鄭 楊,潘欣悅,謝 澤,解雨薇,陳欣怡,何嘉懿

(1.河海大學(xué)淺水湖泊綜合治理與資源開發(fā)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,江蘇 南京 210098;2.長(zhǎng)江保護(hù)與綠色發(fā)展研究院,江蘇 南京 210098；3.河海大學(xué)環(huán)境學(xué)院,江蘇 南京 210098）

0 引言

城市化進(jìn)程直接導(dǎo)致城市內(nèi)不透水面積增加，綠地面積減少，不僅造成地表徑流增多，峰值量上升，水流侵蝕更加嚴(yán)重，也降低了徑流中污染物的截留率，導(dǎo)致城市區(qū)域水質(zhì)污染嚴(yán)重，水生動(dòng)植物棲息地被破壞。對(duì)此，提出了“海綿城市”這一新的理念，并引入了一系列低影響開發(fā)技術(shù)（LID）?！昂＞d城市”包含了多種不同形式的設(shè)施，主要有生物滯留池、暴雨濕地、滲井、滲透塘、透水鋪裝和調(diào)節(jié)塘等。其中，生物滯留池也叫生物過(guò)濾系統(tǒng)或雨水花園，能有效緩解城市化帶來(lái)的排水問(wèn)題，減緩暴雨徑流的洪峰流量，同時(shí)也能有效處理暴雨初期沖刷并減少城市水環(huán)境中的常見污染物，包括營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)N，P[1]，油脂[2]，大腸桿菌[3-4]，烴類[5]，TSS[6]，重金屬[7]和高熱值垃圾等。

我國(guó)“海綿城市”建設(shè)起步較晚，技術(shù)研究薄弱，生物滯留技術(shù)尚不成熟，有待后續(xù)研究的補(bǔ)充完善[8]。目前針對(duì)生物滯留池的去污機(jī)理和具體應(yīng)用效果的研究較多[9]。其中，滯留池除氮能力是關(guān)注較多的一個(gè)熱點(diǎn)，滯留池中的NH3-N 去除主要依靠填料基質(zhì)吸附、硝化反應(yīng)以及土壤內(nèi)負(fù)電荷吸附；硝態(tài)氮去除主要依靠反硝化反應(yīng)，所需的2 個(gè)主要條件分別為缺氧環(huán)境和充足的碳源，另外硝態(tài)氮帶負(fù)電荷，土壤對(duì)其吸附能力很差，很容易隨出水裝置排出；TN 的去除是氨化、硝化、反硝化反應(yīng)等反應(yīng)的共同作用[10]。目前，研究主要關(guān)注降雨期間生物滯留池在保持濕潤(rùn)的情況下的脫氮效率，而對(duì)于降雨干旱相間的情況很少關(guān)注。

本文探求不同降雨間隔對(duì)3 種不同類型生物滯留池脫氮效果影響的差異，構(gòu)建了傳統(tǒng)直排型以及在傳統(tǒng)裝置基礎(chǔ)上分別增設(shè)淹沒(méi)區(qū)型和儲(chǔ)水內(nèi)柱型3 種生物滯留裝置，其中儲(chǔ)水內(nèi)柱中的水可持續(xù)向基質(zhì)滲水1 周以上。針對(duì)3 種生物滯留裝置，監(jiān)測(cè)其在不同降雨間隔時(shí)間條件下脫氮能力，探求改變干旱時(shí)間長(zhǎng)短產(chǎn)生的影響，揭示干旱期儲(chǔ)水內(nèi)柱持續(xù)供水保持基質(zhì)濕潤(rùn)對(duì)脫氮的作用效果，從而為生物滯留設(shè)施的合理設(shè)計(jì)提供科學(xué)依據(jù)，推進(jìn)“海綿城市”的發(fā)展。

1 材料與方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

試驗(yàn)在3 個(gè)相同大小的生物滯留裝置中進(jìn)行，裝置采用內(nèi)直徑50 cm 的透明有機(jī)玻璃管制成，總高1 m。傳統(tǒng)直排型生物滯留裝置構(gòu)造示意（下文簡(jiǎn)稱裝置A）見圖1。由圖1（a）可以看出，出水口在裝置底部，降雨后雨水可以排空，干旱期裝置內(nèi)部沒(méi)有儲(chǔ)水；淹沒(méi)區(qū)型生物滯留裝置（下文簡(jiǎn)稱裝置B）在底部設(shè)有淹沒(méi)高度，出水口比裝置底部高15 cm，使得降雨間隔期間裝置內(nèi)還會(huì)保持一定高度的水位；由圖1（b）可以看出，儲(chǔ)水內(nèi)柱型生物滯留裝置（下文簡(jiǎn)稱裝置C）內(nèi)部在傳統(tǒng)裝置A 的基礎(chǔ)上設(shè)有爪型內(nèi)柱，爪型內(nèi)柱高41 cm，每個(gè)爪底部間隔2 cm打1 個(gè)出水孔，柱內(nèi)填礫石和粉砂，柱內(nèi)基質(zhì)總高度為15 cm，設(shè)計(jì)能保證內(nèi)柱中的水可向介質(zhì)滲水維持至少1 周，使得干旱期裝置內(nèi)介質(zhì)仍可以保持濕潤(rùn)，此內(nèi)柱放置在砂層內(nèi)。

圖1 滯留池裝置構(gòu)造示意

在3 個(gè)裝置正面留有一條寬10 cm 的透明觀察窗，可觀察填料層中合成雨水下滲情況，其余部位貼上黑色不透光膠布。裝置底部有1 根穿孔排水管，保證生物滯留裝置順利排水。裝置頂部有1 根溢流管，防止雨水量過(guò)大未能及時(shí)下滲。每個(gè)裝置的2 側(cè)分別設(shè)有6 個(gè)取泥口和6 個(gè)取水口，取泥口和取水口的位置一一對(duì)應(yīng)，高度相等，裝置內(nèi)填料從下至上分別是礫石層（大礫石層，小礫石層）、砂層、砂壤土層。

1.2 試驗(yàn)方法

考慮到夏季降雨強(qiáng)度相對(duì)較大，且降雨頻率高，降雨和不降雨的天氣交替發(fā)生。試驗(yàn)每次配水量取36 L，水力負(fù)荷為24 L/h，降雨時(shí)長(zhǎng)取1.5 h，設(shè)計(jì)降雨間隔天數(shù)分別是1,4 和7 d 來(lái)模擬夏季降雨，考察不同降雨間隔對(duì)生物滯留池脫氮性能的影響。3 種生物滯留裝置同時(shí)開始進(jìn)水模擬降雨，每間隔20 min 采樣1 次直至雨水全部排出裝置，最后分析整個(gè)過(guò)程水質(zhì)情況。根據(jù)北京地區(qū)道路徑流污染物濃度平均值[11-12]配置污水濃度，同時(shí)參照長(zhǎng)三角地區(qū)街道雨水徑流實(shí)測(cè)情況，調(diào)整合成雨水水質(zhì)：ρ（NH3-N）為2.4 mg/L；ρ（硝態(tài)氮）為2 mg/L；ρ（TN）為5.8 mg/L；pH 值約為7。實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)位于生態(tài)大棚內(nèi)，以避免雨水對(duì)配置的試驗(yàn)產(chǎn)生影響。

主要分析指標(biāo)：TN，硝態(tài)氮，NH3-N。

主要儀器：LDZX-50KBS 立式壓力蒸汽滅菌器；Hach 紫外分光光度計(jì)DR5000；Hach 可見分光光度計(jì)DR2800；DHG-9070A 型電熱恒溫鼓風(fēng)干燥箱。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同降雨間隔對(duì)除氮效果的影響

3 種裝置在不同降雨間隔下各形態(tài)氮的去除率變化見圖2。由圖2可以看出，整體而言硝態(tài)氮的去除率變化幅度大于TN 和NH3-N 的去除率變化幅度，隨著降雨間隔的延長(zhǎng)，污染物去除效率均有所下降，污染物去除率的波動(dòng)也隨之變大。

圖2 3 種裝置在不同降雨間隔下各形態(tài)氮的去除率變化

NH3-N 在降雨間隔1 和4 d 時(shí)，處理效率變化波動(dòng)均不大，其中裝置A、裝置C 的硝態(tài)氮平均去除率和裝置B 的NH3-N 平均去除率受到降雨間隔的影響最大，下降幅度超過(guò)30%；裝置A 的硝態(tài)氮平均去除率從間隔1 d 的70.90%到間隔7 d 的38.61%下降32.29%，所受影響最大；此外裝置A 和裝置C 的NH3-N 平均去除率下降幅度也大于20%。

綜合分析不同降雨間隔條件下的結(jié)果，降雨間隔時(shí)間的延長(zhǎng)使得各裝置除氮效率均有所下降；降雨間隔時(shí)間對(duì)硝態(tài)氮去除效率的影響＞對(duì)NH3-N 去除效率的影響＞對(duì)TN 去除效率的影響。

2.2 不同裝置類型對(duì)除氮效果的影響

2.2.1 短降雨間隔下各裝置對(duì)除氮效果的影響

降雨間隔1 d 時(shí)各裝置中各形態(tài)氮的濃度變化見圖3。針對(duì)短降雨間隔情況，裝置A 中的主要反應(yīng)是NH3-N 轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，使得NH3-N 濃度始終保持較低，硝態(tài)氮濃度隨著硝化反應(yīng)轉(zhuǎn)化產(chǎn)物的積累不斷升高，因后期雨水未能及時(shí)排出，故能發(fā)生一些反硝化反應(yīng)，但由于直排結(jié)構(gòu)使得裝置內(nèi)雨水很快排出，故硝態(tài)氮和TN 去除效率較低。

圖3 降雨間隔1 d 時(shí)各裝置中各形態(tài)氮的濃度變化

裝置B 中NH3-N 出水質(zhì)量濃度一直處于波動(dòng)中，初始為0.37 mg/L，30 min 內(nèi)上升至0.55 mg/L，隨后又緩慢下降至最低點(diǎn)0.43 mg/L，最后回升至0.55 mg/L，平均去除率為81.98%，變化幅度很小，NH3-N 去除效率低于其他2 個(gè)裝置。硝態(tài)氮的初始出水質(zhì)量濃度很低，100 min 后平緩上升至0.63 mg/L，后期平穩(wěn)在0.6 mg/L 波動(dòng)，淹沒(méi)區(qū)的存在使得反硝化反應(yīng)逐漸與硝化反應(yīng)達(dá)到平衡，出現(xiàn)中期濃度緩緩升高至后期平衡，裝置B 對(duì)硝態(tài)氮的去除效果最好。

裝置C 中NH3-N 出水濃度總體上呈逐漸下降趨勢(shì)，該趨勢(shì)與傳統(tǒng)直排型滯留裝置A 相似，但整體更穩(wěn)定，平均去除率為90.17%，是3 種裝置中去除率最高的，可推出內(nèi)柱滲水使土壤保持濕潤(rùn)更利于去除NH3-N。裝置C 硝態(tài)氮質(zhì)量濃度在3 h 后升高至最高點(diǎn)1.21 mg/L，裝置C 硝態(tài)氮質(zhì)量濃度的最高點(diǎn)大于裝置B，隨后又很快下降并穩(wěn)定在0.4 mg/L，可知裝置C 在降雨中期快速的轉(zhuǎn)變是以反硝化反應(yīng)為主導(dǎo)，又由于短降雨間隔且單次降雨時(shí)間長(zhǎng)，使得裝置C 對(duì)硝態(tài)氮的去除效果優(yōu)于裝置B。裝置C 對(duì)TN 處理效果與裝置B 較為接近，均優(yōu)于直排型裝置A。

由圖3（a）可以看出，在短降雨間隔條件下，3 個(gè)裝置中淹沒(méi)區(qū)型滯留裝置B 中NH3-N 去除效果最差；由圖3（b）可以看出，3 個(gè)裝置對(duì)硝態(tài)氮的去除效果差于NH3-N，且不穩(wěn)定。裝置B 對(duì)硝態(tài)氮的處理效果最好。TN 的去除受各類形態(tài)氮的共同影響，濃度變化比較平緩，裝置B 和裝置C 對(duì)TN 處理效果較為接近，均優(yōu)于裝置A。

2.2.2 長(zhǎng)降雨間隔對(duì)各裝置除氮效果的影響

降雨間隔為7 d 時(shí)各裝置中各形態(tài)氮的濃度變化見圖4。長(zhǎng)降雨間隔時(shí)不同裝置中各形態(tài)氮的濃度變化有很大差異，干旱的影響凸顯。由圖4（b）可以看出，裝置A 的直排結(jié)構(gòu)使得內(nèi)部土壤基質(zhì)難以保存雨水，相對(duì)干燥，降雨初期內(nèi)部基質(zhì)對(duì)各形態(tài)氮都有一定的吸附，使得初期出水濃度低于雨水濃度；裝置內(nèi)充足的O2促進(jìn)NH3-N 可持續(xù)轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，但是硝態(tài)氮難以發(fā)生反硝化反應(yīng)，導(dǎo)致NH3-N去除效率提高，而硝態(tài)氮不斷累積，導(dǎo)致出水濃度甚至高于初始雨水濃度，因此裝置A 中的TN 濃度也不斷升高，使得TN 去除率很低。

圖4 降雨間隔7 d 時(shí)各裝置中各形態(tài)氮的濃度變化

裝置B 在降雨間隔7 d 時(shí)，O2消耗完淹沒(méi)區(qū)的反硝化反應(yīng)也穩(wěn)定后，NH3-N 難以繼續(xù)轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，同時(shí)可能會(huì)有異氧硝態(tài)氮還原反應(yīng)[13]發(fā)生，部分硝態(tài)氮轉(zhuǎn)化為NH3-N，使得NH3-N 濃度不斷上升；硝態(tài)氮濃度變低后反硝化反應(yīng)也受到抑制，進(jìn)而影響了TN 的去除效率。

裝置C 由于初期O2濃度較高，亞硝化細(xì)菌和硝化細(xì)菌的共同作用占主導(dǎo)，將NH3-N 大量轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，使得硝態(tài)氮濃度迅速上升后接近平衡，TN 的濃度變化也同樣在硝態(tài)氮達(dá)到平衡后趨于穩(wěn)定。

綜合分析不同裝置的除氮結(jié)果，NH3-N 平均去除率最好的為裝置C，硝態(tài)氮平均去除率最好的為裝置B，TN 平均去除率最高的為裝置C。

2.3 討論

吳義福等[14]對(duì)比了濕潤(rùn)條件下設(shè)有淹沒(méi)區(qū)的滯留池與傳統(tǒng)直排型滯留池的除氮效果，得出淹沒(méi)型滯留池去除效果更好的結(jié)論，與本文在短降雨間隔條件下研究結(jié)論相同，但是與長(zhǎng)降雨間隔條件下的結(jié)果不同。本文設(shè)置了淹沒(méi)區(qū)的滯留裝置B，在短降雨間隔時(shí)，淹沒(méi)區(qū)的雨水能及時(shí)補(bǔ)充更換，形成好氧厭氧交替的環(huán)境，對(duì)氮的處理效率要高于直排型裝置A，可見短降雨間隔（1 d）情況下，基質(zhì)仍然保持濕潤(rùn)，干旱的影響沒(méi)有顯現(xiàn)。長(zhǎng)降雨間隔情況下，雖然淹沒(méi)型裝置B 中的硝態(tài)氮去除率高于直排型裝置A，但NH3-N 難以及時(shí)轉(zhuǎn)化為硝態(tài)氮，進(jìn)而影響到TN的去除[15]；另一方面長(zhǎng)期缺少雨水補(bǔ)充的淹沒(méi)區(qū)內(nèi)會(huì)形成死水區(qū)[16]，水質(zhì)較容易惡化，在下一次降雨時(shí)會(huì)影響出水水質(zhì)。綜合對(duì)比，可知長(zhǎng)降雨間隔下對(duì)各形態(tài)氮的去除效率順序?yàn)檠b置C＞裝置A＞裝置B。

3 結(jié)論

夏季降雨間隔對(duì)各形態(tài)的氮去除效果影響顯著，降雨間隔的延長(zhǎng)使得3 種裝置的各形態(tài)氮去除率皆有所下降，降雨間隔時(shí)間的延長(zhǎng)對(duì)于各形態(tài)氮的影響由高到低排序?yàn)椋簩?duì)硝態(tài)氮去除效率的影響＞對(duì)NH3-N 去除效率的影響＞對(duì)TN 去除效率的影響；在降雨間隔為7 d 的情況下，去除率由高到低排序?yàn)椋涸O(shè)有內(nèi)柱的裝置C＞傳統(tǒng)生物滯留裝置A＞有淹沒(méi)區(qū)的生物滯留裝置B。在長(zhǎng)時(shí)間降雨間隔中保持機(jī)制內(nèi)部的濕潤(rùn)能有效提高對(duì)氮的去除效果，建議將內(nèi)柱型滯留池與淹沒(méi)區(qū)滯留池相結(jié)合，借助淹沒(méi)區(qū)具有較強(qiáng)反硝化能力的優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步增加TN的去除率。該研究可為不同地區(qū)生物滯留池的合理設(shè)計(jì)提供參考。