降雨間隔和填料組合對生物滯留設(shè)施凈化效果的影響

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,浙江杭州 310009;3.浙江省城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計研究院,浙江杭州 310030)

降雨過程對大氣中懸浮物質(zhì)的淋洗和對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)凈化后排放會對受納水體造成污染,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。國內(nèi)外關(guān)于填料改良開展了大量研究,主要通過在系統(tǒng)中添加一定比例的改良填料來提升系統(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。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TP的去除率高于93%,在最佳運行條件下對氨氮和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TP和TN的去除率能夠達(dá)到78%以上。王金麗等[11]通過沸石、麥飯石和蛭石組合實現(xiàn)對氨氮、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)對磷的去除率由43.2%提升到65.1%。此外,降雨間隔對生物滯留設(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影響系統(tǒng)中微生物群落結(jié)構(gòu)和土壤中酶的擴散,還會影響填料對污染物的吸附效果[13-14]。陳垚等[15]分析了前期干旱天數(shù)對生物滯留系統(tǒng)除氮性能的影響機制,表明前期干旱天數(shù)會改變系統(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)還會影響生物滯留系統(tǒng)中氮的轉(zhuǎn)化機制如硝化、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,針對降雨間隔對于生物滯留設(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)施在實際工程中的應(yīng)用提供參考。

1 方法與材料

1.1 試驗方法

試驗配制了3種填料,并對填料的滲透系數(shù)和持水量進(jìn)行了測定;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實際地表雨水徑流的凈化效果。

1.1.1 填料滲透系數(shù)及持水量測定

裝置如圖1所示,有機玻璃管直徑為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)過濾層、細(xì)沙(粒徑<1 mm)過濾層、填料層、淹沒區(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。淹沒區(qū)上方設(shè)有溢流口。

圖1 滲透系數(shù)測定裝置

采用恒定水頭法測定填料滲透系數(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。自出水口出水開始監(jiān)測出水流量,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,對測得的數(shù)據(jù)取平均值,并通過計算得到滲透系數(shù)。填料持水量通過對試驗進(jìn)水量與出水量之間的差值分析而來。測定結(jié)果如表1所示。

表1 不同類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

試驗裝置如圖2所示,有機玻璃管內(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)過濾層、細(xì)沙(粒徑<1 mm)過濾層、填料層、腐熟樹皮層。填料層上方種植有麥冬。填料層和細(xì)沙層、中沙層和礫石儲水層間鋪設(shè)有透水土工布。

圖2 試驗裝置

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

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

實際地表徑流凈化:降雨間隔為2 d,運行總時長為12 h,其余與不同污染物負(fù)荷試驗相同。

1.1.3 分析方法

1.2 試驗材料

1.2.1 試驗土壤及改良填料

試驗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)國際通用土壤類型分類標(biāo)準(zhǔn)[18],本試驗土壤類型為粉質(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 試驗用水

表3 試驗用水

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柱對氨氮的去除效果隨著試驗的進(jìn)行逐漸變差,低污染物負(fù)荷下去除率僅有56%。氨氮主要通過吸附作用被填料去除,相較于麥飯石和沸石,錳砂對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)定運行后CODCr去除率均大于94%。TP主要通過填料吸附、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TP均有較好的吸附效果。初始運行時,CODCr去除率偏低且波動范圍較大,主要是運行前期填料層部分不穩(wěn)定有機質(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,有機質(zhì)流出較少;隨著運行時間的延長,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。降雨間隔較長時,C柱氨氮的去除效果趨好。降雨間隔為2 d時,C柱氨氮平均去除率為76.9%,降雨間隔為7 d和15 d時的氨氮平均去除率均在92%以上。原因是:較長的降雨間隔下,填料吸附的氨氮長時間停留在填料上,客觀上促進(jìn)了硝化作用,填料表面吸附位點空缺,再次布水時重新吸附氨氮。基于麥飯石和沸石對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,長降雨間隔下(15 d),系統(tǒng)出水CODCr濃度波動性明顯增加。其中,B柱和C柱的波動范圍遠(yuǎn)超A柱,運行首日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)相對穩(wěn)定且持水性能較好,在經(jīng)歷長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)出波動范圍大于A柱和B柱的特性,降雨間隔為2 d時尤為突出,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位相對較少,短降雨間隔下,吸附點位較快被占據(jù),未被吸附的氨氮隨水流流出系統(tǒng)。

2.3 實際雨水地表徑流的凈化效果

表4 生物滯留設(shè)施對實際地表徑流的凈化效果

3 小結(jié)