碳源種類(lèi)及其添加量對(duì)生物滯留性能的影響研究

王前朋，陳韜，裘娜

(1.北京建筑大學(xué) 城市雨水系統(tǒng)與水環(huán)境教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100044； 2.北京市市政工程設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100082)

生物滯留系統(tǒng)可削減雨水徑流氮素污染。其中，微生物的硝化和反硝化作用是氮素永久去除的主要途徑[1-3]。研究發(fā)現(xiàn)，部分雨水徑流可生化性較差，反硝化菌所需碳源不足，降低了系統(tǒng)的脫氮效率[4]。外加碳源可提高系統(tǒng)的脫氮效果，尤其是對(duì)硝氮的去除[5-6]。

天然碳源存在釋碳量不穩(wěn)定、釋放速率先快后慢等缺點(diǎn)[7-8]。對(duì)天然碳源改性預(yù)處理使釋碳速率更穩(wěn)定，可有效協(xié)助生物滯留系統(tǒng)脫氮[9-12]。

綜上，本實(shí)驗(yàn)選取發(fā)酵木屑、腐熟落葉和泥炭土等發(fā)酵改性材料作為研究對(duì)象，探究碳源種類(lèi)和添加量對(duì)系統(tǒng)性能的影響，以期為生物滯留外加碳源協(xié)助脫氮提供理論參考。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 材料

選取發(fā)酵木屑、腐熟落葉和泥炭土為實(shí)驗(yàn)碳源，分別購(gòu)于原生態(tài)居家生物坊、隆軒君子蘭苑和山南三營(yíng)養(yǎng)土。發(fā)酵木屑、泥炭土自然風(fēng)干后去除大顆粒，腐熟落葉自然風(fēng)干后過(guò)0.45 cm標(biāo)準(zhǔn)篩，碳源經(jīng)處理后裝入樣品袋置于干燥器中備用。

土壤層采用校園綠地土壤(自然風(fēng)干后過(guò)0.45 cm 篩)、天然河沙(直徑1～1.5 mm)、碳源按不同配比(質(zhì)量比)作為填料，礫石層為級(jí)配碎石(直徑0.075～26.5 mm)，卵石層為天然鵝卵石(直徑20～30 mm)。

1.2 實(shí)驗(yàn)裝置

生物滯留模擬裝置構(gòu)造見(jiàn)圖1，采用內(nèi)徑200 mm 有機(jī)玻璃和PVC排水管制成的圓柱形結(jié)構(gòu)。其主體高度為950 mm，自上而下分別為150 mm 淹沒(méi)層、400 mm土壤層、100 mm碎石層和300 mm卵石層構(gòu)成，配有嵌入式排水管便于取樣和排水。模擬柱內(nèi)壁用砂打磨粗糙以降低雨水沿內(nèi)壁優(yōu)先下滲，柱身貼有錫紙用于模擬土壤黑暗條件。

實(shí)驗(yàn)共設(shè)計(jì)7組生物滯留模擬裝置，均種植本地區(qū)常用景觀綠化植物麥冬草。各裝置基質(zhì)組成參考美國(guó)雨洪管理手冊(cè)，各裝置中基質(zhì)的具體組成見(jiàn)表1。

表1 生物滯留系統(tǒng)的基質(zhì)組成Table 1 Substrates composition of bioretention devices

1.3 系統(tǒng)運(yùn)行條件

系統(tǒng)建成后，即進(jìn)入預(yù)培養(yǎng)階段，此階段持續(xù)1個(gè)月。預(yù)培養(yǎng)階段進(jìn)水為脫氯自來(lái)水，降雨間隔為4 d，模擬降雨強(qiáng)度為9.03 mm/h，水力負(fù)荷為150.4 L/(h·m2)，降雨持續(xù)時(shí)間為2 h，降雨結(jié)束后測(cè)量系統(tǒng)滲透系數(shù)，12 h后裝置排水放空。預(yù)培養(yǎng)階段之后系統(tǒng)進(jìn)入正常實(shí)驗(yàn)階段，此階段持續(xù)72 h。實(shí)驗(yàn)階段進(jìn)水使用人工配水，水力條件同預(yù)培養(yǎng)階段一致，72 h后裝置排水放空。

1.4 樣品采集與測(cè)定

2 結(jié)果與討論

2.1 水力性能

各實(shí)驗(yàn)組的滲透系數(shù)隨預(yù)培養(yǎng)時(shí)間的變化情況見(jiàn)圖2。

由圖2可知，滲透系數(shù)整體隨時(shí)間快速下降后趨于平穩(wěn)，添加組普遍優(yōu)于對(duì)照組然而無(wú)數(shù)量級(jí)程度的差異。SH、LH和LL組的滲透系數(shù)均呈現(xiàn)先上升后下降，其中SH和LL組的滲透系數(shù)在下降階段均快于LH組，且LH組的滲透系數(shù)在預(yù)培養(yǎng)結(jié)束后仍具有下降趨勢(shì)且高于其他組。預(yù)培養(yǎng)階段結(jié)束后，LH組滲透系數(shù)為5.50×10-4m/s，其余各組穩(wěn)定在1.36×10-4～3.01×10-4m/s，PH、PL和BK組滲透系數(shù)變化趨勢(shì)具有一致性。所有實(shí)驗(yàn)組按土壤水文分類(lèi)均屬于A類(lèi)土，即能夠滿(mǎn)足生物滯留設(shè)施的滲透性能需求。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，外加碳源能夠提升系統(tǒng)滲透性能，但碳源種類(lèi)和添加量的不同使得滲透系數(shù)變化規(guī)律具有差異性。對(duì)比分析SH、SL和BK組發(fā)現(xiàn)，SL和BK組的滲透系數(shù)變化趨勢(shì)相似，而SH組的滲透系數(shù)呈現(xiàn)前期增加后期快速下降，推測(cè)由于發(fā)酵木屑在前期分解相對(duì)較快而導(dǎo)致孔隙數(shù)量增加，隨時(shí)間推移分解速率降低同時(shí)孔隙被填充，導(dǎo)致滲透性能下降，SL組發(fā)酵木屑添加量低使得滲透系數(shù)變化不明顯。

LH和LL組的滲透系數(shù)變化與BK組具有顯著的差異，推測(cè)LH組由于腐熟落葉呈片狀易與土壤交界處形成孔隙通道，易使雨水優(yōu)先徑流此處，隨著雨水沖刷土葉界面孔隙光滑而導(dǎo)致優(yōu)勢(shì)流作用凸顯，LH組滲透系數(shù)進(jìn)一步增加。但隨著落葉的分解，孔隙通道被破壞使得滲透系數(shù)下降。LL組由于腐熟落葉含量低使得落葉被土壤分隔孤立，優(yōu)勢(shì)流作用被削減，因此滲透系數(shù)呈現(xiàn)小幅上升而隨后下降。PH和PL組為泥炭土添加組，泥炭土黏粒含量高而性質(zhì)接近于土壤，因此呈現(xiàn)與BK組相似的滲透系數(shù)變化規(guī)律。

2.2 水質(zhì)凈化

2.2.1 對(duì)有機(jī)物的去除效果及分析 由圖3整體分析可知，不同碳源、不同添加量對(duì)生物滯留系統(tǒng)COD去除效果影響不顯著。各實(shí)驗(yàn)組在72 h的實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)未發(fā)生COD淋失，COD出水濃度均呈現(xiàn)快速下降然后小幅上升，最后緩慢下降。碳源添加組COD最終出水濃度為134～176 mg/L，對(duì)應(yīng)去除率為51.11%～57.78%，而B(niǎo)K組出水濃度134 mg/L，去除率62.78%。LH組COD出水濃度在0～6 h高于其他組，一是由于腐熟落葉釋碳速率快且多為大分子有機(jī)物，二是LH組滲透速率大，不利于系統(tǒng)對(duì)有機(jī)物攔截去除。出水有機(jī)物來(lái)源于進(jìn)水?dāng)y帶的有機(jī)物以及外加碳源中纖維素、半纖維素、木質(zhì)素等的分解，生物滯留系統(tǒng)中有機(jī)物可通過(guò)攔截過(guò)濾、植物吸收、微生物利用等途徑去除[15]。在9 h處出現(xiàn)低峰而隨后出水COD濃度上升，可能是由于小分子有機(jī)物被微生物直接吸收到細(xì)胞內(nèi)部直接利用或存貯，而大分子有機(jī)物被吸附在胞外，在胞外酶作用下分解為小分子有機(jī)物后部分釋放到水體中。

由圖4可知，UV254出水濃度與碳源添加量呈正相關(guān)，且不同種類(lèi)碳源出水濃度差異性較大。UV254出水濃度前期波動(dòng)而后期穩(wěn)定，主要是因?yàn)檫\(yùn)行初期好氧微生物活性高，分解速率快導(dǎo)致UV254出水濃度高，而隨著系統(tǒng)內(nèi)溶解氧的降低，好氧微生物活性降低。相同添加量下，UV254出水濃度腐熟落葉>泥炭土>發(fā)酵木屑，說(shuō)明發(fā)酵木屑作為生物滯留碳源釋放的有機(jī)物分子量更小，而分子量較小的有機(jī)物更利于微生物利用。各實(shí)驗(yàn)組運(yùn)行后期出水有機(jī)物釋放量相當(dāng)，但有機(jī)物種類(lèi)具有差異。

2.2.3 對(duì)磷的去除效果及分析 生物滯留模擬裝置對(duì)TP的去除效果見(jiàn)圖7。

由圖7可知，在72 h的實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)，添加組和對(duì)照組均未發(fā)生磷素淋出。出水TP濃度整體呈現(xiàn)先下降后上升最終降至平穩(wěn)，最終出水濃度為0.30～1.02 mg/L，去除率達(dá)49.0%～85.0%。TP最低出水濃度普遍出現(xiàn)在6～9 h，最低出水濃度和去除率分別達(dá)到0.02～0.58 mg/L和71.0%～99.0%?？梢?jiàn)，基于優(yōu)選碳源種類(lèi)和碳源添加量的條件下，外加碳源輔助脫氮并不會(huì)引起系統(tǒng)磷素淋失。

各實(shí)驗(yàn)組TP出水濃度變化趨勢(shì)具有一致性，初期TP的快速去除是由于聚磷菌有氧儲(chǔ)磷作用導(dǎo)致，介質(zhì)中溶解氧水平隨時(shí)間推移下降導(dǎo)致聚磷菌釋磷，引起TP出水濃度升高。LH、LL和PH組在3 h 左右TP出水濃度高，是由于聚磷菌難以利用分子量大的有機(jī)物，使得系統(tǒng)初期吸附作用弱于其他組，與前文UV254分析結(jié)果具有一致性。對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)，高添加量組SH、LH和PH組均高于對(duì)應(yīng)低添加量組，且LL組僅低于LH和PH組，說(shuō)明碳源種類(lèi)同添加量一樣均是導(dǎo)致磷素淋失的重要因素，也可知腐熟落葉作為外加碳源不利于系統(tǒng)除磷。

生物滯留對(duì)磷的去除主要通過(guò)基質(zhì)的吸附、微生物以及植物的吸收作用。外加碳源有利于微生物附著繁殖、從而增強(qiáng)微生物對(duì)磷的吸收同化，也可增加介質(zhì)的陽(yáng)離子交換量，進(jìn)而提高對(duì)磷的吸附能力[17]。研究認(rèn)為，隨著有機(jī)物濃度的增加，基質(zhì)的吸附量降低，而微生物的作用越來(lái)越明顯[18]。

3 結(jié)論

(1)外加碳源能夠提升生物滯留系統(tǒng)的滲透系數(shù)，但碳源種類(lèi)和添加量的不同使得滲透系數(shù)變化規(guī)律具有差異性。相同添加量下，腐熟落葉對(duì)系統(tǒng)的滲透系數(shù)提升最顯著，而泥炭土提升效果最弱，但腐熟落葉組在預(yù)培養(yǎng)階段滲透系數(shù)變化波動(dòng)大，不利于系統(tǒng)快速進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，發(fā)酵木屑可作為生物滯留系統(tǒng)水力性能改善的優(yōu)選填料。

(2)外加碳源不能提升生物滯留系統(tǒng)最終脫氮效果，但可使系統(tǒng)脫氮提前發(fā)生，也可降低硝氮淋失風(fēng)險(xiǎn)。LH、LL和SH組對(duì)硝氮去除提前效果最顯著，在12 h左右即可實(shí)現(xiàn)硝氮去除率達(dá)到79.28%～85.48%。除BK組在進(jìn)水12 h后發(fā)生氮素淋失，其余碳源添加組均為發(fā)生硝氮淋失。此外，在實(shí)驗(yàn)周期內(nèi)也未發(fā)生COD、TP淋失。腐熟落葉和發(fā)酵木屑作為外加碳源對(duì)氮素去除影響差異性較小，但腐熟落葉磷素淋失風(fēng)險(xiǎn)高于后者，需兼顧脫氮除磷情況下，發(fā)酵木屑可作為生物滯留協(xié)助脫氮最佳碳源。

(3)從經(jīng)濟(jì)角度分析，相較于傳統(tǒng)生物滯留的砂土填料，外加碳源改良一定程度上增加了系統(tǒng)的前期建設(shè)成本，但能夠同時(shí)兼顧水力性能和水質(zhì)凈化需求，降低雨水徑流對(duì)受納水體環(huán)境的影響，因此其長(zhǎng)期的環(huán)境效益顯著。此外，其他改性填料不僅需要高成本和高頻率的更換，而且舊改性填料需要妥善處理，增加了經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)的同時(shí)易引發(fā)新的環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。相對(duì)而言，發(fā)酵堆肥改性的碳源無(wú)上述缺點(diǎn)，經(jīng)濟(jì)環(huán)境效益更加凸顯。