王 琦,頡亞瑋,王 永,謝宇菲,劉宏遠(yuǎn)

(1.浙江工業(yè)大學(xué)土木工程學(xué)院,浙江杭州 310023;2.浙江省城市水業(yè)協(xié)會(huì),浙江杭州 310009;3.浙江省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,浙江杭州 310030)

降雨過(guò)程對(duì)大氣中懸浮物質(zhì)的淋洗和對(duì)地表污染物的沖洗使得雨水徑流中含有大量污染物,并存在顯著的初期沖刷效應(yīng)[1],未經(jīng)凈化后排放會(huì)對(duì)受納水體造成污染,雨水地表徑流污染已成為僅次于農(nóng)業(yè)污染的第二大面污染源[2]。生物滯留設(shè)施是低影響開(kāi)發(fā)(low impact development,LID)技術(shù)中的一種地表徑流處理設(shè)施,不僅具有削減徑流量、洪峰流量和延遲洪峰時(shí)間的能力[3],在總懸浮固體(TSS)、油脂、病原微生物和重金屬等去除方面也表現(xiàn)出較佳的性能[4]。

填料是生物滯留設(shè)施污染物凈化效果的關(guān)鍵影響因素之一。國(guó)內(nèi)外關(guān)于填料改良開(kāi)展了大量研究,主要通過(guò)在系統(tǒng)中添加一定比例的改良填料來(lái)提升系統(tǒng)徑流量和污染物控制效果[5-7]。相較于添加單一改良填料,組合填料能夠發(fā)揮不同改良填料的優(yōu)勢(shì)。沸石和麥飯石具有多孔結(jié)構(gòu)和較大的比表面積,作為改良填料能夠有效提升系統(tǒng)污染物去除效果[8-9]。許萍等[3]的研究表明,麥飯石、沸石、鋁污泥和河砂組合填料性能最佳,對(duì)TP的去除率高于93%,在最佳運(yùn)行條件下對(duì)氨氮和TN的去除率均高于58%。周棟等[10]發(fā)現(xiàn)沸石和麥飯石體積比為3∶7的填充柱綜合性能最佳,對(duì)TP和TN的去除率能夠達(dá)到78%以上。王金麗等[11]通過(guò)沸石、麥飯石和蛭石組合實(shí)現(xiàn)對(duì)氨氮、磷酸鹽和CODCr的高去除效果。Yang等[12]研究表明,在人工濕地系統(tǒng)中添加錳砂,使系統(tǒng)對(duì)磷的去除率由43.2%提升到65.1%。此外,降雨間隔對(duì)生物滯留設(shè)施的污染物凈化效果存在明顯影響,填料的干濕交替變化會(huì)影響系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)和土壤中酶的擴(kuò)散,還會(huì)影響填料對(duì)污染物的吸附效果[13-14]。陳垚等[15]分析了前期干旱天數(shù)對(duì)生物滯留系統(tǒng)除氮性能的影響機(jī)制,表明前期干旱天數(shù)會(huì)改變系統(tǒng)中氮還原酶空間分布及微生物群落結(jié)構(gòu),從而影響系統(tǒng)對(duì)不同形態(tài)氮的去除能力。黎雪然等[16]的研究表明,雨前干旱天數(shù)還會(huì)影響生物滯留系統(tǒng)中氮的轉(zhuǎn)化機(jī)制如硝化、吸收、反硝化和礦化等。

目前關(guān)于改良填料的研究多注重在不同進(jìn)水污染物負(fù)荷和不同降雨重現(xiàn)期下污染物的凈化效果上,針對(duì)降雨間隔對(duì)于生物滯留設(shè)施污染物凈化效果影響的相關(guān)研究較少。本研究在杭州市海綿城市建設(shè)中生物滯留設(shè)施研究項(xiàng)目的支持下,探討不同降雨間隔和污染物負(fù)荷條件下生物滯留設(shè)施中麥飯石、沸石和錳砂等多種填料組合的凈化作用,以期為生物滯留設(shè)施在實(shí)際工程中的應(yīng)用提供參考。

1 方法與材料

1.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)配制了3種填料,并對(duì)填料的滲透系數(shù)和持水量進(jìn)行了測(cè)定;將3種填料以3種不同組合方式填充在3根生物滯留柱中,研究其在不同進(jìn)水污染物負(fù)荷、不同降雨間隔下的污染物凈化效果和對(duì)實(shí)際地表雨水徑流的凈化效果。

1.1.1 填料滲透系數(shù)及持水量測(cè)定

裝置如圖1所示,有機(jī)玻璃管直徑為10 cm,高為70 cm,自下而上依次為礫石(粒徑為1.0～1.5 cm)集水層、中沙(粒徑為1～3 mm)過(guò)濾層、細(xì)沙(粒徑<1 mm)過(guò)濾層、填料層、淹沒(méi)區(qū)。填料層和細(xì)沙層、中沙層和礫石集水層間鋪設(shè)有透水土工布。淹沒(méi)區(qū)上方設(shè)有溢流口。

圖1 滲透系數(shù)測(cè)定裝置

采用恒定水頭法測(cè)定填料滲透系數(shù)。以恒定進(jìn)水速度持續(xù)布水6 h,保持填料上方穩(wěn)定有10 cm水柱,超出水頭的水量從溢流口流出。自出水口出水開(kāi)始監(jiān)測(cè)出水流量,待出水流量穩(wěn)定后每間隔0.5 h記錄出水流量一次,直至布水結(jié)束,對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)取平均值,并通過(guò)計(jì)算得到滲透系數(shù)。填料持水量通過(guò)對(duì)試驗(yàn)進(jìn)水量與出水量之間的差值分析而來(lái)。測(cè)定結(jié)果如表1所示。

表1 不同類(lèi)型填料持水量和滲透系數(shù)

1.1.2 生物滯留設(shè)施雨水徑流凈化

試驗(yàn)裝置如圖2所示,有機(jī)玻璃管內(nèi)徑為20 cm,高為120 cm,自下而上依次為礫石(粒徑為2～3 cm)集水層、中沙(粒徑為1～3 mm)過(guò)濾層、細(xì)沙(粒徑<1 mm)過(guò)濾層、填料層、腐熟樹(shù)皮層。填料層上方種植有麥冬。填料層和細(xì)沙層、中沙層和礫石儲(chǔ)水層間鋪設(shè)有透水土工布。

圖2 試驗(yàn)裝置

不同污染物負(fù)荷:以4 d為一個(gè)周期,每天運(yùn)行12 h,考慮到生物滯留裝置一般針對(duì)初期雨水徑流,設(shè)置進(jìn)水流量為1 L/h。每天9:00開(kāi)始進(jìn)水,從出水口出水開(kāi)始,每2 h取樣一次。試驗(yàn)進(jìn)水按照高、中、低污染物負(fù)荷順序進(jìn)行,每個(gè)負(fù)荷條件運(yùn)行1個(gè)周期,不同周期間隔2 d。

不同降雨間隔:試驗(yàn)過(guò)程中,通過(guò)停止進(jìn)水模擬晴天狀態(tài),研究不同降雨間隔對(duì)系統(tǒng)的影響。此部分試驗(yàn)采用中污染物負(fù)荷,共設(shè)置2、7 d和15 d 3個(gè)間隔,順次進(jìn)行。試驗(yàn)周期調(diào)整為2 d,其余與不同進(jìn)水污染物負(fù)荷試驗(yàn)相同。

實(shí)際地表徑流凈化:降雨間隔為2 d,運(yùn)行總時(shí)長(zhǎng)為12 h,其余與不同污染物負(fù)荷試驗(yàn)相同。

1.1.3 分析方法

1.2 試驗(yàn)材料

1.2.1 試驗(yàn)土壤及改良填料

試驗(yàn)所用土壤取自浙江省杭州市西湖區(qū)小和山地區(qū)。土壤晾干后經(jīng)孔徑1 mm篩網(wǎng)去除土壤中的碎石和枯枝落葉等雜質(zhì)后分析土壤粒徑分布,結(jié)果如表2所示。根據(jù)國(guó)際通用土壤類(lèi)型分類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)[18],本試驗(yàn)土壤類(lèi)型為粉質(zhì)黏壤土。為保證填料結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性及其對(duì)污染物的凈化效果,所用麥飯石、錳砂、沸石各自均由3種粒徑(1～3、3～5、5～8 mm)混合而成,其質(zhì)量比為3∶1∶1。

表2 土壤粒徑分布

1.2.2 試驗(yàn)用水

表3 試驗(yàn)用水

目標(biāo)水質(zhì):《城鎮(zhèn)污水處理廠污染物排放標(biāo)準(zhǔn)》(GB 18918—2002)一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)(CODCr質(zhì)量濃度≤50 mg/L、TP質(zhì)量濃度≤0.5 mg/L、氨氮質(zhì)量濃度≤5 mg/L、TN質(zhì)量濃度≤15 mg/L、SS質(zhì)量濃度≤10 mg/L)。

2 結(jié)果與討論

2.1 填料組合的影響

圖3 不同進(jìn)水污染物負(fù)荷下生物滯留設(shè)施污染物凈化效果

由圖3(b)可知,A柱氨氮平均去除率穩(wěn)定在95%以上,優(yōu)于B柱(90%以上);而C柱對(duì)氨氮的去除效果隨著試驗(yàn)的進(jìn)行逐漸變差,低污染物負(fù)荷下去除率僅有56%。氨氮主要通過(guò)吸附作用被填料去除,相較于麥飯石和沸石,錳砂對(duì)氨氮的吸附效果較差[21-22]。B柱填料的分層填充形式下,麥飯石和沸石與雨水徑流接觸時(shí)間較A柱填料混合填充短,C柱填料中錳砂比例遠(yuǎn)大于其他兩個(gè)生物滯留設(shè)施。

由圖3(c)和圖3(d)可知,3種組合方式填料下TP平均去除率均在97%以上,穩(wěn)定運(yùn)行后CODCr去除率均大于94%。TP主要通過(guò)填料吸附、化學(xué)沉淀和生物同化作用去除,研究[11-12]表明,麥飯石和沸石及錳砂對(duì)TP均有較好的吸附效果。初始運(yùn)行時(shí),CODCr去除率偏低且波動(dòng)范圍較大,主要是運(yùn)行前期填料層部分不穩(wěn)定有機(jī)質(zhì)隨水流流出,A柱填料層填料滲透系數(shù)較小,填料結(jié)構(gòu)較其余兩種更加穩(wěn)定,有機(jī)質(zhì)流出較少;隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng),生物作用逐漸形成,各模擬柱CODCr去除效果趨于穩(wěn)定。

2.2 降雨間隔的影響

圖4 不同降雨間隔下生物滯留設(shè)施污染物凈化效果

由圖4(b)可知,長(zhǎng)降雨間隔(15 d)下,各系統(tǒng)CODCr去除率出現(xiàn)不同程度地下降。A柱CODCr去除率較降雨間隔為2 d和7 d時(shí)下降了8%左右,B柱和C柱分別下降了15%和22%左右。這可能與高降雨間隔后,系統(tǒng)內(nèi)微生物數(shù)量和活性降低及群落結(jié)構(gòu)發(fā)生變化有關(guān)[13]。

由圖4(c)和圖4(d)可知,降雨間隔的增加并沒(méi)有導(dǎo)致氨氮和TP的去除率下降,去除率均在90%以上。降雨間隔較長(zhǎng)時(shí),C柱氨氮的去除效果趨好。降雨間隔為2 d時(shí),C柱氨氮平均去除率為76.9%,降雨間隔為7 d和15 d時(shí)的氨氮平均去除率均在92%以上。原因是:較長(zhǎng)的降雨間隔下,填料吸附的氨氮長(zhǎng)時(shí)間停留在填料上,客觀上促進(jìn)了硝化作用,填料表面吸附位點(diǎn)空缺,再次布水時(shí)重新吸附氨氮?；邴滐埵头惺瘜?duì)氨氮較好的吸附效果,A柱和B柱氨氮去除率均在93%以上。

圖5為不同降雨間隔下生物滯留設(shè)施出水污染物濃度情況。由圖5(a)可知,長(zhǎng)降雨間隔下(15 d),系統(tǒng)出水CODCr濃度波動(dòng)性明顯增加。其中,B柱和C柱的波動(dòng)范圍遠(yuǎn)超A柱,運(yùn)行首日B柱和C柱CODCr平均出水質(zhì)量濃度約為A柱(10.95 mg/L)的2倍。主要原因是:A柱內(nèi)填料結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定且持水性能較好,在經(jīng)歷長(zhǎng)降雨間隔后仍能保持較穩(wěn)定的系統(tǒng)內(nèi)部環(huán)境。

圖5 不同降雨間隔下出水氨氮濃度

由圖5(c)可知,各降雨間隔下C柱出水氨氮濃度始終表現(xiàn)出波動(dòng)范圍大于A柱和B柱的特性,降雨間隔為2 d時(shí)尤為突出,平均出水濃度接近A柱和B柱的2倍。主要原因是相較于沸石和麥飯石,錳砂表面氨氮吸附點(diǎn)位相對(duì)較少,短降雨間隔下,吸附點(diǎn)位較快被占據(jù),未被吸附的氨氮隨水流流出系統(tǒng)。

2.3 實(shí)際雨水地表徑流的凈化效果

表4 生物滯留設(shè)施對(duì)實(shí)際地表徑流的凈化效果

3 小結(jié)