泥与沸石配比为3∶2的生物滞留池。低浓度时,2种配比填料的生物滞留池对TP的去除效果无明显差异,去除率为60.2%~70.6%。

图5 生物滞留池对TP去除效果Fig.5 Removal effects of TP by bioretention tank

不同铝污泥与沸石配比的生物滞留池对高、中、低浓度模拟雨水TN去除效果如图6所示。由图6可知,高进水TN浓度时,A1和B1生物滞留池对TN的去除率分别为54.3%~58.6%,62.0%~66.4%,铝污泥与沸石配比为4∶1的生物滞留池对TN的去除率显著大于铝污泥与沸石配比为3∶2的生物滞留池。中浓度时,A2和B2组生物滞留池对TN的去除率分别为56.0%~59.5%和60.5%~63.0%,与高浓度时的去除效果一致。低浓度时,2种填料配比的生物滞留池对TN的去除效果无明显差异,去除率为48.3%~51.0%。高、中浓度时,同一配比填料的生物滞留池对TN去除效果无明显差异,低浓度时,生物滞留池对TN去除率显著降低。

图6 生物滞留池对TN去除效果Fig.6 Removal effects of TN by bioretention tank

不同铝污泥与沸石配比的生物滞留池对高、中、低浓度模拟雨水NH3-N去除效果如图7所示。由图7可知,2种填料配比的生物滞留池对NH3-N的去除效果变化趋势与TN基本相同,高浓度时,A1和B1组生物滞留池对NH3-N去除率分别为56.7%~59.2%和61.7%~68.0%；中浓度时,A2和B2组生物滞留池对NH3-N去除率分别为56.2%~58.8%和67.5%~70.5%；低浓度时,A3和B3生物滞留池去除率为40.4%~49.5%。

图7 生物滞留池对NH 3-N去除效果Fig.7 Removal effect of NH3-N by bioretention tank

3 讨论

3.1 填料的吸附性能

本研究所选用的铝污泥填料主要由水厂废弃铝污泥烧结而成,其在人工湿地中长期应用结果表明[11],只有在最初的10~14 d会有铝离子滤出,且滤出浓度在世界卫生组织建议的限值之内。铝污泥复合填料在人工湿地处理生化尾水、生活污水等方面已有大量应用[11,15],该填料对水中的污染物有较好的削减效果,尤其是对磷的吸附效果显著。由于铝污泥填料对磷的吸附特性,当填料配比中铝污泥量较大时,填料的吸附量增大,对磷的吸附效果显著提升。对沸石吸附量的相关研究表明,沸石对磷的吸附量随着污染物初始浓度的增加而增加[16-18],因此当水体中初始TP浓度降低时,沸石对磷的吸附能力相对减弱,吸附率降低。不同类型的填料对污染物的吸附效果存在最优配比[19],本研究中当铝污泥与沸石配比为4∶1时对TP的吸附性能较优。

3.2 生物滞留池的渗透性

生物滞留池渗透系数的高低直接影响其处理效果[20-21],渗透系数较高时,滞留池持水性差,停留时间不足以去除水体污染物；而渗透系数较低时,则会导致径流溢出,产生二次污染。生物滞留池要求填充材料压实后仍保持适合的渗透系数,本研究中生物滞留池的渗透系数均满足美国国家环境保护局(US EPA)及新西兰的设计要求(1.25 cm∕h以上)[22]。

生物滞留池对水中污染物的去除是植物、填料和微生物共同作用的结果,在生物滞留池中,微生物在填料表面形成生物膜,随着代谢产物逐渐积聚、植物根系生长等,生物滞留池渗透性逐渐降低。尤其是在进水污染物浓度较高时,填料吸附能力随着时间的增长而降低,填料的吸附量易达到饱和状态[3,23],使渗透系数显著下降；而进水污染物浓度相对较低时,吸附量在一定时间内不能达到饱和程度,渗透系数变化较小。铝污泥填料含有丰富的铝∕铁盐或聚合物,对磷有较强的吸附螯合能力[24]；铝污泥填料比表面积较大,增加了微生物与水中氮、磷的接触面积[11],提升了填料对污染物的吸附能力,因此铝污泥配比较高的生物滞留池渗透系数下降较为平缓,且渗透性高于铝污泥配比较低的生物滞留池；同时填料较高的吸附能力提升了其使用时间,进而延长生物滞留池使用寿命。铝污泥填料孔隙率较高[11],较小的悬浮颗粒物可以在一定水流冲刷下从生物滞留池中脱除,降低堵塞可能性,延长运行维护周期,但在实际应用中若想充分发挥生物滞留池的渗透效果,需在生物滞留池前设置缓冲区,截留较大颗粒悬浮物,保持生物滞留池高效渗透性。

3.3 生物滞留池去除污染物效果

基于铝污泥填料对TP较好的吸附效果[10-11,24],针对高浓度和中浓度模拟雨水,铝污泥与沸石配比为4∶1的生物滞留池对TP均保持较高的去除率,且均高于铝污泥与沸石配比为3∶2的生物滞留池,表明在生物滞留池中铝污泥填料对TP的去除效果优于传统沸石。2种生物滞留池对低浓度模拟雨水的去除效果显著降低,且无明显差异。磷吸附动力学相关研究结果表明,填料对磷的吸附效果与磷酸盐浓度呈正相关[25-27],当水中磷酸盐浓度较低时,不足以支撑植物、微生物的生命活动。生物滞留池对氮的去除机理与人工湿地相似,主要通过池内填料吸附、植物根系以及池内微生物硝化、反硝化的共同作用,因此填料的类型、配比等直接影响生物滞留池的去除效果[28]。当模拟雨水中污染物浓度较高时,生物滞留池经过一定周期运行实现厌氧、缺氧、好氧状态,且有充足的碳源,形成适合硝化、反硝化微生物的生长环境,在生物滞留池中完成了填料吸附、微生物代谢和植物吸收,实现较好的氮去除效果。当模拟雨水污染物浓度较低时,填料对氨氮的吸附效果随污染物浓度的降低而降低[29-30],这是由于水体中碳源不足以支撑微生物的代谢活动,导致氮的去除率明显下降[31-32]；污染物浓度较高时,铝污泥填料配比较高的生物滞留池相对于配比较低的生物滞留池在脱氮效果方面具有一定优势。

4 结论

(1)通过提高铝污泥在填料中的配比可以显著提升生物滞留池对高浓度雨水中污染物的去除效果,尤其是对TP的去除率可达89.0%,COD、TN和NH3-N去除率可达62.4%、66.4%和68.0%,均维持在较高水平。低浓度时,铝污泥填料配比的高低对生物滞留池去除污染物效果无明显影响。

(2)高配比铝污泥的生物滞留池渗透性强,铝污泥填料吸附量大,在一定运行周期内可保持较高的渗透与吸附效果,且提高生物滞留池的使用寿命,延长其运行维护周期。