張瑞斌，潘卓兮，奚道國(guó)，周乃，祖白玉

1.江蘇龍騰工程設(shè)計(jì)股份有限公司

2.江蘇省雨污水資源化利用工程技術(shù)研究中心

3.南京市生態(tài)河道工程技術(shù)研究中心

生物滯留池滯蓄凈化能力突出,是廣泛使用的低影響開發(fā)技術(shù)之一。生物滯留池的主要功能包括削減面源污染、改善水環(huán)境質(zhì)量,滯蓄雨水徑流、削減洪峰,增加滲透面積、緩解熱島效應(yīng),美化景觀[1-4]。傳統(tǒng)生物滯留池對(duì)城市雨水徑流中氮、磷等污染物的去除效果差。生物滯留池的結(jié)構(gòu)、填料種類和級(jí)配是影響其脫氮除磷效果的關(guān)鍵因素。生物滯留池對(duì)雨水徑流污染物的去除主要通過(guò)填料介質(zhì)的吸附作用,不同填料以及填料之間的搭配對(duì)不同污染物的吸附效果存在一定差異,因此生物滯留池設(shè)計(jì)時(shí)首先考慮所用填料對(duì)目標(biāo)污染物的吸附能力。鋁污泥是給水廠在給水處理過(guò)程中產(chǎn)量較大的副產(chǎn)物,其中含有大量的鋁及其聚合物,具有較強(qiáng)的污染物吸附性能[5-6],但其直接用于改良生物滯留池并不能充分發(fā)揮效果[7-10]。將鋁污泥與其他材料混合燒制成大孔顆粒狀填料,使其在理化性質(zhì)、污染物吸附性能等方面得以提升,可以充分發(fā)揮其作為填料的吸附功能[11-14],且原料與制備成本低,同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)廢物的資源化利用[11]。筆者結(jié)合南京地區(qū)的降雨強(qiáng)度、降雨濃度、降雨分布規(guī)律等,采用自主制備的鋁污泥復(fù)合填料[11](簡(jiǎn)稱鋁污泥填料),設(shè)置鋁污泥與沸石不同配比,研究其作為生物滯留池改良填料時(shí)對(duì)不同濃度雨水徑流的削減效果,以期為南京地區(qū)海綿城市建設(shè)及水環(huán)境治理提供技術(shù)支持。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)裝置

小試裝置池體采用外徑40 cm、高1 m,底部封堵的聚乙烯(PE)管,自上而下依次為覆蓋層、種植土層、填料層和礫石墊層,種植土層、填料層和礫石墊層底部均設(shè)有出水口,填料層由不同粒徑鋁污泥填料和沸石按一定比例組成。試驗(yàn)裝置如圖1所示。

圖1 小試試驗(yàn)裝置Fig.1 Experimental device diagram

1.2 試驗(yàn)條件

1.2.1 填料配比

生物滯留池改良填料主要包括鋁污泥填料和沸石,其中的鋁污泥填料由給水廠廢污泥與沸石、鋼渣等材料復(fù)合燒制而成,該產(chǎn)品在人工濕地應(yīng)用中已表現(xiàn)出較好的脫氮除磷效果[11,15],但在生物滯留池中鮮有應(yīng)用。鋁污泥填料和沸石的理化性質(zhì)如表1所示。

表1 填料理化性質(zhì)Table 1 Physicochemical properties of fillers

1.2.2 模擬進(jìn)水配置

根據(jù)《南京市海綿城市規(guī)劃建設(shè)指南》的相關(guān)規(guī)定,以南京市江寧區(qū)為研究對(duì)象,分別確定設(shè)計(jì)降水量為50 mm、徑流系數(shù)為0.6、匯水面積為0.001 hm2,則生物滯留池進(jìn)水量為0.3 m3。根據(jù)南京市平均降水歷時(shí)確定進(jìn)水時(shí)間為80 min,由于降水受多種因素影響,單一的進(jìn)水濃度不具代表性,根據(jù)南京市降水特點(diǎn),分別確定高、中、低3種梯度的污染物進(jìn)水濃度(表2)。

采用人工配水,根據(jù)設(shè)定的污染物濃度配制相應(yīng)的模擬雨水,分別采用葡萄糖(C6H12O6,AR)、磷酸二氫鉀(KH2PO4,AR)、氯化銨(NH4Cl)、硝酸鉀(KNO3)模擬雨水中的COD以及總氮(TN)、氨氮(NH3-N)濃度。

1.2.3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用正交試驗(yàn)設(shè)計(jì),以改良填料層中鋁污泥填料填充厚度和進(jìn)水濃度為控制因素,在填料層填充鋁污泥和沸石,其體積比分別為3∶2(A組)和4∶1(B組),進(jìn)水水質(zhì)控制高(A1、B1)、中(A2、B2)、低(A3、B3)3種濃度(表2)。將3種濃度的進(jìn)水分別在水桶中配置,每隔0.5 h攪拌1次,保證濃度均勻,每種濃度的進(jìn)水桶同時(shí)連接2種不同配比填料層的模擬填料柱,通過(guò)調(diào)節(jié)進(jìn)出水閥門控制進(jìn)水量。進(jìn)水分為2個(gè)階段:第一階段為滯留池馴化,使用自來(lái)水對(duì)填料沖刷3次,保持填料高度不變,沖刷掉填料表面多余的養(yǎng)分；第二階段為裝置的滲透性及對(duì)雨水徑流污染物的去除效果分析,裝置連續(xù)運(yùn)行6個(gè)周期,每周期為2 h,每0.5 h取樣1次,測(cè)定COD與TP、TN、NH3-N的濃度,設(shè)置5組平行樣,取平均值。

表2 試驗(yàn)組設(shè)計(jì)Table 2 Designs of experimental group

1.3 試驗(yàn)內(nèi)容

1.3.1 吸附試驗(yàn)

為確定填料對(duì)氮、磷污染物的吸附效果,添加2倍裝置體積的模擬雨水,分別以高、中、低3種濃度進(jìn)行不同鋁污泥填料與沸石填料配比的混合吸附試驗(yàn)。試驗(yàn)裝置置于恒溫?fù)u床中搖晃12 h,測(cè)定吸附前后污染物濃度變化,計(jì)算吸附量。公式如下:

式中:S為吸附量,mg∕g；c1為進(jìn)水濃度,mg∕L；c2為出水濃度,mg∕L；V為進(jìn)水體積,L；m為填料質(zhì)量,g。

1.3.2 生物滯留池滲透性能評(píng)價(jià)

滲透性能是評(píng)價(jià)生物滯留池的重要指標(biāo),本研究的小試裝置考慮了填料、覆土等滲透性能問(wèn)題,在提供植物正常生長(zhǎng)條件下保持裝置的滯水與滲透能力。生物滯留池滲透性能用滲透系數(shù)表示,采用達(dá)西定律計(jì)算,公式如下:

式中:K為滲透系數(shù),cm∕s；Q為滲透量,L∕s；A為布水截面積,m2；Δh為水頭差,m；L為滲流長(zhǎng)度,m。

1.3.3 污染物去除性能

污染物去除性能以生物滯留池對(duì)進(jìn)水中污染物的削減效果作為評(píng)價(jià)指標(biāo),用去除率(η)表示,計(jì)算公式如下:

1.4 指標(biāo)測(cè)定方法

COD采用GB 11914—89《水質(zhì) 化學(xué)需氧量的測(cè)定 重鉻酸鹽法》測(cè)定,NH3-N濃度采用HJ 535—2009《水質(zhì) 氨氮的測(cè)定 納氏試劑分光光度法》測(cè)定,TN濃度采用GB 11894—89《水質(zhì) 總氮的測(cè)定堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法》測(cè)定,TP濃度采用GB∕T 11893—1989《水質(zhì) 總磷的測(cè)定 鉬酸銨分光光度法》測(cè)定。

2 結(jié)果

2.1 2種配比填料的吸附效果

2種鋁污泥與沸石配比的填料對(duì)不同濃度TN、TP的吸附量如圖2所示。由圖2可知,2種配比的填料對(duì)不同濃度TN均有一定的吸附效果,隨著TN濃度的降低,2種配比填料對(duì)TN的吸附量均降低；但2種配比的填料對(duì)同一濃度TN的吸附量無(wú)顯著差異。在不同濃度TP下,鋁污泥與沸石配比為4∶1時(shí)的吸附量均高于鋁污泥與沸石配比為3∶2時(shí),且鋁污泥與沸石配比為4∶1時(shí),對(duì)各濃度TP均保持較高的吸附量。

圖2 2種配比的填料對(duì)TN、TP的吸附量Fig.2 Adsorption capacity of TN,TP by two kinds of fillers of different proportions

2.2 生物滯留池滲透性

2種配比下不同濃度模擬雨水對(duì)生物滯留池滲透性的影響如圖3所示。由圖3可知,鋁污泥與沸石配比為4∶1的生物滯留池滲透系數(shù)均高于鋁污泥與沸石配比為3∶2的生物滯留池,隨著運(yùn)行周期的增加,2種配比填料的生物滯留池的滲透性均有一定程度的降低。其中,高濃度模擬雨水中,隨著運(yùn)行周期的增加,鋁污泥與沸石配比為3∶2的生物滯留池滲透系數(shù)由0.006 8 cm∕s降至0.003 3 cm∕s,降幅高達(dá)51.5%；鋁污泥與沸石配比為4∶1的生物滯留池滲透系數(shù)由0.007 5 cm∕s降至0.005 8 cm∕s,降低了22.7%。中濃度模擬雨水中,鋁污泥與沸石配比為3∶2的生物滯留池滲透系數(shù)降低25.2%,鋁污泥與沸石配比為4∶1的生物滯留池滲透系數(shù)降低16.4%。低濃度模擬雨水中,鋁污泥與沸石配比為3∶2的生物滯留池滲透系數(shù)降低11.8%,鋁污泥與沸石配比為4∶1的生物滯留池滲透系數(shù)降低8.1%,鋁污泥填料占比高的生物滯留池滲透系數(shù)降低程度均小于鋁污泥填料占比低的生物滯留池。

圖3 不同濃度雨水下2種配比填料生物滯留池滲透系數(shù)變化Fig.3 Variation of permeability coefficient of bioretention tank with two kinds of fillers under different concentrations of rainwater

2.3 生物滯留池對(duì)污染物削減效果

不同鋁污泥與沸石配比的生物滯留池對(duì)高、中、低濃度模擬雨水COD去除效果如圖4所示。由圖4可知,生物滯留池從第2個(gè)運(yùn)行周期開始,出水COD趨于穩(wěn)定；2種配比的生物滯留池對(duì)相同進(jìn)水COD的去除率無(wú)明顯差異,對(duì)高COD進(jìn)水的去除率為55.3%~62.4%,對(duì)中COD進(jìn)水的去除率為49.8%~60.4%,對(duì)低COD進(jìn)水的去除率為37.5%~50.0%；隨著進(jìn)水COD的降低,2種配比填料的生物滯留池對(duì)COD去除率均降低。

不同鋁污泥與沸石配比的生物滯留池對(duì)高、中、低濃度模擬雨水TP去除效果如圖5所示。由圖5可知,從第2個(gè)運(yùn)行周期開始,生物滯留池出水TP濃度趨于穩(wěn)定。高進(jìn)水TP濃度時(shí),A1組生物滯留池對(duì)TP的去除率為75.3%~79.0%,B1組生物滯留池對(duì)TP的去除率為82.1%~89.0%,后者去除率高于前者；中濃度時(shí),A2、B2組生物滯留池對(duì)TP的去除率分別為70.5%~73.2%和75.0%~76.6%,鋁污泥與沸石配比為4∶1的生物滯留池對(duì)TP的去除率高于鋁污泥與沸石配比為3∶2的生物滯留池。低濃度時(shí),2種配比填料的生物滯留池對(duì)TP的去除效果無(wú)明顯差異,去除率為60.2%~70.6%。

圖5 生物滯留池對(duì)TP去除效果Fig.5 Removal effects of TP by bioretention tank

不同鋁污泥與沸石配比的生物滯留池對(duì)高、中、低濃度模擬雨水TN去除效果如圖6所示。由圖6可知,高進(jìn)水TN濃度時(shí),A1和B1生物滯留池對(duì)TN的去除率分別為54.3%~58.6%,62.0%~66.4%,鋁污泥與沸石配比為4∶1的生物滯留池對(duì)TN的去除率顯著大于鋁污泥與沸石配比為3∶2的生物滯留池。中濃度時(shí),A2和B2組生物滯留池對(duì)TN的去除率分別為56.0%~59.5%和60.5%~63.0%,與高濃度時(shí)的去除效果一致。低濃度時(shí),2種填料配比的生物滯留池對(duì)TN的去除效果無(wú)明顯差異,去除率為48.3%~51.0%。高、中濃度時(shí),同一配比填料的生物滯留池對(duì)TN去除效果無(wú)明顯差異,低濃度時(shí),生物滯留池對(duì)TN去除率顯著降低。

圖6 生物滯留池對(duì)TN去除效果Fig.6 Removal effects of TN by bioretention tank

不同鋁污泥與沸石配比的生物滯留池對(duì)高、中、低濃度模擬雨水NH3-N去除效果如圖7所示。由圖7可知,2種填料配比的生物滯留池對(duì)NH3-N的去除效果變化趨勢(shì)與TN基本相同,高濃度時(shí),A1和B1組生物滯留池對(duì)NH3-N去除率分別為56.7%~59.2%和61.7%~68.0%；中濃度時(shí),A2和B2組生物滯留池對(duì)NH3-N去除率分別為56.2%~58.8%和67.5%~70.5%；低濃度時(shí),A3和B3生物滯留池去除率為40.4%~49.5%。

圖7 生物滯留池對(duì)NH 3-N去除效果Fig.7 Removal effect of NH3-N by bioretention tank

3 討論

3.1 填料的吸附性能

本研究所選用的鋁污泥填料主要由水廠廢棄鋁污泥燒結(jié)而成,其在人工濕地中長(zhǎng)期應(yīng)用結(jié)果表明[11],只有在最初的10~14 d會(huì)有鋁離子濾出,且濾出濃度在世界衛(wèi)生組織建議的限值之內(nèi)。鋁污泥復(fù)合填料在人工濕地處理生化尾水、生活污水等方面已有大量應(yīng)用[11,15],該填料對(duì)水中的污染物有較好的削減效果,尤其是對(duì)磷的吸附效果顯著。由于鋁污泥填料對(duì)磷的吸附特性,當(dāng)填料配比中鋁污泥量較大時(shí),填料的吸附量增大,對(duì)磷的吸附效果顯著提升。對(duì)沸石吸附量的相關(guān)研究表明,沸石對(duì)磷的吸附量隨著污染物初始濃度的增加而增加[16-18],因此當(dāng)水體中初始TP濃度降低時(shí),沸石對(duì)磷的吸附能力相對(duì)減弱,吸附率降低。不同類型的填料對(duì)污染物的吸附效果存在最優(yōu)配比[19],本研究中當(dāng)鋁污泥與沸石配比為4∶1時(shí)對(duì)TP的吸附性能較優(yōu)。

3.2 生物滯留池的滲透性

生物滯留池滲透系數(shù)的高低直接影響其處理效果[20-21],滲透系數(shù)較高時(shí),滯留池持水性差,停留時(shí)間不足以去除水體污染物；而滲透系數(shù)較低時(shí),則會(huì)導(dǎo)致徑流溢出,產(chǎn)生二次污染。生物滯留池要求填充材料壓實(shí)后仍保持適合的滲透系數(shù),本研究中生物滯留池的滲透系數(shù)均滿足美國(guó)國(guó)家環(huán)境保護(hù)局(US EPA)及新西蘭的設(shè)計(jì)要求(1.25 cm∕h以上)[22]。

生物滯留池對(duì)水中污染物的去除是植物、填料和微生物共同作用的結(jié)果,在生物滯留池中,微生物在填料表面形成生物膜,隨著代謝產(chǎn)物逐漸積聚、植物根系生長(zhǎng)等,生物滯留池滲透性逐漸降低。尤其是在進(jìn)水污染物濃度較高時(shí),填料吸附能力隨著時(shí)間的增長(zhǎng)而降低,填料的吸附量易達(dá)到飽和狀態(tài)[3,23],使?jié)B透系數(shù)顯著下降；而進(jìn)水污染物濃度相對(duì)較低時(shí),吸附量在一定時(shí)間內(nèi)不能達(dá)到飽和程度,滲透系數(shù)變化較小。鋁污泥填料含有豐富的鋁∕鐵鹽或聚合物,對(duì)磷有較強(qiáng)的吸附螯合能力[24]；鋁污泥填料比表面積較大,增加了微生物與水中氮、磷的接觸面積[11],提升了填料對(duì)污染物的吸附能力,因此鋁污泥配比較高的生物滯留池滲透系數(shù)下降較為平緩,且滲透性高于鋁污泥配比較低的生物滯留池；同時(shí)填料較高的吸附能力提升了其使用時(shí)間,進(jìn)而延長(zhǎng)生物滯留池使用壽命。鋁污泥填料孔隙率較高[11],較小的懸浮顆粒物可以在一定水流沖刷下從生物滯留池中脫除,降低堵塞可能性,延長(zhǎng)運(yùn)行維護(hù)周期,但在實(shí)際應(yīng)用中若想充分發(fā)揮生物滯留池的滲透效果,需在生物滯留池前設(shè)置緩沖區(qū),截留較大顆粒懸浮物,保持生物滯留池高效滲透性。

3.3 生物滯留池去除污染物效果

基于鋁污泥填料對(duì)TP較好的吸附效果[10-11,24],針對(duì)高濃度和中濃度模擬雨水,鋁污泥與沸石配比為4∶1的生物滯留池對(duì)TP均保持較高的去除率,且均高于鋁污泥與沸石配比為3∶2的生物滯留池,表明在生物滯留池中鋁污泥填料對(duì)TP的去除效果優(yōu)于傳統(tǒng)沸石。2種生物滯留池對(duì)低濃度模擬雨水的去除效果顯著降低,且無(wú)明顯差異。磷吸附動(dòng)力學(xué)相關(guān)研究結(jié)果表明,填料對(duì)磷的吸附效果與磷酸鹽濃度呈正相關(guān)[25-27],當(dāng)水中磷酸鹽濃度較低時(shí),不足以支撐植物、微生物的生命活動(dòng)。生物滯留池對(duì)氮的去除機(jī)理與人工濕地相似,主要通過(guò)池內(nèi)填料吸附、植物根系以及池內(nèi)微生物硝化、反硝化的共同作用,因此填料的類型、配比等直接影響生物滯留池的去除效果[28]。當(dāng)模擬雨水中污染物濃度較高時(shí),生物滯留池經(jīng)過(guò)一定周期運(yùn)行實(shí)現(xiàn)厭氧、缺氧、好氧狀態(tài),且有充足的碳源,形成適合硝化、反硝化微生物的生長(zhǎng)環(huán)境,在生物滯留池中完成了填料吸附、微生物代謝和植物吸收,實(shí)現(xiàn)較好的氮去除效果。當(dāng)模擬雨水污染物濃度較低時(shí),填料對(duì)氨氮的吸附效果隨污染物濃度的降低而降低[29-30],這是由于水體中碳源不足以支撐微生物的代謝活動(dòng),導(dǎo)致氮的去除率明顯下降[31-32]；污染物濃度較高時(shí),鋁污泥填料配比較高的生物滯留池相對(duì)于配比較低的生物滯留池在脫氮效果方面具有一定優(yōu)勢(shì)。

4 結(jié)論

(1)通過(guò)提高鋁污泥在填料中的配比可以顯著提升生物滯留池對(duì)高濃度雨水中污染物的去除效果,尤其是對(duì)TP的去除率可達(dá)89.0%,COD、TN和NH3-N去除率可達(dá)62.4%、66.4%和68.0%,均維持在較高水平。低濃度時(shí),鋁污泥填料配比的高低對(duì)生物滯留池去除污染物效果無(wú)明顯影響。

(2)高配比鋁污泥的生物滯留池滲透性強(qiáng),鋁污泥填料吸附量大,在一定運(yùn)行周期內(nèi)可保持較高的滲透與吸附效果,且提高生物滯留池的使用壽命,延長(zhǎng)其運(yùn)行維護(hù)周期。