生物炭對生物滯留池水文效果的影響

田　婧,劉　丹

(1.西南交通大學(xué)地球科學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,四川 成都 610031; 2.Department of Civil and Environmental Engineering,University of Delaware,Newark 19716,DE USA)

生物滯留池(bioretention)是一種基于低影響開發(fā)理念(low impact development,LID )的生態(tài)可持續(xù)雨洪控制與雨水利用設(shè)施.它可同時(shí)解決城市雨水徑流對水文、水質(zhì)及水體生態(tài)帶來的沖擊,在歐美國家被廣泛應(yīng)用[1].近幾年,隨著我國大力推廣“海綿城市”的設(shè)計(jì)理念,生物滯留技術(shù)在國內(nèi)也引起了越來越多的關(guān)注.生物滯留池有削減洪峰和去除污染物的作用,但其水文效應(yīng)會(huì)受到設(shè)計(jì)深度、設(shè)計(jì)面積、填料性質(zhì)等因素的影響[2],并且對氮素污染物的去除效果也不穩(wěn)定[3-4].如果能夠改善生物滯留池的水力表現(xiàn)和氮素去除,提高單位設(shè)計(jì)面積下的徑流處理能力和污染物負(fù)荷去除率,將有利于生物滯留池的進(jìn)一步推廣應(yīng)用.

生物滯留池內(nèi)所用的填料土是決定其運(yùn)行效果的主要因素之一.目前生物滯留池填料土主要采用砂質(zhì)土,并添加部分有機(jī)物,如泥炭蘚或堆肥,但填料土的配比并沒有通用的標(biāo)準(zhǔn).在美國特拉華州,生物滯留池填料土由60%(v/v)混凝土砂、20%(v/v)硬木覆蓋物和20%(v/v)堆肥組成[5].美國北卡羅來納州則采用混合均一的85%～88%(w/w)的混凝土砂、8%～12%的粉砂和黏土、3%～5%的有機(jī)物(如木屑)為填料土[6].美國馬里蘭州使用50%～60%(v/v)砂子、20%～30%(v/v)樹葉堆肥物、20%～30%(v/v)表層土為生物滯留池填料土[7].有機(jī)物的添加可以為生物滯留池中的植物和微生物提供營養(yǎng)物質(zhì),同時(shí)改善填料土的持水性.但目前使用的有機(jī)物多易被降解,同時(shí)可能釋放過量的營養(yǎng)物質(zhì),影響生物滯留池的運(yùn)行效果.

生物炭(biochar)是生物質(zhì)在完全或部分缺氧和相對溫度“較低”(<700 ℃)的環(huán)境下熱解炭化產(chǎn)生的固態(tài)產(chǎn)物[8].其原料來源廣泛(如秸稈、稻殼、木屑、動(dòng)物糞便、污泥等),可作為有機(jī)固體廢棄物的再利用途徑之一.生物炭的陽離子交換能力強(qiáng)[9],比表面積大[10],孔隙體積豐富[11],有機(jī)碳含量高且存在穩(wěn)定[12].生物炭最早被用作土壤改良劑,可提高土壤炭封存[13],改善營養(yǎng)鹽持留[14],提高土壤持水[15],并且強(qiáng)化土壤微生物活性[16].近期研究表明,生物炭還可作為環(huán)境修復(fù)劑去除溶解態(tài)污染物(如氨氮、磷)[17-18],重金屬(如Pb、Cu、Zn)[19]和有機(jī)污染物[20-21].基于上述特性,若將生物炭加入生物滯留池填料土中或可加強(qiáng)生物滯留池對雨水的持留和污染物的去除能力,加強(qiáng)生物滯留池對污染物負(fù)荷的削減.

經(jīng)室內(nèi)分批實(shí)驗(yàn)初步證明,施用生物炭可提高生物滯留池填料土對氨氮的吸附和對水分的持留能力[22].在此基礎(chǔ)上,在美國特拉華大學(xué)校園內(nèi)開展了野外中試實(shí)驗(yàn),在模擬降雨中加入溴示蹤劑和硝酸鹽,對比分析生物炭對生物滯留池運(yùn)行效果的影響.因篇幅限制,本文重點(diǎn)討論在中試實(shí)驗(yàn)中生物炭的施用對生物滯留池水文效應(yīng)的影響.

1　 材料與方法

1.1　 實(shí)驗(yàn)場地

實(shí)驗(yàn)場地位于美國特拉華大學(xué)北校區(qū)的女子社團(tuán)停車場旁.兩個(gè)中試規(guī)模的生物滯留系統(tǒng),一個(gè)為對照組,一個(gè)為實(shí)驗(yàn)組,于2014年秋季并排搭建于緊挨停車位草坪淺溝的緩坡中.實(shí)驗(yàn)場地的平面布置如圖1所示.

圖1　中試場地平面布置Fig.1　Outline of pilot-scale field test site

1.2　中試生物滯留系統(tǒng)

中試生物滯留系統(tǒng)由進(jìn)水監(jiān)測設(shè)施、生物滯留池主體和出水監(jiān)測設(shè)施3部分組成,結(jié)構(gòu)如圖2所示.主體部分采用直徑為91 cm,高為122 cm的HDPE圓柱箱體;箱體內(nèi)部從下往上依次為由土工布包裹的環(huán)形穿孔管(直徑2.5 cm)、5 cm礫石層、15 cm砂石層、76 cm填料土層、5 cm樹皮覆蓋層和20 cm蓄水層.因本實(shí)驗(yàn)階段重點(diǎn)分析填料土對氮素去除和水分持留的影響,故未在生物滯留池中種植植被,以避免植被的選用對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響.穿孔管在箱體外與90 ℃彎管相連,使排水高度提升20 cm,砂石層以下為飽和區(qū).2個(gè)PVC管(直徑為2.5 cm)豎直安裝在主體內(nèi),用于監(jiān)測水位和采集土壤水樣.其中,一個(gè)用“T”形管與穿孔管相連,另一個(gè)底部包裹土工布置于砂石層上方.主體內(nèi)沿垂直剖面設(shè)置7個(gè)EC-5土壤水分傳感器、2個(gè)MPS-2土壤水勢及溫度傳感器和2個(gè)RT-1溫度傳感器(上述傳感器均來自Decagon Devices,Pullman,WA,US),安裝位置見圖2.

出水監(jiān)測裝置采用直徑為61 cm,高為122 cm的HDPE圓柱箱體,由排水管與主體相連.箱體正中安裝由鋁板特制的5 ℃三角堰,流量計(jì)算參數(shù)已經(jīng)過校正.采用Sigma 900 MAX自動(dòng)采樣器(Hach,Loveland,CO,US)在堰后采集水樣,并連接淹沒式壓力傳感器(Hach,Loveland,CO,US)實(shí)時(shí)讀取堰前水面高度,計(jì)算出水流量.出水最終由地下排水管(直徑5 cm)排入附近現(xiàn)有的滯留池.

圖2　中試生物滯留系統(tǒng)側(cè)剖圖及監(jiān)測采樣示意圖(單位:cm)Fig.2　Section view of a pilot-scale bioretention system and sampling points (unit:cm)

采用HDPE半圓形水渠(直徑40 cm)沿停車位鋪設(shè)進(jìn)水設(shè)施,收集來自停車場的雨水徑流.雨水在水渠內(nèi)被高為15 cm的擋板截留,并由兩根PVC管分別導(dǎo)入兩個(gè)生物滯留池主體.采用一個(gè)Globalwater WS755雨水采樣器協(xié)同兩個(gè)Globalwater SPX在線低流速流量表(Globalwater,College Station,TX,US)實(shí)施對進(jìn)水水樣的采集和流速監(jiān)測.兩個(gè)生物滯留系統(tǒng)的唯一區(qū)別是填料土層所用填料不同.

1.3　實(shí)驗(yàn)材料

依據(jù)北卡羅來納州雨洪最優(yōu)管理手冊[23]的指導(dǎo)配制對照組填料土,由88%C33混凝土砂、8%粉砂和黏土、4%木屑按質(zhì)量比均勻混合而成.實(shí)驗(yàn)組填料土是在已配制好的對照填料土中添加4%(w/w)soil reefTM(SR)生物炭,均勻混合而成.SR生物炭利用美國南部的黃松木屑在缺氧且溫度為550 ℃的持續(xù)流動(dòng)熱解系統(tǒng)中熱解10 min而成,由The Biochar Company (Berwyn,PA,US)提供.

對照組和實(shí)驗(yàn)組填料土的理化性質(zhì)見表1.礫石層和砂石層分別填入礫石(中值粒徑D50=5 mm)和粗砂(D50=0.85 mm);覆蓋層為TimberlineTM硬木樹皮(The Home Depot,Newark,DE,US).

1.4　導(dǎo)水率實(shí)驗(yàn)

填料土導(dǎo)水率的測定于2015年4月進(jìn)行,僅在此實(shí)驗(yàn)前將填料土上方的樹皮覆蓋層移除.采用圓盤入滲儀分別測定兩組填料土在不同壓力水頭下(-9、-6、-3、0 cm)的穩(wěn)定入滲率,再運(yùn)用DISC軟件計(jì)算填料土在所測壓力水頭范圍內(nèi)的導(dǎo)水率.DISC是由van Genuchten團(tuán)隊(duì)開發(fā)的用于分析圓盤入滲儀數(shù)據(jù)以估計(jì)非飽和土壤水力特征參數(shù)的軟件[24].

表1　填料土理化性質(zhì)Tab.1　Physicochemical properties of filter media

1.5　運(yùn)用溴示蹤劑的模擬降雨實(shí)驗(yàn)

現(xiàn)階段為了控制進(jìn)水成分,兩個(gè)生物滯留池主體均未與進(jìn)水設(shè)施相連,不接收地表徑流和自然降雨.模擬降雨實(shí)驗(yàn)共進(jìn)行了3次,實(shí)驗(yàn)日期、程序及所用試劑見表2.

3次實(shí)驗(yàn)流程相似,分為穩(wěn)流階段、示蹤劑脈沖階段和示蹤劑回收階段.具體步驟為:先向生物滯留池通入不少于3 h的脫氯自來水,使生物滯留池達(dá)到穩(wěn)流狀態(tài);通入由脫氯自來水配制的溴示蹤劑(KBr)和硝酸鹽(NaNO3)溶液約0.5 h;最后再通入不含溴示蹤劑的脫氯自來水或硝酸鹽溶液足夠長時(shí)間,保證Br全部回收.采用花灑布水使水流均勻分布于生物滯留池表面.進(jìn)水溶液全部配制于容積為200 L的干凈塑料桶內(nèi),由蠕動(dòng)泵連接花灑均勻布水于生物滯留池內(nèi).進(jìn)水流量為36 L/h ,相當(dāng)于水力負(fù)荷5.5 cm/h.以第1次實(shí)驗(yàn)總時(shí)長 24 h 為例,該水力負(fù)荷模擬的是美國特拉華州紐瓦克市降雨,重現(xiàn)期為1 a,降雨歷時(shí)24 h,總降雨深度6.8 cm,生物滯留池設(shè)計(jì)面積為匯水面積5%的雨水徑流處理量.

表2　田間實(shí)驗(yàn)過程及溴和硝態(tài)氮在不同階段的平均施用濃度Tab.2　Procedures of the field tests and the mean concentrations of Br and NO 3 -N at different stages

2　結(jié)果與分析

2.1　生物炭對導(dǎo)水率的影響

如圖3所示,生物炭的添加使填料土的飽和導(dǎo)水率從0.003 5 cm/s提高到0.005 3 cm/s,增大了1.5倍.生物炭的添加對填料土粒徑分布的影響不大,D50不變;然而生物炭減小了填料土容重,增加了填料土總孔隙率(表1),從而增大了水流的通過路徑;此外,生物炭有機(jī)質(zhì)含量高,有助于土壤團(tuán)聚體的形成和穩(wěn)定,從而進(jìn)一步增加了土壤顆粒間的孔隙[25-26],隨著壓力水頭的增大,生物炭對填料土導(dǎo)水率的影響逐漸減小,當(dāng)壓力水頭大于0時(shí),實(shí)驗(yàn)組填料土的導(dǎo)水率與對照組近似或略小.生物炭對填料土導(dǎo)水性能的改善符合生物滯留池的要求,在壓力水頭為正時(shí)加快雨水下滲,避免溢流;在壓力水頭為負(fù)時(shí),下滲減慢,增加保水.

圖3　填料土非飽和導(dǎo)水率Fig.3　Unsaturated hydraulic conductivity of filter media

2.2　生物炭對水力停留時(shí)間的影響

生物滯留池在溴示蹤劑加入之前均已達(dá)到穩(wěn)流狀態(tài),即出水流量等于進(jìn)水流量.穩(wěn)流后,100 mg/L的Br在0.5 h內(nèi)加入生物滯留池,出水中Br濃度隨時(shí)間的變化可反映水流在生物滯留池內(nèi)的流動(dòng)模式(圖4).溴示蹤劑回收率R按式(1)計(jì)算.

(a)2015?04?05(b)2015?06?29(c)2015?08?12圖4　溴示蹤劑濃度隨時(shí)間的變化Fig．4　Concentrationofbromidetracervarieswithtime

(1)

式中:C0為進(jìn)水Br濃度,mg/L;

C(t)為出水Br濃度,mg/L;

Qin(t)為進(jìn)水流量,mg/L;

Qout(t)為出水流量,mg/L;

t為以示蹤劑加入為零點(diǎn)的時(shí)間,h.

兩組生物滯留池在3次實(shí)驗(yàn)中的Br回收率見表3.對照組Br平均回收率為88.5%,實(shí)驗(yàn)組略低,為81.8%.實(shí)驗(yàn)組較對照組少回收Br約7%,其原因可能是實(shí)驗(yàn)組中加入的生物炭富含孔隙,可持留更多的水分,進(jìn)而也持留了水分中的Br,減少了回收率.

表3　中試生物滯留池水力表現(xiàn)Tab.3　Hydraulic performance of pilot-scale bioretention

由圖4可知:3次實(shí)驗(yàn)中,Br在加入生物滯留池后1～2 h開始流出,實(shí)驗(yàn)組Br的平均出流時(shí)長為18 h,在5～7 h處達(dá)到濃度峰值7～8 mg/L;對照組Br的平均出流時(shí)長為15 h,在4～6 h處達(dá)到濃度峰值7～13 mg/L.可見實(shí)驗(yàn)組中生物炭的施用可以延長徑流集中時(shí)間,延緩洪峰時(shí)間,減小洪峰流量.通過計(jì)算Br在主體內(nèi)的平均停留時(shí)間T可以更準(zhǔn)確地評(píng)價(jià)生物炭對生物滯留池水力停留時(shí)間的影響,其算法如式(2).

(2)

由表3可知:施用了生物炭的實(shí)驗(yàn)組生物滯留池3次實(shí)驗(yàn)的平均水力停留時(shí)間為7.4 h,較對照組分別延長了0.9、0.8 h和3.1 h.對照組在第3次實(shí)驗(yàn)中水力停留時(shí)間明顯縮短,可能是由于實(shí)驗(yàn)場地附近的動(dòng)物對填料土進(jìn)行了擾動(dòng)而形成了優(yōu)先流.前兩次實(shí)驗(yàn)中,近1 h平均水力停留時(shí)間的延長應(yīng)歸功于生物炭的添加增加了填料土的孔隙體積.生物炭施用對生物滯留池水力停留時(shí)間的延長將有利于系統(tǒng)內(nèi)氧化還原和生物轉(zhuǎn)化反應(yīng)的發(fā)生,進(jìn)而加強(qiáng)對營養(yǎng)鹽污染物的去除[27].Lucas等[28]也發(fā)現(xiàn)延長生物滯留系統(tǒng)的水力停留時(shí)間可增加氮的去除效果.

2.3　生物炭對持水量的影響

3次實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)刻滲流區(qū)不同深度的體積含水量,即實(shí)驗(yàn)期間滲流區(qū)最大含水量如圖5所示.

(a)2015?04?05(b)2015?06?29(c)2015?08?12圖5　體積含水量隨深度的變化Fig．5　Volumetricwatercontentsvarieswithdepths

因滲流區(qū)緊挨飽和區(qū),受毛細(xì)管力作用,滲流區(qū)底部含水量接近飽和含水量,隨著高度的上升,含水量逐漸減小.此處的飽和含水率小于填料土的總孔隙率(表1),是因?yàn)橹性嚄l件下無法保證飽和區(qū)內(nèi)無氣泡形成.實(shí)驗(yàn)組含水量明顯大于對照組,在第2次實(shí)驗(yàn)中,對照組的表層含水量異常增大,并超過了實(shí)驗(yàn)組含水量,這是由于該次實(shí)驗(yàn)中對照組表層出現(xiàn)了積水現(xiàn)象.

滲流區(qū)的總持水量可由式(3)計(jì)算.

(3)

式中:?為滲流區(qū)總持水量,L;

A為滲流區(qū)橫截面積,cm2;

θV(D)為滲流區(qū)不同深度體積含水量,cm3/m3;

D為滲流區(qū)深度,cm.

兩組生物滯留池滲流區(qū)在3次實(shí)驗(yàn)中的持水量見表3.施用生物炭的實(shí)驗(yàn)組在3次實(shí)驗(yàn)中的持水量相比對照組均有明顯提高,分別增加了23%、11%和13%.Beck等[29]將生物炭加入綠色屋頂用土中,也發(fā)現(xiàn)7%(w/w)的生物炭在接近飽和的條件下可增加綠色屋頂4.4%的持水量.生物炭的施用使雨水更多滯留在生物滯留池填料土內(nèi),經(jīng)蒸發(fā)或蒸騰作用進(jìn)入大氣,減少雨水徑流的排出量,從而有助于從量上減少污染物負(fù)荷.

3　結(jié)　論

4%(w/w)生物炭的施用于傳統(tǒng)生物滯留池填料土中,提高了生物滯留池的飽和導(dǎo)水率近1.5倍;同時(shí)在3次模擬降雨實(shí)驗(yàn)中,延長了溴示蹤劑在系統(tǒng)內(nèi)的平均停留時(shí)間近1 h ,降低了溴示蹤劑在出水中的峰值濃度約25%～63%,推延了出峰時(shí)間,平均提高了生物滯留池的滲流區(qū)持水量約15%.生物炭對生物滯留池上述水文效應(yīng)的改善將有助于減少溢流的發(fā)生,削減洪峰流量和徑流體積,延緩洪峰時(shí)間,降低徑流的污染負(fù)荷,全面提高運(yùn)行效率.

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(編輯:徐萍)