黃勇強(qiáng)，趙文亮，李武舉

(江蘇大學(xué) 環(huán)境與安全工程學(xué)院，江蘇 鎮(zhèn)江 212013)

初期雨水徑流尤其是路面雨水徑流的污染物濃度較高，Sansalone等對路面徑流的研究結(jié)果表明，初期20%徑流中的污染負(fù)荷占整場降雨污染的80%[1].目前在國家大力推行海綿城市建設(shè)的背景下，低影響開發(fā)措施成為解決雨水徑流污染的新措施[2].生物滯留系統(tǒng)是一種利用植物和土壤過濾、滯留、滲透雨水特性的雨水管理設(shè)施.生物滯留池是生物滯留系統(tǒng)的一種，通過植物、土壤和微生物系統(tǒng)滯蓄、凈化雨水徑流的設(shè)施，分為簡易型和復(fù)雜型，一般由植物層、蓄水層、覆蓋層、土壤層、過濾層構(gòu)成.復(fù)雜型生物滯留池對污染物的去除效果良好，可以有效控制雨水中的污染物.國內(nèi)對生物滯留池的研究尚未形成體系，對內(nèi)部機(jī)理的研究不夠深入.生物滯留池對氮磷污染物的去除不夠穩(wěn)定，目前關(guān)于生物滯留技術(shù)的研究主要集中在新型滯留介質(zhì)的研發(fā)、污染物的凈化機(jī)理、設(shè)計參數(shù)和構(gòu)造的優(yōu)化等方面[3].本研究通過一種廊道生物滯留池結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在不同水力負(fù)荷和不同干旱期下污染物處理效果的對比分析探討廊道式結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢.該廊道結(jié)構(gòu)通過在內(nèi)部設(shè)置廊道結(jié)構(gòu)提高了雨水徑流的滲流路徑并提高水力停留時間，使污染物與填料的接觸體積和接觸時間提升，并且廊道結(jié)構(gòu)使內(nèi)部形成好氧區(qū)和缺氧區(qū)，使微生物的脫氮除磷能力提高.

1 生物滯留池氮磷污染物凈化機(jī)理

1.1 氮去除機(jī)理

初期雨水徑流中的氮類污染物主要是以NH3-N、含氮有機(jī)物和硝態(tài)氮的形式存在.生物滯留池對氮的去除主要包括物理、化學(xué)和生物去除等幾方面的共同作用.物理機(jī)理包括氨氮的沉積、揮發(fā)等；化學(xué)機(jī)理主要是吸附；生物機(jī)理包括微生物作用、植物對氨氮的吸收利用等[4].

1.2 磷去除機(jī)理

城市徑流中的磷按物理形態(tài)可分為顆粒態(tài)磷和溶解態(tài)磷.生物滯留池對于磷的去除，主要通過種植土層和填料層的滲透、過濾、吸附、離子之間的交換、植物的吸收作用以及聚磷菌的攝取等方式[5].其去除原理主要有:滯留池內(nèi)填料的物理化學(xué)作用，種植土層中微生物和植物對磷的吸收固定作用[6]等.有研究表明，填料性能特別是填料的化學(xué)吸附特性是決定生物滯留池除磷效果的最主要因素[7].

2 裝置與試驗(yàn)

2.1 裝置設(shè)計

本裝置采用長方體結(jié)構(gòu)，主體為PP板制作而成，長寬高為1m×0.4m×1m，底部設(shè)置排水管，廊道式生物滯留池從上到下依次為200mm的種植土層、150mm的填料層1、150mm的填料層2、150mm的填料層3、150mm的礫石排水層，廊道結(jié)構(gòu)內(nèi)部采用塑料膜設(shè)置隔層，分別在種植土層與填料層1，填料層1與填料層2，填料層2與填料層3，填料層3與礫石排水層之間鋪設(shè)塑料膜，塑料膜與PP板用防水膠密封并固定，使進(jìn)水在主體結(jié)構(gòu)內(nèi)按照廊道結(jié)構(gòu)流動.

結(jié)構(gòu)如圖所示1.填料層1由體積比5%粒徑1～3mm的沸石、10%粒徑2～4mm的麥飯石、85%河沙混合而成.沸石與麥飯石組合參考了周棟等[9]的研究強(qiáng)化污染物的去除.填料層2根據(jù)潘國艷等[8]的研究選用由體積比5%粒徑0.4～0.8mm的石英砂、5%粉煤灰、90%的河砂混合而成.填料層3由體積比5%粒徑1～2mm的石英砂、5%的木屑、90%的河沙混合而成.種植土層選用江蘇大學(xué)環(huán)境學(xué)院樓下花園土壤.礫石排水層選用從工地上獲取的鵝卵石與礫石混合而成.另外Read等[10]、Milandri等[11]以及Lucas等[12]的研究結(jié)果都證明植物的存在有利于污染物的去除.本實(shí)驗(yàn)不設(shè)置植物，可認(rèn)為是在惡劣環(huán)境下的實(shí)驗(yàn).傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)內(nèi)部不設(shè)置廊道，填料層同樣采用同廊道結(jié)構(gòu)相同的填料并把3層填料看做一整個填料層，結(jié)構(gòu)如圖2所示.

2.2 雨水配制

2.2.1 雨水水質(zhì)

使用“天然”雨水(如雨水從排水管內(nèi)收集)難以保持濃度和特征的一致性.人工配水模擬的半合成雨水(如使用實(shí)驗(yàn)室化學(xué)藥品調(diào)配)不僅容易獲得，并且能更好的保證實(shí)驗(yàn)初始時各項(xiàng)污染物濃度的一致性[13].

本實(shí)驗(yàn)參考鎮(zhèn)江市路面雨水徑流水質(zhì)特點(diǎn)制備的半合成雨水主要指標(biāo)為:添加200mg/L葡萄糖模擬化學(xué)需氧量(COD)，添加2mg/L磷酸二氫鉀模擬TP，添加4mg/L的氯化銨模擬NH3-N.

2.2.2 雨水流量設(shè)計

本實(shí)驗(yàn)選用降雨重現(xiàn)期1a、2a、5a降雨歷時60min對應(yīng)的暴雨強(qiáng)度計算雨水流量.暴雨強(qiáng)度參考南京市暴雨強(qiáng)度公式:

Q=ψqF，

(1)

式中:Q為雨水設(shè)計流量，單位為L/s；ψ為流量徑流系數(shù)，本實(shí)驗(yàn)流量徑流系數(shù)定為0.85；q為設(shè)計暴雨強(qiáng)度，單位為L/(s·hm2)；F為匯水面積，單位為hm2.根據(jù)相關(guān)學(xué)者[14]研究選用初期雨水棄流量為5mm，對應(yīng)的初期雨水總量為本實(shí)驗(yàn)的進(jìn)水總量.在海綿城市建設(shè)技術(shù)指南中，對生物滯留池的設(shè)施面積進(jìn)行了規(guī)定，指南中認(rèn)為滯留池的布置不宜過于集中，且滯留池的規(guī)模不宜過大，同時認(rèn)為5%～10%是比較合適的生物滯留池面積與匯水面面積的比值[15].本實(shí)驗(yàn)生物滯留池表面積為0.4m2，表面積占初期雨水匯水面積的10%，對應(yīng)匯水區(qū)總面積為4m2.綜上各時期雨水量為:

Q總=5mm×4m3=20L，

(2)

Q1a=0.85×109.748×4×0.0001=0.037L/S，

(3)

Q2a=0.85×137.390×4×0.0001=0.047L/S，

(4)

Q5a=0.85×173.932×4×0.0001=0.059L/S.

(5)

2.3 取樣與監(jiān)測

模擬雨水采用每隔2d進(jìn)一次水，通過接種富含微生物的污水來掛膜，待出水穩(wěn)定后開始正式實(shí)驗(yàn)取樣.進(jìn)水采用不同流量的潛水泵進(jìn)水，在出水時間為5min、15min、30min取樣，取樣瓶為100mL的聚乙烯瓶.

不同進(jìn)水強(qiáng)度對比實(shí)驗(yàn)通過模擬3種降雨重現(xiàn)期，分別在3種重現(xiàn)期下每隔2d進(jìn)行1次實(shí)驗(yàn)，連續(xù)進(jìn)行4次實(shí)驗(yàn)，最后對4次實(shí)驗(yàn)結(jié)果取平均值.

不同干旱期出水效果比較實(shí)驗(yàn)通過每2d一次試驗(yàn)流程，出水穩(wěn)定后分別停止配水10d、20d、30d后2種裝置出水效果比較，實(shí)驗(yàn)過程進(jìn)水強(qiáng)度選用2a降雨重現(xiàn)期下的進(jìn)水強(qiáng)度.

2.4 水質(zhì)測試

徑流雨水中污染物主要是懸浮物、有機(jī)污染物和氮、磷等營養(yǎng)元素，本試驗(yàn)以化學(xué)需氧量(COD)、總磷(TP)和氨氮(NH3-N)作為測定指標(biāo)并進(jìn)行分析.COD用重鉻酸鹽氧化法測定.NH3-N是水中的營養(yǎng)物質(zhì)，可引起水體富營養(yǎng)化.它是水中主要的耗氧污染物.用納氏試劑分光光度法測定NH3-N的濃度.TP是評價水體富營養(yǎng)化污染程度的主要因素.測定方法為:過硫酸鉀在121℃下消解30min后，用紫外-可見分光光度法測定TP濃度.

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

3.1 不同進(jìn)水強(qiáng)度分析

3.1.1 COD變化

2種生物滯留池在不同進(jìn)水強(qiáng)度下對模擬徑流雨水的COD處理效果如圖3見第764頁所示.

在1a降雨重現(xiàn)期下，廊道式生物滯留池的出水COD平均處理效率分別為92.3%和90.6%.在2a重現(xiàn)期下廊道式生物滯留池與傳統(tǒng)生物滯留池出水COD平均處理效率為83.1%和76.1%.而在5a重現(xiàn)期下平均去除率為78.1%和71.4%.3種重現(xiàn)期下2種生物滯留池去除率變化較大，產(chǎn)生變化的原因在于隨著進(jìn)水強(qiáng)度增大水力停留時間變短，雨水在滯留池內(nèi)的反應(yīng)時間變短出水濃度提高.而廊道式結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)有更長的水力停留時間.在5a降雨重現(xiàn)期下，進(jìn)水強(qiáng)度較高，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)來不及處理COD就已經(jīng)出水，而廊道式結(jié)構(gòu)可以保持COD與填料和微生物有較長的接觸和反應(yīng)時間，出水效果較好.在2a重現(xiàn)期下，進(jìn)水強(qiáng)度中等，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)也可以保持一定的水力停留時間，但是廊道式結(jié)構(gòu)的水力停留時間更長處理效果更好.而在1a重現(xiàn)期進(jìn)水強(qiáng)度下，2種結(jié)構(gòu)都已經(jīng)有較長的水力停留時間，2種結(jié)構(gòu)都已經(jīng)得到較高的處理效果，出水濃度相差不大.在3種降雨重現(xiàn)期下，去除率波動性不同，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)波動性比改進(jìn)結(jié)構(gòu)較大而在2a降雨重現(xiàn)期下，2種滯留池波動性都較大.

3.1.2 NH3-N濃度變化

2種生物滯留池在不同進(jìn)水強(qiáng)度下對模擬徑流雨水的NH3-N處理效果如圖4見第764頁所示.

在1a降雨重現(xiàn)期下，廊道式生物滯留池和傳統(tǒng)生物滯留池的NH3-N平均去除率分別為96.1%和90.2%.在2a重現(xiàn)期平均去除率分別為95.9%和92.5%.而在5a重現(xiàn)期下，平均去除率為93.7%和94.1%，傳統(tǒng)生物滯留池處理效果比1a和2a時有明顯提高.5a重現(xiàn)期下廊道式生物滯留池出水濃度變高且波動性變大，產(chǎn)生變化的原因在于水力停留時間變短，與微生物和填料的接觸時間變短.傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在5a降雨重現(xiàn)期下出水濃度降低的原因由于進(jìn)水強(qiáng)度高，模擬雨水在滯留池上部由于進(jìn)水速度大于滲透速度，產(chǎn)生了滯留雨水使雨水能夠漫流到整個滯留池內(nèi)，充分利用滯留池內(nèi)的填料吸附和微生物降解作用，而1a和2a由于進(jìn)水速度略等于或小于滲透速度，所以滯留池內(nèi)的雨水在有限范圍內(nèi)滲流，不能充分利用整個池體.廊道式生物滯留池由于廊道結(jié)構(gòu)能夠充分利用整個池體的填料，所以在不同進(jìn)水強(qiáng)度下出水變化不大，而在5a下，由于水力停留時間變短，進(jìn)水沖刷作用增強(qiáng)，所以出水濃度產(chǎn)生一定的波動.

3.1.3 TP濃度變化

2種生物滯留池在不同進(jìn)水強(qiáng)度下對模擬徑流雨水的TP處理效果如圖5所示，在1a降雨重現(xiàn)期下，廊道式生物滯留池和傳統(tǒng)滯留池平均去除率為89.7%和85.7%.在2a降雨重現(xiàn)期下，廊道式生物滯留池的TP去除率略低于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，平均處理效率為86.5%和87.1%.而在5a重現(xiàn)期下，廊道式結(jié)構(gòu)去除率明顯低于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，平均處理效率為69.8%和86.6%.產(chǎn)生變化的原因在于，廊道式結(jié)構(gòu)比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)有更長的水力停留時間，在5a降雨重現(xiàn)期下，進(jìn)水強(qiáng)度較高，并且由于廊道結(jié)構(gòu)水力停留時間比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)長，出水濃度更受填料的解析性質(zhì)影響，對填料的沖刷作用增強(qiáng)使填料上吸附的TP解析.在1a、2a進(jìn)水強(qiáng)度下，沖刷力較小，填料的解析率較低.并且由于廊道結(jié)構(gòu)有更長的水力停留時間和與填料更大的接觸體積使廊道結(jié)構(gòu)在進(jìn)水強(qiáng)度較低條件下去除率較高.3種降雨重現(xiàn)期下廊道結(jié)構(gòu)的去除率波動性都明顯高于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu).

3.2 不同干旱期結(jié)果分析

3.2.1 COD變化

在5d、10d、20d、30d干旱期后，2種生物滯留池對COD的處理效果變化情況如圖6所示.

在4d到10d里經(jīng)歷5d干旱期后，廊道式生物滯留池對COD的處理效果有較小的降低，干旱期前后處理效率由77.5%變?yōu)?5.3%，降低2.2%.傳統(tǒng)生物滯留池處理效果變好，干旱期前后處理效率由74.5%變?yōu)?9%，增加4.5%.而在干旱期結(jié)束后進(jìn)水，廊道結(jié)構(gòu)能夠恢復(fù)到原來的處理效果并且波動性不大，而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在自身波動性較大的情況下出水不穩(wěn)定.說明在5d干旱期下，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)比改進(jìn)結(jié)構(gòu)處理效果受到影響更低，但是恢復(fù)進(jìn)水后波動性相對較大.

在13d到24d里經(jīng)歷10d干旱期后，廊道式生物滯留池的處理效果大大降低，出水COD處理效率下降較大，干旱期前后為85.5%和64.4%，減少21.2%.而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的處理效果卻有了一定的提高，干旱期前后處理率為76.5%和85.2%，增大8.7%.

在36d到57d里經(jīng)歷了20d干旱期后，2種生物滯留池出水濃度都提高，廊道式生物滯留池的變化幅度較大，干旱期前后處理效率為97.0%和65.0%降低32%.在恢復(fù)進(jìn)水后，廊道式結(jié)構(gòu)處理效果能夠迅速恢復(fù).傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)干旱期前后處理效率為90.5%和83.0%，降低7.5%.恢復(fù)進(jìn)水后處理效果恢復(fù)但依然有較大的波動性.

在66d到97d里經(jīng)歷30d干旱期后，2種生物滯留池出水濃度都較高，在恢復(fù)進(jìn)水后，都能迅速恢復(fù)處理能力但處理效果比干旱期之前有較大的差距，廊道結(jié)構(gòu)干旱期前后處理效率為95.3%和53.0%,降低42.3%.傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)干旱期前后處理效率為73.5%和39.5%，降低34%.2種結(jié)構(gòu)經(jīng)歷30d干旱期后，隨著數(shù)次進(jìn)水，恢復(fù)能力緩慢提高并且伴隨較大的波動性，在多次進(jìn)水后也很難達(dá)到之前的處理效果.這說明30d干旱期對2種結(jié)構(gòu)破壞性都較大，尤其是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu).

由此可見在5d、10d、20d干旱期后，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)出水COD濃度更低，廊道式結(jié)構(gòu)恢復(fù)處理能力更好且出水波動性較低出水更穩(wěn)定.而30d干旱期對2種結(jié)構(gòu)影響都巨大，尤其是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu).

3.2.2 NH3-N濃度變化

在5d、10d、20d、30d干旱期后，2種生物滯留池對NH3-N的處理效果變化情況如圖7見第766頁所示.

在4d到10d里經(jīng)歷5d干旱期后，廊道結(jié)構(gòu)干旱期前后處理效率為94.1%和92.2%，降低1.9%.傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)干旱期前后出水濃度為94.3%和92.0%，降低2.3%.傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)在恢復(fù)進(jìn)水后處理效果更好.這說明5d干旱期對2種生物滯留池的影響均不大.

在13d到24d里經(jīng)歷10d干旱期后，廊道式生物滯留池的處理效果大大降低，干旱期前后處理效率為95.2%和83.7%，降低11.5%.而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的處理效果下降較少干旱前后處理效率為96.8%和95.3%，降低1.5%.

在36d到57d里經(jīng)歷20d干旱期后，2種生物滯留池的NH3-N削減能力都大幅度下降，廊道式生物滯留池的影響相對較小，并且在恢復(fù)進(jìn)水后能更迅速的達(dá)到原來的處理能力.廊道式結(jié)構(gòu)干旱期前后處理效率為96.9%和88.4%，降低8.5%.傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)干旱期前后處理效率為92.5%和84.7%，降低7.8%.

在66d到97d里經(jīng)歷30d干旱期后，2種生物滯留池出水濃度均變高，廊道式生物滯留池的出水濃度比傳統(tǒng)較低且恢復(fù)能力更強(qiáng).廊道式生物滯留池干旱期前后處理效率為97.2%和90.6%，降低6.6%.傳統(tǒng)生物滯留池干旱期前后處理效率為96.4%和89.4%，降低7%.

干濕交替不會影響生物滯留池對雨水徑流中磷的去除，而在經(jīng)過一段干燥期后，出水中溶解態(tài)氮的濃度上升很多，因此干旱時間也影響著生物滯留池對氮的去除[16].在5d、20d、30d干旱期下，廊道式生物滯留池受到的影響更小.在10d干旱期下，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)更好.

3.2.3 TP濃度變化

在5d、10d、20d、30d干旱期后，2種生物滯留池對TP的處理效果變化情況如圖8所示.

在4d到10d里經(jīng)歷5d干旱期后，TP的濃度均有一定的上升，廊道結(jié)構(gòu)干旱期前后處理率為94.0%和88.3%，降低5.7%.傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)為87.5%和86.0%，降低1.5%.恢復(fù)進(jìn)水后廊道式生物滯留池對TP的處理能力更好.

在13d到24d里經(jīng)歷10d干旱期后，廊道式生物滯留池的出水TP濃度明顯增大，處理效率由92.5%變?yōu)?4.0%，降低8.5%.而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)變化不大，處理效率由90.8變?yōu)?9.7%，降低1.1%.說明在傳統(tǒng)滯留池內(nèi)TP的去除主要依靠填料的吸附作用，微生物作用不明顯.所以在干旱期后填料吸附依然能夠達(dá)到較好的去除率.而廊道式結(jié)構(gòu)由于水力停留時間長，填料的解析較多，出水TP濃度變高.

在36d到57d里經(jīng)歷20d干旱期后，2種生物滯留池出水都有一定的降低，廊道式生物滯留池的TP出水濃度更低，處理效率更高，干旱期前后處理效率為90.0%和93.8%，增高3.8%.而傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)處理效率由87.2%變?yōu)?1.2%，降低4%.這說明20d干旱期對TP的去除并沒有明顯影響，2種生物滯留池的出水濃度在各自波動范圍內(nèi).由于廊道結(jié)構(gòu)滯留池微生物數(shù)量在運(yùn)行了一段時間后增加了很多，在抵御不利條件的能力提高，使出水濃度保持穩(wěn)定.

在66d到97d里經(jīng)歷30d干旱期后，2種生物滯留池出水濃度都大大增高，廊道式生物滯留池出水濃度相對較低，干旱期前后處理效率為92.7%和84.3%，降低8.4%.并且在恢復(fù)進(jìn)水后廊道式生物滯留池恢復(fù)處理能力更強(qiáng)，處理效果更好.傳統(tǒng)生物滯留池干旱期前后處理效率為86.7%和81.0%，降低5.7%.30d干旱期使2種滯留池微生物存活率大幅度下降，大量生物膜死亡脫落使出水TP濃度增高.

在整個滯留池運(yùn)行期間內(nèi)，2種生物滯留池的出水濃度都在一定范圍內(nèi)波動，受干旱期影響較其他幾種污染物更小、恢復(fù)能力更強(qiáng).這說明TP的去除更依靠填料的吸附性能，微生物的作用并不明顯.

4 結(jié) 論

1) 廊道式生物滯留池在COD的處理效果比傳統(tǒng)生物滯留池在1a重現(xiàn)期高1.7%、2a高7%、5a高6.7%.在5d、10d、20d干旱期后，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)出水COD濃度更低，廊道式結(jié)構(gòu)恢復(fù)處理能力更好且出水波動性較低出水更穩(wěn)定.而30d干旱期對2種結(jié)構(gòu)影響都巨大，尤其是傳統(tǒng)結(jié)構(gòu).

2) 廊道式生物滯留池在氨氮的處理效果比傳統(tǒng)生物滯留池在1a重現(xiàn)期高5.9%、2a高3.4%、5a低0.4%.在5d、20d、30d干旱期下，廊道式生物滯留池受到的影響更小.在10d干旱期下，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)表現(xiàn)更好.在處理NH3-N方面，廊道式生物滯留池比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)更適應(yīng)干旱期的變化，并且在整個干濕交替期表現(xiàn)更好.

3) 廊道式生物滯留池在TP的處理效果比傳統(tǒng)生物滯留池在1a重現(xiàn)期高4%、2a低0.6%、5a低16.8%.在5d、10d、30d干旱期下，廊道式生物滯留池受到的影響更大處理效果降低更多.在20d干旱期下，廊道式結(jié)構(gòu)幾乎不受影響.在整個干濕交替期，廊道式結(jié)構(gòu)處理效果更好，更穩(wěn)定.