李慧莉 張榆敏

摘 ? ? ?要：以黃土與煤矸石為原料，制得黃土基改性陶粒，將其作為滲濾系統(tǒng)的填料，對雨水徑流進行污染物去除效能實驗。主要監(jiān)測系統(tǒng)對SS、COD、NH4+-N、TN及TP的去除效果。結(jié)果表明：反應(yīng)器在進水流量為2.92 mL/min，水力負荷為1.75 m3/（m3濾料?d）時，對SS、COD、NH4+-N、TN及TP的去除率分別為98.81%、45.23%、54%、84.21%、67.12%;持續(xù)運行后得到反應(yīng)器的運行穩(wěn)定時間為10 h，此后出水水質(zhì)趨于穩(wěn)定，穩(wěn)定后SS、COD、NH4+-N、NO3--N、NO2--N、TN及TP的去除率分別為（97.5±0.5）%、（70.53±1.0）%、（73.47±2.0）%、（49.37±2.0）%、（96.45±2.0）%、（71.68±2.0）%、（69.2±2.0）%;黃土基改性陶?？捎糜谔m州地區(qū)初期雨水徑流的處理。

關(guān) ?鍵 ?詞：黃土;陶粒;雨水徑流

中圖分類號：TQ085 ? ? ? 文獻標(biāo)識碼： A ? ? ? 文章編號： 1671-0460（2019）12-2727-05

Abstract： Loess and coal gangue were used as main raw materials to prepare loess modified ceramsite， and it was utilized as filtration materials for treatment of rainwater runoff to research the removal efficiency of pollutants. The removal efficiencies of SS， COD， NH4+-N， TN and TP were the main indexes. The results showed that when the flow rate was 2.92 mL/min and the hydraulic load was 1.75 m3/[m3?d]， the removal rates of SS， COD， NH4+-N， TN and TP were 98.81%， 45.23%， 54%， 84.21%， 67.12%， respectively. With continuous operation， the stability time of the reactor was 10 h， and the effluent quality tended to be stable and the removal rates of SS， COD， NH4+-N， NO3--N， NO2--N， TN and TP were （97.5±0.5）%， （70.53±1.0）%， （73.47±2.0）%， （49.37±2.0）%， （96.45±2.0）%， （71.68±2.0）%， （69.2±2.0）% ， respectively. So the loess modified ceramsite can be put into the treatment of initial rainwater runoff in Lanzhou area.

Key words： Loess; Ceramiste; Rainwater runoff

蘭州市屬大陸性季風(fēng)氣候，降水量少、氣候干燥，年均降水量在250～350 mm，地表水資源嚴重不足。且降雨集中分布在6月～9月，集中降雨不僅導(dǎo)致了雨水資源的大量流失，還會造成嚴重的雨水徑流污染、洪澇災(zāi)害以及生態(tài)環(huán)境破壞等問題[1]。針對以上問題，已經(jīng)有大量學(xué)者對蘭州市降雨從化學(xué)成分、徑流特征、內(nèi)澇問題及資源利用等方面進行了研究[2-5]，并且有學(xué)者發(fā)現(xiàn)城市綠地可以很好的凈化雨水[6]，植草溝對中等交通道路上的雨水徑流污染有很好的緩沖作用[7]，采用綠化帶改良及屋面綠化等方法利用雨水資源，也可以達到較好的節(jié)水目的，提高水資源的利用效率[8]。國內(nèi)外學(xué)者對城市徑流污染處理中的滲濾介質(zhì)也做了大量研究，有學(xué)者將建筑廢棄物、粉煤灰陶粒、沸石、土壤、復(fù)合填料、多層介質(zhì)等作為水處理填料，發(fā)現(xiàn)對雨水徑流中污染物的去除都有較好的效果[9-14]。

本文根據(jù)蘭州市雨水徑流特點，就地取材，采用當(dāng)?shù)攸S土自制了黃土基改性陶粒，作為水處理濾料，研究其對雨水徑流中污染物的去除效果。

1 ?實驗部分

1.1 材料

（1）實驗所用濾料采用實驗室自制的黃土基改性陶粒，原料：黃土取自蘭州理工大學(xué)后山，煤矸石購自蘭州市某磚廠。

（2）進水為人工配制的模擬雨水徑流，每10 L水中加入的一定質(zhì)量的藥劑，具體配水方案見表1。

1.2 ?實驗裝置

實驗裝置由配水系統(tǒng)和實驗柱兩部分組成，如圖1所示。實驗柱為有機玻璃實驗柱，內(nèi)徑75 mm，將自制陶粒濾料填入實驗柱中，濾料層厚度為900 mm，反應(yīng)器的有效容積為1.6 L。配水系統(tǒng)由水箱、泵和軟管組成，進行實驗時，置于水箱底部的提升泵將模擬雨水送至實驗柱底部進水口，濾柱上部有一根直徑10 mm的出水管，負責(zé)出水。

1.3 ?水質(zhì)檢測方法

各項水質(zhì)指標(biāo)的檢測方法依據(jù)《水和廢水監(jiān)測分析方法（第四版）》，具體見表2。

2 ?結(jié)果與討論

2.1 ?不同進水流量下的處理效果

研究黃土基改性陶粒在不同進水流量下對各污染物的去除效果。選取了7種不同的進水條件，進水流量分別為1.46、1.94、2.33、2.92、3.89、5.83、11.67 mL/min（對應(yīng)的水力負荷分別為0.88、1.16、1.4、1.75、2.33、3.5、7.0 m3/（m3濾料?d），進行滲濾實驗。不同進水流量下陶粒對各污染物的處理效果見圖2。

從圖2可以看出，進水流量對SS的去除率影響不大，在不同進水流量下，對SS的去除率均能達到96%以上。隨著進水流量的增大，系統(tǒng)對COD、TN、氨氮的去除率呈先升高后降低的趨勢。當(dāng)進水流量為1.94 mL/min時，COD的去除率最高，為47.73%;當(dāng)進水流量為2.92 mL/min時，COD的去除率與最高去除率相差不大，為45.23%。當(dāng)進水流量為2.92 mL/min時，TN和氨氮的去除率最高，分別為84.21%和54%。對TP的去除率隨進水流量的增大呈下降趨勢，當(dāng)進水流量為1.46 mL/min時到最大，為75.53%。

綜上所述，當(dāng)進水流量為2.92mL/min時，滲濾系統(tǒng)對雨水徑流中各污染物的去除效果均較好。此時，濾料的水力負荷為1.75 m3/（m3濾料?d）。

2.2 ?污染物處理效果隨時間的變化規(guī)律

在進水流量為2.92 mL/min，水力負荷1.75 m3/（m3濾料?d）的條件下，定時取樣進行檢測，研究該滲濾系統(tǒng)各污染物處理效果隨時間的變化情況和穩(wěn)定運行條件。

2.2.1 ?SS的去除效果隨時間的變化規(guī)律

滲濾實驗中，黃土改性陶粒對濁度的去除效果見圖3。

從圖3中可以看出，滲濾系統(tǒng)對濁度的去除率從2 h開始基本穩(wěn)定，并且去除率較高，可達到97%以上。這是因為，濁度的去除主要是通過陶粒濾料對懸浮物質(zhì)的吸附和截留，反應(yīng)器運行1 h時，濁度去除率最低，這可能是因為濾料表面存在一些顆粒物，在水力沖刷作用下脫落，造成出水濁度偏大。運行后期，出水濁度在陶粒濾料的吸附、截留作用下趨于穩(wěn)定。

2.2.2 ?COD的去除效果隨時間的變化規(guī)律

滲濾實驗中，黃土改性陶粒對COD的去除效果見圖4。

從圖4中可以看出，滲濾系統(tǒng)對COD的去除率隨著運行時間的增加呈上升趨勢，從最初的34.21%逐步上升，最終穩(wěn)定在70.53%左右。這是因為，在運行初期，系統(tǒng)對COD的去除主要是通過陶粒濾料的過濾、截留和吸附作用;持續(xù)運行后，部分可降解有機物顆粒作為營養(yǎng)物質(zhì)被異養(yǎng)菌等微生物吸收，并為反硝化提供碳源[15]。因此，COD的去除率在后期呈上升趨勢，在后期反應(yīng)達到平衡后趨于穩(wěn)定。

2.2.3 ?氨氮的去除效果隨時間的變化規(guī)律

滲濾實驗中，黃土改性陶粒對氨氮的去除效果見圖5。

從圖5中可以看出，運行初期，滲濾系統(tǒng)對氨氮的去除率總體呈上升趨勢，最低去除率為46.94%，最高去除率為82.65%，而到運行后期，去除率有所下降并最終穩(wěn)定在73.47%左右。這是因為陶粒屬于無機材料，而無機材料通常帶負電，帶正電荷的氨氮主要通過表面帶負電荷的濾料的吸附作用去除。隨著運行時間的增加，硝化反應(yīng)消耗更多的氨氮，使氨氮去除率增加。濾料吸附達到飽和狀態(tài)后部分氨氮解吸出來，去除率開始下降，當(dāng)反應(yīng)達到平衡后趨于穩(wěn)定。

2.2.4 ?硝氮和亞硝氮的去除效果隨時間的變化規(guī)律

滲濾實驗中，硝氮和亞硝氮的濃度隨時間的變化如圖6和7。

從圖6-7中可以看出，運行初期，硝氮和亞硝氮的出水濃度均升高，超過進水濃度;運行中期，兩者出水濃度開始降低，并降至低于進水濃度;運行后期，兩者出水濃度基本保持穩(wěn)定，維持較高的去除率，硝氮和亞硝氮的去除率分別為49.37%和96.45%。這是因為，在運行初期，部分氨氮在好氧條件下進行硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮和亞硝態(tài)氮，使系統(tǒng)中二者濃度升高，隨著運行時間的增加，系統(tǒng)開始進行反硝化反應(yīng)，硝氮和亞硝氮濃度降低，當(dāng)反應(yīng)達到平衡后二者去除率保持基本穩(wěn)定。

2.2.5 ?TN的去除效果隨時間的變化規(guī)律

滲濾實驗中，黃土改性陶粒對TN的去除效果見圖8。

從圖8中可以看出，運行初期，滲濾系統(tǒng)對TN 的去除率波動較大，最低去除率為10.20%，最高去除率為73.68%。運行后期，去除率穩(wěn)定在71.68%左右。這是因為系統(tǒng)對TN的去除是通過濾料的吸附作用和硝化—反硝化作用。運行初期，TN的去除主要與氨氮的濾料吸附去除相關(guān);反應(yīng)后期，隨著硝化—反硝化反應(yīng)的平衡，TN的去除率趨于穩(wěn)定。

2.2.6 ?TP的去除效果隨時間的變化規(guī)律

滲濾實驗中，黃土改性陶粒對TP的處理效果見圖9。

從圖9中可以看出，運行初期，滲濾系統(tǒng)對TP的去除率呈上升趨勢，最高去除率為77.45%，最低去除率為46.70%。反應(yīng)后期，去除率有所降低并趨于穩(wěn)定，可達到69.2%左右。這是因為系統(tǒng)對TP的去除主要是通過沉淀和濾料的吸附作用和在運行初期，濾料對磷大量吸附，使TP去除率快速升高;當(dāng)吸附飽和后開始釋磷，使TP去除率降低，當(dāng)吸附—解吸達到平衡時，TP的去除率趨于穩(wěn)定。

2.3 ?黃土基改性陶粒污染物去除效能

根據(jù)以上實驗，在進水流量為2.92 mL/min，水力負荷為1.75 m3/（m3濾料·d）時，連續(xù)進出水，反應(yīng)器運行穩(wěn)定后出水水質(zhì)及污染物去除率見表3。

從表3可以看出，運行穩(wěn)定后的出水各項水質(zhì)指標(biāo)滿足《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準》（GB 18918-2002）[16]中一級B出水要求。根據(jù)普通生物濾池的設(shè)計要求，處理生活污水或以生活污水為主的城市污水時，水力負荷可取1～3 m3/（m3濾料?d） [17]。因此，滲濾系統(tǒng)的水力負荷1.75 m3/（m3濾料?d）符合要求。

崔叔陽[3]等研究了蘭州地區(qū)雨水徑流中的污染物，發(fā)現(xiàn)初期徑流中各污染物濃度分別為：濁度為50～250 NTU，COD為50～215 mg/L，NH4+-N為9～27mg/L，TN為16～42 mg/L，TP為0.5～1.8 mg/L。并且降雨后期，各污染物濃度會迅速下降。劉增超[18]等分別以活性炭和沸石作為生物滯留池的填料處理雨水徑流，發(fā)現(xiàn)沸石對COD、TP、NH4+-N、TN的去除率分別為70.59%、85.83%、79.98%、66.02%;活性炭對COD、TP、NH4+-N、TN的去除率分別為72.91%、75.43%、62.84%、51.09%。由此可見，在對蘭州地區(qū)初期雨水徑流的處理中，本實驗所用黃土基改性陶?？傻玫捷^好的效果，并且在處理雨水徑流時，其處理能力強于活性炭，與沸石相當(dāng)。

綜上所述，根據(jù)蘭州地區(qū)雨水徑流中污染物的特征及各種填料對雨水徑流的處理效果，結(jié)合表3中本實驗對雨水徑流中污染物的處理效能，確定黃土基改性陶?？捎糜谔m州地區(qū)初期雨水徑流的處理。

3 ?結(jié) 論

經(jīng)過上述黃土基改性陶粒的污染物去除實驗，獲得如下結(jié)果：

（1）滲濾系統(tǒng)在進水流量為2.92 mL/min時，濾料的水力負荷為1.75 m3/（m3濾料?d）。此時，SS、COD、NH4+-N、TN及TP的去除率分別為98.81%、45.23%、54%、84.21%、67.12%。

（2）反應(yīng)器持續(xù)運行10 h后，出水水質(zhì)趨于穩(wěn)定。此時，SS、COD、NH4+-N、NO3--N、NO2--N、TN及TP的去除率分別為（97.5±0.5）%、（70.53±1.0）%、（73.47±2.0）%、（49.37±2.0）%、（96.45±2.0）%、（71.68±2.0）%、（69.2±2.0）%。

（3）黃土基改性陶?？捎糜谔m州地區(qū)初期雨水徑流的處理。

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