降雨间隔和填料组合对生物滞留设施净化效果的影响

王 琦,颉亚玮,王 永,谢宇菲,刘宏远

(1.浙江工业大学土木工程学院,浙江杭州 310023;2.浙江省城市水业协会,浙江杭州 310009;3.浙江省城乡规划设计研究院,浙江杭州 310030)

降雨过程对大气中悬浮物质的淋洗和对地表污染物的冲洗使得雨水径流中含有大量污染物,并存在显著的初期冲刷效应[1],未经净化后排放会对受纳水体造成污染,雨水地表径流污染已成为仅次于农业污染的第二大面污染源[2]。生物滞留设施是低影响开发(low impact development,LID)技术中的一种地表径流处理设施,不仅具有削减径流量、洪峰流量和延迟洪峰时间的能力[3],在总悬浮固体(TSS)、油脂、病原微生物和重金属等去除方面也表现出较佳的性能[4]。

填料是生物滞留设施污染物净化效果的关键影响因素之一。国内外关于填料改良开展了大量研究,主要通过在系统中添加一定比例的改良填料来提升系统径流量和污染物控制效果[5-7]。相较于添加单一改良填料,组合填料能够发挥不同改良填料的优势。沸石和麦饭石具有多孔结构和较大的比表面积,作为改良填料能够有效提升系统污染物去除效果[8-9]。许萍等[3]的研究表明,麦饭石、沸石、铝污泥和河砂组合填料性能最佳,对TP的去除率高于93%,在最佳运行条件下对氨氮和TN的去除率均高于58%。周栋等[10]发现沸石和麦饭石体积比为3∶7的填充柱综合性能最佳,对TP和TN的去除率能够达到78%以上。王金丽等[11]通过沸石、麦饭石和蛭石组合实现对氨氮、磷酸盐和CODCr的高去除效果。Yang等[12]研究表明,在人工湿地系统中添加锰砂,使系统对磷的去除率由43.2%提升到65.1%。此外,降雨间隔对生物滞留设施的污染物净化效果存在明显影响,填料的干湿交替变化会影响系统中微生物群落结构和土壤中酶的扩散,还会影响填料对污染物的吸附效果[13-14]。陈垚等[15]分析了前期干旱天数对生物滞留系统除氮性能的影响机制,表明前期干旱天数会改变系统中氮还原酶空间分布及微生物群落结构,从而影响系统对不同形态氮的去除能力。黎雪然等[16]的研究表明,雨前干旱天数还会影响生物滞留系统中氮的转化机制如硝化、吸收、反硝化和矿化等。

目前关于改良填料的研究多注重在不同进水污染物负荷和不同降雨重现期下污染物的净化效果上,针对降雨间隔对于生物滞留设施污染物净化效果影响的相关研究较少。本研究在杭州市海绵城市建设中生物滞留设施研究项目的支持下,探讨不同降雨间隔和污染物负荷条件下生物滞留设施中麦饭石、沸石和锰砂等多种填料组合的净化作用,以期为生物滞留设施在实际工程中的应用提供参考。

1 方法与材料

1.1 试验方法

试验配制了3种填料,并对填料的渗透系数和持水量进行了测定;将3种填料以3种不同组合方式填充在3根生物滞留柱中,研究其在不同进水污染物负荷、不同降雨间隔下的污染物净化效果和对实际地表雨水径流的净化效果。

1.1.1 填料渗透系数及持水量测定

装置如图1所示,有机玻璃管直径为10 cm,高为70 cm,自下而上依次为砾石(粒径为1.0～1.5 cm)集水层、中沙(粒径为1～3 mm)过滤层、细沙(粒径<1 mm)过滤层、填料层、淹没区。填料层和细沙层、中沙层和砾石集水层间铺设有透水土工布。淹没区上方设有溢流口。

图1 渗透系数测定装置

采用恒定水头法测定填料渗透系数。以恒定进水速度持续布水6 h,保持填料上方稳定有10 cm水柱,超出水头的水量从溢流口流出。自出水口出水开始监测出水流量,待出水流量稳定后每间隔0.5 h记录出水流量一次,直至布水结束,对测得的数据取平均值,并通过计算得到渗透系数。填料持水量通过对试验进水量与出水量之间的差值分析而来。测定结果如表1所示。

表1 不同类型填料持水量和渗透系数

1.1.2 生物滞留设施雨水径流净化

试验装置如图2所示,有机玻璃管内径为20 cm,高为120 cm,自下而上依次为砾石(粒径为2～3 cm)集水层、中沙(粒径为1～3 mm)过滤层、细沙(粒径<1 mm)过滤层、填料层、腐熟树皮层。填料层上方种植有麦冬。填料层和细沙层、中沙层和砾石储水层间铺设有透水土工布。

图2 试验装置

不同污染物负荷:以4 d为一个周期,每天运行12 h,考虑到生物滞留装置一般针对初期雨水径流,设置进水流量为1 L/h。每天9:00开始进水,从出水口出水开始,每2 h取样一次。试验进水按照高、中、低污染物负荷顺序进行,每个负荷条件运行1个周期,不同周期间隔2 d。

不同降雨间隔:试验过程中,通过停止进水模拟晴天状态,研究不同降雨间隔对系统的影响。此部分试验采用中污染物负荷,共设置2、7 d和15 d 3个间隔,顺次进行。试验周期调整为2 d,其余与不同进水污染物负荷试验相同。

实际地表径流净化:降雨间隔为2 d,运行总时长为12 h,其余与不同污染物负荷试验相同。

1.1.3 分析方法

1.2 试验材料

1.2.1 试验土壤及改良填料

试验所用土壤取自浙江省杭州市西湖区小和山地区。土壤晾干后经孔径1 mm筛网去除土壤中的碎石和枯枝落叶等杂质后分析土壤粒径分布,结果如表2所示。根据国际通用土壤类型分类标准[18],本试验土壤类型为粉质黏壤土。为保证填料结构的稳定性及其对污染物的净化效果,所用麦饭石、锰砂、沸石各自均由3种粒径(1～3、3～5、5～8 mm)混合而成,其质量比为3∶1∶1。

表2 土壤粒径分布

1.2.2 试验用水

表3 试验用水

目标水质:《城镇污水处理厂污染物排放标准》(GB 18918—2002)一级A标准(CODCr质量浓度≤50 mg/L、TP质量浓度≤0.5 mg/L、氨氮质量浓度≤5 mg/L、TN质量浓度≤15 mg/L、SS质量浓度≤10 mg/L)。

2 结果与讨论

2.1 填料组合的影响

图3 不同进水污染物负荷下生物滞留设施污染物净化效果

由图3(b)可知,A柱氨氮平均去除率稳定在95%以上,优于B柱(90%以上);而C柱对氨氮的去除效果随着试验的进行逐渐变差,低污染物负荷下去除率仅有56%。氨氮主要通过吸附作用被填料去除,相较于麦饭石和沸石,锰砂对氨氮的吸附效果较差[21-22]。B柱填料的分层填充形式下,麦饭石和沸石与雨水径流接触时间较A柱填料混合填充短,C柱填料中锰砂比例远大于其他两个生物滞留设施。

由图3(c)和图3(d)可知,3种组合方式填料下TP平均去除率均在97%以上,稳定运行后CODCr去除率均大于94%。TP主要通过填料吸附、化学沉淀和生物同化作用去除,研究[11-12]表明,麦饭石和沸石及锰砂对TP均有较好的吸附效果。初始运行时,CODCr去除率偏低且波动范围较大,主要是运行前期填料层部分不稳定有机质随水流流出,A柱填料层填料渗透系数较小,填料结构较其余两种更加稳定,有机质流出较少;随着运行时间的延长,生物作用逐渐形成,各模拟柱CODCr去除效果趋于稳定。

2.2 降雨间隔的影响

图4 不同降雨间隔下生物滞留设施污染物净化效果

由图4(b)可知,长降雨间隔(15 d)下,各系统CODCr去除率出现不同程度地下降。A柱CODCr去除率较降雨间隔为2 d和7 d时下降了8%左右,B柱和C柱分别下降了15%和22%左右。这可能与高降雨间隔后,系统内微生物数量和活性降低及群落结构发生变化有关[13]。

由图4(c)和图4(d)可知,降雨间隔的增加并没有导致氨氮和TP的去除率下降,去除率均在90%以上。降雨间隔较长时,C柱氨氮的去除效果趋好。降雨间隔为2 d时,C柱氨氮平均去除率为76.9%,降雨间隔为7 d和15 d时的氨氮平均去除率均在92%以上。原因是:较长的降雨间隔下,填料吸附的氨氮长时间停留在填料上,客观上促进了硝化作用,填料表面吸附位点空缺,再次布水时重新吸附氨氮。基于麦饭石和沸石对氨氮较好的吸附效果,A柱和B柱氨氮去除率均在93%以上。

图5为不同降雨间隔下生物滞留设施出水污染物浓度情况。由图5(a)可知,长降雨间隔下(15 d),系统出水CODCr浓度波动性明显增加。其中,B柱和C柱的波动范围远超A柱,运行首日B柱和C柱CODCr平均出水质量浓度约为A柱(10.95 mg/L)的2倍。主要原因是:A柱内填料结构相对稳定且持水性能较好,在经历长降雨间隔后仍能保持较稳定的系统内部环境。

图5 不同降雨间隔下出水氨氮浓度

由图5(c)可知,各降雨间隔下C柱出水氨氮浓度始终表现出波动范围大于A柱和B柱的特性,降雨间隔为2 d时尤为突出,平均出水浓度接近A柱和B柱的2倍。主要原因是相较于沸石和麦饭石,锰砂表面氨氮吸附点位相对较少,短降雨间隔下,吸附点位较快被占据,未被吸附的氨氮随水流流出系统。

2.3 实际雨水地表径流的净化效果

表4 生物滞留设施对实际地表径流的净化效果

3 小结