新型玻璃輕石對(duì)雨水徑流的滲蓄特性與凈化能力*

粟春青 韓夢(mèng)夢(mèng) 魯海燕 羅炘武 許 勇 丁 傲 宮彥章#

(1.深圳文科園林股份有限公司,廣東省園林景觀與生態(tài)恢復(fù)工程技術(shù)研究中心,廣東 深圳 518026;2.南方科技大學(xué)環(huán)境科學(xué)與工程學(xué)院,廣東 深圳 518000)

隨著城市化的推進(jìn),下墊面不透水面積增加,降雨入滲減少,徑流量增加,加劇了城市內(nèi)澇風(fēng)險(xiǎn),同時(shí),徑流攜帶的氮磷污染物易引發(fā)水體富營(yíng)養(yǎng)化和黑臭現(xiàn)象,造成城市及其周邊水環(huán)境污染[1-2]。生物滯留系統(tǒng)是一種基于低影響開(kāi)發(fā)(LID)理念的雨洪管理措施,有利于徑流污染控制與徑流量消減,研究表明,傳統(tǒng)生物滯留系統(tǒng)對(duì)懸浮物、有機(jī)物、重金屬去除率較高,但對(duì)氮磷去除效果不佳,學(xué)者發(fā)現(xiàn)磷的去除效果不理想主要是填料中磷含量高和磷的飽和吸附引起的,氮去除率不高主要是由于傳統(tǒng)生物滯留系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)難以達(dá)到反硝化作用所需要的條件:缺氧環(huán)境及充足的碳源[3]。當(dāng)前研究常在填料中加入改良劑、碳源及創(chuàng)建厭氧環(huán)境等來(lái)改善這一缺陷,研究表明加入藻類[4]、生物炭[5]能提供足夠的碳源強(qiáng)化反硝化作用,柴宏祥等[6]發(fā)現(xiàn)在雨水徑流中無(wú)有機(jī)碳源的情況下,硫鐵礦基質(zhì)的滯留系統(tǒng)仍可實(shí)現(xiàn)反硝化脫氮,對(duì)硝酸鹽氮和總氮(TN)的平均去除率分別為89%和86%,總磷(TP)去除率達(dá)81%。趙東源等[7]的研究表明,沸石、陶瓷濾料和石灰石以質(zhì)量比3∶1∶1配比的混合基質(zhì)除磷效果最優(yōu)。何宇哲[8]研究顯示在復(fù)合系統(tǒng)中添加催化氧化材料和生物炭,氨氮去除率為77.52%～95.40%,COD去除率為57.18%～75.93%。

玻璃輕石是一種輕質(zhì)環(huán)保材料,具有孔隙率高、比表面積大、滲透性好等優(yōu)點(diǎn),廣泛用于水處理、海綿城市、屋頂綠化等領(lǐng)域[9]。硫鐵礦(主要成分為FeS2)即黃鐵礦,是地殼中分布最廣的礦物之一,也是硫磺和硫酸的主要原料。研究顯示,硫自養(yǎng)反硝化作為有效的生物脫氮途徑可避免傳統(tǒng)異養(yǎng)反硝化需投加大量碳源的問(wèn)題,在處理低C/N的污廢水方面優(yōu)勢(shì)顯著,并已應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)污水處理中[10],目前,以廢玻璃為原料改性制備新材料已有較多研究[11-12],硫鐵礦生物滯留系統(tǒng)多使用硫鐵礦晶體或粉末,相比沸石等基質(zhì),鐵礦石缺少孔隙,比表面積小,吸附能力較弱[13],有關(guān)硫鐵礦制備新型基質(zhì)的研究還鮮有報(bào)道。

本試驗(yàn)以廢玻璃、硫鐵礦和工程棄土為原料,采用高溫?zé)Y(jié)法制備了一種新型玻璃輕石,通過(guò)模擬生物滯留系統(tǒng)的方法,以沸石、蛭石、陶粒為基礎(chǔ)吸附基質(zhì),分別添加普通玻璃輕石和新型玻璃輕石,研究新型玻璃輕石對(duì)雨水徑流滲蓄能力及污染物凈化的影響,以期為海綿城市建設(shè)和新型玻璃輕石的應(yīng)用提供指導(dǎo)和參考。

1 材料與方法

1.1 試驗(yàn)材料

1.1.1 試驗(yàn)裝置

模擬裝置包括進(jìn)水桶、潛水泵、供水管線、滲濾柱(見(jiàn)圖1),其中進(jìn)水桶盛放配制的模擬雨水,容積為50 L,用潛水泵將模擬雨水通過(guò)供水管線引入各滲濾柱。滲濾柱為主體,采用聚氯乙烯(PVC)管制成,基質(zhì)有效裝填高度為680 mm,管頂預(yù)留70 mm的溢流層,為進(jìn)水口。分別在滲濾柱側(cè)壁自底部往上25、175、325、475 mm的位置設(shè)1個(gè)出水口,共計(jì)4個(gè),出水口直徑10 mm,并接細(xì)PVC管,以最末端出水口4為最終出水。試驗(yàn)共6個(gè)處理,同一處理設(shè)3個(gè)重復(fù)且并聯(lián)運(yùn)行。

圖1 裝置示意圖

1.1.2 供試基質(zhì)

滲濾柱自下而上依次為集水層、滲濾層、吸附層及溢流層,基質(zhì)組合配比見(jiàn)表1,基質(zhì)材料信息見(jiàn)表2。新型玻璃輕石制備方法如下:將玻璃粉60～80 g、硫鐵礦粉25～35 g、工程棄土5～10 g、高溫發(fā)泡劑綠碳化硅微粉5～8 g研磨混合均勻,研磨后粉末粒徑≥100目,加水15～30 mL制成混合料后放入馬弗爐中,在400～450 ℃條件下預(yù)熱20～25 min,在680～780 ℃條件下燒結(jié)15～25 min且中途翻面,退火15～25 min,得到新型玻璃輕石,該新型玻璃輕石為無(wú)機(jī)多孔材料。

表1 滲濾柱基質(zhì)組合

表2 滲濾柱基質(zhì)材料信息

1.1.3 模擬雨水

以參考文獻(xiàn)[14]提供的深圳降雨時(shí)期水質(zhì)數(shù)據(jù)為依據(jù)配制模擬雨水,具體配比如下:NH4Cl為(30.0±0.5) mg/L,KNO3為(72.5±1.0) mg/L,KH2PO4為(17.5±0.5) mg/L,C6H12O6為(250±2) mg/L,用自來(lái)水溶解并混勻,使用當(dāng)天配置[15]1953。

1.2 試驗(yàn)方法

1.2.1 滲濾柱的滯水率測(cè)定

開(kāi)始運(yùn)行時(shí),用塑料薄膜封住各裝置出水口,向滲濾柱中持續(xù)加入10～15 L模擬雨水直到飽和,溢流層液面不再下降,記錄加入的總水量,靜置3～6 h后打開(kāi)出水口4,收集滲出的水并測(cè)定,計(jì)算裝置滯水率。

1.2.2 滲濾柱的滲濾速度測(cè)定

采用常水頭法,封住各裝置的上面3個(gè)出水口,持續(xù)向滲濾柱中加入模擬雨水,保證溢流層液面在一定高度,待系統(tǒng)穩(wěn)定后,計(jì)時(shí)1 min在出水口4收集滲出的水并測(cè)定,連續(xù)測(cè)定3～5次,計(jì)算其滲濾速度。

1.2.3 滲濾柱對(duì)雨水污染物的去除能力試驗(yàn)

本試驗(yàn)于2022年10—12月在深圳文科園林股份有限公司研發(fā)部龍崗實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行,氣溫為10～30 ℃,空氣濕度為40%～50%。試驗(yàn)自9:00開(kāi)始布水,17:00停止進(jìn)水,保持單個(gè)滲濾柱以4 L/h的速度進(jìn)水,系統(tǒng)持續(xù)運(yùn)行時(shí),只打開(kāi)出水口4讓多余雨水流出并將其接走倒掉,分別于5、10、20、30、40 h水力停留時(shí)間(HRT)時(shí)取全部出水口的水樣,同時(shí)在進(jìn)水桶中取當(dāng)次模擬雨水水樣;取某一出水口水樣時(shí)須封住其余3個(gè)出水口,進(jìn)水初期水流沖刷基質(zhì),攜帶出部分填充物質(zhì),待出水穩(wěn)定、無(wú)泥沙流出后用錐形瓶采集出水,過(guò)濾后4 ℃保存,每批水樣在3天內(nèi)測(cè)完全部水質(zhì)指標(biāo)[15]1953。當(dāng)天運(yùn)行完成后關(guān)閉水閥,打開(kāi)出水口4放空滲濾柱的水。

1.2.4 水質(zhì)指標(biāo)分析方法

TN采用堿性過(guò)硫酸鉀消解紫外分光光度法測(cè)定;TP采用過(guò)硫酸鉀消解分光光度法測(cè)定;氨氮采用納氏試劑分光光度法測(cè)定;化學(xué)需氧量(COD)采用重鉻酸鹽滴定法測(cè)定[15]1953,[16]。

1.3 數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析

采用Excel 2016進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與作圖,采用SPSS 17.0進(jìn)行方差分析、多重比較和相關(guān)性分析,用Duncan法檢驗(yàn)差異顯著性。滯水率、滲濾速度、污染物的去除率計(jì)算公式如下:

Ea=(Q進(jìn)-Q出)/Q進(jìn)×100%

(1)

V滲=(10×Qn×L)/[Tn×S×(h+L)]×60

(2)

R=(C進(jìn)-C出)/C進(jìn)×100%

(3)

式中:Ea為滯水率,%;Q進(jìn)、Q出分別為進(jìn)水總量、出水總量,L;V滲為滲濾速度,mm/h;Qn為單位時(shí)間內(nèi)滲出水量,mL;Tn為間隔時(shí)間,min;L為基質(zhì)填充厚度,cm;h為水層厚度,cm;S為滲濾柱橫截面積,cm2。R為污染物去除率,%;C進(jìn)為進(jìn)水的污染物質(zhì)量濃度,mg/L;C出為最終出水污染物質(zhì)量濃度,mg/L。

2 結(jié)果與分析

2.1 不同基質(zhì)處理的滯水率和滲濾速度

如表3所示,各處理的滯水率及滲濾速度均以處理3最大,分別為54.41%、533.98 mm/h,均以處理6最小,分別為48.97%、284.79 mm/h;混合裝填時(shí)(處理4～6),基質(zhì)之間相互填充空隙,滯水率和滲濾速度小于分層裝填處理(處理1～3)。滲濾柱上層吸附層為高透水性基質(zhì),中下層(滲濾層、集水層)基質(zhì)粒徑減小,該結(jié)構(gòu)降低了設(shè)施堵塞風(fēng)險(xiǎn),滯蓄能力較好,同時(shí)理論上在特大暴雨(24 h降水總量>250 mm)天氣下,各滲濾柱仍具有良好的滲透性能,與王鑫等[15]1953的研究結(jié)果相似。

表3 不同基質(zhì)處理的滯水率和滲濾速度

2.2 不同基質(zhì)處理的污染物去除效果

2.2.1 不同基質(zhì)處理的TN去除效果

如圖2所示,不同基質(zhì)處理在同一HRT和出水口下的出水TN濃度存在差異。HRT=5 h時(shí),出水口1、2以處理1的TN濃度最低,出水口3、4均以處理3最低;HRT為10～20 h時(shí)各出水口總體以處理3濃度較低;HRT為30～40 h時(shí)各出水口的TN濃度均以處理4最高。各處理出水TN濃度隨基質(zhì)深度增加而降低,總體在出水口4最小并基本穩(wěn)定在5 mg/L以下,符合《再生水回用于景觀水體的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(CJ/T 95—2000),滿足《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),其中,HRT在10～30 h時(shí),新型玻璃輕石處理(處理3、6)最終出水(出水口4)TN質(zhì)量濃度總體小于2 mg/L,達(dá)到《地表水環(huán)境質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)》(GB 3838—2002)Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)中進(jìn)水TN質(zhì)量濃度在7.98～11.87 mg/L,對(duì)比當(dāng)次進(jìn)水與出水口4濃度,5個(gè)HRT下各處理的TN平均去除率在48.31%～84.90%,處理1～6對(duì)TN的最高去除率分別為75.20%、88.42%、92.71%、62.46%、83.55%、89.57%,均以處理3最高,處理4最低。

注:小寫(xiě)字母不同代表同一HRT和出水口不同處理間的差異顯著(P<0.05),下同。

氮的去除主要通過(guò)基質(zhì)吸附沉淀和硝化/反硝化作用實(shí)現(xiàn),由于上層吸附層玻璃輕石、沸石、陶粒等基質(zhì)滲透性較好,大量微孔能提供較好的吸附沉降和微生物生長(zhǎng)條件,下層滲濾層的工程棄土、煤渣、生物炭等基質(zhì)提供了緩釋碳源,密度增大,并處于淹沒(méi)狀態(tài),使雨水在裝置內(nèi)的HRT延長(zhǎng),溶解氧濃度與好氧微生物數(shù)量逐漸減小,發(fā)生了異養(yǎng)反硝化反應(yīng),TN濃度下降幅度增大[17]81,多層結(jié)構(gòu)促進(jìn)了氮的凈化,因而分層裝填處理(處理1～3)的TN去除率大體優(yōu)于混合裝填處理(處理4～6)。新型玻璃輕石處理中亞鐵離子和硫離子可作為電子供體增強(qiáng)反硝化作用,可能形成了硫鐵礦自養(yǎng)/異養(yǎng)反硝化系統(tǒng),從而具有更好的TN去除效率,與李明禮[18]、CHEN等[19]基于硫鐵礦的生物滯留系統(tǒng)取得良好TN去除效果的研究結(jié)果一致。

一定范圍內(nèi)HRT的延長(zhǎng)提高了各處理的TN去除率,除處理5隨HRT增加TN去除率先略有降低隨后增加外,其余處理的TN去除率大體隨HRT增加呈先增后降趨勢(shì),無(wú)統(tǒng)一的最佳HRT。經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間的反硝化后,有機(jī)碳源被大量消耗,異養(yǎng)反硝化過(guò)程被抑制,系統(tǒng)中異養(yǎng)反硝化或?yàn)橹饕聪趸^(guò)程[20]。

2.2.2 不同基質(zhì)處理的氨氮去除效果

由圖3可知,HRT=5 h時(shí),各出水口處理1、3、6的氨氮濃度顯著低于其余處理,且處理1、3、6三者間差異不顯著;HRT為10～30 h時(shí),不同處理在HRT=10 h出水口3、HRT=30 h出水口2氨氮濃度無(wú)顯著差異,其余出水口大多以處理6濃度較小;HRT=40 h時(shí)各出水口處理3、6氨氮濃度低于其余處理,與處理1、4差異顯著。隨基質(zhì)深度增加,各處理氨氮濃度呈降低趨勢(shì),且最終出水(出水口4)大多低于5 mg/L,符合《城市雜用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)》(GB/T 18920—2002)和GB 18918—2002一級(jí)A要求,新型玻璃輕石處理(處理3、6)最終出水氨氮質(zhì)量濃度基本小于2 mg/L,達(dá)到GB 3838—2002中Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。

圖3 不同基質(zhì)處理對(duì)氨氮質(zhì)量濃度和去除率的影響

各處理的氨氮去除率大體隨HRT延長(zhǎng)呈先增后降趨勢(shì),HRT為10～20 h時(shí)達(dá)到最大值,表明隨HRT增加,基質(zhì)的吸附沉淀和生物膜逐漸積累可有效去除氨氮,但超過(guò)一定范圍后,滲濾柱處于厭氧狀態(tài),抑制了硝化作用,同時(shí)可能受污染物重新釋放或發(fā)生可逆反應(yīng)影響,氨氮去除率有所下降[24]297。

2.2.3 不同基質(zhì)處理的TP去除效果

由圖4可知,HRT=5 h時(shí),出水口1、2處理3的TP濃度最低,出水口3、4以處理5濃度較低;HRT為10～20 h時(shí),出水口1～3總體以處理6的TP濃度較低,出水口4均以處理3最低;HRT為30～40 h時(shí)各出水口處理2、3、6的TP濃度較低。

圖4 不同基質(zhì)處理對(duì)TP質(zhì)量濃度和去除率的影響

隨基質(zhì)深度增加,各處理出水TP濃度逐漸下降,均在出水口4最低且大多小于1 mg/L,符合CJ/T 95—2000要求,達(dá)到GB 18918—2002一級(jí)A標(biāo)準(zhǔn)。處理2的最終出水(出水口4)TP≤0.4 mg/L,均能達(dá)到GB 3838—2002中Ⅴ類水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn),其余處理出水僅有部分達(dá)到Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。

試驗(yàn)進(jìn)水TP質(zhì)量濃度為2.14～3.04 mg/L,在不同HRT下各處理對(duì)TP的平均去除率在71.83%～90.78%,以處理4最低,處理2最高,除新型玻璃輕石處理以混合裝填的處理6去除能力較好外,其余處理均以分層裝填效果較好,處理1～6對(duì)TP的最高去除率分別為94.03%、94.15%、95.47%、94.00%、95.06%、97.54%,以處理6最高。磷主要依靠填料吸附過(guò)濾、離子交換和植物吸收去除,并可通過(guò)與一些金屬陽(yáng)離子(如Al3+、Fe2+、Ca2+)的吸附反應(yīng)和化學(xué)沉淀去除[17]79,各處理對(duì)TP的最高去除率均大于90%,這與基質(zhì)本身的性能有關(guān),新型玻璃輕石、玻璃輕石、沸石等材料具有多孔結(jié)構(gòu),比表面積大,有較好的物理截留及吸附作用,同時(shí)滲濾層土壤増加了系統(tǒng)黏度,使基質(zhì)的陽(yáng)離子交換能力較好。此外,新型玻璃輕石中無(wú)定形態(tài)的鐵氧化物易與溶解性磷酸鹽形成沉淀[25],提高了新型玻璃輕石處理(處理3、6)對(duì)TP的去除能力。

除處理3的最終出水TP濃度在HRT=10 h時(shí)達(dá)到最小值外,其余處理均在HRT=5 h時(shí)最小,此時(shí)TP去除率均達(dá)到最大,較長(zhǎng)的HRT使得各處理的TP去除率有所下降,后期基質(zhì)吸附飽和與被吸附磷的解吸是生物滯留系統(tǒng)對(duì)TP凈化效果不穩(wěn)定的主要原因,與仇付國(guó)等[26]的研究結(jié)果相同。

2.2.4 不同基質(zhì)處理的COD去除效果

如圖5所示,HRT=5 h條件下各出水口處理2、3的COD濃度顯著低于其余處理;HRT為10～20 h時(shí)各出水口處理3、6濃度較低;HRT為30～40 h時(shí)各出水口處理2、處理5的濃度較低。各處理出水COD濃度隨基質(zhì)深度增加逐漸減小,在出水口4達(dá)到最佳去除效果,以處理3在HRT=10 h時(shí)的最終出水COD濃度最低(COD≤40 mg/L),達(dá)到GB 3838—2002中Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn)。

圖5 不同基質(zhì)處理對(duì)COD質(zhì)量濃度和去除率的影響

進(jìn)水COD質(zhì)量濃度在248.00～352.00 mg/L,5個(gè)HRT下各處理對(duì)COD的平均去除率為58.64%～74.32%,處理1～6的COD最高去除率分別為70.09%、76.19%、86.84%、67.54%、81.25%、75.00%,處理3最大,處理4最小,表明新型玻璃輕石對(duì)COD去除效果具有提升作用,且分層裝填處理的COD去除率總體優(yōu)于混合裝填處理。

COD主要依靠物理截留、基質(zhì)吸附及微生物氧化降解作用去除,反硝化過(guò)程中厭氧反硝化細(xì)菌需要消耗一定的COD[24]294。除處理5隨HRT延長(zhǎng)COD去除率逐漸提高外,其余處理的COD去除率呈先增后降或波動(dòng)上升趨勢(shì),可能是前期系統(tǒng)微生物數(shù)量少,COD去除率較低;隨HRT增加,碳源減少,中下層逐漸形成厭氧或缺氧的環(huán)境,有利于反硝化細(xì)菌快速繁殖增強(qiáng)反硝化作用,使得COD消耗量增大,因此HRT>10 h時(shí),各處理出水COD含量下降并基本穩(wěn)定,去除率總體大于50%,與朱志強(qiáng)[27]的研究結(jié)果相似。

2.3 不同因素與污染物去除率的相關(guān)性分析

由表4可知,各處理與氨氮去除率呈顯著正相關(guān),與其他污染物去除率均不相關(guān);基質(zhì)深度與各污染物去除率均呈極顯著正相關(guān);HRT與COD去除率呈極顯著正相關(guān),與TP去除率呈極顯著負(fù)相關(guān),而與TN、氨氮去除率相關(guān)性均不顯著;裝填方式僅與COD去除率有顯著相關(guān)性。

表4 不同因素與污染物去除率的相關(guān)性1)

3 結(jié) 論

1) 不同基質(zhì)處理在5個(gè)HRT下對(duì)TN、氨氮、TP、COD的平均去除率分別為48.31%～84.90%、70.83%～91.09%、71.83%～90.78%、58.64%～74.32%,均以新型玻璃輕石處理的去除效果最好,出水水質(zhì)基本達(dá)到GB 3838—2002 Ⅴ類標(biāo)準(zhǔn),對(duì)TN、氨氮、TP、COD的最高去除率分別可達(dá)92.71%、92.81%、97.54%、86.84%,與玻璃輕石、沸石相比,新型玻璃輕石提高了生物滯留系統(tǒng)的氮磷凈化效率。

2) 各生物滯留系統(tǒng)的滯水率為48.97%～54.41%,且具有良好的滲透性能,分層裝填處理一定程度上提高了系統(tǒng)對(duì)TN、TP、COD的去除率,混合裝填處理的氨氮去除率總體好于分層裝填處理。

3) 基質(zhì)深度與各污染物去除率均呈極顯著正相關(guān),TN、氨氮、COD的去除率隨HRT延長(zhǎng)大體呈先增后降趨勢(shì),TP去除率與HRT有極顯著負(fù)相關(guān)性,不同處理對(duì)污染物的去除率無(wú)統(tǒng)一的最佳HRT。