三聚氰胺脲醛树脂发泡体应用于绿色屋顶基质的效果

董 悦，易 宁，章 茹*，候元元

(南昌大学 a.资源与环境学院；b.鄱阳湖环境与资源利用教育部重点实验室； c.分析测试中心，江西 南昌 330031)

绿色屋顶可以调控径流水质水量、缓解城市热岛效应及改善住宅区微环境等[1-2]，是解决如今城市日趋严重的生态环境问题的重要措施之一，在发达国家已经得到广泛应用。基质层材料性能是绿色屋顶截流减污效果的重要影响因素，常见的基质层材料如沙子、菜园土等容重较大，易导致荷载过大[3]，吸水保水性差；而轻质基质如珍珠岩、蛭石等[3]无营养元素，难以供给植物营养，易造成绿色屋顶荷载较大、截流减污效果差等问题。为了解决该问题，有研究表明可将脲醛泡沫应用于无土栽培基质[4-9]，脲醛泡沫质轻、吸水保水性能好，而且泡沫中的氮经土壤中细菌分解，作为营养成分进入土壤中，但脲醛泡沫同时具有甲醛释放量大、韧性和耐水性较差等[4，10-12]问题。候元元[13]研制出MUF发泡体，富含氮素、质轻及水保水性好，可补充植物营养、调节基质层容重和增强滞蓄能力；并粗浅探讨了MUF发泡体添加对于绿色屋顶径流氮磷去除率的影响。本研究通过对比MUF发泡体基质添加后对于绿色屋顶径流氮磷浓度随降雨时间的变化规律影响，进一步加深MUF发泡体基质应用效果研究。

基质配比和降雨强度是绿色屋顶径流水质的重要影响因素。基质材料的优选是构建绿色屋顶的必经步骤，候元元研究选用的粉煤灰基质[13]粒径过小，易堵塞出流，本研究替换为沸石，其离子交换性能强，吸附性能好，对于氨氮[14]和磷都有良好的去除效果。基质配比设计借鉴了前人研究[15-17]。绿色屋顶是径流污染物的源或汇一直是领域内一个备具争议的点[14,18-21]，可用来分析径流氮磷迁移转化关系。

本研究以MUF发泡体和红壤为营养基质层，以珍珠岩、蛭石、沸石和活性炭为吸附层，构建4种不同基质配比的绿色屋顶实验装置，设计3种不同降雨强度的模拟实验，通过分析MUF发泡体添加后，绿色屋顶在连续降雨条件下，径流氮磷浓度随降雨时间的变化规律，进一步探讨了MUF发泡体加入绿色屋顶基质层后，降雨条件与氮磷处理效果的源或汇关系。研究补充了MUF发泡体作为绿色屋顶基质应用的参考依据，且为绿色屋顶技术的发展提供了新的思路。

1 材料与方法

1.1 实验材料

实验所需基质材料有MUF发泡体、红壤、珍珠岩、蛭石、活性炭和沸石，其中MUF发泡体是实验室自制，红壤采集于当地土壤，而珍珠岩、蛭石、活性炭和沸石均采购于腾远基质材料有限公司。下表1是各基质材料基本物理性质参数。表2是各基质材料的氮磷值。

表1 绿色屋顶基质材料物理性质Tab.1 Physical properties of green roof matrix materials

表2 各基质材料氮磷背景值Tab.2 Nitrogen and phosphorus background values of each matrix material

1.2 主要仪器设备

UV-6100紫外分光光度计(上海元析仪器有限公司)；LHS-18A高压蒸汽灭菌器(宁波凌宏医疗器械科技有限公司)；A200206鼓风干燥箱(上海艾测电子科技有限公司)。

1.3 实验方法

1.3.1 模拟装置

实验共设计4组0.380 m×0.275 m×0.215 m的绿色屋顶模拟实验装置；装置示意图如图1，从上到下分别为基质层(50 mm)、过滤层(2 mm土工布)和蓄排水层(2.5 mm蓄排水板)；为避免植物因素影响本研究探讨绿色屋顶基质MUF发泡体的应用效果，实验并未设计植物层。基质层是营养基质和吸附基质均匀混合而成，如图1所示，其中营养基质/吸附基质是4:6(体积比)，具体配比见表3。

图1 绿色屋顶模拟装置示意图Fig.1 Schematic diagram of green roof simulation device

表3 绿色屋顶模拟装置基质配比Tab.3 Matrix ratio of green roof simulation device

1.3.2 实验设计

1.3.2 分析方法

总氮测定方法为过硫酸钾-分光光度法(HJ636-2012)；总磷测定方法为钼酸铵分光光度法(GB/T11893-89)；氨氮测定方法为纳氏试剂分光光度法(HJ 535-2009)；硝氮测定方法为紫外分光光度法(HJ/T 346-2007)。

1.4 数据分析

实验数据采用Excel进行统计分析，采用Origin2017软件绘图，采用ANOVA单因素方差分析中的F检验方法对数据进行差异显著性分析。

2 结果与讨论

2.1 不同降雨强度和基质配比下径流总氮浓度分析

MUF发泡体添加后，降雨强度因素对于各装置径流总氮平均浓度并无显著性影响，而不同基质配比则对其有显著性影响(α=0.05，表4)。由图2可得，A装置的径流总氮平均浓度均小于装置B、C和D，这表明A装置基质层结构稳定性更好，MUF发泡体添加量与径流总氮平均浓度成正相关。A装置径流总氮平均浓度和降雨强度成反比，而B、C、D装置的径流总氮平均浓度随降雨强度增加而先升后降，分析原因是A装置基质层抗冲击负荷能力强；B、C、D装置在降雨强度不大时，MUF发泡体和活性炭等基质的氮淋出量和降雨强度呈正比，降雨强度过大时，基质层内氧气含量过低，反硝化作用更强，硝氮被转化为氮气逸出，总氮含量下降。

表4 不同降雨强度和基质配比下各装置总氮平均浓度的方差分析表Tab.4 Variance analysis of the average concentration of total nitrogen in each device under different rainfall intensities and substrate ratios

装置编号图2 不同降雨强度下各装置径流总氮平均浓度Fig.2 Average concentration of total nitrogen in runoff of each device under different rainfall intensities

各装置径流总氮浓度与降雨时间整体呈负相关，以45.45 mm·h-1降雨条件为例，如图3，各装置径流总氮浓度随着降雨时间的延长而逐渐下降并趋于稳定，均略高于模拟雨水浓度1.5 mg·L-1，超过地表水水质标准五类限值，这表明绿色屋顶是径流总氮的源，这与桑敏[18]、RAZZAGHMANESH M[21]和沈庆然等[14]的研究相符。各装置中A装置径流总氮浓度随降雨时间变化趋势最为平缓，D装置径流总氮浓度随降雨时间变化趋势波动剧烈，降雨后期径流总氮浓度最高，这表明MUF发泡体添加量与装置径流总氮浓度成正比，MUF发泡体总氮淋失量和降雨时间成正比。B、C装置降雨初期冲刷效应严重，这表明吸附层基质配比为珍珠岩：蛭石：沸石：活性炭=1:1:3:1时，基质层最稳定，受雨水冲击影响最小，总氮淋失量低。降雨初期浓度值高可能是未形成厌氧环境，反硝化去除硝氮作用较小[19]；进水冲击负荷高，引起MUF发泡体、红壤大量淋出氮元素；降雨时间短，吸附基质层吸附含氮污染物作用不强。

装置名称图3 降雨条件45.45 mm·h-1下各装置径流总氮浓度随降雨时间变化Fig.3 Variation of total nitrogen concentration in runoff with rainfall time for each device under 45.45 mm·h-1 rainfall

2.2 不同降雨强度和基质配比下径流氨氮浓度分析

降雨强度和基质配比对各装置径流氨氮浓度影响均很显著(α=0.05，表5)。由图4可知，各装置径流平均氨氮浓度和降雨强度呈显著正相关，A装置径流氨氮平均浓度远低于D装置，吸附层基质配比不同的各装置径流氨氮平均浓度大小为A

表5 不同降雨强度和基质配比下各装置氨氮平均浓度的方差分析表Tab.5 Variance analysis of the average concentration of ammonia nitrogen in each device under different rainfall intensities and substrate ratios

装置编号图4 不同降雨强度下各装置径流氨氮平均浓度变化Fig.4 Average concentration of ammonia nitrogen in runoff of each device under different rainfall intensities

各装置的径流氨氮浓度和降雨时间成负相关，以45.45 mm·h-1降雨条件为例，见图5，降雨后期氨氮浓度远低于模拟雨水浓度1.0 mg·L-1，降雨结束时A装置浓度更降至0.2 mg·L-1左右，这表明绿色屋顶基质层是径流氨氮的汇，分析是随着降雨时长增加，基质层适应了进水冲击负荷，氨氮淋失现象减弱。各装置径流氨氮浓度随降雨时间变化趋势波动剧烈，分析认为是基质层初期红壤有机氮逐步氨化[19]，MUF发泡体中氮元素被土壤细菌分解氨化，还有带负电的土壤颗粒、有机物和胶体物质有良好的吸附氨氮效果[13]，各种反应交互，所以系统稳定需要时间。降雨初期各装置径流氨氮浓度为C>D>B>A，后期变为D>C>B>A，分析认为是MUF发泡体吸水保水性能好，延长径流滞留时间，后期随着降雨时间的增加，MUF发泡体淋溶于径流的氨氮含量增加，超出了MUF发泡体本身去除氨氮的能力，所以降雨后期D装置径流氨氮浓度逐渐超过C装置。B和C装置径流初期氨氮浓度突然升高，初期冲刷效应严重，分析认为是吸附层基质配比为珍珠岩：蛭石：沸石：活性炭=1:1:3:1时，基质层结构较为稳定，抗进水冲击负荷能力强，出流氨氮浓度低。

装置名称图5 降雨强度45.45 mm·h-1下各装置径流氨氮浓度随进水次数变化Fig.5 Variation of ammonia nitrogen concentration in runoff with rainfall time for each device under 45.45 mm·h-1 rainfall

2.3 不同降雨强度和基质配比下径流硝氮浓度分析

降雨强度对于各装置径流硝氮浓度有较为显著性影响，基质配比对于浓度变化影响并不显著(α=0.05，表6)，MUF发泡体添加量对于径流硝氮浓度无显著性影响。如图6所示，各装置径流硝氮平均浓度和降雨强度呈负相关，分析是降雨强度越大，越易形成厌氧环境，促进反硝化作用去除硝氮。各装置径流平均硝氮浓度要高于模拟雨水0.5 mg·L-1，这表明绿色屋顶是硝氮的源，基质层硝氮淋失严重。

表6 不同降雨强度和基质配比下各装置硝氮平均浓度的方差分析表Tab.6 Variance analysis of the average concentration of nitrate nitrogen in each device under different rainfall intensities and substrate ratios

装置编号图6 不同降雨强度下各装置径流硝氮平均浓度变化Fig.6 Average concentration of nitrate nitrogen in runoff of each device under different rainfall intensities

各装置径流硝氮浓度和降雨时间呈负相关，以59.81 mm·h-1降雨条件为例，由图7可知，除C装置外，各装置随降雨时间径流硝氮浓度变化趋势十分平缓，D装置径流硝氮浓度小于A装置，在降雨结束时浓度更降至1.1 mg·L-1左右，这表明绿色屋顶对硝氮去除效果不显著，但MUF发泡体具有一定去除硝氮效果，分析认为在降雨前期存在的好氧环境中，雨水中的氨氮、有机氮和MUF发泡体分解氨化后的氨氮经硝化作用转化为硝氮，累积于基质层中，随雨水流出，导致径流硝氮浓度上升；而在降雨后期，随着缺氧环境形成，硝氮与基质、微生物等充分接触，温度适宜反硝化细菌生存，加快反硝化作用，硝氮浓度大幅降低[19]。各装置径流硝氮浓度在降雨后期排序为B>C>A>D，这表明MUF发泡体和径流硝氮浓度呈负相关，且吸附层基质配比对于硝氮浓度的影响无规律可循。C装置初期冲刷效应较为明显，但径流硝氮浓度下降迅速，分析可能是降雨初期未形成反硝化反应适宜的缺氧环境条件[19]。

装置编号图7 降雨强度59.81 mm·h-1下各装置 径流中硝氮浓度随进水次数变化Fig.7 Variation of nitrate nitrogen concentration in runoff with rainfall time for each device under 59.81 mm·h-1 rainfall

2.4 不同降雨强度和基质配比下径流总磷浓度分析

降雨强度对于各装置径流总磷浓度有显著性影响，不同基质配比去除总磷效果并无显著差异(α=0.05，表7)。从图8可知，在降雨强度小于52.63 mm·h-1时，各装置径流总磷平均浓度和降雨强度呈显著负相关，大于52.63 mm·h-1时，A和D装置径流总磷平均浓度几乎不受降雨强度影响，而B和C装置则和降雨强度呈显著正相关，52.63 mm·h-1时各装置径流总磷平均浓度均远低于模拟雨水总磷浓度0.05 mg·L-1，这表明绿色屋顶是总磷的汇，吸附层基质配比为珍珠岩：蛭石：沸石：活性炭=1:1:3:1时，装置抗冲击负荷能力强，降雨强度过大会增加基质层磷淋出量。随着不同降雨强度模拟实验的进行，D装置径流总磷去除效果逐渐超过A装置，第3次的径流总磷平均浓度甚至仅为A装置的一半，这表明MUF发泡体具有良好的除磷效果，且和运行时间呈正相关。

表7 不同降雨强度和基质配比下各装置 硝氮平均浓度的方差分析表Tab.7 Variance analysis of the average concentration of total phosphorus in each device under different rainfall intensities and substrate ratios

装置编号图8 不同降雨强度下各装置径流总磷平均浓度变化Fig.8 Average concentration of total phosphorus in runoff of each device under different rainfall intensities

各装置径流总磷浓度随降雨时长的变化趋势较为平缓且逐渐下降，以52.63 mm·h-1降雨条件为例，由图9可知，除C装置外，各装置径流初期就低于0.05 mg·L-1，这表明基质层除磷效果很好，而且随降雨时间增加而提升。A和D装置在实验结束时径流总磷浓度降至0.004 mg·L-1，仅为模拟雨水浓度的10%左右，去除效果十分显著，这表明吸附层基质配比为珍珠岩：蛭石：沸石：活性炭=1:1:3:1时，对于MUF发泡体去除总磷的增益效果最好。C装置降雨初期的径流总磷浓度要明显高于其他装置，但下降十分迅速，分析认为是吸附基质层不稳定造成的初期总磷淋失，抗冲击负荷力低，且活性炭中可能有少量的磷融入径流中。基质层中各填料均具有除磷效果，红壤中含有大量铁铝氧化物，可以与磷酸根反应生成磷酸盐，去除雨水中总磷；活性炭和沸石对于总磷的吸附能力也十分强悍。

装置名称图9 52.63 mm·h-1降雨强度下各装置 径流总磷浓度随进水次数变化Fig.9 Variation of total phosphorus concentration in runoff with rainfall time for each device under 52.63 mm·h-1 rainfall

3 结论

MUF发泡体作为基质添加后，各装置径流氮磷浓度和降雨时间整体呈负相关。其中总氮浓度在2.3～8.3 mg·L-1、氨氮浓度在0.1～3.2 mg·L-1范围内随降雨时间变化趋势波动剧烈，硝氮、总磷浓度随降雨时间变化趋势较为平缓。降雨强度因素对于各装置径流氨氮、硝氮和总磷平均浓度的影响较为显著。其中氨氮平均浓度和降雨强度呈显著正相关；硝氮平均浓度和降雨强度呈负相关；降雨强度小于52.63 mm·h-1时，总磷平均浓度和降雨强度呈显著负相关。基质配比因素对于各装置总氮、氨氮平均浓度影响较为显著。MUF发泡体添加量和各装置径流总氮、氨氮浓度呈正相关。基质层除磷效果要优于除氮效果。吸附层基质配比为珍珠岩：蛭石：沸石：活性炭=1:1:3:1时，MUF发泡体添加最利于各装置径流氮磷去除效果的提升。

绿色屋顶装置表现为径流氨氮、总磷的汇，总氮、硝氮的源，各装置径流氮磷浓度已达《城镇污水处理厂污染物排放标准》一级A标准；氨氮浓度最低为0.2 mg·L-1左右，是进水浓度的20%；总磷浓度最低可降至0.004 mg·L-1，是进水浓度的10%左右。

MUF发泡体基质不仅是高效除磷基质，还可以作为绿色屋顶植物的氮源，适合应用于绿色屋顶基质；具有良好的吸水保水性能，增强了绿色屋顶硝氮和总磷去除效果。欲更进一步探讨MUF发泡体作为绿色屋顶基质的应用效果，可将各组分对氮、磷的吸附特性作为构建吸附基质层的依据，并考虑植物因素的影响。