4种生物滞留填料对径流污染净化效果对比

刘增超，李家科，蒋春博，罗陶然，陈梦杰

(1.省部共建西北旱区生态水利国家重点实验室(西安理工大学)，陕西 西安 710048；2.西安工业大学材料与化工学院，陕西 西安 710021)

生物滞留技术是当前我国海绵城市建设中常用技术之一[1-2]，在雨水径流污染控制、地下水回补及景观生态方面作用显著[3]。就净化机理而言，主要是通过填料、植物和微生物三者之间的复杂物理、化学和生物协同作用实现对径流污染的净化[4]。在生物滞留系统中，填料的作用是影响净化效果的关键，一方面填料可为微生物提供附着表面，另一方面填料还有吸附、离子交换等作用，使得径流污染物得以净化[5]。传统的生物滞留填料常以沙、土为基质，其对径流中主要污染物浓度去除率约为40%[6]。考虑到污染净化的同时，还应使系统保持良好的渗透性能及保水性能，现常在系统中添加一些比表面积大、吸附能力强、通透性好的介质作为特殊填料，如腐殖质、木屑、树皮等有机介质[7-9]，以及沸石、珍珠岩、蛭石、高炉渣、粉煤灰等吸附性矿物介质[10-12]。如马里兰州推荐约50%的沙、30%的土、20%的有机质组成混合填料[7]，北卡罗莱州则推荐在填料中加入3%～5%的有机质[8]，而澳洲莫纳什大学生物滞留技术推广协会则推荐在填料系统添加10%～20%的矿物质[12]以提高填料的净化性能。鉴于加入过多的有机质将造成COD、氮、磷等物质的溶淋现象[13]，进而影响污染物净化效果，本研究在生物滞留系统中添加无机吸附性物质，将沸石、活性炭、珍珠岩、蛭石等吸附剂作为特殊填料；同时以西安城区典型道路径流水质为基础，通过静态摇床吸附试验和等温吸附拟合筛选出一两种吸附能力较强的特殊填料；再将优选出的填料与沙土按一定比例混合开展一次小试试验，模拟生物滞留系统对降雨径流的综合净化效果，以期为生物滞留系统特殊填料选配提供参考。

1 材料与方法

1.1 主要材料与仪器

试验用土取自西安理工大学校园未开发的空地处，沙子取自该校周边某施工工地，以上材料均经自然风干备用；天然绿沸石(粒径2～4 mm)、珍珠岩(粒径3～5 mm)和蛭石(粒径3～6 mm)等特殊填料购自河南信阳某园艺厂，活性炭(粒径1～3 mm)购自江苏泰州某环保材料公司，以上特殊填料使用前先在110℃下烘干2 h备用。

实验仪器主要有NS4型紫外分光光度计、5B-1型化学需氧量快速消解仪、SHA-B型恒温振荡器、BT300-2J型蠕动泵等。

1.2 静态吸附试验

Q=(ρ-ρt)V/m

(1)

式中：Q为填料对污染物的吸附量，mg/g；ρ为溶液初始质量浓度，mg/L；ρt为t时刻溶液质量浓度，mg/L；V为试样体积，L；m为填料质量，g。

1.3 等温吸附模型

恒温条件下固体表面吸附现象，常用朗格缪尔(Langmuir)和弗兰德里希(Freundlich)等温吸附方程来表示吸附量和介质中溶质平衡浓度间的关系[16-17]。Langmuir及Freundlich吸附方程为

(2)

(3)

式中：Qe为平衡吸附量， mg/g；ρe为吸附饱和时的质量浓度， mg/L;a为反映填料的吸附能力的常数；b为填料对污染物的理论最大吸附量， mg/g；c为填料对污染物的吸附强度；d为弗雷德利希常数，反映填料的吸附性能。

1.4 小试试验

将静态吸附试验优选出的填料与沙土按比例混匀并填入自制的生物滞留槽小试装置中，模拟径流参照西安市典型中小降雨的雨量及径流水质，小试装置从上至下依次为植被层、土壤及填料混合层、蓄水模块层，在装置底部的蓄水模块内取样分析其负荷削减率，验证填料对污染物的实际净化效果。生物滞留装置对径流污染物净化率RC及污染负荷削减率RQ计算公式为

(4)

(5)

式中：Vin、Vout分别为入流及出流总水量，m3；ρin、ρout分别为入流及出流污染物平均质量浓度，mg/L。

2 结果与讨论

2.1 静态吸附试验结果分析

b. TN吸附试验。图2为4种填料对模拟径流中TN的等温吸附曲线。从试验结果可知，当TN初始质量浓度为40 mg/L时，分别测得各填料对TN的平衡吸附量：活性炭为0.813 mg/g，绿沸石为0.972 mg/g，珍珠岩为0.675 mg/g，蛭石为0.783 mg/g。

(a) 活性炭

(b) 绿沸石

(c) 珍珠岩

(d) 蛭石图1 4种填料对的等温吸附曲线

(a) 活性炭

(b) 绿沸石

(c) 珍珠岩

(d) 蛭石图2 4种填料对TN的等温吸附曲线

从平衡吸附量看出沸石对TN的吸附性能明显优于其他填料，这与张美兰等[23-24]的研究成果相一致。

c. TP吸附试验。图3为4种填料对模拟径流中TP的等温吸附曲线。从试验结果可知，当TP初始质量浓度为5 mg/L时，分别测得各填料对TP的平衡吸附量：活性炭为0.024 mg/g，绿沸石为0.032 mg/g，珍珠岩为0.028 mg/g，蛭石为0.022 mg/g。沸石对磷具有较好的吸附性能，一方面是其具有较强的吸附能力，另一方面是因为其含有较多的Ca、Fe、Al等金属离子，可以与水中的磷酸根发生沉淀反应[16，25]，从而强化了对磷的吸附性能。珍珠岩具有无数不规则气孔蜂窝状结构的白色颗粒，具有一定的吸附性[26]，其自身含有一定量的铝、铁、钙、镁等化学除磷成分[27-28]，故也表现出较好的除磷效果。

(a) 活性炭

(b) 绿沸石

(c) 珍珠岩

(d) 蛭石图3 4种填料对TP的等温吸附曲线

d. COD吸附试验。图4为4种填料对模拟径流中COD的等温吸附曲线。从试验结果可知，各填料对COD的吸附也存在着吸附量随溶液浓度增大而增长的趋势，约12～15 h后基本达到吸附平衡状态。当COD初始质量浓度为150 mg/L时，分别测得各填料对COD的平衡吸附量：活性炭为2.330 mg/g，绿沸石为1.730 mg/g，珍珠岩为1.478 mg/g，蛭石为1.738 mg/g。活性炭的比表面积大，微孔结构很丰富，且其表面有较丰富的含氧官能团，因此对水相中的有机物具有良好的吸附性能[29-31]。而蛭石结构中存有活性羟基、氧化与还原点等活性中心，可通过电子结合、极性吸附、配位结合以及羟基缩合等形式与某些有机物反应[32-33]，所以在有机物吸附方面，活性炭及蛭石表现出较好的有机物净化性能。

(a) 活性炭

(c) 珍珠岩

(d) 蛭石图4 4种填料对COD的等温吸附曲线

从图1至图4还可以看出两种趋势：一是吸附时间越长，填料对污染物的吸附作用越充分，吸附过程进行至12～15 h后，吸附过程趋于平衡状态；二是随着污染物初始质量浓度的增加，填料的平衡吸附量有所增大，这是由于污染物初始质量浓度越大，填料颗粒周围污染物浓度梯度越大，单位吸附剂可接纳的吸附质越多，因而随污染物初始质量浓度的增大，填料对污染物的吸附量越大[14]。

2.2 等温吸附曲线拟合

等温吸附曲线能反映不同平衡浓度下吸附剂的最大吸附量。最大吸附量可初步反映填料的净化能力，是生物滞留设施填料选择时考虑的重要依据之一[34-35]。

表等温吸附方程及相关参数

表2 TN等温吸附方程及相关参数

表3 TP等温吸附方程及相关参数

b. TN等温吸附曲线拟合。表2为4种填料对TN的等温吸附曲线拟合结果及相关参数，从拟合数据来看，活性炭、绿沸石对TN的等温吸附曲线均可用Langmuir和Freundlich方程拟合，其R2>0.90；而珍珠岩及蛭石对TN的等温吸附更符合Langmuir方程。从Langmuir方程拟合结果可知，填料对TN理论吸附量从大到小顺序为：绿沸石(4.246 3 mg/g)，活性炭(2.705 6 mg/g)，珍珠岩(1.664 4 mg/g)，蛭石(1.350 4 mg/g)，所以在净化TN方面，绿沸石和活性炭可优先考虑。

c. TP等温吸附曲线拟合。表3为TP的等温吸附曲线拟合结果。从表3可见，4种填料对TP的等温吸附曲线均可用Langmuir方程进行拟合；其中活性炭对TP的等温吸附也可采用Freundlich方程进行拟合。从Langmuir方程拟合结果可知，各填料对TP理论吸附量从大到小顺序为：绿沸石(0.102 1 mg/g)，珍珠岩(0.074 0 mg/g)，活性炭(0.039 4 mg/g)，蛭石(0.039 3 mg/g)。故在净化TP方面绿沸石可作为生物滞留设施的理想填料，此外珍珠岩对TP也有较好的吸附性能，也可加以考虑。

d. COD等温吸附曲线拟合。从表4可以看出，活性炭、珍珠岩、蛭石3种填料对COD的等温吸附曲线既可采用Langmuir方程也可采用Freundlich方程进行拟合，而绿沸石更适宜采用Langmuir方程进行拟合。从Langmuir方程拟合结果可知，填料对COD的理论吸附量从大到小顺序为：活性炭(6.891 8 mg/g)，蛭石(3.046 9 mg/g)，绿沸石(2.880 2 mg/g)，珍珠岩(2.855 5 mg/g)。从吸附有机污染物角度看，活性炭可作为较理想的生物滞留填料。

表4 COD等温吸附方程及相关参数

表5 小试试验结果

2.3 小试结果及分析

自制小试装置高100 cm，长60 cm，宽30 cm，由上至下依次为10 cm表面蓄水层，60 cm混合填料层(表面种有麦冬草)、5 cm中砂过滤层、25 cm蓄水模块层，填料以下各层之间以透水土工布隔开，特殊填料选用静态试验中吸附性能较好的绿沸石及活性炭两种。土、沙使用前晾干备用，特殊填料使用前烘干备用；1号装置混合填料层采用V绿沸石∶V沙∶V土=1∶1∶3 进行充填，2号装置采用V活性炭∶V沙∶V土=1∶1∶3进行充填。由于试验用土取自校内空地，无农业面源污染，故在小试前7 d仅将约60 L清水在2 h内泵入装置内以对填料层润洗一遍，以降低填料层溶出物的干扰。

小试试验进水一次，模拟雨强采用西安地区2年一遇120 min降雨[36]计算获得，装置汇流比取1∶10[37]，参考西安地区降雨径流水质[38-39]配置含4种污染物的模拟废水，采用蠕动泵恒速泵入装置内，出水样品采自装置底部蓄水模块中的混合液。各污染物的浓度及相关水量数据见表5。

3 结 论

通过活性炭、绿沸石、珍珠岩和蛭石4种填料对不同初始质量浓度的模拟废水进行静态吸附试验研究，并进行Langmuir型和Freundlich型等温吸附方程拟合，筛选出吸附量较大、污染物去除效率较高的特殊填料，再将其与沙土混合进行小试试验，验证填料的实际净化效果。

本研究仅考虑了填料的吸附性能，尚未开展填料的脱附性能及吸附动力学研究。此外，特殊填料的粒径级配与充填方式、混合填料层污染物淋失效应对水质净化效果的影响在今后的研究中也需加以考虑。

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