木屑強(qiáng)化生物滯留池對徑流中營養(yǎng)物質(zhì)的長期有效去除

萬哲希， 劉雨童， 李 田

(同濟(jì)大學(xué) 環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院， 上海 200092)

景觀水體是現(xiàn)代化城市水環(huán)境的重要組成部分.國家相關(guān)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和條例規(guī)定，景觀水體補(bǔ)充水不能使用自來水或地下水[1].采用經(jīng)強(qiáng)化二級處理的污水廠出水作為景觀水體補(bǔ)充水，雖然符合國家部分技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求[2-3]，但相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中營養(yǎng)物質(zhì)質(zhì)量濃度的限值過于寬松，對于不流動或流動緩慢的淺水型景觀水體存在明顯的富營養(yǎng)化問題.因此，缺水城市景觀水體的補(bǔ)充水源是一個亟待解決的問題.

在地下水位高的地區(qū)，低影響開發(fā)設(shè)施的出水受到設(shè)施底部距離地下水最高動水位需大于1 m的限制，通常不允許直接下滲，需要收集后排入市政雨水管網(wǎng).作為一種廣泛使用的低影響開發(fā)設(shè)施，生物滯留對雨水徑流中多種污染物有較好的去除效果[4-7].因此，在徑流不能直接下滲的地方，強(qiáng)化生物滯留等綠色基礎(chǔ)設(shè)施的營養(yǎng)物質(zhì)控制效果，利用經(jīng)過生物滯留設(shè)施凈化的、水質(zhì)優(yōu)良的雨水作為景觀水體補(bǔ)充水使用，一方面能提高低影響開發(fā)設(shè)施的效益，另一方面也能緩解我國城市景觀水體水源補(bǔ)充的困難.

目前，國內(nèi)外大部分生物滯留設(shè)施檢測到營養(yǎng)物質(zhì)(特別是氮)的大量淋出[8-10]的現(xiàn)象，部分設(shè)施出水營養(yǎng)物質(zhì)質(zhì)量濃度往往高于進(jìn)水.出現(xiàn)這個問題的原因有兩方面：一方面是為了維持植物生長，生物滯留設(shè)施往往需在基質(zhì)中加入堆肥物作為營養(yǎng)物質(zhì)，這是營養(yǎng)物質(zhì)淋出的源頭；另一方面，是設(shè)施含沙量高，缺少能發(fā)生反硝化作用的缺氧環(huán)境.Dietz等[11]通過將設(shè)施出水管上彎，從而在設(shè)施底部構(gòu)造了適合反硝化的缺氧環(huán)境.Hsieh等[12]通過在設(shè)施底部使用低滲透速率的基質(zhì)構(gòu)建缺氧的保水層，但實際運(yùn)行過程中，依然出現(xiàn)了NO3-N的淋出.

除了通過設(shè)施結(jié)構(gòu)變化構(gòu)造缺氧環(huán)境外，部分研究采用有機(jī)物作為設(shè)施基質(zhì)成分，用以提高反硝化效果.廢報紙、鋸屑[13]、硬木屑[14]作為基質(zhì)成分，均能在實驗室條件下，有效去除徑流中的NO3-N.但此類方法，缺少現(xiàn)場研究數(shù)據(jù)，也無法說明對氮素去除的長期有效性.

因此，本研究采用硬木屑作為基質(zhì)有機(jī)成分，考察現(xiàn)場生物滯留池長期運(yùn)行效果及出水水質(zhì)，通過現(xiàn)場實驗考察生物滯留設(shè)施出水中污染物質(zhì)量濃度，分析影響設(shè)施出水水質(zhì)的因素，評價營養(yǎng)物質(zhì)減少對植物生長的影響，確定設(shè)施出水作為景觀水體補(bǔ)充水的可行性.

1 材料與方法

1.1 場地描述

生物滯留設(shè)施位于上海內(nèi)環(huán)高架某路段下方，于2015年11月修建，用于收集處理高架路面雨水徑流.設(shè)施平面尺寸為8.00 m×2.50 m，深度為0.95 m，匯水區(qū)域面積約400 m2.設(shè)施的構(gòu)造從上到下依次是：覆蓋層、基質(zhì)層、排水層(如圖1所示).覆蓋層厚度為0.05 m，采用長度為0.05～0.10 m的松樹皮.

圖1 設(shè)施結(jié)構(gòu)示意圖 Fig.1 Structure of the bioretention system

設(shè)施基質(zhì)層由黃沙、土壤和硬木屑(質(zhì)量比為75∶20∶5)組成.基質(zhì)層的有機(jī)質(zhì)含量為31 mg·g-1，TN含量為67.8 mg·kg-1.其中硬木屑在使用前經(jīng)生活污水接種發(fā)酵穩(wěn)定，木屑經(jīng)穩(wěn)定化處理后，易降解有機(jī)物含量下降，碳氮質(zhì)量比由266降至56.排水層由粒徑為2～5 cm的級配碎石組成，其中設(shè)有塑料穿孔管排水.設(shè)施底部鋪設(shè)不透水土工膜防止出水下滲.植被層為黃菖蒲，種植密度約每平方米20株.

1.2 采樣和檢測方法

高架徑流通過落水管和進(jìn)水槽進(jìn)入設(shè)施，通過穿孔排水管末端的出水槽排放到市政雨水管道.進(jìn)水槽和出水槽末端均安裝有90°三角堰，通過超聲波液位計與無紙記錄儀連接，對進(jìn)、出水流量進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測.

現(xiàn)場實驗分為兩個階段，第一階段為2016年的汛期(4月到9月)，第二階段為2017年的6月到9月.兩個階段設(shè)施產(chǎn)生明顯出流，獲得完整水質(zhì)檢測數(shù)據(jù)的降雨事件分別有11場和8場.

相關(guān)降雨事件的特征見表1.

表1 監(jiān)測降雨事件的降雨特征Tab.1 Characteristics of monitoring rainfall events

基質(zhì)樣品采集方法：在2016年3月和10月兩個時間點(diǎn)，分別從設(shè)施中收集基質(zhì)樣品，測定N在基質(zhì)中的含量.樣品采集斷面共A、B、C和D 4個，如圖1所示.在每個斷面不同部位收集3個長約60 cm的基質(zhì)柱，并將其分為對應(yīng)于0～10、10～30和30～60 cm深度的3個部分.測量時，將同一斷面3個不同部位相同深度的樣品各取100 g，混合成1個樣品后按照標(biāo)準(zhǔn)方法測定N含量[16].

植物采集方法：在2016年11月對設(shè)施植物進(jìn)行收割.對收割后的植物葉長進(jìn)行測定，之后對植物自然風(fēng)干脫水，對其干重進(jìn)行測定.

1.3 數(shù)據(jù)處理方法

各監(jiān)測污染物均檢測過程樣，結(jié)合流量檢測結(jié)果，計算出污染物的降雨事件平均質(zhì)量濃度(EMC).相關(guān)數(shù)據(jù)的顯著性和相關(guān)性分析均采用IBMSPSS 20軟件完成.進(jìn)、出水污染物質(zhì)量濃度的數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布，部分?jǐn)?shù)據(jù)存在方差不齊性的情況，故采用單因素方差分析中的Games Howell方法.相關(guān)性分析采用皮爾遜相關(guān)系數(shù)表征.

2 結(jié)果與討論

2.1 COD和TSS的去除

以發(fā)酵穩(wěn)定的木屑作為基質(zhì)成分，生物滯留設(shè)施對路面徑流中的COD和TSS有顯著的去除作用(P<0.01)(圖2，圖中△代表進(jìn)出水間污染物質(zhì)量濃度存在顯著性差異)，平均去除率分別達(dá)到75.94%和90.53%.生物滯留設(shè)施去除TSS的機(jī)理僅與濾餅過濾和深層過濾機(jī)制有關(guān)[6, 17]，因此本實驗的TSS去除率與其他研究[18]結(jié)果中TSS去除率相近.進(jìn)水中COD和TSS呈現(xiàn)顯著的強(qiáng)相關(guān)性(皮爾遜系數(shù)為0.821，P< 0.01)，說明進(jìn)水的COD主要以顆粒態(tài)形式存在，因此設(shè)施在進(jìn)水過程中對COD的去除也與過濾作用有關(guān).

圖2 生物滯留設(shè)施對COD、TSS的去除效果 Fig.2 Removal effect of COD and TSS

設(shè)施運(yùn)行的第1年，COD出水平均質(zhì)量濃度為36.22 mg·L-1.對出水中COD質(zhì)量濃度影響因素的分析表明(圖3)，出水中COD質(zhì)量濃度與出水中TSS質(zhì)量濃度以及降雨事件發(fā)生時的氣溫有顯著相關(guān)(RCOD= 0.927，P< 0.01；RTSS= 0.699，P<0.05)，說明一方面設(shè)施出水中COD主要以顆粒的形式存在，另一方面隨著氣溫升高而COD質(zhì)量濃度也會升高.由于COD主要以顆粒態(tài)形式存在，設(shè)施基質(zhì)能通過過濾作用去除大部分的COD和TSS，因此進(jìn)水中COD和TSS質(zhì)量濃度變化，不是導(dǎo)致出水COD和TSS濃度上升的主要原因(RCOD= 0.489，P>0.050；RTSS=0.195，P> 0.05).

圖3 日平均氣溫與出水COD、TSS質(zhì)量濃度的關(guān)系Fig.3 Daily average temperature versus COD and TSS mass concentration of effluent

COD質(zhì)量濃度升高與使用木屑有機(jī)物的分解淋出作用有關(guān).雖然本研究中所使用木屑經(jīng)穩(wěn)定化處理，但是與文獻(xiàn)報道[19-20]的腐熟度較高的堆肥相比，所使用木屑的碳氮比是堆肥物的一倍，因此設(shè)施在第1年運(yùn)行時木屑中存在大量易降解的有機(jī)物，這些有機(jī)物會隨著溫度升高，微生物活性增加，大量分解淋出，相似的現(xiàn)象在王建軍等[21]的研究中被觀察到.

對比設(shè)施使用第1年和第2年的出水水質(zhì)(圖4)可以發(fā)現(xiàn)，在相似溫度范圍內(nèi)(18～30 ℃)，第2年出水COD和TSS出水質(zhì)量濃度下降明顯(P<0.05).第2年出水中TSS和COD的平均質(zhì)量濃度僅為20.89和10.88 mg·L-1，全部降雨事件出水COD質(zhì)量濃度均滿足地表水Ⅳ類標(biāo)準(zhǔn).此外，第2年設(shè)施出水中COD和TSS的質(zhì)量濃度沒有相關(guān)性(R=-0.204，P=0.629)，說明設(shè)施經(jīng)過1年使用后，木屑經(jīng)降解、破碎淋出的顆粒物與有機(jī)物質(zhì)量濃度大幅度減小，木屑降解不再是出水中COD的主要來源，這是設(shè)施第2年出水中COD和TSS質(zhì)量濃度沒有上升趨勢的原因.這說明長期運(yùn)行的生物滯留設(shè)施出水不會受到添加有機(jī)物的影響.

圖4 設(shè)施2年運(yùn)行過程中出水中COD、TSS 質(zhì)量濃度變化 Fig.4 Change of COD and TSS concentration in effluent in the two-year operation

2.2 N和P的去除

使用木屑作為基質(zhì)有機(jī)成分，第1年設(shè)施出水中的TN和TP平均質(zhì)量濃度均低于進(jìn)水(P<0.05)(圖5，圖中△代表進(jìn)出水間污染物質(zhì)量濃度存在顯著性差異，□代表2年間出水污染物質(zhì)量濃度存在顯著性差異.)，出水中TN、TP的平均質(zhì)量濃度分別為2.72和0.16 mg·L-1，低于使用堆肥為基質(zhì)有機(jī)組分的現(xiàn)場設(shè)施中N和P的出水質(zhì)量濃度[9].TN和TP平均去除率為37.8%和75.7%，明顯優(yōu)于國外相關(guān)現(xiàn)場監(jiān)測的結(jié)果(表2).

由于設(shè)施的處理對象為高架道路徑流，進(jìn)水中營養(yǎng)物質(zhì)質(zhì)量濃度低于城市污水，本設(shè)施在第1年運(yùn)行中TN、NH3-N和TP出水質(zhì)量濃度遠(yuǎn)小于污水回用工藝出水質(zhì)量濃度[22-24].若以《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB3838—2002)作為出水水質(zhì)評價的依據(jù)，設(shè)施出水中TP、NH3-N的平均質(zhì)量濃度符合地表水Ⅳ類，COD出水質(zhì)量濃度符合地表水Ⅴ類，TN接近地表水Ⅴ類，這是污水回用工藝出水水質(zhì)難以達(dá)到的.

生物滯留設(shè)施中N的淋出主要以NO3--N為主.Smith[25]的研究認(rèn)為，設(shè)施對NO3--N去除的主要影響因素是其與基質(zhì)的接觸時間.如表2所示，與其他現(xiàn)場設(shè)施相比，本實驗中設(shè)施的滲透速率大、基質(zhì)層深度小，因此接觸時間相較其他設(shè)施偏小.但由于在基質(zhì)中加入木屑強(qiáng)化設(shè)施的反硝化效果，設(shè)施對TN和NO3--N的去除好于其他現(xiàn)場設(shè)施.

對比第1年和第2年設(shè)施的TP去除情況可知(圖5)，第2年出水的TP質(zhì)量濃度比第1年明顯降低(P<0.05)，平均出水質(zhì)量濃度為0.06 mg·L-1.生物滯留設(shè)施可以依靠基質(zhì)對P的吸附和過濾作用將其截留，出水中的P主要成分是Ortho-P，部分添加堆肥物的設(shè)施正磷酸鹽淋出的質(zhì)量濃度可達(dá)4～6 mg·L-1[9, 26].本實驗進(jìn)出水中測得的Ortho-P質(zhì)量濃度在檢測限以下，TP主要由顆粒態(tài)磷組成.這與王建軍等[21]的實驗結(jié)果一致，即采用木屑作為基質(zhì)的生物滯留設(shè)施出水TP主要以顆粒態(tài)為主，淋出的TP質(zhì)量濃度最高能達(dá)到0.4 mg·L-1.本實驗將木屑先行發(fā)酵穩(wěn)定，出水中TP質(zhì)量濃度最高僅為0.29 mg·L-1，并且隨著設(shè)施運(yùn)行，木屑進(jìn)一步穩(wěn)定，第2年出水中TP質(zhì)量濃度最高僅有0.09 mg·L-1，達(dá)到地表水Ⅱ類(湖庫Ⅳ類)要求，說明采用木屑作為基質(zhì)的現(xiàn)場設(shè)施，與其他現(xiàn)場設(shè)施相比，能有效減少P的淋出.

圖5 生物滯留設(shè)施對營養(yǎng)物質(zhì)的去除 Fig.5 Removal of nutrients by the bioretention system

表2 現(xiàn)場生物滯留池案例進(jìn)出水中營養(yǎng)物質(zhì)質(zhì)量濃度比較Tab.2 Comparison of nutrient concentrations of different field-scale bioretention systems

在2年運(yùn)行過程中，TN出水質(zhì)量濃度無明顯變化(圖5)，說明設(shè)施經(jīng)長期運(yùn)行對TN依然有較好的控制效果.NO3--N在第2年的平均出水濃度比第1年高0.53 mg·L-1, NO3--N在第2年的去除率較第1年下降了約30%.Wan等[29]的研究表明，在添加木屑現(xiàn)場設(shè)施中，影響NO3--N去除率的主要因素是降雨強(qiáng)度，但設(shè)施兩年運(yùn)行過程中，降雨強(qiáng)度間沒有顯著性差異(P=0.415)，因此，NO3--N去除率的下降可能來自于基質(zhì)中可被微生物利用有機(jī)物的減少.

在使用木屑作為基質(zhì)的生物滯留設(shè)施中，出水中均存在Org-N淋出的現(xiàn)象(質(zhì)量濃度為4～10 mg·L-1)[8, 30].對本設(shè)施出水中各形態(tài)N的質(zhì)量濃度對比分析發(fā)現(xiàn)(圖6, 圖中△代表2年出水污染物質(zhì)量濃度存在顯著性差異)，第1年出水中Org-N平均質(zhì)量濃度為1.63 mg·L-1，第2年平均質(zhì)量濃度下降了0.88 mg·L-1(P<0.05)，且場次降雨之間的變化范圍明顯縮小.本研究第2年出水中平均Org-N濃度與沒有添加有機(jī)物的設(shè)施[7]相比沒有明顯差異，說明現(xiàn)場設(shè)施長期運(yùn)行木屑淋出的Org-N得到有效控制.由于Org-N與有毒藻種生長有關(guān)[31]，因此，本設(shè)施較低的Org-N出水質(zhì)量濃度有利于提高出水的景觀利用價值.

圖6 設(shè)施在2年運(yùn)行過程中出水中不同形態(tài)N含量的變化 Fig.6 Changing contents of different N forms in effluent

2.3 基質(zhì)中N濃度變化對植物生長的影響

以木屑替代堆肥物作為基質(zhì)組分，基質(zhì)不同位置處N含量如圖7所示，設(shè)施在建成時基質(zhì)中N的平均含量僅為0.06 mg·g-1.運(yùn)行1年后，基質(zhì)表層中N含量明顯升高(P<0.05)，平均含量為0.11 mg·g-1.在使用堆肥作為基質(zhì)組分的設(shè)施中，N含量為1.7～2.7 mg·g-1[32].盡管本設(shè)施運(yùn)行過程中N在表層和靠近進(jìn)水口部分逐漸積累，但是基質(zhì)的N含量仍低于添加堆肥物的設(shè)施.

設(shè)施中植物(黃菖蒲)前后2年的生長情況見表3.第1年運(yùn)行結(jié)束時，黃菖蒲平均葉長約為63.9 cm，每株干重為4.98 g.在第2年運(yùn)行結(jié)束時植物生長情況較第1年明顯改善，平均葉長增加了36.9%，每株干重增加73.5%，第2年黃菖蒲的葉長與營養(yǎng)物質(zhì)充足時報道的葉長值(71.6～84.6 cm)相似[33-34]，說明隨著設(shè)施的運(yùn)行，雖然基質(zhì)中的營養(yǎng)物質(zhì)含量與直接使用堆肥物的效果存在差距，但是植物生長狀況良好，起始較低的基質(zhì)N、P含量沒有明顯抑制植被的長勢.

a 2017年

b 2016年 圖7 生物滯留設(shè)施運(yùn)行1年前后不同深度介質(zhì)中N 含量變化 Fig.7 Changing contents of N at different depths of the medium

表3 設(shè)施2年運(yùn)行過程中菖蒲生長情況Tab.3 Plant growth of calamus in the two- year operation

3 結(jié)論

(1) 使用木屑作為基質(zhì)有機(jī)成分的生物滯留設(shè)施對高架道路徑流中COD、TSS、TP和TN均有顯著的去除作用，設(shè)施對TN和NO3--N的平均去除率能達(dá)到37.8%和18.6%，明顯優(yōu)于同類現(xiàn)場設(shè)施.出水TP能達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的Ⅲ類水標(biāo)準(zhǔn)，NH3-N能達(dá)到Ⅱ類水標(biāo)準(zhǔn)，出水TN平均質(zhì)量濃度只有2.7 mg·L-1.

(2) 設(shè)施出水中COD和TSS質(zhì)量濃度受到降雨事件發(fā)生時氣溫的影響，使用1年后，出水中COD質(zhì)量濃度大幅下降.第2年監(jiān)測期間，設(shè)施出水COD平均質(zhì)量濃度僅為10.88 mg·L-1，達(dá)到地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)中的Ⅰ類水標(biāo)準(zhǔn).設(shè)施運(yùn)行的第2年，隨著木屑降解趨于穩(wěn)定，出水中TP和Org-N質(zhì)量濃度進(jìn)一步降低，TP出水平均質(zhì)量濃度為0.08 mg·L-1.

(3) 基質(zhì)表層中N含量會隨著設(shè)施運(yùn)行逐漸累積，設(shè)施運(yùn)行1年后，基質(zhì)中氮含量提高了近1倍，植物第2年生長情況好于第1年，株高達(dá)到正常范圍.使用木屑替代堆肥對植物生長影響小，有利于保證生物滯留池出水滿足景觀水體補(bǔ)充水要求.