生物炭对生物滞留池水文效果的影响

2018-04-11田婧,刘丹

西南交通大学学报 2018年2期

田　婧,刘　丹

(1.西南交通大学地球科学与环境工程学院,四川成都 610031; 2.Department of Civil and Environmental Engineering,University of Delaware,Newark 19716,DE USA)

生物滞留池(bioretention)是一种基于低影响开发理念(low impact development,LID )的生态可持续雨洪控制与雨水利用设施.它可同时解决城市雨水径流对水文、水质及水体生态带来的冲击,在欧美国家被广泛应用[1].近几年,随着我国大力推广“海绵城市”的设计理念,生物滞留技术在国内也引起了越来越多的关注.生物滞留池有削减洪峰和去除污染物的作用,但其水文效应会受到设计深度、设计面积、填料性质等因素的影响[2],并且对氮素污染物的去除效果也不稳定[3-4].如果能够改善生物滞留池的水力表现和氮素去除,提高单位设计面积下的径流处理能力和污染物负荷去除率,将有利于生物滞留池的进一步推广应用.

生物滞留池内所用的填料土是决定其运行效果的主要因素之一.目前生物滞留池填料土主要采用砂质土,并添加部分有机物,如泥炭藓或堆肥,但填料土的配比并没有通用的标准.在美国特拉华州,生物滞留池填料土由60%(v/v)混凝土砂、20%(v/v)硬木覆盖物和20%(v/v)堆肥组成[5].美国北卡罗来纳州则采用混合均一的85%～88%(w/w)的混凝土砂、8%～12%的粉砂和黏土、3%～5%的有机物(如木屑)为填料土[6].美国马里兰州使用50%～60%(v/v)砂子、20%～30%(v/v)树叶堆肥物、20%～30%(v/v)表层土为生物滞留池填料土[7].有机物的添加可以为生物滞留池中的植物和微生物提供营养物质,同时改善填料土的持水性.但目前使用的有机物多易被降解,同时可能释放过量的营养物质,影响生物滞留池的运行效果.

生物炭(biochar)是生物质在完全或部分缺氧和相对温度“较低”(<700 ℃)的环境下热解炭化产生的固态产物[8].其原料来源广泛(如秸秆、稻壳、木屑、动物粪便、污泥等),可作为有机固体废弃物的再利用途径之一.生物炭的阳离子交换能力强[9],比表面积大[10],孔隙体积丰富[11],有机碳含量高且存在稳定[12].生物炭最早被用作土壤改良剂,可提高土壤炭封存[13],改善营养盐持留[14],提高土壤持水[15],并且强化土壤微生物活性[16].近期研究表明,生物炭还可作为环境修复剂去除溶解态污染物(如氨氮、磷)[17-18],重金属(如Pb、Cu、Zn)[19]和有机污染物[20-21].基于上述特性,若将生物炭加入生物滞留池填料土中或可加强生物滞留池对雨水的持留和污染物的去除能力,加强生物滞留池对污染物负荷的削减.

经室内分批实验初步证明,施用生物炭可提高生物滞留池填料土对氨氮的吸附和对水分的持留能力[22].在此基础上,在美国特拉华大学校园内开展了野外中试实验,在模拟降雨中加入溴示踪剂和硝酸盐,对比分析生物炭对生物滞留池运行效果的影响.因篇幅限制,本文重点讨论在中试实验中生物炭的施用对生物滞留池水文效应的影响.

1　材料与方法

1.1　实验场地

实验场地位于美国特拉华大学北校区的女子社团停车场旁.两个中试规模的生物滞留系统,一个为对照组,一个为实验组,于2014年秋季并排搭建于紧挨停车位草坪浅沟的缓坡中.实验场地的平面布置如图1所示.

图1　中试场地平面布置Fig.1　Outline of pilot-scale field test site

1.2　中试生物滞留系统

中试生物滞留系统由进水监测设施、生物滞留池主体和出水监测设施3部分组成,结构如图2所示.主体部分采用直径为91 cm,高为122 cm的HDPE圆柱箱体;箱体内部从下往上依次为由土工布包裹的环形穿孔管(直径2.5 cm)、5 cm砾石层、15 cm砂石层、76 cm填料土层、5 cm树皮覆盖层和20 cm蓄水层.因本实验阶段重点分析填料土对氮素去除和水分持留的影响,故未在生物滞留池中种植植被,以避免植被的选用对实验结果的影响.穿孔管在箱体外与90 ℃弯管相连,使排水高度提升20 cm,砂石层以下为饱和区.2个PVC管(直径为2.5 cm)竖直安装在主体内,用于监测水位和采集土壤水样.其中,一个用“T”形管与穿孔管相连,另一个底部包裹土工布置于砂石层上方.主体内沿垂直剖面设置7个EC-5土壤水分传感器、2个MPS-2土壤水势及温度传感器和2个RT-1温度传感器(上述传感器均来自Decagon Devices,Pullman,WA,US),安装位置见图2.

出水监测装置采用直径为61 cm,高为122 cm的HDPE圆柱箱体,由排水管与主体相连.箱体正中安装由铝板特制的5 ℃三角堰,流量计算参数已经过校正.采用Sigma 900 MAX自动采样器(Hach,Loveland,CO,US)在堰后采集水样,并连接淹没式压力传感器(Hach,Loveland,CO,US)实时读取堰前水面高度,计算出水流量.出水最终由地下排水管(直径5 cm)排入附近现有的滞留池.

图2　中试生物滞留系统侧剖图及监测采样示意图(单位:cm)Fig.2　Section view of a pilot-scale bioretention system and sampling points (unit:cm)

采用HDPE半圆形水渠(直径40 cm)沿停车位铺设进水设施,收集来自停车场的雨水径流.雨水在水渠内被高为15 cm的挡板截留,并由两根PVC管分别导入两个生物滞留池主体.采用一个Globalwater WS755雨水采样器协同两个Globalwater SPX在线低流速流量表(Globalwater,College Station,TX,US)实施对进水水样的采集和流速监测.两个生物滞留系统的唯一区别是填料土层所用填料不同.

1.3　实验材料

依据北卡罗来纳州雨洪最优管理手册[23]的指导配制对照组填料土,由88%C33混凝土砂、8%粉砂和黏土、4%木屑按质量比均匀混合而成.实验组填料土是在已配制好的对照填料土中添加4%(w/w)soil reefTM(SR)生物炭,均匀混合而成.SR生物炭利用美国南部的黄松木屑在缺氧且温度为550 ℃的持续流动热解系统中热解10 min而成,由The Biochar Company (Berwyn,PA,US)提供.

对照组和实验组填料土的理化性质见表1.砾石层和砂石层分别填入砾石(中值粒径D50=5 mm)和粗砂(D50=0.85 mm);覆盖层为TimberlineTM硬木树皮(The Home Depot,Newark,DE,US).

1.4　导水率实验

填料土导水率的测定于2015年4月进行,仅在此实验前将填料土上方的树皮覆盖层移除.采用圆盘入渗仪分别测定两组填料土在不同压力水头下(-9、-6、-3、0 cm)的稳定入渗率,再运用DISC软件计算填料土在所测压力水头范围内的导水率.DISC是由van Genuchten团队开发的用于分析圆盘入渗仪数据以估计非饱和土壤水力特征参数的软件[24].

表1　填料土理化性质Tab.1　Physicochemical properties of filter media

1.5　运用溴示踪剂的模拟降雨实验

现阶段为了控制进水成分,两个生物滞留池主体均未与进水设施相连,不接收地表径流和自然降雨.模拟降雨实验共进行了3次,实验日期、程序及所用试剂见表2.

3次实验流程相似,分为稳流阶段、示踪剂脉冲阶段和示踪剂回收阶段.具体步骤为:先向生物滞留池通入不少于3 h的脱氯自来水,使生物滞留池达到稳流状态;通入由脱氯自来水配制的溴示踪剂(KBr)和硝酸盐(NaNO3)溶液约0.5 h;最后再通入不含溴示踪剂的脱氯自来水或硝酸盐溶液足够长时间,保证Br全部回收.采用花洒布水使水流均匀分布于生物滞留池表面.进水溶液全部配制于容积为200 L的干净塑料桶内,由蠕动泵连接花洒均匀布水于生物滞留池内.进水流量为36 L/h ,相当于水力负荷5.5 cm/h.以第1次实验总时长 24 h 为例,该水力负荷模拟的是美国特拉华州纽瓦克市降雨,重现期为1 a,降雨历时24 h,总降雨深度6.8 cm,生物滞留池设计面积为汇水面积5%的雨水径流处理量.

表2　田间实验过程及溴和硝态氮在不同阶段的平均施用浓度Tab.2　Procedures of the field tests and the mean concentrations of Br and NO 3 -N at different stages

2　结果与分析

2.1　生物炭对导水率的影响

如图3所示,生物炭的添加使填料土的饱和导水率从0.003 5 cm/s提高到0.005 3 cm/s,增大了1.5倍.生物炭的添加对填料土粒径分布的影响不大,D50不变;然而生物炭减小了填料土容重,增加了填料土总孔隙率(表1),从而增大了水流的通过路径;此外,生物炭有机质含量高,有助于土壤团聚体的形成和稳定,从而进一步增加了土壤颗粒间的孔隙[25-26],随着压力水头的增大,生物炭对填料土导水率的影响逐渐减小,当压力水头大于0时,实验组填料土的导水率与对照组近似或略小.生物炭对填料土导水性能的改善符合生物滞留池的要求,在压力水头为正时加快雨水下渗,避免溢流;在压力水头为负时,下渗减慢,增加保水.

图3　填料土非饱和导水率Fig.3　Unsaturated hydraulic conductivity of filter media

2.2　生物炭对水力停留时间的影响

生物滞留池在溴示踪剂加入之前均已达到稳流状态,即出水流量等于进水流量.稳流后,100 mg/L的Br在0.5 h内加入生物滞留池,出水中Br浓度随时间的变化可反映水流在生物滞留池内的流动模式(图4).溴示踪剂回收率R按式(1)计算.

(1)

式中:C0为进水Br浓度,mg/L;

C(t)为出水Br浓度,mg/L;

Qin(t)为进水流量,mg/L;

Qout(t)为出水流量,mg/L;

t为以示踪剂加入为零点的时间,h.

两组生物滞留池在3次实验中的Br回收率见表3.对照组Br平均回收率为88.5%,实验组略低,为81.8%.实验组较对照组少回收Br约7%,其原因可能是实验组中加入的生物炭富含孔隙,可持留更多的水分,进而也持留了水分中的Br,减少了回收率.

表3　中试生物滞留池水力表现Tab.3　Hydraulic performance of pilot-scale bioretention

由图4可知:3次实验中,Br在加入生物滞留池后1～2 h开始流出,实验组Br的平均出流时长为18 h,在5～7 h处达到浓度峰值7～8 mg/L;对照组Br的平均出流时长为15 h,在4～6 h处达到浓度峰值7～13 mg/L.可见实验组中生物炭的施用可以延长径流集中时间,延缓洪峰时间,减小洪峰流量.通过计算Br在主体内的平均停留时间T可以更准确地评价生物炭对生物滞留池水力停留时间的影响,其算法如式(2).

(2)

由表3可知:施用了生物炭的实验组生物滞留池3次实验的平均水力停留时间为7.4 h,较对照组分别延长了0.9、0.8 h和3.1 h.对照组在第3次实验中水力停留时间明显缩短,可能是由于实验场地附近的动物对填料土进行了扰动而形成了优先流.前两次实验中,近1 h平均水力停留时间的延长应归功于生物炭的添加增加了填料土的孔隙体积.生物炭施用对生物滞留池水力停留时间的延长将有利于系统内氧化还原和生物转化反应的发生,进而加强对营养盐污染物的去除[27].Lucas等[28]也发现延长生物滞留系统的水力停留时间可增加氮的去除效果.

2.3　生物炭对持水量的影响

3次实验结束时刻渗流区不同深度的体积含水量,即实验期间渗流区最大含水量如图5所示.

因渗流区紧挨饱和区,受毛细管力作用,渗流区底部含水量接近饱和含水量,随着高度的上升,含水量逐渐减小.此处的饱和含水率小于填料土的总孔隙率(表1),是因为中试条件下无法保证饱和区内无气泡形成.实验组含水量明显大于对照组,在第2次实验中,对照组的表层含水量异常增大,并超过了实验组含水量,这是由于该次实验中对照组表层出现了积水现象.

渗流区的总持水量可由式(3)计算.

(3)

式中:∀为渗流区总持水量,L;

A为渗流区横截面积,cm2;

θV(D)为渗流区不同深度体积含水量,cm3/m3;

D为渗流区深度,cm.

两组生物滞留池渗流区在3次实验中的持水量见表3.施用生物炭的实验组在3次实验中的持水量相比对照组均有明显提高,分别增加了23%、11%和13%.Beck等[29]将生物炭加入绿色屋顶用土中,也发现7%(w/w)的生物炭在接近饱和的条件下可增加绿色屋顶4.4%的持水量.生物炭的施用使雨水更多滞留在生物滞留池填料土内,经蒸发或蒸腾作用进入大气,减少雨水径流的排出量,从而有助于从量上减少污染物负荷.

3　结　论

4%(w/w)生物炭的施用于传统生物滞留池填料土中,提高了生物滞留池的饱和导水率近1.5倍;同时在3次模拟降雨实验中,延长了溴示踪剂在系统内的平均停留时间近1 h ,降低了溴示踪剂在出水中的峰值浓度约25%～63%,推延了出峰时间,平均提高了生物滞留池的渗流区持水量约15%.生物炭对生物滞留池上述水文效应的改善将有助于减少溢流的发生,削减洪峰流量和径流体积,延缓洪峰时间,降低径流的污染负荷,全面提高运行效率.

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(编辑:徐萍)